镉污染废水处理及土壤修复中植物—微生物联合运用分析

郑利明

（广州机械设计研究所，广东 广州 510600）

0 引言

受矿产资源的大规模开采与冶炼、工业生产的快速发展、农药化肥的过度使用等问题的影响，大量重金属在土壤与水源中积累与富集，这给生态文明建设工作的推进造成了阻碍。现阶段，为深入践行“绿水青山就是金山银山”的生态理念，走可持续发展的道路，联合应用植物—微生物重金属治理技术，成为一项极为必要的工作。

1 利用植物—微生物联合修复镉污染的意义

在镉污染治理过程中，植物修复技术属于原位修复技术，这一技术的应用具有运行成本较低、对环境较为友好、不易产生二次污染、植物富集的镉金属能够二次回收利用等优点。同时就植物本身而言，在存在镉金属污染的区域应用植物修复技术可以实现生态环境的美化。尽管植物修复技术有着较高的应用价值，但在实际应用过程中，单一的植物修复技术耗时较长，并且修复效率也比较低。在此背景下，为了切实提升镉金属污染的治理效率与质量，联合应用微生物修复技术与植物修复技术，在保证植物为微生物提供更好的生存条件的同时，令微生物的生长代谢活动与植物的生长代谢活动相互促进，提高植物对镉金属的耐受性，增强植物对镉金属的吸附性，从而为提升植物修复镉污染能力、有效治理镉污染提供技术支持[1]。

2 耐镉菌株的筛选、检定与分析

考虑到环境中很多微生物不仅对高浓度的镉金属具有较强的耐受性，还能通过自身的作用，减缓镉金属富集对自然环境的影响，因此，在当前土壤、水源镉金属污染治理工作中，选择合适的微生物，对污染进行吸附，可以为生态文明的建设提供大力支持。现阶段，为了实现耐镉菌株的有效筛选，可以先收集镉污染区域的土壤、水源中存在的微生物，然后对菌株进行分离与培养，再对分离得到的菌株进行耐镉性检验，从收集到的微生物中选择耐镉性最好的菌株，最后将筛选出来的耐镉菌株进行纯化培养，以便为后续镉污染废水处理及土壤修复工作的顺利开展提供实效支持[2]。

3 镉污染环境下植物的耐性特征

在当前的镉污染治理过程中，植物修复技术的应用一方面可以实现土壤、水源中镉金属的有效富集，切实降低土壤、水源中镉金属的含量，进而保护和改善污染区的生态环境；另一方面可以保障该区域的景观恢复工作顺利推进。在应用过程中，为了进一步提升污染治理工作的效率，可以选择生物量大、生长速度快、抗逆性强、管理难度低的观赏性、经济性植物，在保证污染区域镉金属得到有效吸收的同时，降低开展污染治理工作的成本[3]。

4 镉污染环境下植物—微生物联合运用方法

4.1 鸢尾—耐镉菌株处理镉污染废水

水源是人们赖以生存的重要物质基础，近年来，受农药化肥滥用、机动车尾气大量排放、城市污水与工业废水肆意倾倒等因素的影响，水体中的镉金属离子严重超标，不仅会抑制植物的正常生长，还会提高人体细胞突变、癌变的概率。为了实现水体中镉金属离子的有效富集，合理应用鸢尾—耐镉菌株处理技术，对水体中的镉金属离子进行处理，成为推动环境友好生态历程的重要举措。

4.1.1 材料与方法

本次实验选取了水生鸢尾作为镉金属离子净化的植被，鸢尾幼苗选自当地某花卉公司，在开展镉污染废水净化处理前，先对鸢尾进行了为期7 d 的培养，保护根系正常生长。在试验过程中，设置了鸢尾、鸢尾—耐镉菌株、处理过的鸢尾、处理过的鸢尾—耐镉菌株、空白对照这5 个对照样本，每个样本分别设置了3 个重复。然后将对照组放置在1 L 的容器中进行水培试验，在每个容器中人工添加镉离子，添加量依次为 0 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L，模仿镉金属离子对水环境造成的污染。本次实验的所在区域日照充足，并且为了保证容器中水量充足，采用人工补充去离子水的方式，确保每个对照组内的水量始终一致。试验时长为12 d，每3 d 开展一次采样分析工作，检验水体中金属离子的去除效果。值得一提的是鸢尾的处理方法，先对鸢尾植株进行杀青处理，并烘干至恒温，然后用氢氧化钠溶液浸泡一段时间，再对处理后的鸢尾植株进行清洗、烘干[4]。

在开展数据分析工作时，首先，进行植物样品的处理工作。在试验过程中，将鸢尾整株取出置于不同容器内，放在阴凉干燥处沥干水分，再将鸢尾放入箱内温度为105 ℃的烘干箱进行30 min 的杀青处理，随后将温度调至70 ℃，待鸢尾重量恒定后，停止烘干，将烘干得到的鸢尾装入密封袋并做好编号标识。其次，做好液体样品的处理工作。在试验过程中，每次采集一定量的试验溶液，将溶液放置在清洁的容器内，贴好标签。最后，对数据进行处理。在测定样品中的镉金属离子含量时，可以应用原子荧光分光光度计法，同时，为了确保镉金属离子含量数据的有效分析，可以运用Excel 软件对得到的数据信息进行计算与分析；为了进一步提升数据分析工作的直观性，可以应用Orogin 程序作图。

4.1.2 结果与讨论

去除率指的是吸附到植物内部的重金属离子占溶液中总金属离子的比值，去除率越高，说明植物对水体中重金属离子的吸附效果越好。不同情况下鸢尾对镉金属离子的吸附情况如表1 所示。对表1 中的数据进行分析后可以发现，当水体中镉金属离子的浓度为50 mg/L 时，鸢尾—耐镉菌株对金属离子的吸附效果最好。通过分析鸢尾、经过处理的鸢尾对镉金属离子的吸附效果可以发现，在氢氧化钠的作用下，经过处理的鸢尾增加了重金属离子附着点，因此相较于普通鸢尾，它能够处理的镉金属污水浓度更高。

表1 不同情况下鸢尾对镉金属离子的吸附情况

对实验过程中鸢尾的吸附情况进行动力学分析可得到如表2 所示的离子内扩散参数，表2 中的Kp指的是内扩散速率常数，单位为 mg·g-1·min-0.5，R2指的是内扩散相关系数。由表2 数据可知，在以下4 种情况下，鸢尾吸附镉金属离子的动力学过程并不由单一内扩散控制，在只有鸢尾的情况下，内扩散速率常数不断增加，在加入耐镉菌株后，内扩散速率常数数值逐渐下降，在对比两种情况后发现，加入耐镉菌株的鸢尾内扩散速率常数始终大于单一的鸢尾。在经过处理的鸢尾实验组中，内扩散速率常数均是先升高再降低，但从总体上看，加入耐镉菌株的实验组内扩散速率常数始终比只经过处理的鸢尾大[5]。

表2 镉金属离子吸附过程中离子的内扩散参数

4.2 龙葵—耐镉菌株处理镉污染土壤

土壤在生态系统中占据着极为重要的地位，近年来，受各种因素的影响，土壤中镉金属离子的含量不断上升，一方面会影响植株的正常代谢，改变植株的膜透性与遗传特性，另一方面会减少土壤中微生物的含量与种类。这种情况不仅严重降低了土壤的自净能力，还会随着食物链在人体内汇集更多的镉金属离子，进而影响人体健康。现阶段，为了实现土壤中镉金属离子的有效处理，可以使用一年或多年生茄科茄属的草本植物龙葵，对土壤中的镉金属离子进行吸收。

4.2.1 材料与方法

本试验主要采用盆栽试验的方法，判断出镉菌株对龙葵吸收铬金属离子特性的影响。本次试验所用盆栽用土取自周边农田，土壤的理化性质为：土壤的 pH 为 5.9，总 P 为 0.115%，有效 P 为 14 g/kg，总 N为 0.19%，总 Cd 为 0.07%，有效 Cd 为 0.32 g/kg，有效K 为15 g/kg，速效K 为27.5 g/kg。从当地花卉市场购回龙葵种子后，先将其平铺放在有湿润滤纸的培养皿中，再将培养皿放置在28 ℃的培养箱内，培养时间为7 d，然后从培养皿的幼苗中选择长势较好的幼苗移栽至花盆。在幼苗长至5 cm 时，称取2 kg的过筛鲜土，加入适量蒸馏水使土壤的湿润度能够满足植物移栽的需要，然后将幼苗移栽至指定的试验盆钵，并在盆钵表面粘贴编号，培养2 d，观察幼苗的存活率。在幼苗移栽1 周后，选择其中长势较好的幼苗，往盆钵内均匀加入一定浓度的CdCl2·2.5H2O溶液，溶液的镉金属离子单一污染浓度水平分别为0 mg/kg、20 mg/kg、40 mg/kg、60 mg/kg，然后在单一镉金属离子污染情况下，接种培养好的耐镉菌株，在龙葵生长过程中，依据土壤实际情况，在盆钵内添加一定的实验室去离子水，保证土壤湿润，每次浇水量为50～100 mL。试验时间共45 d，在龙葵培养过程中，每15 d 施一次肥，进行一次龙葵株高的测定，然后在第45 d，收割植株。

在试验数据处理分析过程中，首先，对植物样本进行处理。在第45 d，将龙葵整株带土从盆钵中取出，以龙葵土壤与空气连接处作为划分点，将待割的龙葵分成地上、地下两部分，用去离子水冲洗龙葵植株根部残留的泥土，随后把冲下的泥土收集起来，作为待测土壤的一部分。将龙葵地上、地下部分分别置于不同的容器中，放在干燥阴凉处，沥干水分，再将龙葵放入在烘干箱，设置烘干温度为105 ℃，烘干30 min，对龙葵进行杀青处理；一段时间后将温度调至70 ℃，使龙葵烘干至恒重，测出龙葵地上、地下部分的干重，并将烘干后的龙葵放在密封袋内，做好编号标记。其次，对土壤样本进行处理，将盆钵中残留的土壤与龙葵地下部分冲下的土壤收集起来，并用两次四分法取一定量的土壤，将其进行编号，放在阴凉干燥处风干，剔除土壤中的杂质，并将土壤粉碎后装袋编号，送至相关公司进行检测。最后，在龙葵、土壤检测过程中，相关监测系数分别为：富集系数（BCF）=植物样本中重金属浓度/土壤中的重金属浓度；转移系数（BTF）=地上部分重金属含量/地下部分重金属含量。在检测过程中，应用的检测方法为电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP—AES）法。

4.2.2 结果与讨论

对检测后得到的监测数据进行统计分析可以了解到，龙葵在含有不同镉金属离子的土壤中生长时，若土壤中的镉金属离子浓度小于20 mg/kg，那么龙葵能够正常生长，说明龙葵本身对镉金属离子具有一定的耐受性。在镉金属离子浓度相同的情况下，对比龙葵收割后的土壤与空白土壤可以发现，龙葵对镉金属离子具有吸附能力。在对龙葵植株干重、株高、植株体内镉金属离子含量、龙葵富集系数、转移系数进行测定后可知，当土壤中镉金属离子浓度为20 mg/kg 时，龙葵植株的干重值、植株株高增长量与龙葵的耐受性都最高，龙葵对镉金属离子的吸附效果也最好。

5 结语

总而言之，土壤与水源是维持经济社会稳定发展的重要物质基础，更是保证生物正常生存与发展的重要环境因子，在当前社会发展背景下，为了实现土壤、水源中镉污染的有效治理，合理使用植物—微生物污染治理技术，可以有效保护自然环境和保障生态安全。