鄭利明

（廣州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所，廣東 廣州 510600）

0 引言

受礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開(kāi)采與冶煉、工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展、農(nóng)藥化肥的過(guò)度使用等問(wèn)題的影響，大量重金屬在土壤與水源中積累與富集，這給生態(tài)文明建設(shè)工作的推進(jìn)造成了阻礙?，F(xiàn)階段，為深入踐行“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)理念，走可持續(xù)發(fā)展的道路，聯(lián)合應(yīng)用植物—微生物重金屬治理技術(shù)，成為一項(xiàng)極為必要的工作。

1 利用植物—微生物聯(lián)合修復(fù)鎘污染的意義

在鎘污染治理過(guò)程中，植物修復(fù)技術(shù)屬于原位修復(fù)技術(shù)，這一技術(shù)的應(yīng)用具有運(yùn)行成本較低、對(duì)環(huán)境較為友好、不易產(chǎn)生二次污染、植物富集的鎘金屬能夠二次回收利用等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)就植物本身而言，在存在鎘金屬污染的區(qū)域應(yīng)用植物修復(fù)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的美化。盡管植物修復(fù)技術(shù)有著較高的應(yīng)用價(jià)值，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，單一的植物修復(fù)技術(shù)耗時(shí)較長(zhǎng)，并且修復(fù)效率也比較低。在此背景下，為了切實(shí)提升鎘金屬污染的治理效率與質(zhì)量，聯(lián)合應(yīng)用微生物修復(fù)技術(shù)與植物修復(fù)技術(shù)，在保證植物為微生物提供更好的生存條件的同時(shí)，令微生物的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)與植物的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)相互促進(jìn)，提高植物對(duì)鎘金屬的耐受性，增強(qiáng)植物對(duì)鎘金屬的吸附性，從而為提升植物修復(fù)鎘污染能力、有效治理鎘污染提供技術(shù)支持[1]。

2 耐鎘菌株的篩選、檢定與分析

考慮到環(huán)境中很多微生物不僅對(duì)高濃度的鎘金屬具有較強(qiáng)的耐受性，還能通過(guò)自身的作用，減緩鎘金屬富集對(duì)自然環(huán)境的影響，因此，在當(dāng)前土壤、水源鎘金屬污染治理工作中，選擇合適的微生物，對(duì)污染進(jìn)行吸附，可以為生態(tài)文明的建設(shè)提供大力支持。現(xiàn)階段，為了實(shí)現(xiàn)耐鎘菌株的有效篩選，可以先收集鎘污染區(qū)域的土壤、水源中存在的微生物，然后對(duì)菌株進(jìn)行分離與培養(yǎng)，再對(duì)分離得到的菌株進(jìn)行耐鎘性檢驗(yàn)，從收集到的微生物中選擇耐鎘性最好的菌株，最后將篩選出來(lái)的耐鎘菌株進(jìn)行純化培養(yǎng)，以便為后續(xù)鎘污染廢水處理及土壤修復(fù)工作的順利開(kāi)展提供實(shí)效支持[2]。

3 鎘污染環(huán)境下植物的耐性特征

在當(dāng)前的鎘污染治理過(guò)程中，植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用一方面可以實(shí)現(xiàn)土壤、水源中鎘金屬的有效富集，切實(shí)降低土壤、水源中鎘金屬的含量，進(jìn)而保護(hù)和改善污染區(qū)的生態(tài)環(huán)境；另一方面可以保障該區(qū)域的景觀(guān)恢復(fù)工作順利推進(jìn)。在應(yīng)用過(guò)程中，為了進(jìn)一步提升污染治理工作的效率，可以選擇生物量大、生長(zhǎng)速度快、抗逆性強(qiáng)、管理難度低的觀(guān)賞性、經(jīng)濟(jì)性植物，在保證污染區(qū)域鎘金屬得到有效吸收的同時(shí)，降低開(kāi)展污染治理工作的成本[3]。

4 鎘污染環(huán)境下植物—微生物聯(lián)合運(yùn)用方法

4.1 鳶尾—耐鎘菌株處理鎘污染廢水

水源是人們賴(lài)以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，近年來(lái)，受農(nóng)藥化肥濫用、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣大量排放、城市污水與工業(yè)廢水肆意傾倒等因素的影響，水體中的鎘金屬離子嚴(yán)重超標(biāo)，不僅會(huì)抑制植物的正常生長(zhǎng)，還會(huì)提高人體細(xì)胞突變、癌變的概率。為了實(shí)現(xiàn)水體中鎘金屬離子的有效富集，合理應(yīng)用鳶尾—耐鎘菌株處理技術(shù)，對(duì)水體中的鎘金屬離子進(jìn)行處理，成為推動(dòng)環(huán)境友好生態(tài)歷程的重要舉措。

4.1.1 材料與方法

本次實(shí)驗(yàn)選取了水生鳶尾作為鎘金屬離子凈化的植被，鳶尾幼苗選自當(dāng)?shù)啬郴ɑ芄?，在開(kāi)展鎘污染廢水凈化處理前，先對(duì)鳶尾進(jìn)行了為期7 d 的培養(yǎng)，保護(hù)根系正常生長(zhǎng)。在試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置了鳶尾、鳶尾—耐鎘菌株、處理過(guò)的鳶尾、處理過(guò)的鳶尾—耐鎘菌株、空白對(duì)照這5 個(gè)對(duì)照樣本，每個(gè)樣本分別設(shè)置了3 個(gè)重復(fù)。然后將對(duì)照組放置在1 L 的容器中進(jìn)行水培試驗(yàn)，在每個(gè)容器中人工添加鎘離子，添加量依次為 0 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L，模仿鎘金屬離子對(duì)水環(huán)境造成的污染。本次實(shí)驗(yàn)的所在區(qū)域日照充足，并且為了保證容器中水量充足，采用人工補(bǔ)充去離子水的方式，確保每個(gè)對(duì)照組內(nèi)的水量始終一致。試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為12 d，每3 d 開(kāi)展一次采樣分析工作，檢驗(yàn)水體中金屬離子的去除效果。值得一提的是鳶尾的處理方法，先對(duì)鳶尾植株進(jìn)行殺青處理，并烘干至恒溫，然后用氫氧化鈉溶液浸泡一段時(shí)間，再對(duì)處理后的鳶尾植株進(jìn)行清洗、烘干[4]。

在開(kāi)展數(shù)據(jù)分析工作時(shí)，首先，進(jìn)行植物樣品的處理工作。在試驗(yàn)過(guò)程中，將鳶尾整株取出置于不同容器內(nèi)，放在陰涼干燥處瀝干水分，再將鳶尾放入箱內(nèi)溫度為105 ℃的烘干箱進(jìn)行30 min 的殺青處理，隨后將溫度調(diào)至70 ℃，待鳶尾重量恒定后，停止烘干，將烘干得到的鳶尾裝入密封袋并做好編號(hào)標(biāo)識(shí)。其次，做好液體樣品的處理工作。在試驗(yàn)過(guò)程中，每次采集一定量的試驗(yàn)溶液，將溶液放置在清潔的容器內(nèi)，貼好標(biāo)簽。最后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在測(cè)定樣品中的鎘金屬離子含量時(shí)，可以應(yīng)用原子熒光分光光度計(jì)法，同時(shí)，為了確保鎘金屬離子含量數(shù)據(jù)的有效分析，可以運(yùn)用Excel 軟件對(duì)得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算與分析；為了進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)分析工作的直觀(guān)性，可以應(yīng)用Orogin 程序作圖。

4.1.2 結(jié)果與討論

去除率指的是吸附到植物內(nèi)部的重金屬離子占溶液中總金屬離子的比值，去除率越高，說(shuō)明植物對(duì)水體中重金屬離子的吸附效果越好。不同情況下鳶尾對(duì)鎘金屬離子的吸附情況如表1 所示。對(duì)表1 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水體中鎘金屬離子的濃度為50 mg/L 時(shí)，鳶尾—耐鎘菌株對(duì)金屬離子的吸附效果最好。通過(guò)分析鳶尾、經(jīng)過(guò)處理的鳶尾對(duì)鎘金屬離子的吸附效果可以發(fā)現(xiàn)，在氫氧化鈉的作用下，經(jīng)過(guò)處理的鳶尾增加了重金屬離子附著點(diǎn)，因此相較于普通鳶尾，它能夠處理的鎘金屬污水濃度更高。

表1 不同情況下鳶尾對(duì)鎘金屬離子的吸附情況

對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鳶尾的吸附情況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析可得到如表2 所示的離子內(nèi)擴(kuò)散參數(shù)，表2 中的Kp指的是內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)，單位為 mg·g-1·min-0.5，R2指的是內(nèi)擴(kuò)散相關(guān)系數(shù)。由表2 數(shù)據(jù)可知，在以下4 種情況下，鳶尾吸附鎘金屬離子的動(dòng)力學(xué)過(guò)程并不由單一內(nèi)擴(kuò)散控制，在只有鳶尾的情況下，內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)不斷增加，在加入耐鎘菌株后，內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)數(shù)值逐漸下降，在對(duì)比兩種情況后發(fā)現(xiàn)，加入耐鎘菌株的鳶尾內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)始終大于單一的鳶尾。在經(jīng)過(guò)處理的鳶尾實(shí)驗(yàn)組中，內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)均是先升高再降低，但從總體上看，加入耐鎘菌株的實(shí)驗(yàn)組內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)始終比只經(jīng)過(guò)處理的鳶尾大[5]。

表2 鎘金屬離子吸附過(guò)程中離子的內(nèi)擴(kuò)散參數(shù)

4.2 龍葵—耐鎘菌株處理鎘污染土壤

土壤在生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)著極為重要的地位，近年來(lái)，受各種因素的影響，土壤中鎘金屬離子的含量不斷上升，一方面會(huì)影響植株的正常代謝，改變植株的膜透性與遺傳特性，另一方面會(huì)減少土壤中微生物的含量與種類(lèi)。這種情況不僅嚴(yán)重降低了土壤的自?xún)裟芰?，還會(huì)隨著食物鏈在人體內(nèi)匯集更多的鎘金屬離子，進(jìn)而影響人體健康?，F(xiàn)階段，為了實(shí)現(xiàn)土壤中鎘金屬離子的有效處理，可以使用一年或多年生茄科茄屬的草本植物龍葵，對(duì)土壤中的鎘金屬離子進(jìn)行吸收。

4.2.1 材料與方法

本試驗(yàn)主要采用盆栽試驗(yàn)的方法，判斷出鎘菌株對(duì)龍葵吸收鉻金屬離子特性的影響。本次試驗(yàn)所用盆栽用土取自周邊農(nóng)田，土壤的理化性質(zhì)為：土壤的 pH 為 5.9，總 P 為 0.115%，有效 P 為 14 g/kg，總 N為 0.19%，總 Cd 為 0.07%，有效 Cd 為 0.32 g/kg，有效K 為15 g/kg，速效K 為27.5 g/kg。從當(dāng)?shù)鼗ɑ苁袌?chǎng)購(gòu)回龍葵種子后，先將其平鋪放在有濕潤(rùn)濾紙的培養(yǎng)皿中，再將培養(yǎng)皿放置在28 ℃的培養(yǎng)箱內(nèi)，培養(yǎng)時(shí)間為7 d，然后從培養(yǎng)皿的幼苗中選擇長(zhǎng)勢(shì)較好的幼苗移栽至花盆。在幼苗長(zhǎng)至5 cm 時(shí)，稱(chēng)取2 kg的過(guò)篩鮮土，加入適量蒸餾水使土壤的濕潤(rùn)度能夠滿(mǎn)足植物移栽的需要，然后將幼苗移栽至指定的試驗(yàn)盆缽，并在盆缽表面粘貼編號(hào)，培養(yǎng)2 d，觀(guān)察幼苗的存活率。在幼苗移栽1 周后，選擇其中長(zhǎng)勢(shì)較好的幼苗，往盆缽內(nèi)均勻加入一定濃度的CdCl2·2.5H2O溶液，溶液的鎘金屬離子單一污染濃度水平分別為0 mg/kg、20 mg/kg、40 mg/kg、60 mg/kg，然后在單一鎘金屬離子污染情況下，接種培養(yǎng)好的耐鎘菌株，在龍葵生長(zhǎng)過(guò)程中，依據(jù)土壤實(shí)際情況，在盆缽內(nèi)添加一定的實(shí)驗(yàn)室去離子水，保證土壤濕潤(rùn)，每次澆水量為50～100 mL。試驗(yàn)時(shí)間共45 d，在龍葵培養(yǎng)過(guò)程中，每15 d 施一次肥，進(jìn)行一次龍葵株高的測(cè)定，然后在第45 d，收割植株。

在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析過(guò)程中，首先，對(duì)植物樣本進(jìn)行處理。在第45 d，將龍葵整株帶土從盆缽中取出，以龍葵土壤與空氣連接處作為劃分點(diǎn)，將待割的龍葵分成地上、地下兩部分，用去離子水沖洗龍葵植株根部殘留的泥土，隨后把沖下的泥土收集起來(lái)，作為待測(cè)土壤的一部分。將龍葵地上、地下部分分別置于不同的容器中，放在干燥陰涼處，瀝干水分，再將龍葵放入在烘干箱，設(shè)置烘干溫度為105 ℃，烘干30 min，對(duì)龍葵進(jìn)行殺青處理；一段時(shí)間后將溫度調(diào)至70 ℃，使龍葵烘干至恒重，測(cè)出龍葵地上、地下部分的干重，并將烘干后的龍葵放在密封袋內(nèi)，做好編號(hào)標(biāo)記。其次，對(duì)土壤樣本進(jìn)行處理，將盆缽中殘留的土壤與龍葵地下部分沖下的土壤收集起來(lái)，并用兩次四分法取一定量的土壤，將其進(jìn)行編號(hào)，放在陰涼干燥處風(fēng)干，剔除土壤中的雜質(zhì)，并將土壤粉碎后裝袋編號(hào)，送至相關(guān)公司進(jìn)行檢測(cè)。最后，在龍葵、土壤檢測(cè)過(guò)程中，相關(guān)監(jiān)測(cè)系數(shù)分別為：富集系數(shù)（BCF）=植物樣本中重金屬濃度/土壤中的重金屬濃度；轉(zhuǎn)移系數(shù)（BTF）=地上部分重金屬含量/地下部分重金屬含量。在檢測(cè)過(guò)程中，應(yīng)用的檢測(cè)方法為電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP—AES）法。

4.2.2 結(jié)果與討論

對(duì)檢測(cè)后得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以了解到，龍葵在含有不同鎘金屬離子的土壤中生長(zhǎng)時(shí)，若土壤中的鎘金屬離子濃度小于20 mg/kg，那么龍葵能夠正常生長(zhǎng)，說(shuō)明龍葵本身對(duì)鎘金屬離子具有一定的耐受性。在鎘金屬離子濃度相同的情況下，對(duì)比龍葵收割后的土壤與空白土壤可以發(fā)現(xiàn)，龍葵對(duì)鎘金屬離子具有吸附能力。在對(duì)龍葵植株干重、株高、植株體內(nèi)鎘金屬離子含量、龍葵富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)進(jìn)行測(cè)定后可知，當(dāng)土壤中鎘金屬離子濃度為20 mg/kg 時(shí)，龍葵植株的干重值、植株株高增長(zhǎng)量與龍葵的耐受性都最高，龍葵對(duì)鎘金屬離子的吸附效果也最好。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，土壤與水源是維持經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，更是保證生物正常生存與發(fā)展的重要環(huán)境因子，在當(dāng)前社會(huì)發(fā)展背景下，為了實(shí)現(xiàn)土壤、水源中鎘污染的有效治理，合理使用植物—微生物污染治理技術(shù)，可以有效保護(hù)自然環(huán)境和保障生態(tài)安全。