CN109744137A - 一种以水培植物吸收电镀工业废水重金属的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以水培植物吸收电镀工业废水重金属的方法，选取空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻的种子萌发后水培练苗，待植株生长至15‑17cm后依次用自来水与去离子水冲洗，将植株种植在水培浮板上并将其置于电镀工业废水上进行重金属吸收。本发明筛选出杂交狼尾草、鸭跖草、空心莲子草和水稻对电镀废水重金属具有高的转运作用，对重金属的富集指数和积累量较高，对电镀工业废水重金属的去除率较高，对电镀废水中Cd的去除率达到90％以上。对电镀废水中Zn的去除率为71.1‑75.7％，对Cu的去除率为51.6％‑66％，对Cr的去除率为21.9‑27.3％。

Description

一种以水培植物吸收电镀工业废水重金属的方法

技术领域

本发明属于植物重金属生态修复技术领域，尤其是涉及一种以水培植物吸收电镀工业废水重金属的方法。

背景技术

随着汽车、电子电器、航空航天工业、建筑工业、装饰工业等领域的蓬勃发展，具有重要配套功能的电镀产业也得到发展壮大。而电镀产业作为当今世界公认的三大污染源之一，在生产过程中会产生大量对人体有害的重金属溶液。目前我国电镀厂点约有1.5×10⁴家，每年排放的电镀废水高达4×10⁹m³，而其中约有50％未达到国家排放标准。在超标的电镀废水中，Cr、Zn、Cu、Cd等重金属元素是最为常见的重金属污染物。其中Cr是最危险的无机毒物之一，被列入国际公认的3种致癌金属物名录。而Cd是生物毒性最强的重金属，在环境中的化学活性强，移动性大，毒性持久。此外，Zn和Cu作为水体内常见的重金属污染物也会随食物链逐级传递累积，最终严重危害人类健康。

植物修复作为一种绿色、经济的重金属污染修复方式，具有对环境扰动小，不会造成二次污染且操作简单，可持续修复等优点。在植物修复的过程中，植物对重金属的富集指数(Enrichment Factor)、转运系数(Translocation Factor)等是决定植物能否适用于植物修复技术的主要因素。目前关于重金属修复的研究大多局限于单一重金属的环境效应，对多种重金属共存于同一环境以及相互作用所形成的环境污染效应重视还严重不足。杂交狼尾草(Pennisetum ameri-canum×P.purpureum)是一种优质、高产的多年生禾本科牧草，是美洲狼尾草(母本Pennisetumamericanum)和象草(父本Pennisetum purpureum)的杂交种，它可以作为优质牧草和饲料，又能起到水土保持和防风固沙等作用。研究表明，杂交狼尾草对Cd具有一定的吸附作用，但有关其对Cu、Zn等重金属的吸收方面的研究还未见报道。鸭跖草(Commelinacommunis)根系发达，分布深广，且具有Cu吸附特性。空心莲子草(Alternanthera philoxeroides)、水稻(Oryza sativa)、番茄(Lycopersiconesculentum)等植物对多种重金属均具有不同程度的吸附特性，但有关这几种植物对复合重金属吸附能力的比较的研究尚未见报道。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种以水培植物吸收电镀工业废水重金属的方法，以空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻在一定比例下间隔栽种以协同处理电镀工业废水中的重金属。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种以水培植物吸收电镀工业废水重金属的方法，包括以下步骤：

1)选取空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻的种子，均匀分布在湿润滤纸上暗培养至萌发，继续培养2-3d后进行光培养得到植株；

2)待植株生长至5-7cm后移栽至盛有海绵的定植篮中，并使定植篮漂浮在营养液上，水培练苗并每8-10天更换一次营养液

其中，水培炼苗的水培温度为20-25℃，光照条件为2000-3000lx，优选为温度25℃，光照条件3000lx；

3)待植株生长至15-17cm后依次用自来水与去离子水冲洗，将植株种植在水培浮板上并将其置于电镀工业废水上进行重金属吸收。

本发明的有益效果在于，筛选出杂交狼尾草、鸭跖草、空心莲子草和水稻对电镀废水重金属具有高的转运作用，对重金属的富集指数和积累量较高，对电镀工业废水重金属的去除率较高，对电镀废水中Cd的去除率达到90％以上。对电镀废水中Zn的去除率为71.1-75.7％，对Cu的去除率为51.6％-66％，对Cr的去除率为21.9-27.3％。

进一步，步骤2)中空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻种子的比例为：1-4:1-3:1-2:1，优选为1:1:1:1；种植间距为株距10-15cm，行距15-20cm，优选为株距10cm，行距20cm。

步骤3)中空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻的比例为：1-4:1-3:1-2:1，优选为4:3:2:1；行株距为20-50cm×20-50cm。

采用上述进一步的有益效果在于，本发明根据不同植物的生长特性确定了其种植的比例及其种植间距，使得所种植的植物最大化的进行重金属的富集，空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻种子的比例为1:1:1:1时，对重金属Cd、Cr、Cu和Zn的去除率分别达到91.8％、28％、78％和80％，空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻种子的比例为3:2:4:1时，对重金属Cd、Cr、Cu和Zn的去除率分别达到92.3％、35％、82％和85％。

进一步，步骤1)中暗培养的温度为20-25℃，优选为25℃；

光培养的温度为23-26℃，光照条件为2000-3000lx，优选为温度25℃，光照条件为3000lx。

进一步，步骤2)中所述营养液为Hogland水培营养液。

采用上述进一步的有益效果在于，Hogland营养液含有植物正常的生长与发育所必需的13种必要元素，且在营养液中均为植物可以吸收的状态即离子解离状态，此外，其离子间的比例适用于本发明中植物组合的营养需求，避免了植物间的竞争关系导致植物组合中存在营养分配不均的情况，使植物组合中的各植物发育良好，富集能力强，富集效果显著。

进一步，步骤3)中所述含重金属的电镀工业废水中的重金属离子为锌离子，铜离子，镉离子，铬离子的任一种或几种的混合。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在以下实施例中，植物种子萌发的方法为将种子均匀散布在放有湿润滤纸的萌发盘中，将萌发盘放置于25℃的培养箱中暗培养，待萌发2d后放在25℃，3000lx的光照培养箱中继续萌发；

水培营养液中培养的操作为待种子萌发生长至5-7cm高度时，将其移栽至盛有海绵的定植篮(外径45mm，内径31.5mm，高45mm)中，植物品种比例为1:1:1:1:1，株距10cm，行距20cm，并将定植篮泡插至泡沫浮板相应的小孔中，泡沫浮板置于Hogland水培营养液中，25℃，3000lx水培炼苗。

实施例1

将空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻种子萌发后移栽到水培营养液中培养，将生长健壮的空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻水培植株按照株数1:1:1:1比例组合移栽到电镀工业废水中培养30-60d，植物移栽行株距为20-50cm×20-50cm，测定该植物组合对电镀废水重金属的去除率。测得该植物组合对电镀废水重金属Cd、Cr、Cu和Zn的去除率分别是91.8％、28％、78％和80％。

实施例2

将空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻种子萌发后移栽到水培营养液中培养，将生长健壮的空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻水培植株按照株数3:2:4:1比例组合移栽到电镀工业废水中培养30-60d，植物移栽行株距为20-50cm×20-50cm，测定该植物组合对电镀废水重金属的去除率。测得该植物组合对电镀废水重金属Cd、Cr、Cu和Zn的去除率分别是92.3％、35％、82％和85％。

实施例3

将空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻种子萌发后移栽到水培营养液中培养，将生长健壮的空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻水培植株按照株数3:1:3:1比例组合移栽到电镀工业废水中培养30-60d，植物移栽行株距为20-50cm×20-50cm，测定该植物组合对电镀废水重金属的去除率。测得该植物组合对电镀废水重金属Cd、Cr、Cu和Zn的去除率分别是90.0％、23.5％、66％和71.1％。

实施例4

将空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻种子萌发后移栽到水培营养液中培养，将生长健壮的空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻水培植株按照株数1:2:1:1比例组合移栽到电镀工业废水中培养30-60d，植物移栽行株距为20-50cm×20-50cm，测定该植物组合对电镀废水重金属的去除率。测得该植物组合对电镀废水重金属Cd、Cr、Cu和Zn的去除率分别是90.2％、26.8％、54.9％和74.0％。

实施例5

将空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻种子萌发后移栽到水培营养液中培养，将生长健壮的空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻水培植株按照株数1:1:2:1比例组合移栽到电镀工业废水中培养30-60d，植物移栽行株距为20-50cm×20-50cm，测定该植物组合对电镀废水重金属的去除率。测得该植物组合对电镀废水重金属Cd、Cr、Cu和Zn的去除率分别是91.6％、27.3％、57.6％和75.7％。

实施例6

将空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻种子萌发后移栽到水培营养液中培养，将生长健壮的空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻水培植株按照株数3:2:1:1比例组合移栽到电镀工业废水中培养30-60d，植物移栽行株距为20-50cm×20-50cm，测定该植物组合对电镀废水重金属的去除率。测得该植物组合对电镀废水重金属Cd、Cr、Cu和Zn的去除率分别是90.4％、23.2％、51.6％和73.9％。

性能评定

处理含重金属的电镀工业废水第30天，取实施例1-6中的植株，依次用自来水、去离子水洗净。分别取植株根部和茎叶部，放入干净的搪瓷盘中，置于恒温干燥箱内85℃杀青、烘干至恒重。研钵研磨至粉末状。采用原子吸收光谱法测定植株体内的重金属含量，所得结果如下表1；

表1 5种植物不同部位的重金属含量(mg·kg^-1)

由表1可知，空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻根部对四种重金属的积累量均远高于茎叶部，其中杂交狼尾草根部对Cu和Cr的积累量分别达到了茎叶部积累量的81.23倍和64.63倍，鸭跖草根部对Cd和Cr的积累量分别是茎叶部积累量的10.30倍和28.59倍，而水稻根部的积累量也达到了茎叶部的11.73倍和7.02倍。

处理含重金属的电镀工业废水第30天，取实施例1-6中的水体，使用电感耦合等离子体发射光谱仪检测水中重金属含量，所得结果如表2，污染水体中各种重金属去除率计算方法为：重金属去除率＝(水体原始浓度-水体最终浓度)/水体原始浓度。

表2五种植物对水体重金属的去除率(％)

植物	Cd	Zn	Cu	Cr
					空心莲子草	90.0±0.007	71.1±0.007	66.0±0.074	23.5±0.160
杂交狼尾草	90.2±0.004	74.0±0.013	54.9±0.073	26.8±0.090
					鸭趾草	91.6±0.006	75.7±0.013	57.6±0.030	27.3±0.058
水稻	90.4±0.007	73.9±0.003	51.6±0.015	23.2±0.068
					番茄	90.4±0.011	73.9±0.030	58.1±0.002	21.9±0.064

由表2可知，五种重金属富集植物对电镀废水中Cd的去除率普遍较高，均达到90％以上，其中鸭跖草对Cd的去除率最高，达到91.6±0.006％。五种植物对电镀废水中Zn的去除率为71.1-75.7％，对Cu的去除率为51.6％-66％。五种植物对电镀废水中Cr的去除率普遍较低，去除率仅为21.9-27.3％。

综合5种植物对电镀工业废水重金属积累、富集指数、转运作用和去除率等指标，确定杂交狼尾草、鸭跖草、空心莲子草和水稻可作为电镀废水中多种重金属吸附的组合植物。以杂交狼尾草、鸭跖草、空心莲子草和水稻植物组合吸收电镀工业废水重金属，结果表明，以杂交狼尾草、鸭跖草、空心莲子草和水稻组成的植物组合对电镀废水重金属的去除率明显比单种植物重金属去除率高，植物组合对Cd的去除率最高，达到92.3％，对Cr、Cu和Zn的去除率分别是35％、82％和85％。

计算5种植物对不同重金属的富集指数，结果如表3，植株体内各种重金属离子的富集指数(EF)计算方法为：富集指数＝植物体内重金属质量比/原营养液中重金属浓度。

表3 5种植物对电镀废水中重金属的富集指数

植物种类	Cd	Zn	Cu	Cr
					空心莲子草	569.39±5.57	683.91±8.55	573.94±11.35	1393.00±7.99
杂交狼尾草	134.51±3.32	429.69±6.73	1156.19±19.09	951.76±9.87
					鸭跖草	347.50±7.81	264.94±5.34	213.88±5.71	1493.74±5.48
水稻	827.50±9.36	639.06±7.63	621.25±14.33	827.50±13.54
					番茄	4.63±0.32	215.63±2.58	60.00±3.43	75.00±4.35

由表3可知，5种植物对水体重金属污染具有不同程度的修复作用且同种植物对不同重金属的积累有明显的偏好性。其中，杂交狼尾草对Cu的吸附效果极强，富集指数达到1156.19，是番茄Cu富集指数的19.30倍，表明杂交狼尾草可作为吸收水体铜污染的优选植物。而水稻则更适用于水体中Cd的吸收，富集指数为827.50，是番茄Cd富集指数的178.70倍。水稻与杂交狼尾草同属于禾本科；空心莲子草对Zn的富集指数最大，数值为683.91，而鸭跖草、番茄等植物对Zn的富集指数只有264.94±5.34和215.63±2.58，表明空心莲子草对Zn的吸收具有特异性。由此本研究推测空心莲子草因其体内成分的优势，可作为水体中重金属Zn富集的备选植物。此外，和其它几种植物相比，番茄对水体中Cu、Cd、Zn和Cr的富集指数相对较低，富集能力较弱，可认为番茄不适用于水体重金属污染的吸收。综上，杂交狼尾草、空心莲子草和水稻可分别用于电镀废水中Cu、Zn和Cd吸附，并可组合应用于电镀废水中复合重金属污染的修复。

对5种植物的重金属转运系数进行计算分析，结果如表4，植株体内各种重金属离子的转运系数及计算方法为：转运系数＝植物茎叶部重金属质量比/植物根部重金属质量比。

表4 5种植物对电镀废水中重金属的转运系数

植物种类	Cd	Zn	Cu	Cr	顺序
						空心莲子草	0.31±0.09	1.52±0.14	0.44±0.05	0.05±0.12	Zn>Cu>Cr>Cd
杂交狼尾草	0.28±0.03	0.12±0.07	0.01±0.00	0.02±0.01	Cd>Zn>Cr>Cu
						鸭跖草	0.10±0.02	0.79±0.02	0.11±0.04	0.04±0.01	Zn>Cu>Cd>Cr
水稻	0.16±0.07	0.46±0.05	0.14±0.02	0.10±0.02	Zn>Cd>Cu>Cr
						番茄	1.65±0.13	0.59±0.06	0.33±0.01	0.88±0.11	Cd>Cr>Zn>Cu

由表4可知，空心莲子草对Zn和Cu的转运系数较高，分别为0.44和1.52，表明空心莲子草是通过将Cu和Zn重金属转移并固定至地上部分从而实现对其的耐受和富集。本研究发现鸭跖草和水稻对Zn的转运能力较强，表明鸭跖草、水稻和空心莲子草可能存在相似的重金属水体适应机制相似。此外，番茄虽在重金属吸附量上不及其他5种植物，但对Cd、Cr的转运系数较高，分别达到了1.65和0.88，可作为水体重金属Cd、Cr再利用的优选植物，而空心莲子草因具有较强的Zn、Cu转运能力，可作为电镀废水中Zn、Cu回收再利用的优选植物。

综上所述，可知以下结论：

1)杂交狼尾草、鸭趾草和水稻主要将水体中的重金属Zn、Cu、Cd和Cr富集在根部，番茄主要将水体中的重金属富集在茎叶部。

2)水稻、空心莲子草及杂交狼尾草分别对水体中的Cd、Zn和Cu具有良好的吸附效果，可作为吸附电镀废水中相应重金属优选的植物组合。

3)空心莲子草对Cu和Zn具有较强的转运能力，将大量的Cu和Zn从根部转移到茎叶部，可作为电镀废水中Cu和Zn回收再利用的优选植物。

4)杂交狼尾草、鸭跖草、空心莲子草和水稻可作为电镀废水中多种重金属吸附的组合植物，植物组合对电镀废水四种重金属Cd、Cr、Cu和Zn的去除率明显比单种植物重金属去除率高。

Claims (8)

1.一种以水培植物吸收电镀工业废水重金属的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选取空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻的种子，均匀分布在湿润滤纸上暗培养至萌发，继续培养2-3d后进行光培养得到植株；

2)待植株生长至5-7cm后移栽至盛有海绵的定植篮中，并使定植篮漂浮在营养液上，水培练苗并每8-10天更换一次营养液；

3)待植株生长至15-17cm后依次用自来水与去离子水冲洗，将植株种植在水培浮板上并将其置于电镀工业废水上进行重金属吸收。

2.根据权利要求1所述的一种以水培植物吸收电镀工业废水重金属的方法，其特征在于，步骤2)中所述空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻种子的比例为：1-4:1-3:1-2:1；

步骤3)中所述空心莲子草、杂交狼尾草、鸭趾草和水稻的比例为：1-4:1-3:1-2:1。

3.根据权利要求1所述的一种以水培植物吸收电镀工业废水重金属的方法，其特征在于，步骤1)中所述暗培养的温度为20-25℃；

所述光培养的温度为23-26℃，光照条件为2000-3000lx。

4.根据权利要求1所述的一种以水培植物吸收电镀工业废水重金属的方法，其特征在于，步骤2)中所述营养液为Hogland水培营养液。

5.根据权利要求1所述的一种以水培植物吸收电镀工业废水重金属的方法，其特征在于，步骤2)中所述定植篮中种植的种植间距为株距10-15cm，行距15-20cm。

6.根据权利要求1所述的一种以水培植物吸收电镀工业废水重金属的方法，其特征在于，步骤2)中所述水培炼苗的水培温度为20-25℃，光照条件为2000-3000lx。

7.根据权利要求1所述的一种以水培植物吸收电镀工业废水重金属的方法，其特征在于，步骤3)中所述种植在水培浮板上植物的行株距为20-50cm×20-50cm。

8.根据权利要求1所述的一种以水培植物吸收电镀工业废水重金属的方法，其特征在于，步骤3)中所述含重金属的电镀工业废水中的重金属离子为锌离子，铜离子，镉离子，铬离子的任一种或几种的混合。