工业水铬污染修复潜力研究

[摘要]为了能更好的对铬污染环境治理，综述了近年李氏禾(LeersiahexandraSwartz.)对铬的富集特性、耐性机理、解毒机制、富集效率提高的相关研究。得出结论李氏禾在修复污染环境，特别是大面积低浓度的污染水体方面有着可观的潜力，并对其今后的研究方向进行展望。

[关键词]李氏禾；铬；重金属；污染水体

通常重金属污染是指Pb、Hg、Cd、As、Cr等重金属对自然环境造成危害，从而对动植物和人类造成生命威胁[1]，铬是一种颜色银白的金属，不溶于硝酸和水，能溶于硫酸等生成盐类，铬是一种环境污染危害极大的源[2]。另外，铬物质是重要的工业原料，广泛应用于电镀业、染料业等行业，这些行业都会产生大量铬废水排放，造成严重的铬水体污染[3]，比如2009年湖南娄底双峰县的铬污染饮用井水事件、2011年云南曲靖铬污染大面积水体事件，都极大的影响了当地的饮用水问题。而且，铬还是公认的致畸形和致癌物质[4-6]，在中国，根据第一个“十二五”专项规划《重金属污染综合防治“十二五”规划》，铬被列入了五个重点治理的重金属污染元素之一；美国环境保护署把铬(Ⅵ)列为对人体危害极大的17中化学物质之一[7]。铬污染治理是一项艰巨的过程，但是传统的铬污染方法：吸附法、化学还原法、离子交换法治理手段普遍都有处理成本高，能耗大，工艺复杂，容易二次污染问题而限制了其应用[8-10]。探讨如何采用经济低、环保绿色的植物修复技术成为了热门研究[11]，植物修复技术是指采用具有超积累能力的植物把污染环境的重金属转移到植物的根茎叶，然后收割植物，减少污染物对环境的污染，取得修复目的[2]。但是对于铬的超富集植物却很少，而我国目前唯一发现的并报道的湿生植物李氏禾(LeersiahexandraSwartz.)就是铬超积累植物[12]。植物修复的综述不少[13-15]，但是单纯的利用植物修复重金属污染问题依然存在很多限制，譬如修复植物的生长速度和生长量低，重金属转移率低以及重金属污染浓度高低等都会影响植物修复效率，这就限制了植物修复的实际应用[16]。有研究表明，李氏禾人工湿地对铬(Ⅵ)超标150倍(7.50mg/L)的水体修复依然有很好的效果[17]，但是李氏禾直接吸收去除铬的贡献率不到10%[18]，如何提高李氏禾对铬环境污染的富集效率是应用李氏禾治理环境的重点。

1李氏禾的发现

李氏禾是多年生禾本科的湿生植物，也是我国发现并且报道的唯一一种铬超富集植物[19]。在湿生的环境中，李氏禾繁殖迅速、能高密集生长使得单位面积内生物量大，提高了其对重金属污染环境的修复效率。一开始，李氏禾是作为一种危害稻田杂草而受到关注，相关的农业学者便开始对其进行研究[20-21]；后发现李氏禾具有耐旱耐涝的生物学特点，便有学者对其在水土保持和植被恢复领域进行潜力探索研究[22-23]；因为李氏禾还对其他的重金属有相当好的吸收效果，所以不少学者也将李氏禾用于重金属污染土壤、人工湿地修复重金属污染水体、多种重金属混合生活污水水体的研究[3,24-25]。本文探讨了近年来李氏禾对铬富集能力，以及影响李氏禾富集铬等方面的相关研究，以期能为李氏禾修复大面积、低浓度的污染水体提供理论依据。

2李氏禾对铬的超富集特征

在广西北部某电镀厂附近的湿生植物研究发现，植物李氏禾对铬的吸收有超积累效应。叶部吸收的铬平均含量达1787mg/L，叶部铬含量与根茎铬含量之比为12，与土壤中铬含量之比为57，与水中铬含量之比518[12]。李氏禾对铬、铜、镍的混合污染水体也有很高的去除率，表1是李氏禾10天内对不同浓度铬、铜、镍的去除效果统计[26]。在修复铬、铜、镍的重金属污染水体上，明显李氏禾具有很好的效果，根据实验显示，铬、铜、镍最高的去除率分别达到了100%、93.8%、89.3%。李氏禾也能对重金属污染土壤中的铬、铜、镍有很好的富集特征，在铬、铜、镍含量为8516、3442、2992mg/kg的土壤中，李氏禾依然能正常生长，对高浓度重金属污染的土壤有很强的耐性[27]，这表明李氏禾是具有在修复重金属污染土壤或者水体领域研究价值的。

3李氏禾的耐性机理和解毒机制

不同的金属具有不同的生物活性，活性的高低决定了植物对其的富集效率。前文说到植物修复技术是利用超富集植物把污染环境的重金属转移到植物的根茎叶，然后收割植物达到修复目的。而铬是属于低生物活性，所以一些植物吸收之后无法对其进行转运至地上部分或者转运系数很低，所以无法达到植物修复技术的目的。譬如，西红柿吸收的铬有大约80%分布在根部，只有很少一部分能被转运至地上部分[28]。李氏禾对铬的富集能力可以表现在各部分组织中铬的吸收含量，表2是李氏禾吸收不同浓度铬后在各部的平均含量情况[29]。 从生物富集系数(各部分吸收含量与营养液之比)来看，经计算根、茎、叶的平均值分别是474.86、123.52、40.97，可见李氏禾对铬有很大的富集生物特性。在5、30、60mg/L的铬浓度下，铬转移系数(叶含量与根含量之比)分别是90、21.24、9，可见随着铬浓度的增大，对铬的转移系数也在大幅度降低，所以利用李氏禾治理修复大面积，低浓度的铬污染水体值得研究。许多植物能在重金属污染的环境生存，很重要的一点是体内重金属的分布，植物将富集的重金属隔离在高耐性的区域，避免有毒重金属损害到重要的组织和细胞器[30]。一方面李氏禾的根部细胞壁和叶部的液泡是铬的主要富集处，在铬浓度增加的情况下，李氏禾根部对铬吸收后转运至叶部，从根部隔离至叶部隔离的过程是李氏禾对铬解毒的重要机制。另一方面，在重金属胁迫下，植物产生大量的活性氧对细胞膜进行破坏，不利于植物的生存。而植物的抗氧化酶SOD、POD、CAT能对活性氧进行清除，有研究表明李氏禾在铬胁迫下，SOD、POD、CAT三种酶含量会升高，有效的缓解了铬对李氏禾的迫害[31]，所以抗氧化酶系统在李氏禾对铬的耐性和解毒起着重要的作用。

4外源物质添加对李氏禾富集铬的影响

目前发现的超富集植物在富集重金属过程中受到复杂环境中土壤、水体的影响，在实际应用中只能去除少量的重金属。因此，如何提高植物修复重金属污染环境的效率是环境修复研究领域的热点。氮、硫是植物必需的营养元素，对龙葵施加氮肥，促进了龙葵生长量，提高了龙葵对Cd的积累量[32]；对李氏禾投加适量的亚硫酸钠，也促进了李氏禾对铬的富集积累量，并且提高了转运系数[33]。针对植物的必需营养元素添加外源物质，可能是提高植物富集效率的手段。李氏禾在对含重金属污水处理时，对总氮的去除表现出很好的能力[34]，可以认为对李氏禾在修复环境时添加适量的氮肥是能提高李氏禾对重金属的富集。植物通过MT、PCs、GSH、有机酸等方式结合重金属，但是研究发现李氏禾对铬的吸收不是通过前三种方式，而是与有机酸有关，而且可能是有机酸里的草酸与铬配位形成钝化将铬固定在体内，草酸可能是李氏禾叶片中铬的主要螯合剂[35]。植物草酸一直被认为是一种未明确生理作用的代谢产物，但是越来越多的研究证明草酸在植物适应环境胁迫下有着重要作用，譬如E.crassipes叶片中的铬可能与草酸形成草酸盐沉淀[36]，T.careulescens根部Zn与苹果酸和草酸密切相关[37]。乙醛酸作为草酸的合成前体物质，在李氏禾铬胁迫下，添加适量的乙醛酸，不仅促进了植物的生长量和铬积累量，还有效的促进了草酸的合成[38]。所以，草酸可能是李氏禾能够富集和耐受高浓度铬的有效机制。生物量偏少和生长周期较短是李氏禾资源化限制的因素，在我们能有效的促进李氏禾生物量和重金属积累量的同时，还要能促进其转运系数的提高，然后收割李氏禾才能达到修复污染土壤、水体的目的。其中添加外源物质EDTA有机化合物，能够强化李氏禾的抗氧化酶系统，促进铬从根部向地上部分转移[39]。5展望不仅是植物修复，近年来微生物修复铬污染的技术成为了研究者们的热门课题[40-41]。这是一种利用微生物的表面结构等吸附重金属铬，或者利用微生物产生的还原物质、酶催化系统等将铬(Ⅵ)转为铬(Ⅲ)[42]。更有学者将两种技术相结合进行研究，比如将具有促生特点的Enterobacteraerogentes与Rahnellaaquatilis菌株接种印度芥菜可以增加对铬、镍的吸收[43]。微生物-植物联合修复技术吸取了植物修复的优点(低成本，环境友好等)，并且提高了植物富集效率，缩短修复周期[44-46]，并且研究表明该技术在治理环境污染方面有着巨大潜力[47-48]。除了研究添加外源物质提高李氏禾对重金属积累，研究有关李氏禾与微生物联合修复技术更是一个很好的研究方向。

作者：林志毅 单位：桂林理工大学