關於人工溼地植物去除廢水中重金屬的作用機制研究進展論文
關於人工溼地植物去除廢水中重金屬的作用機制研究進展論文
人工溼地是由基質、水體、水生植物、好氧或厭氧微生物種群、水生動物組成的複雜生態系統。人工溼地主要由植物、基質、微生物與自然生態系統，透過物理、化學和生物反應三重協同作用來處理汙水，從而達到汙水淨化的目的。
植物作為人工溼地系統的重要組成部分，在廢水處理過程中有非常重要的作用。一方面，植物可以直接吸收、利用廢水中的有機物，供其自身的生長髮育，吸收並積累離子態的重金屬，使得廢水中各種汙染物濃度降低;另一方面，植物的合理配置還具有一定的生態美學與經濟價值。在人工溼地淨化汙水的過程中，植物的作用可以歸納為3個方面：直接吸收、利用汙水中的營養物質，吸附和富集重金屬和一些有毒、有害物質;為根區好氧微生物輸送氧氣;增強和維持介質的水力傳輸。
中國水體重金屬汙染問題十分突出，傳統的處理方法成本較高且適用範圍有限，因此，人工溼地作為一種生態型、低成本的治理方式得到長足發展，特別是對於垃圾滲濾液淨化、工業廢水的深度處理、重金屬礦山修復廢水的攔截、淨化等有十足優勢。
1人工溼地處理含重金屬廢水的現狀
人工溼地最初是用來處理城市生活汙水或二級汙水處理廠的出水，如今應用人工溼地處理含重金屬的特種廢水的研究也日益增多。
在國外，應用人工溼地處理含重金屬的廢水已有大量研究和較多的例項。例如，位於美國薩凡納河場地的人工溼地於2001年開始執行，該人工溼地面積約777km2，被用來處理工藝技術設施廢水中的銅汙染，進出水中的銅質量濃度分別為31μg/Land9μg/L，該人工溼地對廢水中銅的去除率高達70.9%[10]。在實驗室中，建立人工溼地模型種植黃澤(Limnocharisflava)，用以處理垃圾滲濾液中的重金屬Fe和Mn，將垃圾滲濾液稀釋至原來濃度的25%後，以0.029m3/d的流量，停留時間24.1h和9h的條件下，鐵和錳的`去除效率分別為99.2%～91.5%和99.8%～94.7%。在接納馬來西亞西海岸煉油廠汙水的潟湖中，種植了大面積水葫蘆(Eichhorniacrassipes)，用以處理油脂、酚類、硫化物和重金屬，結果表明，其對Cd、Cu、Pb、Ni、Zn、As、Hg和Cr(III)的處理效果都十分理想。
2能富集重金屬的溼地植物多種溼地植物都對廢水中的重金屬有很強的富集能力。藻類植物淨化重金屬廢水的能力，主要表現為對重金屬的吸附力，石蓴(Ulvalactuca)對Cu、Pb、La、Cd和Hg重金屬離子的去除率達到80%～90%;馬尾藻(Sargassumhorneri)和鼠尾藻(Sargassumthunbergii)透過吸附重金屬，同樣具有很強的去除重金屬的能力，它們對Cu、Zn、Pb和Hg的去除率都大於70%;金魚藻對Cu2+的吸附在20min內達到平衡，其最大吸附量為7.79mg/g;香蒲能淨化高濃度含鉛廢水，在鉛質量濃度為50mg/L的含鉛廢水中，香蒲中鉛的富集量為132.2mg，富集係數為2.64;浮萍能有效富集Zn、Fe和Mn，蘆葦能有效富集Pb、Mn和Cr，而寬葉香蒲和黑三稜(Spargniumsp.)是吸收富集Pb和Zn的較適宜植物種類;鳳眼蓮對Zn2+和Cd2+有較高的去除率;蘆竹、燈心草和蘆葦對Cu、Pb、Zn和Cd有很好的去除效果。浮萍和水葫蘆能富集超過其0.5%幹質量的重金屬，它們富集Cd和Cu的質量比範圍分別是6000～13000mg/kg和6000～7000mg/kg，超過其正常質量比的1000倍;水力停留時間為7d時，蘆葦對汙水中的Pb和Cd的去除率分別為90.2%和86.4%，梭魚草對Pb和Cd的去除率分別為89.7%和86.0%。
3植物去除廢水中重金屬的機制
在人工溼地系統中，植物去除重金屬的機制主要為植物根系透過分泌某些代謝產物來改變根際環境，從而對廢水中的重金屬產生活化、鈍化或改變重金屬離子價態和降低毒性的作用;植物直接吸收、轉運離子態的重金屬，使重金屬在植物地上部分中得以積累，透過收穫植物地上部分來去除重金屬。
3.1根系去除廢水中重金屬的機制
植物一般是透過生物吸附和表面吸附作用，去除廢水中的重金屬元素，溼地系統中的一部分重金屬可以透過植物根際分泌物與重金屬離子的物理、化學反應來去除。溼地植物根系是一個動態的微環境，水和營養物質在根系被攝取，同時植物根系不斷分泌氧、糖、有機酸、氨基酸、酶、內源激素和一些次生代謝產物。植物根系分泌物中的有機酸具有重金屬解毒作用。研究發現，植物根系在質量濃度為10～50μmol/L的Al脅迫下，根尖檸檬酸合成酶活性增加，分泌大量檸檬酸，形成檸檬酸-Al的螯合物，以解除鋁毒[35]。實驗證明，水稻根系中積累的Cr含量與根際pH以及草酸、蘋果酸、檸檬酸的分泌密切相關，根際pH增大，促使根系草酸、蘋果酸、檸檬酸分泌增多，水稻根系的Cr積累量增加。
3.2植物對重金屬的吸收與轉運
人工溼地系統中的植物各部分的重金屬含量研究發現，植物根部的重金屬含量遠高於莖和葉。在研究香蒲、蘆葦和鴨跖草對Pb的抗性時發現，3種植物根部的Pb的富集量遠遠大於葉和莖。在實驗室中，在流動和靜止溶液中，研究甜柚、水蔥和大米草(Spartinaanglica)對Pb、Zn、Cu和Cr的積累，結果表明，3種植物的地下組織明顯比地表組織對4種重金屬的積累量更高。
大部分重金屬離子是透過金屬轉運蛋白進入植物根細胞的，並在植物體內進一步轉運至液泡貯存。植物對重金屬的吸收和轉運是一個複雜的過程，具有分子生物學機制。重金屬轉運蛋白在整個調控過程中發揮著至關重要的作用，參與了吸收、螯合、區室化和代謝利用等關鍵步驟。近年來，眾多研究揭示並鑑定了植物細胞內多種重金屬轉運蛋白：吸收蛋白(metaluptakeproteins)和排出蛋白(metaleffluxproteins)兩大類。吸收蛋白主要有YSL蛋白家族(yellowstripe-likeproteinfamily)、鋅鐵蛋白(ZIP)家族(ZRTandIRTlikeproteinfamily)和天然抗性巨嗜細胞蛋白(Nramps)家族(naturalresistanceassociatedmacrophageproteinfamily)等。植物吸收蛋白的主要功能是吸收環境中的重金屬並轉運至細胞質，吸收蛋白主要存在於植物根部細胞;排出蛋白包括P1B型ATPases、CDF蛋白家族(Cationdiffusionfacilitatorfamily)等，其功能是將重金屬排出細胞質，或運載至液泡，在植物耐受重金屬脅迫中起到積極的防禦作用。
4基因工程在提升植物修復能力中的應用
近年來發現的重金屬超富集植物種類有所增多，但仍然有許多侷限性。隨著分子生物學技術水平的提升，使得基因工程技術日趨完善。植物對重金屬吸收、轉運由多種基因協同控制，所以利用轉基因技術提升植物對重金屬的吸收、轉運成為可能。
從動物器官中分離出的金屬硫蛋白(metallothionein，MT)基因轉移到藍藻時，提高了藍藻對Cd2+的結合去除能力，其主要是利用毒性金屬離子與半胱氨酸的巰基結合，轉變為無害的蛋白結合形式，使植物機體對有毒金屬離子表現出耐性。
從細菌中分離出來的merA基因編碼汞離子還原酶和merB基因編碼有機汞裂解酶已經被學者轉移到植物中，用來提高植物對Hg的處理，merB使得Hg離子從2價變為0價，降低了毒性，並從植物中揮發。將merA轉移到水稻中，發現轉基因水稻對HgCl2的抗性為250μM，而普通水稻僅為150μM。研究轉merA基因金盞菊(Calen?dulaofficinalis)的汙染處理時發現，植株能去除土壤中84%的HgCl2，植株內轉運能力提高了2倍，大部分Hg2+轉運到葉片中，透過酶的作用還原為沒有毒性的0價Hg離子，並揮發到空氣中，因此植物體內富集的Hg含量較少，僅為非轉基因植株的20%。用OASTL基因Atcys-3AcDNA構建表達載體，透過轉基因技術轉化到野生型擬南芥中，其中轉基因株系10-10Cys和GSH含量明顯提高，並表現對Cd脅迫具有很強的耐性，研究同時發現，轉基因株系10-10對Cd具有很強的累積能力，且吸收的Cd主要累積在葉片的毛狀體部位。
5展望與建議
在人工溼地處理含重金屬的廢水過程中，大部分汙染物包括重金屬並未移出系統，而是滯留在系統中基質與植物根系交錯的結合部，唯有透過植物的生長吸收並收割植物的地上部分，才能將含有重金屬的汙染物移出系統。但是，如何高效地利用植物處理含重金屬的廢水，還存在一定問題。
今後仍需要進一步篩選富集能力強的溼地植物;深入研究溼地植物固定、吸收和轉運重金屬的機制，並採用基因工程和分子生物學技術，來增強溼地植物去除重金屬的功能;有必要在人工溼地技術的應用中，結合填料選擇、抗性微生物菌種引種，來篩選優勢植物，最佳化植物、微生物和填料的配置，構建植物—微生物—基質複合緩衝系統，來提升系統去除重金屬的整體功能