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关于人工湿地植物去除废水中重金属的作用机制研究进展

作者:社会科学
出处:www.lunrr.com
时间:2019-11-05

人工湿地是由底物,水体,水生植物,需氧或厌氧的微生物种群和水生动物组成的复杂生态系统。人工湿地主要利用植物,基质,微生物和自然生态系统通过物理,化学和生物反应的三重协同作用来处理污水,从而达到净化污水的目的。

作为人工湿地系统的重要组成部分,植物在废水处理过程中起着非常重要的作用。一方面,植物可以直接吸收和利用废水中的有机物进行自身生长发育,吸收和积累离子态的重金属,从而降低了废水中各种污染物的浓度。另一方面,植物的合理配置也具有一定的生态美学和经济价值。在人工湿地净化污水的过程中,植物的功能可以概括为三个方面:污水中养分的直接吸收,利用,重金属及一些有毒有害物质的吸附富集;污水中养分的吸收和富集。以及将氧气输送到根区中的好氧微生物;增强并维持介质的液压传动。

中国水中的重金属污染问题非常突出。传统的治疗方法昂贵且范围有限。因此,人工湿地已被开发为一种生态且低成本的处理方法,特别是用于垃圾渗滤液净化和工业废水。深度处理,重金属矿山修复废水的拦截,净化等具有充分的优势。

1人工湿地处理含重金属废水的现状

人工湿地最初用于处理城市生活污水或二级污水处理厂。如今,越来越多的人使用人工湿地来处理含有重金属的特殊废水。

在国外,已广泛研究了人工湿地在处理含重金属废水中的应用,并有更多实例。例如,美国萨凡纳河站点的人工湿地于2001年开始运营。人工湿地面积约为777 km2,用于处理工艺技术设施废水中的铜污染。进水和水中铜的质量浓度分别为31μg/L和9μg/L,人工湿地对废水中铜的去除率高达70.9%[10]。在实验室中,建立了一个人工湿地模型以种植Limnocharisflava来处理垃圾渗滤液中的重金属Fe和Mn,然后以0.029 m3/d的流量将垃圾渗滤液稀释至原始浓度的25%。在24.1h和9h的停留时间条件下,铁和锰的去除率分别为99.2%91.5%和99.8%94.7%。在从马来西亚西海岸炼油厂接收污水的泻湖中,种植了大面积的水葫芦(凤眼莲)以处理油,酚,硫化物和重金属。结果表明为Cd,Cu,Pb,Ni,Zn,As。 Hg和Cr(III)的处理效果非常令人满意。

2能够富集重金属的湿地植物各种湿地植物对废水中的重金属都有很强的富集能力。藻类净化重金属废水的能力主要体现在重金属的吸附上。 Ulvalactuca对Cu,Pb,La,Cd和Hg的重金属离子的去除率为80%至90%;中华绒螯蟹和Sargassumthunbergii(Sargassumthunbergii)还具有很强的吸附重金属的能力,可以去除重金属。它们对Cu,Zn,Pb和Hg的去除率均大于70%。秀丽隐杆线虫对Cu2 +的吸附在20分钟内达到平衡。最大吸附量为7.79mg/g;香卡可以净化高浓度的含铅废水。在含铅量为50mg/L的含铅废水中,香蒲中的铅富集量为132.2mg,富集系数为2.64。可以有效地富集锌,铁和锰,芦苇可以有效地富集铅,锰和铬,而阔叶香蒲和Spargnium sp。是富集铅和锌的合适植物; Zn2 +和Cd2 +的去除率较高。芦竹,草皮和芦苇对铜,铅,锌和镉的去除效果良好。浮萍和水葫芦可以使重金属含量超过其干重的0.5%。富集的Cd和Cu的质量比分别为6000-mg/kg和6000-7000 mg/kg,是其正常质量比的1000倍以上。水力停留时间为7d时,芦苇废水中Pb和Cd的去除率分别为90.2%和86.4%,梭子鱼中Pb和Cd的去除率分别为89.7%和86.0%。

植物去除废水中重金属的三种机理

在人工湿地系统中,重金属植物去除的机理主要是因为植物根系通过分泌某些代谢物改变根际环境,从而激活,失活或改变重金属离子的化合价态并降低重金属在水中的毒性。废水;植物直接吸收和运输离子重金属,从而使重金属积累在植物的地上部分,并通过收获植物的地上部分来去除重金属。

3.1废水中重金属的根去除机理

植物通常通过生物吸附和表面吸附从废水中去除重金属元素。湿地系统中的某些重金属可以通过植物根际分泌物与重金属离子之间的物理和化学反应去除。湿地植物的根是动态的微环境,其中的水分和养分吸收在根中,而植物的根则不断分泌氧气,糖,有机酸,氨基酸,酶,内源激素和一些次生代谢产物。植物根系分泌物中的有机酸具有重金属排毒作用。发现在1050μmol/L的Al胁迫下,根尖中柠檬酸合酶的活性增加,并且大量柠檬酸被分泌形成柠檬酸-Al螯合物以减轻铝的毒性[35]。实验表明,水稻根中Cr的积累与根际的pH以及草酸,苹果酸和柠檬酸的分泌密切相关。根际的pH升高,这会促进草酸,苹果酸和柠檬酸的分泌,并促进水稻根中Cr的积累。数量增加。

3.2植物对重金属的吸收和运输

对人工湿地系统中植物各个部位重金属含量的研究发现,植物根部的重金属含量远高于茎和叶中的重金属含量。研究香蒲,芦苇和紫草对Pb的抗性时,发现三株植物根中Pb的富集量比叶和茎的富集量大。在实验室中,研究了流动和静态溶液中甜柚,大葱和大米(Spartinaanglica)中铅,锌,铜和铬的积累。结果表明,三种植物的地下组织明显多于表面组织。重金属的积累较高。

大部分重金属离子通过金属转运蛋白进入植物根细胞,并进一步转运到植物液泡中贮存。植物对重金属的吸收和转运是一个具有分子生物学机制的复杂过程。重金属转运蛋白在整个调控过程中起着至关重要的作用,参与了吸收、螯合、分区和代谢利用等关键步骤。近年来,许多研究发现并鉴定了植物细胞中多种重金属转运蛋白:金属吸收蛋白和金属荧光蛋白。吸收蛋白主要包括黄条样蛋白家族、锌铁蛋白(ZIP)家族(ZRT和IRT样蛋白家族)和自然抗性相关巨噬细胞蛋白家族。植物吸收蛋白质的主要功能是吸收环境中的重金属并将其转运到细胞质中。吸收蛋白主要存在于植物根细胞中,排泄蛋白包括p1b型atp酶、cdf蛋白家族(cationdiffusion-facilitator家族)等,其功能是清除细胞质中的重金属,或携带到液泡中对植物的耐受性起到积极作用。对重金属的压力。

4.基因工程在提高植物修复能力中的应用

近年来发现的重金属超富集植物数量有所增加,但仍存在许多局限性。随着分子生物学技术的进步,基因工程技术越来越完善。植物对重金属的吸收和转运受多种基因控制,因此利用植物来增强植物对重金属的吸收和转运是可能的。

当从动物器官中分离出的金属硫蛋白(MT)基因转移至蓝细菌时,蓝细菌去除和去除Cd2 +的能力得到了改善,这主要是由有毒金属离子和半胱氨酸硫醇基的结合引起的。有害的蛋白质结合形式使植物体对有毒金属离子具有抵抗力。

从细菌中分离出的merA基因编码一个汞离子还原酶,而merB基因编码一个有机汞裂解酶,该酶已经转移到植物中以增加植物中的汞处理量。 merB将Hg离子从二价变为零。降低毒性并从植物挥发。将merA转移到水稻中发现,转基因水稻对HgCl2的抗性为250μM,而普通水稻只有150μM。在研究merA基因金盏花的污染处理时,发现该植物可以去除土壤中84%的HgCl2,其运输能力提高了2倍。 Hg2 +的大部分被转运到叶片中,并通过酶的作用而减少。它是一种无毒的零价汞离子,会挥发到空气中,因此植物中富集的汞量较少,仅为非转基因植物的20%。利用OASTL基因Atcys-3A cDNA构建表达载体,并通过转基因技术转化为野生型拟南芥。转基因品系中10-10Cys和GSH的含量明显增加,对镉胁迫具有很强的耐受性。转基因品系10-10对Cd具有很强的积累能力,吸收的Cd主要积累在叶片的毛状体部分中。

5展望和建议

在人工湿地中处理含重金属废水的过程中,大多数污染物(包括重金属)并未从系统中去除,而是保留在基质和植物根系交织的系统中,仅上述植物的地面部分被植物生长吸收和收获。为了从系统中去除含有重金属的污染物。但是,如何有效利用植物处理含重金属的废水仍然存在一些问题。

将来,仍然需要进一步筛选富集能力强的湿地植物。研究湿地植物中重金属的固定,吸收和运输机制,并利用基因工程和分子生物学技术增强湿地植物对重金属的去除功能;有必要建造湿地。在技术应用中,结合填料的选择,引入抗性微生物菌株,筛选优势植物,优化植物,微生物和填料的构型,构建植物-微生物-基质复合缓冲系统以增强系统的整体功能。去除重金属。 p>

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