CN114620838A - 一种强化浮萍修复铜污染水体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及废水处理领域，具体涉及一种强化浮萍修复铜污染水体的方法。将浮萍种植在稀释后的改良霍格兰营养液中进行适应性培养，7天后取多簇长势良好的浮萍，备用；在含有铜离子水体中施加外源强化剂，而后取浮萍放入水中进行生长培养；经14天的培养后，将浮萍从污染水体中移出，重新种植浮萍；重新种植浮萍并重复上述步骤，直至培养器皿中铜污染水体的铜含量降低至国家水质要求标准。本发明操作简易，且具有良好的经济效益与社会效益，有利于大规模推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及废水处理领域，具体地，本发明涉及一种强化浮萍修复铜污染水体的方法。
技术背景
重金属污染是指不被水生生物所必需的Cd、Pb、Hg、Cr等不具备任何生理功能且影响生物生长，以及如Cu、Zn等在高离子浓度下具有明显毒性的元素造成的污染。水体中的重金属主要来自自然源和人为源。通过自然途径进入水体中的重金属一般不会对水体造成污染，自然源主要是岩石风化的碎屑产物；人为污染源是造成水体重金属污染的主要原因，主要包括采矿和冶炼、金属加工、化工、废电池处理、电子、造革和染料、大气沉降、农药和化肥的使用等。随着城市化进程的加快和工农业的迅猛发展，我国绝大多数城市都不同程度的存在着水质问题，其中铜污染水体的现象在我国大部分地区比较普遍，尤其是金属矿区及冶炼厂周围的水体。因此修复矿区及冶炼厂周边重金属污染水体、恢复良好水质，是环境领域亟待解决的重要课题。其对于改善区域环境质量和可持续发展具有十分重大的现实意义。
水体重金属污染的同趋严重这一现状，采取有效措施治理、净化被污染的水体并实现废水的回收利用是当下研究重点。总的来说，水体重金属污染治理修复主要包括物理法、化学法、物理化学法、生物法四大类方法及新型复合处理方法。物理法包含蒸发法、换水法以及稀释法。这三种方法操作简便易行，但局限性明显且干扰重金属资源回收，所以物理法渐渐被否定；化学法包含化学沉淀法、电解法以及高分子材料富集方法。缺点是易造成二次污染，并且不适于处理较低浓度的含重金属离子的废水；物理化学法包含了吸附分离法、离子交换法以及膜分离技术。吸附分离法和离子交换法适用范围有限，易造成二次污染；膜分离技术是利用膜对混合物中各组分的选择透过性能来分离、提纯和浓缩目的产物的新型分离技术，这种方法耗能多且膜的寿命短。在重金属废水处理中应用较广泛的微生物治理方法主要有生物吸附法和微生物絮凝法。生物絮凝剂与无机絮凝剂和合成有机絮凝剂相比，具有处理废水安全无毒、絮凝效果好、不产生二次污染等优点，但其存在活体生物絮凝剂不易保存，生产成本高等问题，限制了其实际应用。目前此法还处在探索研究阶段。
由此可见，处理水体重金属污染常用的方法有以沉淀、絮凝或吸附为主的传统物理化学方法和以生物为主吸收、容纳或转移重金属的生态修复方法。传统的物化方法要求技术高、费用多且容易造成二次污染，在实际应用中具有诸多局限。近年来，利用植物修复重金属污染水体的技术逐步发展，主要包括植物固定、植物挥发和植物吸收三种。该技术是利用重金属超富集植物对重金属的吸收、富集和存储等作用实现生态修复，具有成本低、效率高、节约能源、避免二次污染、绿色环保等优点，且有重金属回收的潜在可能，是当前生物修复技术研究的热点。
目前已经发现了重金属超富集植物近500种，但得到广泛认同的铜超富集植物只有37种，且已发现的铜超富集植物大多具有地域特征、生物量较低、生长缓慢、周期长，限制了在修复铜污染水体方面的实际应用。
浮萍作为一种常见的水生植物，能分解、吸收、转化氮、磷和有机物等营养物质，且具有优越的生长性能和广泛的用途，因此近年来采用浮萍处理污水已成为环境领域的研究热点之。浮萍科的植物在水污染治理方面，尤其是水体富营养化、有机农药和污染物的吸收降解，水质改善和生态系统功能的恢复等方面起着重要的作用。浮萍也由于其自身的生物学特性，例如取材容易、易培养、生长快、生物量大、污染耐受性强等特点，更适于污染水体生态修复和废水净化。
但是如何使浮萍强化修复重金属污染水域，仍是急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种强化浮萍修复铜污染水体的方法，增加了植物对重金属铜的抗性，提高了其富集能力，从而实现水质的修复。本发明操作简易，且具有良好的经济效益与社会效益，无二次污染，有利于大规模推广应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下，一种强化浮萍修复铜污染水体的方法，包括如下步骤：
1)将浮萍种植在稀释后的改良霍格兰营养液中进行适应性培养，7天后取多簇长势良好的浮萍，备用；
2)在含有铜离子污染水体中施加外源强化剂，而后取1)中的浮萍放入水中进行生长培养；
3)经14天的培养后，将浮萍从污染水体中移出，重新种植浮萍；
4)重新种植浮萍并重复上述步骤1)-3)，直至培养器皿中铜污染水体的铜含量降低至国家水质要求标准。
上述的一种强化浮萍修复铜污染水体的方法，所述的外源强化剂为柠檬酸。
上述的一种强化浮萍修复铜污染水体的方法，外源强化剂柠檬酸的加入量为0.5mM。
上述的一种强化浮萍修复铜污染水体的方法，所述的外源强化剂为螯合剂EDTA。
上述的一种强化浮萍修复铜污染水体的方法，螯合剂EDTA的加入量为2.5mM。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)选用的紫背浮萍生长速度快、繁殖能力强，克服了植物修复中周期长的问题。且浮萍本身可以通过光合作用释放氧气进入水体，增加水中溶解氧含量。再者，浮萍还可以吸收水体中部分其他杂质，对水体起到净化作用。
(2)本发明通过柠檬酸强化浮萍修复铜污染水体能明显提高加浮萍对铜离子的吸收率和吸收容量，具有所需材料成本低廉、可操作性强、不破坏水体结构、无二次污染风险等优势，可以大范围应用于铜污染水体。
实验证明，在柠檬酸强化作用下浮萍作为富集铜的优势植物，能够增强富集效果。在不引起水体的二次污染同时，使污染水体得到修复，是可靠的、环境相对安全的修复技术。与现有技术相比，既没有破坏水体原有结构，对种植条件要求也较低，具有操作性和推广可行性。
(3)本发明通过添加螯合剂EDTA的方式，能显著增大浮萍叶面积，促进浮萍生长；提升叶片中光合色素含量，缓解铜对光合系统的损伤，增强浮萍光合作用；降低浮萍电解质泄露与植物脂质过氧化程度，进而减轻铜对浮萍细胞膜的影响，有效提高浮萍对铜的耐受性。本发明通过反复种植的手段，提高植物吸收水体中铜的能力，进而高效快速地使污染水体水质达到国家水环境标准要求。
(4)本发明通过施加螯合剂EDTA，能显著增加浮萍对铜离子的耐受性，具有成本低廉，可操作性强，无二次污染风险等优点。实验证明，在螯合剂EDTA的强化作用下，浮萍作为富集铜的优势植物能够达到超富集效果，与现有技术相比，既不破坏水体，对种植条件要求不高，又大大降低了修复费用。
附图说明
图1施加柠檬酸前后浮萍鲜重对比图。
图2施加柠檬酸前后浮萍叶面积对比图。
图3施加柠檬酸前后浮萍MDA对比图。
图4施加柠檬酸前后浮萍电解质渗出率对比图。
图5施加EDTA前后浮萍叶面积对比图。
图6施加EDTA前后浮萍电解质泄露率对比图。
图7施加EDTA前后浮萍MDA对比图。
图8施加EDTA前后浮萍叶绿素a对比图。
图9施加EDTA前后浮萍叶绿素b对比图。
具体实施方式
实施例1利用柠檬酸强化浮萍修复铜污染水体
一种利用柠檬酸强化浮萍修复铜污染水体的方法，包括以下步骤：
(1)选择相应的含铜离子药品，以模拟现实情况下被铜污染的水体。本方法选择的药品CuSO4·5H2O(分析纯)的水溶液形式。
(2)选择合适的对铜有富集能力的植物：紫背浮萍，并将浮萍种子放置在稀释后的改良霍格兰营养液中培养一周，挑出多簇生长状态大致相同的浮萍，备用。
(3)选择对浮萍有强化作用的强化剂：柠檬酸(CA)，添加量为0.5mM。
(4)实验设置：取若干个500mL玻璃缸作为实验器皿，设置两组实验，一组为添加柠檬酸组，另一组为不添加柠檬酸组。
添加柠檬酸组处理溶液配置为：Cu2+0mg/L+CA0.5mM；Cu2+0.5mg/L+CA0.5mM；Cu2+5mg/L+CA0.5mM；Cu2+10mg/L+CA0.5mM；Cu2+20mg/L+CA0.5mM；Cu2+30mg/L+CA0.5mM。
不添加柠檬酸组处理溶液配置为：Cu2+0mg/L；Cu2+0.5mg/L；Cu2+5mg/L；Cu2+10mg/L；Cu2+20mg/L；Cu2+30mg/L。
各处理均设3个平行实验。为了实验数据的有效性，在每个实验缸中放入等量的长势相当的浮萍。且每隔一定固定时间对所有处理组补充等量改良霍格兰营养液。培养14天后移出浮萍，测定其生长指标和生理指标。
一、施加柠檬酸前后对浮萍生长指标的影响
(一)鲜重
施加强化剂CA前后，不同铜浓度下浮萍鲜重参数如下图所示：
图1显示了对照组和各实验组在实验结束时浮萍的鲜重，加入外源强化剂CA后，在Cu2+5mg/L+CA 0.5mM处理条件时，相比在Cu2+5mg/L时浮萍鲜重增加了66.97％；在Cu2+10mg/L+CA 0.5mM处理条件时，相比Cu2+10mg/L时浮萍鲜重增加了31.68％；在Cu2+20mg/L+CA0.5mM处理条件时，相比Cu2+20mg/L时浮萍鲜重增加了39.13％；在Cu2+30mg/L+CA 0.5mM处理条件时，相比Cu2+30mg/L时浮萍鲜重增加了22.08％。可以得出，在较高浓度的铜胁迫条件下施加低浓度强化剂CA能够增加浮萍鲜重，说明浮萍对铜的耐受能力有所提高，浮萍在污染水体中生长更优。
(二)叶面积
施加强化剂CA前后，不同铜浓度下浮萍叶面积参数如下图所示：
图2显示了对照组和各实验组浮萍的叶面积变化，在Cu2+5mg/L+CA0.5mM处理条件时，相比在Cu2+5mg/L时浮萍叶面积增加了29.41％；在Cu2+10mg/L+CA 0.5mM处理条件时，相比Cu2+10mg/L时浮萍叶面积增加了16.67％；在Cu2+20mg/L+CA 0.5mM处理条件时，相比Cu2+20mg/L时浮萍叶面积增加了32.88％；在Cu2+30mg/L+CA 0.5mM处理条件时，相比Cu2+30mg/L时浮萍叶面积增加了28.85％。当Cu2+浓度达到5mg/L时，叶面积增长率达到最大。由此可见，在铜浓度达到5mg/L时，随着铜浓度的升高，浮萍叶面积有不同程度的增加，说明施加CA后使得浮萍的长势较好，对铜的抗性有所提高。
二、施加柠檬酸前后对浮萍生理指标的影响
(一)丙二醛(MDA)
施加强化剂CA前后，不同铜浓度下浮萍MDA参数如下图所示：
图3为对照组和实验组在不同铜离子浓度处理14天后浮萍丙二醛含量。在铜离子胁迫下，植物发生膜脂过氧化反应，其最终产物MDA含量可以反映膜脂过氧化反应的程度。MDA含量越高，说明植物的膜脂过氧化损伤程度越高，对逆境的抗性越小。由图可知，在Cu2+0.5mg/L+CA0.5mM处理条件时，和在Cu2+5mg/L+CA0.5mM处理条件时，与对照组相比，MDA含量有不同程度的降低，当铜离子浓度为5mg/L时，降低最为明显。说明在这种浓度下，CA强化浮萍吸收铜离子能力最强，提高了浮萍对铜离子的抗性。此外，Cu2+10mg/L+CA0.5mM、Cu2+20mg/L+CA0.5mM以及Cu2+30mg/L+CA0.5mM这三组的MDA含量增幅较小，MDA含量是膜脂过氧化作用强弱的一个重要指标，用于表示细胞膜脂过氧化程度和植物对逆境条件反应的强弱，MDA含量的增幅越小说明其适应性越强。
(二)电解质渗出率
施加强化剂CA前后，不同铜浓度下浮萍电解质渗出率参数如图4所示：
图4为施加柠檬酸前后浮萍电解质渗出率对比，由图可见，加入强化剂柠檬酸后，电解质渗出率相比于空白均有不同程度的降低，在Cu2+0.5mg/L+CA 0.5mM处理条件时，相比在Cu2+0.5mg/L时浮萍电解质渗出减少了20.34％；在Cu2+5mg/L+CA 0.5mM处理条件时，相比Cu2+5mg/L时浮萍电解质渗出减少了16.96％；在Cu2+10mg/L+CA 0.5mM处理条件时，相比Cu2+10mg/L时浮萍电解质渗出减少了26.77％；在Cu2+20mg/L+CA 0.5mM处理条件时，相比Cu2+20mg/L时浮萍电解质渗出减少了27.21％；在Cu2+30mg/L+CA 0.5mM处理条件时，相比Cu2+30mg/L时浮萍电解质渗出减少了33.81％。电解质渗出率是检验植物受逆境胁迫后细胞膜透性的重要参数，电解质渗出越多、渗出率值越大，说明细胞膜透性越强，即细胞损伤程度增大，植物抗性降低。由此，加入柠檬酸后浮萍的抗逆性都有了不同程度的增加。
本发明利用施加强化剂CA来强化浮萍修复铜污染水体。添加柠檬酸后，可以在一定程度上增加铜胁迫下叶片的鲜重和叶面积，促进了浮萍的生长，说明了CA可以强化浮萍对铜离子的抗性；另外，能够减少浮萍脂质过氧化程度和细胞膜透性，进一步缓解铜对浮萍细胞膜的损伤，进而提升浮萍对铜的抗性。由实验结果可知，当Cu2+浓度为5mg/L、10mg/L、20mg/L、30mg/L时添加0.5mM的CA，提高了浮萍对铜胁迫的抗性。因此在实际应用中，当污染水体中铜离子浓度为5-30mg/L时添加0.5mM的CA，对浮萍修复铜污染水体的效用最大。
实施例1利用EDTA强化浮萍修复铜污染水体
浮萍：紫背浮萍，将新鲜浮萍放置在改良霍格兰营养液的水中培养7天，挑出生长状态相同浮萍，备用。
螯合剂EDTA：EDTA二钠水溶液形式，备用。
铜离子:CuSO4·5H2O(分析纯)的水溶液形式。
方法：采用500mL玻璃缸作为试验容器，设计两组实验：添加EDTA组与未添加EDTA组。
添加EDTA组处理溶液配置：Cu2+0mg/L+EDTA2.5mM；Cu2+0.5mg/L+EDTA2.5mM；Cu2+5mg/L+EDTA2.5mM；Cu2+10mg/L+EDTA2.5mM；Cu2+20mg/L+EDTA2.5mM；Cu2+30mg/L+EDTA2.5mM。
未添加EDTA组处理溶液配置：Cu2+0mg/L；Cu2+0.5mg/L；Cu2+5mg/L；Cu2+10mg/L；Cu2+20mg/L；Cu2+30mg/L。
每种处理均设3次重复。为了保证实验的准确性，在每个实验缸中放入生物量相同，长势相同的浮萍。为防止浮萍在生长发育阶段缺少必需的营养元素，每隔2-3天对所有处理补充等量改良霍格兰营养液。
浮萍在含有不同铜浓度与相同EDTA处理的营养液中培养14天收获，进行生长指标与生理指标的测定。
(一)施加螯合剂EDTA对浮萍生长指标的影响
施加螯合剂EDTA前后，不同铜浓度下浮萍叶面积参数如图5所示。
由图5可以看出，螯合剂EDTA加入后，浮萍叶面积有不同程度的增加：在Cu2+0mg/L+EDTA2.5mM处理条件时，相比在Cu2+0mg/L时浮萍叶面积增加了27.43％；在Cu2+0.5mg/L+EDTA2.5mM处理条件时，相比Cu2+0.5mg/L时浮萍叶面积增加了7.89％；在Cu2+5mg/L+EDTA2.5mM处理条件时，相比Cu2+5mg/L时浮萍叶面积增加了4.26％；在Cu2+10mg/L+EDTA2.5mM处理条件时，相比Cu2+10mg/L时浮萍叶面积增加了3.60％；在Cu2+20mg/L+EDTA2.5mM处理条件时，相比Cu2+20mg/L时浮萍叶面积增加了7.83％；在Cu2+30mg/L+EDTA2.5mM处理条件时，相比Cu2+30mg/L时浮萍叶面积增加了5.97％。由此说明，在铜胁迫条件下施加低浓度螯合剂EDTA能够使浮萍叶面积增加，进而促进浮萍生长，最终提高浮萍对铜的耐受能力。
(二)施加螯合剂EDTA对浮萍生理指标的影响
施加螯合剂EDTA前后，不同铜浓度下浮萍生理参数如图6所示。
电解质泄露可用于判断植物在重金属胁迫下细胞膜损伤程度。由图6可知，螯合剂EDTA加入后，与对照组相比浮萍电解质泄露明显减少。在Cu2+0mg/L+EDTA2.5mM及Cu2+0.5mg/L+EDTA2.5mM处理条件下，与Cu2+0mg/L及Cu 0.5mg/L处理条件相比，浮萍电解质泄露减少了16.58％、24.53％；在Cu2+5mg/L+EDTA2.5mM及Cu2+10mg/L+EDTA2.5mM处理条件下，与Cu2+5mg/L及Cu2+10mg/L处理条件相比，浮萍电解质泄露减少了15.20％、53.63％；在Cu2+20mg/L+EDTA2.5mM及Cu2+30mg/L+EDTA2.5mM处理条件下，与Cu2+20mg/L及Cu2+30mg/L处理条件相比，浮萍电解质泄露减少了60.81％、64.37％。由数据分析可知，同样添加2.5mM EDTA的情况下，随着水中铜浓度的提高，浮萍叶片细胞膜的损伤程度逐渐降低，由此可以说明螯合剂EDTA的施加有效减轻了铜胁迫对浮萍叶片细胞的损伤程度，增加了浮萍对铜的抗性。
MDA能够用于了解重金属胁迫下植物脂质过氧化程度。由图7可知，螯合剂EDTA加入后，与对照组相比浮萍MDA明显减少。在Cu 0mg/L+EDTA2.5mM处理条件下，与Cu 0mg/L处理条件相比，浮萍MDA减少了42.94％；在Cu 0.5mg/L+EDTA2.5mM处理条件下，与Cu0.5mg/L处理条件相比，浮萍MDA减少了13.66％；在Cu 5mg/L+EDTA2.5mM及Cu10mg/L+EDTA2.5mM处理条件下，与Cu 5mg/L及Cu 10mg/L处理条件相比，浮萍MDA减少了12.47％、29.73％；在Cu20mg/L+EDTA2.5mM及Cu 30mg/L+EDTA2.5mM处理条件下，与Cu 20mg/L及Cu 30mg/L处理条件相比，浮萍MDA减少了39.16％、49.78％。由此说明，螯合剂EDTA的添加有效缓解了铜胁迫下浮萍细胞膜质的过氧化程度，减缓了浮萍细胞膜系统瓦解的进程，进而使浮萍对细胞内重金属的隔离作用持续时间增强，明显提高了浮萍对铜的耐性。
植物光合作用对重金属较为敏感，植物在受到重金属胁迫时光合作用会出现明显的下降。因此光合作用强度可以用于了解重金属对植物胁迫程度。由图8可以看出，在Cu10mg/L、Cu 20mg/L、Cu 30mg/L时添加2.5mM EDTA，叶绿素a含量高于对照组28.23％、31.18％、47.65％。由图9可以得出相同结论，即在Cu 10mg/L、Cu 20mg/L、Cu 30mg/L时添加2.5mM EDTA，叶绿素b含量高于对照组39.24％、63.71％、39.33％。由此说明，在高浓度铜胁迫条件下，添加螯合剂EDTA能够有助于维持重金属胁迫下植物叶片中的叶绿素含量并促进浮萍叶片叶绿素a和叶绿素b的合成，从而提高铜胁迫下浮萍的光合作用，减轻浮萍受重金属铜胁迫的影响，进一步提升其在铜胁迫下的耐受性。
本发明通过外源施加螯合剂EDTA能够有效缓解铜对浮萍的毒害作用。施加EDTA能够促进铜胁迫下浮萍叶面积增加，通过促进浮萍生长提高其耐受性；能够提高铜胁迫下浮萍的光合色素含量，进一步通过提高浮萍光合作用，缓解铜对浮萍光合系统的损伤，增加其耐受性；能够通过降低铜胁迫导致的浮萍脂质过氧化程度，进一步缓解铜对浮萍细胞膜的损伤，从而提升浮萍耐受性。在Cu浓度为10mg/L、20mg/L、30mg/L时添加2.5mM EDTA，效果最优。由此得出，在实际应用中，水中Cu浓度为10-30mg/L时添加2.5mM EDTA，可以有效提高植物修复水体铜污染的效率。
Claims (5)
1.一种强化浮萍修复铜污染水体的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将浮萍种植在稀释后的改良霍格兰营养液中进行适应性培养，7天后取多簇长势良好的浮萍，备用；
2)在含有铜离子污染的水体中施加外源强化剂，而后取1)中的浮萍放入水中进行生长培养；
3)经14天的培养后，将浮萍从污染水体中移出，重新种植浮萍；
4)重新种植浮萍并重复上述步骤1)-3)，直至培养器皿中铜污染水体的铜含量降低至国家水质要求标准。
2.根据权利要求1所述的一种强化浮萍修复铜污染水体的方法，其特征在于，所述的外源强化剂为柠檬酸。
3.根据权利要求2所述的一种强化浮萍修复铜污染水体的方法，其特征在于，外源强化剂柠檬酸的加入量为0.5mM。
4.根据权利要求1所述的一种强化浮萍修复铜污染水体的方法，其特征在于，所述的外源强化剂为螯合剂EDTA。
5.根据权利要求4所述的一种强化浮萍修复铜污染水体的方法，其特征在于，螯合剂EDTA的加入量为2.5mM。
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