鎘污染廢水處理及土壤修復中植物—微生物聯合運用分析

鄭利明

（廣州機械設計研究所，廣東 廣州 510600）

0 引言

受礦產資源的大規模開采與冶煉、工業生產的快速發展、農藥化肥的過度使用等問題的影響，大量重金屬在土壤與水源中積累與富集，這給生態文明建設工作的推進造成了阻礙?，F階段，為深入踐行“綠水青山就是金山銀山”的生態理念，走可持續發展的道路，聯合應用植物—微生物重金屬治理技術，成為一項極為必要的工作。

1 利用植物—微生物聯合修復鎘污染的意義

在鎘污染治理過程中，植物修復技術屬于原位修復技術，這一技術的應用具有運行成本較低、對環境較為友好、不易產生二次污染、植物富集的鎘金屬能夠二次回收利用等優點。同時就植物本身而言，在存在鎘金屬污染的區域應用植物修復技術可以實現生態環境的美化。盡管植物修復技術有著較高的應用價值，但在實際應用過程中，單一的植物修復技術耗時較長，并且修復效率也比較低。在此背景下，為了切實提升鎘金屬污染的治理效率與質量，聯合應用微生物修復技術與植物修復技術，在保證植物為微生物提供更好的生存條件的同時，令微生物的生長代謝活動與植物的生長代謝活動相互促進，提高植物對鎘金屬的耐受性，增強植物對鎘金屬的吸附性，從而為提升植物修復鎘污染能力、有效治理鎘污染提供技術支持[1]。

2 耐鎘菌株的篩選、檢定與分析

考慮到環境中很多微生物不僅對高濃度的鎘金屬具有較強的耐受性，還能通過自身的作用，減緩鎘金屬富集對自然環境的影響，因此，在當前土壤、水源鎘金屬污染治理工作中，選擇合適的微生物，對污染進行吸附，可以為生態文明的建設提供大力支持?，F階段，為了實現耐鎘菌株的有效篩選，可以先收集鎘污染區域的土壤、水源中存在的微生物，然后對菌株進行分離與培養，再對分離得到的菌株進行耐鎘性檢驗，從收集到的微生物中選擇耐鎘性最好的菌株，最后將篩選出來的耐鎘菌株進行純化培養，以便為后續鎘污染廢水處理及土壤修復工作的順利開展提供實效支持[2]。

3 鎘污染環境下植物的耐性特征

在當前的鎘污染治理過程中，植物修復技術的應用一方面可以實現土壤、水源中鎘金屬的有效富集，切實降低土壤、水源中鎘金屬的含量，進而保護和改善污染區的生態環境；另一方面可以保障該區域的景觀恢復工作順利推進。在應用過程中，為了進一步提升污染治理工作的效率，可以選擇生物量大、生長速度快、抗逆性強、管理難度低的觀賞性、經濟性植物，在保證污染區域鎘金屬得到有效吸收的同時，降低開展污染治理工作的成本[3]。

4 鎘污染環境下植物—微生物聯合運用方法

4.1 鳶尾—耐鎘菌株處理鎘污染廢水

水源是人們賴以生存的重要物質基礎，近年來，受農藥化肥濫用、機動車尾氣大量排放、城市污水與工業廢水肆意傾倒等因素的影響，水體中的鎘金屬離子嚴重超標，不僅會抑制植物的正常生長，還會提高人體細胞突變、癌變的概率。為了實現水體中鎘金屬離子的有效富集，合理應用鳶尾—耐鎘菌株處理技術，對水體中的鎘金屬離子進行處理，成為推動環境友好生態歷程的重要舉措。

4.1.1 材料與方法

本次實驗選取了水生鳶尾作為鎘金屬離子凈化的植被，鳶尾幼苗選自當地某花卉公司，在開展鎘污染廢水凈化處理前，先對鳶尾進行了為期7 d 的培養，保護根系正常生長。在試驗過程中，設置了鳶尾、鳶尾—耐鎘菌株、處理過的鳶尾、處理過的鳶尾—耐鎘菌株、空白對照這5 個對照樣本，每個樣本分別設置了3 個重復。然后將對照組放置在1 L 的容器中進行水培試驗，在每個容器中人工添加鎘離子，添加量依次為 0 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L，模仿鎘金屬離子對水環境造成的污染。本次實驗的所在區域日照充足，并且為了保證容器中水量充足，采用人工補充去離子水的方式，確保每個對照組內的水量始終一致。試驗時長為12 d，每3 d 開展一次采樣分析工作，檢驗水體中金屬離子的去除效果。值得一提的是鳶尾的處理方法，先對鳶尾植株進行殺青處理，并烘干至恒溫，然后用氫氧化鈉溶液浸泡一段時間，再對處理后的鳶尾植株進行清洗、烘干[4]。

在開展數據分析工作時，首先，進行植物樣品的處理工作。在試驗過程中，將鳶尾整株取出置于不同容器內，放在陰涼干燥處瀝干水分，再將鳶尾放入箱內溫度為105 ℃的烘干箱進行30 min 的殺青處理，隨后將溫度調至70 ℃，待鳶尾重量恒定后，停止烘干，將烘干得到的鳶尾裝入密封袋并做好編號標識。其次，做好液體樣品的處理工作。在試驗過程中，每次采集一定量的試驗溶液，將溶液放置在清潔的容器內，貼好標簽。最后，對數據進行處理。在測定樣品中的鎘金屬離子含量時，可以應用原子熒光分光光度計法，同時，為了確保鎘金屬離子含量數據的有效分析，可以運用Excel 軟件對得到的數據信息進行計算與分析；為了進一步提升數據分析工作的直觀性，可以應用Orogin 程序作圖。

4.1.2 結果與討論

去除率指的是吸附到植物內部的重金屬離子占溶液中總金屬離子的比值，去除率越高，說明植物對水體中重金屬離子的吸附效果越好。不同情況下鳶尾對鎘金屬離子的吸附情況如表1 所示。對表1 中的數據進行分析后可以發現，當水體中鎘金屬離子的濃度為50 mg/L 時，鳶尾—耐鎘菌株對金屬離子的吸附效果最好。通過分析鳶尾、經過處理的鳶尾對鎘金屬離子的吸附效果可以發現，在氫氧化鈉的作用下，經過處理的鳶尾增加了重金屬離子附著點，因此相較于普通鳶尾，它能夠處理的鎘金屬污水濃度更高。

表1 不同情況下鳶尾對鎘金屬離子的吸附情況

對實驗過程中鳶尾的吸附情況進行動力學分析可得到如表2 所示的離子內擴散參數，表2 中的Kp指的是內擴散速率常數，單位為 mg·g-1·min-0.5，R2指的是內擴散相關系數。由表2 數據可知，在以下4 種情況下，鳶尾吸附鎘金屬離子的動力學過程并不由單一內擴散控制，在只有鳶尾的情況下，內擴散速率常數不斷增加，在加入耐鎘菌株后，內擴散速率常數數值逐漸下降，在對比兩種情況后發現，加入耐鎘菌株的鳶尾內擴散速率常數始終大于單一的鳶尾。在經過處理的鳶尾實驗組中，內擴散速率常數均是先升高再降低，但從總體上看，加入耐鎘菌株的實驗組內擴散速率常數始終比只經過處理的鳶尾大[5]。

表2 鎘金屬離子吸附過程中離子的內擴散參數

4.2 龍葵—耐鎘菌株處理鎘污染土壤

土壤在生態系統中占據著極為重要的地位，近年來，受各種因素的影響，土壤中鎘金屬離子的含量不斷上升，一方面會影響植株的正常代謝，改變植株的膜透性與遺傳特性，另一方面會減少土壤中微生物的含量與種類。這種情況不僅嚴重降低了土壤的自凈能力，還會隨著食物鏈在人體內匯集更多的鎘金屬離子，進而影響人體健康。現階段，為了實現土壤中鎘金屬離子的有效處理，可以使用一年或多年生茄科茄屬的草本植物龍葵，對土壤中的鎘金屬離子進行吸收。

4.2.1 材料與方法

本試驗主要采用盆栽試驗的方法，判斷出鎘菌株對龍葵吸收鉻金屬離子特性的影響。本次試驗所用盆栽用土取自周邊農田，土壤的理化性質為：土壤的 pH 為 5.9，總 P 為 0.115%，有效 P 為 14 g/kg，總 N為 0.19%，總 Cd 為 0.07%，有效 Cd 為 0.32 g/kg，有效K 為15 g/kg，速效K 為27.5 g/kg。從當地花卉市場購回龍葵種子后，先將其平鋪放在有濕潤濾紙的培養皿中，再將培養皿放置在28 ℃的培養箱內，培養時間為7 d，然后從培養皿的幼苗中選擇長勢較好的幼苗移栽至花盆。在幼苗長至5 cm 時，稱取2 kg的過篩鮮土，加入適量蒸餾水使土壤的濕潤度能夠滿足植物移栽的需要，然后將幼苗移栽至指定的試驗盆缽，并在盆缽表面粘貼編號，培養2 d，觀察幼苗的存活率。在幼苗移栽1 周后，選擇其中長勢較好的幼苗，往盆缽內均勻加入一定濃度的CdCl2·2.5H2O溶液，溶液的鎘金屬離子單一污染濃度水平分別為0 mg/kg、20 mg/kg、40 mg/kg、60 mg/kg，然后在單一鎘金屬離子污染情況下，接種培養好的耐鎘菌株，在龍葵生長過程中，依據土壤實際情況，在盆缽內添加一定的實驗室去離子水，保證土壤濕潤，每次澆水量為50～100 mL。試驗時間共45 d，在龍葵培養過程中，每15 d 施一次肥，進行一次龍葵株高的測定，然后在第45 d，收割植株。

在試驗數據處理分析過程中，首先，對植物樣本進行處理。在第45 d，將龍葵整株帶土從盆缽中取出，以龍葵土壤與空氣連接處作為劃分點，將待割的龍葵分成地上、地下兩部分，用去離子水沖洗龍葵植株根部殘留的泥土，隨后把沖下的泥土收集起來，作為待測土壤的一部分。將龍葵地上、地下部分分別置于不同的容器中，放在干燥陰涼處，瀝干水分，再將龍葵放入在烘干箱，設置烘干溫度為105 ℃，烘干30 min，對龍葵進行殺青處理；一段時間后將溫度調至70 ℃，使龍葵烘干至恒重，測出龍葵地上、地下部分的干重，并將烘干后的龍葵放在密封袋內，做好編號標記。其次，對土壤樣本進行處理，將盆缽中殘留的土壤與龍葵地下部分沖下的土壤收集起來，并用兩次四分法取一定量的土壤，將其進行編號，放在陰涼干燥處風干，剔除土壤中的雜質，并將土壤粉碎后裝袋編號，送至相關公司進行檢測。最后，在龍葵、土壤檢測過程中，相關監測系數分別為：富集系數（BCF）=植物樣本中重金屬濃度/土壤中的重金屬濃度；轉移系數（BTF）=地上部分重金屬含量/地下部分重金屬含量。在檢測過程中，應用的檢測方法為電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP—AES）法。

4.2.2 結果與討論

對檢測后得到的監測數據進行統計分析可以了解到，龍葵在含有不同鎘金屬離子的土壤中生長時，若土壤中的鎘金屬離子濃度小于20 mg/kg，那么龍葵能夠正常生長，說明龍葵本身對鎘金屬離子具有一定的耐受性。在鎘金屬離子濃度相同的情況下，對比龍葵收割后的土壤與空白土壤可以發現，龍葵對鎘金屬離子具有吸附能力。在對龍葵植株干重、株高、植株體內鎘金屬離子含量、龍葵富集系數、轉移系數進行測定后可知，當土壤中鎘金屬離子濃度為20 mg/kg 時，龍葵植株的干重值、植株株高增長量與龍葵的耐受性都最高，龍葵對鎘金屬離子的吸附效果也最好。

5 結語

總而言之，土壤與水源是維持經濟社會穩定發展的重要物質基礎，更是保證生物正常生存與發展的重要環境因子，在當前社會發展背景下，為了實現土壤、水源中鎘污染的有效治理，合理使用植物—微生物污染治理技術，可以有效保護自然環境和保障生態安全。