植物-微生物联合在重金属污染废水中的应用研究_邓景成.pdf

2023 年第 4 期环境工程在经济快速发展的同时，重金属污染越来越严重，当重金属含量超过一定值时，则会诱发癌变1。我国水域面积辽阔，但 80%以上的湖、库存在重金属污染，因重金属具有难降解、不易治理等特性，受重金属污染的废水处理一直是广大学者研究的热点，目前，水体重金属污染治理方法主要有沉淀、吸附、氧化、离子交换、浮选、电解、植物修复以及光催化技术等 2-4，相比物理法和化学法，植物修复技术因成本低、工程美观、价值高等优点而备受青睐。植物修复按原理及修复过程可分为植物积累、植物挥发和植物稳定53 种方法。植物积累是指环境中过多的重金属转移至植物体内、适当时期收割植物以达到重金属去除的目的；植物挥发是植物与根部微生物共同作用去除挥发性重金属；植物稳定主要是通过降低土壤渗透率等措施避免重金属物质的淋溶。植物修复主要是通过改变植物根际氧化还原电位值及pH 值，使水体中重金属形态发生变化，从而减缓重金属的运输及迁移6，7。目前，有关植物修复技术在水体重金属污染应用方面的研究较多 8，9，有研究表明，植植物-微生物联合在重金属污染废水中的应用研究*邓景成1，2，刘思伟1，2，李静1，2，葛丽燕1，2（1.交通运输部 天津水运工程科学研究所，天津 300456；2.水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津 300456）摘要：植物与微生物协同作用下的重金属污染的水体治理是当前生态修复主要研究热点之一，为判断协同修复下水体中 Cu2+的去除效果，通过在不同 Cu2+初始浓度及 pH 值下单一植物对 Cu2+处理效果的实验研究，筛选出最适宜的 Cu2+浓度及 pH 值后添加耐铜菌株以期判断植物-微生物协同修复下废水中 Cu2+浓度变化情况。结果表明，植物对废水中 Cu2+的去除过程可分为快速吸收期、稳定期、衰减期 3 个阶段；植物对废水中Cu2+去除率在一定范围内随废水初始 pH 值增大而逐渐增大，当 pH 值超过一定范围时，去除率减小；酸模、鼠草、鸭跖草、香薷4种植物中，酸模对废水中Cu2+去除效果较好，添加耐铜菌后能促进植物对水体中Cu2+的去除。关键词：含 Cu2+废水；耐铜菌株；植物-微生物；协同作用中图分类号：X172文献标识码：AApplication research of plant-microbe combination in heavy metal polluted wastewater*DENG Jing-cheng1，2，LIU Si-wei1，2，LI Jing1，2，GE Li-yan1，2（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,M.O.T,Tianjin 300456,China;2.Key Laboratory of Environmental Protection in Water transport Engineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）Abstract:The treatment of heavy metal pollution under the synergistic effect of plants and microorganisms isone of the main research hotspots of current ecological restoration.In order to judge the removal effect of copperCu2+in water under cooperative restoration，this paper first designed an experiment to distinguish the difference ofCu2+concentration in a single plant and pH treatment effect，screen out the most suitable Cu2+concentration andpH，add copper-tolerant strains in order to judge the change of Cu2+concentration in the water under the coordinated restoration of plant-microbes.The results show that the Cu2+reaction between plants and water can be divided into three stages:rapid absorption period，stable period and decay period；The removal rate of Cu2+in the waterbody by plants gradually increases with the increase of pH within a certain range，and the removal rate decreaseswhen the pH exceeds a certain range；Add copper resistance bacteria can promote the effect of plants on Cu2+inthe water.Key words:Cu2+wastewater；copper-tolerant strains;plant-microbial;synergyDOI：10.16247/ki.23-1171/tq.20230443收稿日期：2022-07-20基金项目：天津市科技攻关项目（TJKJ2020058）作者简介：邓景成（1993-），男，汉族，天津人，助理工程师，2018 年毕业于西北农林科技大学水土保持与荒漠化防治专业，硕士研究生，主要研究方向：交通环境保护，水土保持与荒漠化防治等。通迅作者：刘思伟（1994-），男，汉族，天津人，助理工程师，2020 年毕业于郑州大学环境工程专业，硕士研究生，主要研究方向：环境保护与规划评价（水资源与水污染控制）等。Sum 331 No.4化学工程师ChemicalEngineer2023 年第 4 期2023 年第 4 期物对重金属耐受性均有一定范围，超过这范围可能会抑制植物的生长；也有研究表明 10，微生物可促进植物生长，并且能增强植物对重金属的耐受性，因此，开展植物与微生物协同作用下的重金属污染废水的治理方面的研究尤为必要。基于已有研究 11，本文选取酸模、鼠草、鸭跖草、香薷 4 种植物作为实验植物，探讨在不同 Cu2+浓度及pH 值下 4 种植物对 Cu2+的去除效果，通过试验确定最适宜的植物，同时培养芽孢杆菌属耐铜菌株，探讨植物-微生物协同修复对水体重金属污染物的去除效果，研究结论可为重金属污染水体的治理提供理论参考。1实验部分1.1试剂及材料铜标准贮备液（GR 上海创赛科学仪器有限公司）；NaOH（AR 源叶生物科技有限公司）；HCl（AR河南铭之鑫化工产品有限公司）；NaCl（GR 天津市英博生化试剂有限公司）。所用材料有酸模、鼠草、鸭跖草、香薷共 4 种植物。1.2仪器设备LRH-70 型生化培养箱（北京奥秘佳得医药科技有限公司）；MFL-53 型箱式电阻炉（洛阳科炬炉业有限公司）；ES-B07 型电子分析天平（天津市德安特传感技术有限公司）；SR-722S 型分光光度计（上海舍岩仪器有限公司）；DHG-9146A 型恒温干燥箱（上海习仁科学仪器有限公司）；GSZD-8SA 型恒温振荡器（冠森生物科技有限公司），其他常规实验器材。1.3实验方法为探讨水生植物在不同条件下对水体重金属Cu2+去除效果，配制 200mg L-1的 Cu2+标准溶液，为保证植物生长所需的养分，通过城市内湖湖水稀释标准溶液得到不同浓度 Cu2+的试验用水，城市内湖湖水水质见表 1。查阅相关文献，结合当地植物生长的适应性，筛选出 4 种对水体中 Cu2+去除效果较好的酸模、鼠草、鸭跖草、香薷植物为试验植物，为恢复根系、试验前所有植物均先培养 2 周，选择发育较好、长势均匀的植物进行试验。试验中水体 Cu2+含量的测定严格按照相关规范进行。分别采用大小为 5L 的塑料桶进行多组试验，试验期间使塑料桶中的水始终保持在 3L 左右，期间若有蒸发、蒸腾等现象，添加蒸馏水补充至相应水位，试验期间每隔一定时间用玻璃棒搅动水体，每隔 48h 取样分析 1 次（取样时保证每次取样都在相同水位处），所有试验均在室温下进行。2结果与讨论2.1废水中 Cu2+不同初始浓度的影响共设置 3 组浓度梯度试验（Cu2+初始浓度分别为1、2、3mg L-1），经过 14d 后，4 种植物栽培下水体中Cu2+浓度变化见图 1。由图 1 分析可知，Cu2+初始浓度不同时，废水中Cu2+浓度均是随接触时间延长而逐渐减小；经过 214d 的处理，当 Cu2+初始浓度为 1mg L-1时，酸模对废水中 Cu2+去除率从 31.3%增至 65%，鼠草对废水中 Cu2+去除率从 23.5%增至 48%，鸭跖草对废水中Cu2+去除率从 17.6 增至 42%、香薷对废水中 Cu2+去除率从 11.1%增至 36%；当 Cu2+初始浓度为 2mg L-1时，酸模对废水中 Cu2+去除率在 23.5%37%范围内变化，鼠草对废水中 Cu2+去除率在 18.3%33%范围内变化，鸭跖草对废水中 Cu2+去除率在 15.6%22.5%范围内变化，香薷对废水中 Cu2+去除率在 17%29%范围内变化；当 Cu2+初始浓度为 3mg L-1时，酸模、鼠草、鸭跖草和香薷对废水中 Cu2+去除率变化范围分别为 29.9%49.3%、19.5%42%、14.1%23%、16.3%36%。对比同种植物对废水中 Cu2+不同初始浓度的去除效果发现，当初始浓度为 1 和 3mg L-1时，4 种植物对废水中 Cu2+去除效果较好。实验环境条件一致情况下，酸模对废水中 Cu2+去除效果最佳。植物对废水中 Cu2+的去除大致可分为 3 个阶段：06d 内废水中 Cu2+含量急剧下降（快速吸收期）；610d 废水中Cu2+含量下降速度有所减缓（稳定期）；10d 以后废水中 Cu2+浓度变化不大（衰减期）。表 1城市内湖湖水水质（mg L-1）Tab.1Urban inner lake water quality（mg L-1）项目 pH 值BOD Cu2+数值 6928 0.52COD1530氨氮TN0.13 0.32.8TP溶解氧0.1336邓景成等：植物-微生物联合在重金属污染废水中的应用研究442023 年第 4 期2.2不同 pH 值的影响在废水 Cu2+初始浓度为 1mg L-1，pH 值分别为3、7、11 条件下，酸模、鼠草、鸭跖草和香薷对废水中Cu2+去除效果见图 2。由图 2 可知，初始 pH 值不同时，废水中 Cu2+浓度均是随接触时间延长而逐渐减小；经过 214d 的处理，初始 pH 值为 7 的废水中 Cu2+去除效果较好。初始 pH 值为 3 时，酸模对废水中 Cu2+去除率从31.5%增至 66%，鼠草对废水中 Cu2+去除率从 13.8%增至 43%，鸭跖草对废水中 Cu2+去除率从 12.6 增至38%，香薷对废水中 Cu2+去除率从 16.3%增至 41%；初始 pH 值为 7 时，酸模对废水中 Cu2+去除率在40.8%64%范围内变化，鼠草对废水中 Cu2+去除率在9.9%26%范围内变化，鸭跖草对废水中 Cu2+去除率02d4d6d8d10d 12d 14d1.21.11.00.90.80.70.60.50.40.3Cu2+浓度/mgL-1时间/d酸模鼠草鸭跖草香薷（a）pH 值为 3（a）Cu2+初始浓度为 1mg L-1024681012141.21.11.010.90.80.70.60.50.40.3Cu2+浓度/mgL-1时间/d酸模鼠草鸭跖草香薷（b）Cu2+初始浓度为 2mg L-1024681012142.221.81.61.41.2Cu2+浓度/mgL-1时间/d酸模鼠草鸭跖草香薷图 1不同 Cu2+初始浓度对 4 种植物去除 Cu2+的影响Fig.1Effect of different initial concentrationsof copperions on the effect of copper ion removalfor four species of plants024681012143.232.82.62.42.221.81.61.4Cu2+浓度/mgL-1时间/d（c）Cu2+初始浓度为 3mg L-1酸模鼠草鸭跖草香薷图 2不同 pH 值对 4 种植物去除 Cu2+的影响Fig.2Effect of different pH value on the effectof copper ion removal for four species of plants024681012141.21.11.00.90.80.70.60.50.40.3Cu2+浓度 mgL-1时间/d（c）pH 值为 11酸模鼠草鸭跖草香薷（b）pH 值为 7024681012141.21.11.00.90.80.70.60.50.40.3Cu2+浓度/mgL-1时间/d酸模鼠草鸭跖草香薷邓景成等：植物-微生物联合在重金属污染废水中的应用研究452023 年第 4 期在 17.6%2%范围内变化，香薷对废水中 Cu2+去除率在 13.6%38%范围内变化；初始 pH 值为 11 时，酸模、鼠草、鸭跖草和香薷对废水中 Cu2+去除率分别增至 43%、41%、33%、25%。对比同种植物对不同初始 pH 值的废水中 Cu2+去除效果发现，4 种植物均是在 pH 值为 7 时对 Cu2+的去除率较大，pH 值为 3 时的去除率略大于 pH 值为 11 时的去除率。整体而言，4 种植物对 Cu2+去除率在废水初始 pH 值小于 7 范围内，Cu2+去除率随 pH 值增大而逐渐增大、当 pH 值大于 7 时 Cu2+去除率减小。2.3植物-微生物协同作用的影响依据 2.1 和 2.2 实验结果，选取酸模作为实验植物，因采集的城市内湖湖水 pH 值在 7 左右，故不另外控制实验 pH 值，另外查阅相关文献知，芽孢杆菌属、革兰氏阴性菌是较好的耐铜菌株 11，因此，本研究直接培养该菌株进行实验，实验时控制废水 Cu2+初始浓度为 1mg L-1，实验均在塑料桶中分两组进行，均控制水位为 3L，一组只栽培酸模植物，另一组栽培酸模的同时接种耐铜菌株，每隔 2d 采集水样进行分析（平行测定 3 次），自实验开始 14d 内废水中 Cu2+含量变化情况及废水 Cu2+去除率变化见图 3。由图 3 可知，同种情况下添加耐铜菌后，酸模对Cu2+的去除率显著增大，14d 后，未添加耐铜菌下 Cu2+去除率为 48%，添加耐铜菌后 Cu2+去除率增至 65%，增大了 17%，说明耐铜菌能促进酸模对废水中 Cu2+的去除。3结论（1）Cu2+初始浓度为 1mg L-1时，酸模、鼠草、鸭跖草、香薷 4 种植物对废水中 Cu2+去除效果较好，植物对废水中 Cu2+的去除过程可分为快速吸收期、稳定期、衰减期 3 个阶段；（2）植物对废水中 Cu2+去除率在一定范围内，随废水初始 pH 值增大而逐渐增大，当 pH 值超过一定范围时去除率减小；（3）酸模、鼠草、鸭跖草、香薷 4 种植物中，酸模对废水中 Cu2+去除效果较好，添加耐铜菌后能改善植物对废水中 Cu2+处理效果。参 考 文 献1 胡智勇，陆开宏，梁晶晶.根际微生物在污染水体植物修复中的作用 J.环境科学与技术，2010,（5）:81-86.2 贾威，陈金全，常军军.汞污染生物修复研究进展 J.环境工程，2020，38（5）：172-179.3 庞海东，贺卓，燕传明，等.耐重金属的植物促生芽孢杆菌筛选及其强化香蒲去除 Cd 的作用 J.农业环境科学学报，2017，36（11）：2314-2321.4 韦丽丽，周琼，谢从新，等.三峡库区重金属的生物富集、生物放大及其生物因子的影响 J.环境科学，2016，37（1）：325-334.5 张瑞杰，张琼琼，黄兴如，等.基于分离培养方法的香蒲根内生细菌多样性 J.湿地科学，2016，14（2）：201-211.6 赵天宏，孙加伟，付宇.逆境胁迫下植物活性氧代谢及外源调控机理的研究进展 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