工業水鉻污染修復潛力研究

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[摘要]為了能更好的對鉻污染環境治理，綜述了近年李氏禾(LeersiahexandraSwartz.)對鉻的富集特性、耐性機理、解毒機制、富集效率提高的相關研究。得出結論李氏禾在修復污染環境，特別是大面積低濃度的污染水體方面有著可觀的潛力，并對其今后的研究方向進行展望。

[關鍵詞]李氏禾；鉻；重金屬；污染水體

通常重金屬污染是指Pb、Hg、Cd、As、Cr等重金屬對自然環境造成危害，從而對動植物和人類造成生命威脅[1]，鉻是一種顏色銀白的金屬，不溶于硝酸和水，能溶于硫酸等生成鹽類，鉻是一種環境污染危害極大的源[2]。另外，鉻物質是重要的工業原料，廣泛應用于電鍍業、染料業等行業，這些行業都會產生大量鉻廢水排放，造成嚴重的鉻水體污染[3]，比如2009年湖南婁底雙峰縣的鉻污染飲用井水事件、2011年云南曲靖鉻污染大面積水體事件，都極大的影響了當地的飲用水問題。而且，鉻還是公認的致畸形和致癌物質[4-6]，在中國，根據第一個“十二五”專項規劃《重金屬污染綜合防治“十二五”規劃》，鉻被列入了五個重點治理的重金屬污染元素之一；美國環境保護署把鉻(Ⅵ)列為對人體危害極大的17中化學物質之一[7]。鉻污染治理是一項艱巨的過程，但是傳統的鉻污染方法：吸附法、化學還原法、離子交換法治理手段普遍都有處理成本高，能耗大，工藝復雜，容易二次污染問題而限制了其應用[8-10]。探討如何采用經濟低、環保綠色的植物修復技術成為了熱門研究[11]，植物修復技術是指采用具有超積累能力的植物把污染環境的重金屬轉移到植物的根莖葉，然后收割植物，減少污染物對環境的污染，取得修復目的[2]。但是對于鉻的超富集植物卻很少，而我國目前唯一發現的并報道的濕生植物李氏禾(LeersiahexandraSwartz.)就是鉻超積累植物[12]。植物修復的綜述不少[13-15]，但是單純的利用植物修復重金屬污染問題依然存在很多限制，譬如修復植物的生長速度和生長量低，重金屬轉移率低以及重金屬污染濃度高低等都會影響植物修復效率，這就限制了植物修復的實際應用[16]。有研究表明，李氏禾人工濕地對鉻(Ⅵ)超標150倍(7.50mg/L)的水體修復依然有很好的效果[17]，但是李氏禾直接吸收去除鉻的貢獻率不到10%[18]，如何提高李氏禾對鉻環境污染的富集效率是應用李氏禾治理環境的重點。

1李氏禾的發現

李氏禾是多年生禾本科的濕生植物，也是我國發現并且報道的唯一一種鉻超富集植物[19]。在濕生的環境中，李氏禾繁殖迅速、能高密集生長使得單位面積內生物量大，提高了其對重金屬污染環境的修復效率。一開始，李氏禾是作為一種危害稻田雜草而受到關注，相關的農業學者便開始對其進行研究[20-21]；后發現李氏禾具有耐旱耐澇的生物學特點，便有學者對其在水土保持和植被恢復領域進行潛力探索研究[22-23]；因為李氏禾還對其他的重金屬有相當好的吸收效果，所以不少學者也將李氏禾用于重金屬污染土壤、人工濕地修復重金屬污染水體、多種重金屬混合生活污水水體的研究[3,24-25]。本文探討了近年來李氏禾對鉻富集能力，以及影響李氏禾富集鉻等方面的相關研究，以期能為李氏禾修復大面積、低濃度的污染水體提供理論依據。

2李氏禾對鉻的超富集特征

在廣西北部某電鍍廠附近的濕生植物研究發現，植物李氏禾對鉻的吸收有超積累效應。葉部吸收的鉻平均含量達1787mg/L，葉部鉻含量與根莖鉻含量之比為12，與土壤中鉻含量之比為57，與水中鉻含量之比518[12]。李氏禾對鉻、銅、鎳的混合污染水體也有很高的去除率，表1是李氏禾10天內對不同濃度鉻、銅、鎳的去除效果統計[26]。在修復鉻、銅、鎳的重金屬污染水體上，明顯李氏禾具有很好的效果，根據實驗顯示，鉻、銅、鎳最高的去除率分別達到了100%、93.8%、89.3%。李氏禾也能對重金屬污染土壤中的鉻、銅、鎳有很好的富集特征，在鉻、銅、鎳含量為8516、3442、2992mg/kg的土壤中，李氏禾依然能正常生長，對高濃度重金屬污染的土壤有很強的耐性[27]，這表明李氏禾是具有在修復重金屬污染土壤或者水體領域研究價值的。

3李氏禾的耐性機理和解毒機制

不同的金屬具有不同的生物活性，活性的高低決定了植物對其的富集效率。前文說到植物修復技術是利用超富集植物把污染環境的重金屬轉移到植物的根莖葉，然后收割植物達到修復目的。而鉻是屬于低生物活性，所以一些植物吸收之后無法對其進行轉運至地上部分或者轉運系數很低，所以無法達到植物修復技術的目的。譬如，西紅柿吸收的鉻有大約80%分布在根部，只有很少一部分能被轉運至地上部分[28]。李氏禾對鉻的富集能力可以表現在各部分組織中鉻的吸收含量，表2是李氏禾吸收不同濃度鉻后在各部的平均含量情況[29]。 從生物富集系數(各部分吸收含量與營養液之比)來看，經計算根、莖、葉的平均值分別是474.86、123.52、40.97，可見李氏禾對鉻有很大的富集生物特性。在5、30、60mg/L的鉻濃度下，鉻轉移系數(葉含量與根含量之比)分別是90、21.24、9，可見隨著鉻濃度的增大，對鉻的轉移系數也在大幅度降低，所以利用李氏禾治理修復大面積，低濃度的鉻污染水體值得研究。許多植物能在重金屬污染的環境生存，很重要的一點是體內重金屬的分布，植物將富集的重金屬隔離在高耐性的區域，避免有毒重金屬損害到重要的組織和細胞器[30]。一方面李氏禾的根部細胞壁和葉部的液泡是鉻的主要富集處，在鉻濃度增加的情況下，李氏禾根部對鉻吸收后轉運至葉部，從根部隔離至葉部隔離的過程是李氏禾對鉻解毒的重要機制。另一方面，在重金屬脅迫下，植物產生大量的活性氧對細胞膜進行破壞，不利于植物的生存。而植物的抗氧化酶SOD、POD、CAT能對活性氧進行清除，有研究表明李氏禾在鉻脅迫下，SOD、POD、CAT三種酶含量會升高，有效的緩解了鉻對李氏禾的迫害[31]，所以抗氧化酶系統在李氏禾對鉻的耐性和解毒起著重要的作用。

4外源物質添加對李氏禾富集鉻的影響

目前發現的超富集植物在富集重金屬過程中受到復雜環境中土壤、水體的影響，在實際應用中只能去除少量的重金屬。因此，如何提高植物修復重金屬污染環境的效率是環境修復研究領域的熱點。氮、硫是植物必需的營養元素，對龍葵施加氮肥，促進了龍葵生長量，提高了龍葵對Cd的積累量[32]；對李氏禾投加適量的亞硫酸鈉，也促進了李氏禾對鉻的富集積累量，并且提高了轉運系數[33]。針對植物的必需營養元素添加外源物質，可能是提高植物富集效率的手段。李氏禾在對含重金屬污水處理時，對總氮的去除表現出很好的能力[34]，可以認為對李氏禾在修復環境時添加適量的氮肥是能提高李氏禾對重金屬的富集。植物通過MT、PCs、GSH、有機酸等方式結合重金屬，但是研究發現李氏禾對鉻的吸收不是通過前三種方式，而是與有機酸有關，而且可能是有機酸里的草酸與鉻配位形成鈍化將鉻固定在體內，草酸可能是李氏禾葉片中鉻的主要螯合劑[35]。植物草酸一直被認為是一種未明確生理作用的代謝產物，但是越來越多的研究證明草酸在植物適應環境脅迫下有著重要作用，譬如E.crassipes葉片中的鉻可能與草酸形成草酸鹽沉淀[36]，T.careulescens根部Zn與蘋果酸和草酸密切相關[37]。乙醛酸作為草酸的合成前體物質，在李氏禾鉻脅迫下，添加適量的乙醛酸，不僅促進了植物的生長量和鉻積累量，還有效的促進了草酸的合成[38]。所以，草酸可能是李氏禾能夠富集和耐受高濃度鉻的有效機制。生物量偏少和生長周期較短是李氏禾資源化限制的因素，在我們能有效的促進李氏禾生物量和重金屬積累量的同時，還要能促進其轉運系數的提高，然后收割李氏禾才能達到修復污染土壤、水體的目的。其中添加外源物質EDTA有機化合物，能夠強化李氏禾的抗氧化酶系統，促進鉻從根部向地上部分轉移[39]。5展望不僅是植物修復，近年來微生物修復鉻污染的技術成為了研究者們的熱門課題[40-41]。這是一種利用微生物的表面結構等吸附重金屬鉻，或者利用微生物產生的還原物質、酶催化系統等將鉻(Ⅵ)轉為鉻(Ⅲ)[42]。更有學者將兩種技術相結合進行研究，比如將具有促生特點的Enterobacteraerogentes與Rahnellaaquatilis菌株接種印度芥菜可以增加對鉻、鎳的吸收[43]。微生物-植物聯合修復技術吸取了植物修復的優點(低成本，環境友好等)，并且提高了植物富集效率，縮短修復周期[44-46]，并且研究表明該技術在治理環境污染方面有著巨大潛力[47-48]。除了研究添加外源物質提高李氏禾對重金屬積累，研究有關李氏禾與微生物聯合修復技術更是一個很好的研究方向。

作者：林志毅 單位：桂林理工大學