重金屬污染水體的植物凈化研究進展

陳進樹

(漳州城市職業(yè)學院園林園藝系， 福建漳州 363000)

0 引言

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速推進，伴隨產生的含有重金屬的工業(yè)廢水、生活污水等被排放到環(huán)境中，農業(yè)生產中也存在大量施用含有重金屬的化肥和殺蟲劑，這些重金屬會對環(huán)境生態(tài)和人身健康產生嚴重的影響.重金屬是一類密度在5g/cm3以上的金屬和類金屬[1]，包括金、銀、銅、鐵、汞、鉛、鎘等，環(huán)境污染方面所說的重金屬主要是指汞(水銀)、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等生物毒性顯著的重元素.重金屬污染可存在于空氣、土壤和水體中，其中，空氣、土壤中的大部分的重金屬通過雨水的沉降或者農業(yè)澆灌等作用，最終進入到水體，并長期存在于水體和底部的淤泥中.重金屬在自然界中具有相當高的穩(wěn)定性，難以自然降解，可在環(huán)境中長期存在，通過食物鏈進入生態(tài)系統(tǒng)，對各種生物的生命及生理活動產生影響[2-9]，從而危害生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和穩(wěn)定性，并最終進到人體內，對人類的健康產生嚴重的危害[10,11].所以對水體重金屬的監(jiān)測及去除研究，顯得日益重要.

1 植物對水體重金屬污染的監(jiān)測

水體中的重金屬污染通常具有擴散性、持久性和難治理的特點，尤其是其通常具有一定的聯合生物致毒效應[12]，一旦進入環(huán)境中，由于其難以自然降解，與其他污染(如富營養(yǎng)化、抗生素污染等)相比，對環(huán)境的危害更甚，處理也更麻煩.因此，減少其危害首先是減少重金屬的排放，及時監(jiān)測環(huán)境中重金屬含量.對水體重金屬的定量監(jiān)測主要采用化學分析，但水樣中重金屬的濃度具有可變性，因此直接通過水樣檢測水體中重金屬元素濃度的方法效率較低[13].因此，科學家利用一些動植物對重金屬脅迫比較敏感的特點，對環(huán)境重金屬進行生物監(jiān)測.可進行重金屬監(jiān)測的生物種類多樣[14,15]，植物相對于其他生物，具有比較容易實驗觀察研究，對環(huán)境中重金屬的脅迫比較敏感等特點，成本效益高，是一種很好的重金屬水體污染生物監(jiān)測材料[16,17]，因此更常被采用.運用植物監(jiān)測環(huán)境重金屬的研究中應用較多的是苔蘚.苔蘚個體小，種類繁多，生境分布也多種多樣，多數苔蘚植物耐受重金屬的能力強于陸地上其他高等植物[18]，利用苔蘚植物進行重金屬環(huán)境監(jiān)測是一種比較經濟便利的方法，薄網蘚(Leptodictyumriparium(L.))現已成為重金屬監(jiān)測的模式生物[19].以往利用苔蘚植物主要是進行大氣和土壤環(huán)境重金屬監(jiān)測.劉潤等[20]應用樹附生蘚類監(jiān)測晴隆二十四道拐地區(qū)的重金屬污染.王慧慧等[21]應用銀葉真蘚(Bryumargenteum) 監(jiān)測黔滇高速公路重金屬污染.應用苔蘚進行重金屬監(jiān)測的方法主要有化學分析法、移植比照法、生態(tài)調查法、大氣凈度指數法和苔袋法[22].這些方法，現在有的也應用到水體重金屬的監(jiān)測上.張轉玲等[23]運用苔袋法(MossBag)監(jiān)測貴州草海湖泊因大氣沉降受7種重金屬的污染狀況，為草海的生態(tài)環(huán)境保護提供基礎數據.由于苔蘚植物大多生長在陸地，水生苔蘚種類較少，分布也較稀疏，目前在水體重金屬的監(jiān)測應用還有待于進一步的研究.除苔蘚之外，一些水生植物也常被用于水體的重金屬監(jiān)測研究[24-25]，也取得較好的監(jiān)測效果.另外，重金屬引起水體或者植物性狀的改變，這種變化可為高光譜遙感監(jiān)測感知，遙感監(jiān)測能高效、無損、實時獲取水體重金屬變化的信息，能為評價修復效果提供有力的技術支撐[26-28].

2 植物對水體重金屬的凈化作用

2.1 利用人工濕地去除重金屬

重金屬進入水體后，雖然會隨時間的推移而逐漸減少、毒性或活性也會逐漸降低，但由于重金屬本身的理化特性，這個自然修復的過程能力較弱，所需要的時間也較長，它們大多是在水生生物和沉積物中積累下來[29].當水體中積累下來的重金屬含量達到危害生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定時，對水體重金屬污染的治理就顯得刻不容緩.水體重金屬的人工去除方法，按照處理方式不同，主要有物理，化學，生物等方法[30].生物方法主要是利用植物對重金屬的吸附凈化，包括人工濕地和人工浮床等.人工濕地是人為設計和建造的，以基質、植物及微生物協(xié)同作用，通過物理、化學和生物作用進行污水處理的生態(tài)系統(tǒng).根據處理污水的流動方向，可分為表面流和潛流人工濕地系統(tǒng)兩種類型[31].人工濕地具有凈化成本低廉及增加景觀效果的特點，越來越受科學家的關注[32].葛光環(huán)等[33]研究表流人工濕地中蘆葦對重金屬的吸收，結果顯示Zn、Cu和Cr在濕地蘆葦中的質量分數沿著濕地入口的前3個采樣點呈下降趨勢.余關龍等[34]構建水平潛流人工濕地去除人工配制重金屬的研究，結果顯示該系統(tǒng)對Cd2+和Zn2+的去除效果明顯.趙丹慧等[35]模擬人工濕地研究4種植物對污水中4種重金屬的去除效果，結果表明Cr、Pb、Cu、Zn含量在減小，但不同植物對不同重金屬的去除效果不一樣.另外，不同植物的組合栽種方式(單一或混合)對不同的重金屬凈化效果不同[36].

2.2 利用生態(tài)浮床去除重金屬

雖然人工濕地對重金屬的去除效果明顯，但其受植物種類(水生植物)及水體環(huán)境條件的制約.當受污染水體的地理條件不適合建造人工濕地，或者沒有合適的水生植物時，建造人工生態(tài)浮床是一個很好方法.生態(tài)浮床又稱生態(tài)浮島，是一種人工設計建造的漂浮在水面用來種植植物的結構.其凈化水體的原理與人工濕地一樣，也主要是利用栽種的植物進行污染物的吸收轉移.蔣麗娟等[37]在浮床栽種木本植物，研究其對重金屬污水的凈化作用，結果顯示，浮床栽種的3種木本植物對重金屬Hg、Cd、Cr、Cu具有較強的富集力，對Mn、Zn和Pb具有超富集潛力.生態(tài)浮床雖然對惡劣環(huán)境條件(如大風浪)的抵抗力較弱，但建造成本較低，具有原位修復和增加景觀效果的功能，適合應用在城區(qū)污染水體的凈化處理.隨著研究的逐步深入，今后將更好的應用于重金屬污水的處理.

3 增強植物凈化水體重金屬的方法

3.1 選擇合適的植物

植物只有在適應環(huán)境的前提下才能去除凈化環(huán)境污染物，植物對水體重金屬的去除也是如此.因此，要發(fā)揮植物的凈化作用，首先要深入研究各種植物對各類重金屬的耐受機理，以及這些作用受其他因素的影響.據研究，當水體重金屬較低時，植物生長基本不受影響，甚至有的還有促進作用.而當濃度超過一定值時，則會對植物的生命活動產生明顯的抑制作用，嚴重時甚至會引起死亡[38，39].以往的研究表明，不同的植物對重金屬的耐受能力不同，因此，在不同的地區(qū)，不同的污染物，選擇合適的植物顯得非常重要.

3.2 添加菌根

菌根技術作為一種生物強化技術應用于重金屬污染的植物修復已引起研究者的廣泛關注.菌根是真菌侵染植物根系后在植物根部形成的共生結構.已有大量研究表明菌根能強化植物對重金屬的轉運、富集及根系穩(wěn)定化過程,并通過促進營養(yǎng)物質的吸收利用、穩(wěn)定細胞內氧化還原平衡、調控抗逆性相關基因的表達以及改善根際微生態(tài)環(huán)境等方式提升寄主植物的抗逆性，對植物凈化修復重金屬有極其重要的輔助作用[40-43].栽培基質不單影響植物根系的生長，也影響根系周圍的微生物種群，從而影響植物的生長，最終影響植物吸收凈化水體重金屬的能力.

3.3 選擇合適的基質及添加物

以往的研究表明，不同的栽培基質對植物吸收凈化水體重金屬影響顯著[44].另外，基質中添加生物質碳等材料的基質有助于促進植物生長和增強凈化水體重金屬的能力，這主要是因為生物質碳是具有比表面積大、官能團豐富、穩(wěn)定性高等特點，可直接吸附重金屬和促進植物生長發(fā)育的作用[44-46].

4 展望

(1)加強研究植物對水體重金屬的監(jiān)測水平，及時發(fā)現水體重金屬的濃度變化，在重金屬對整個生態(tài)系統(tǒng)造成比較大的危害之前發(fā)出預警，減輕其危害性.這一方面應當進行篩選和馴化植物，提高其對水體重金屬的監(jiān)測能力.另一方面應當加深研究植物對重金屬反應的遙感監(jiān)測，提高監(jiān)測的實時性和便利性.

(2)加強受污染水體的凈化處理能力研究.植物凈化重金屬污染水體的能力受多種因素的影響，具有重金屬超富集能力的植物，其凈化能力較強，生長狀態(tài)良好的植物，其凈化能力也強.所以，如何篩選、馴化重金屬超富集能力的植物，篩選適合植物生長基質，添加生物基質、新型納米材料的等方法，是增強人工濕地和生態(tài)浮床植物凈化去除水體重金屬的重要研究方向.

(3)利用分子工具更深入的研究理解植物和微生物對金屬的吸附、遷移、隔離和耐受機制，從分子水平進一步了解植物和微生物對水生生態(tài)系統(tǒng)中的生物修復機理，從而提升植物凈化重金屬的能力.