高鹽廢水處理耐鹽濕地植物探討

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[摘要]目前利用人工濕地工藝去除高鹽廢水中的污染物被認為是非常有前景的污水凈化技術(shù)之一。本文從濕地植物凈化高鹽廢水的作用和機理入手，分析了鹽脅迫對濕地植物的形態(tài)上和生理上的影響，列出了多種濕地植物的耐鹽閾值及對污染物的凈化效果，并對利用濕地植物去除高鹽廢水中污染物的研究工作進行了展望，旨在為篩選濕地植物去除高鹽廢水中的污染物提供技術(shù)參考。

[關(guān)鍵詞]高鹽廢水；人工濕地；耐鹽性；植物；篩選

1引言

高鹽廢水通常是廢水中有機物和總?cè)芙庑怨腆w(TDS)的質(zhì)量分數(shù)不少于3.5%，以NaCl的量表示含鹽量，含鹽質(zhì)量分數(shù)不少于1%[1]。隨著我國工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，水資源受到了嚴重的污染和破壞，海水直接利用排放的廢水、造紙、醫(yī)藥和石油化工等工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的高鹽廢水[2]。目前，我國大量的中小企業(yè)由于缺乏資金和技術(shù)無法對高鹽廢水進行處理達標(biāo)排放，僅僅采用稀釋后外排的方法，導(dǎo)致了淡水資源的浪費和土地鹽堿化加劇[3]。全世界受鹽度灌溉影響的土壤大約占20%，并且還處于不斷惡化的狀態(tài)。預(yù)計到2050年[4]，世界上50%以上的耕地將會發(fā)生土地鹽堿化[5]，對土地利用率和作物產(chǎn)量產(chǎn)[6]。

2濕地植物去除污染物的作用和機理

濕地中的常見的植物具有生物量大、生長迅速、吸收能力強的特點，濕地植物在濕地中主要有以下幾點作用：吸收、吸附污染物；富集重金屬；提供一個好養(yǎng)和厭氧的根系環(huán)境；維持水利傳輸和人工濕地的正常運行等[11]。人工濕地在運行過程中會受到各種因素的影響，比如濕地的類型、污染物的種類、污染負荷和鹽脅迫主要由、24等中性鹽造成，對濕地植物的影響主要包括離子脅迫、滲透脅迫和氧化脅迫，降低濕地植物種子的萌發(fā)能力，影響濕地植物的正常生長。濕地植物的多種生理過程也會受到鹽脅迫的影響如光合作用、滲透調(diào)節(jié)作用、呼吸作用、蛋白質(zhì)合成等[14]，進而導(dǎo)致濕地的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性被破壞。

3鹽脅迫對濕地植物的影響

3.1鹽脅迫對濕地植物形態(tài)特征的影響

鹽脅迫會影響濕地植物的新陳代謝進而抑制了植物的生長發(fā)育，濕地植物為了抵抗鹽脅迫造成的生理干旱，減小自身葉片大小，增加了葉片厚度，從而使?jié)竦刂参锔哂心褪苄浴Ｉ锪侩S著鹽脅迫的加重而減少，植物的株高和莖粗受到明顯的不良影響，植物種子的萌芽率隨著鹽脅迫程度的增加而顯著下降。鹽脅迫下，濕地植物的地上部干質(zhì)量、根干質(zhì)量和總生物量降低，根活力減弱，地上部受到的抑制作用強于根系[13]，濕地植物通過根部生物量的分布來應(yīng)對鹽脅迫。

3.2鹽脅迫對濕地植物生理特征的影響

生極其惡劣的影響。因此，如何有效去除高鹽廢水中的污染物NaClNaSO成為當(dāng)前研究的熱點和亟需解決的問題。化工生產(chǎn)中產(chǎn)生大量的廢水具有高COD、高鹽度、高毒性等特點[7]。生物處理法具有成本低、處理效果良好，不會產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點，因此成為國內(nèi)外研究的重點[8]。近年來，人工濕地凈化廢水的研究在飛速發(fā)展，濕地植物具有良好經(jīng)濟效益和景觀價值，利用濕地植物去除高鹽廢水中的污染物成為當(dāng)前的一個研究熱點[9]。而且傳統(tǒng)的生物處理方法大多使用復(fù)雜的設(shè)備，需要大量的經(jīng)濟投資和消耗大量的能源，更重要的是這些傳統(tǒng)的方法在控制擴散污染(通常指非點源污染)方面是無效的，因此人工濕地于其成本低、操作方便、環(huán)保、美觀等特點，越來越受到人們的重視，尤其是它在發(fā)展中國家的應(yīng)用[10]。3.2.1離子脅迫鹽脅迫會使?jié)竦刂参矬w內(nèi)積累大量的Na+，打破了植物體內(nèi)Na+/K+比例的平衡，同時Na+和Cl-會影響植物細胞膜和細胞質(zhì)的正常代謝活動，引發(fā)離子毒害，離子毒害對植物的傷害緩慢而持久，危害植物的組織和器官，加速了葉片的衰落或植物的枯萎死亡[15]。植物體內(nèi)的Na+/K+比值越大，植物體內(nèi)的Na+從地下向地上部分運輸?shù)倪x擇性就越大，植物抗鹽能力降低；反之則抗鹽能力越高。鹽脅迫初期，植物葉片內(nèi)Na+隨著鹽濃度的增加而增加，而Na+/K+比例卻一直穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，說明植物根系向葉片中輸送了Na+，以減弱鹽脅迫對植物造成的毒害作用[16]。3.2.2滲透脅迫正常狀態(tài)下，植物細胞中的滲透壓高于土壤溶液，植物利用滲透壓從外界獲取自身生長必需的水分和礦物質(zhì)。在鹽脅迫下，水力負荷、植物的生長狀況等，其中植物是一個重要的因素。濕地植物可以通過自身新陳代謝直接吸收水中的營養(yǎng)物質(zhì)用于自身的生長，促進了廢水中的含氮磷的營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)再利用，濕地植物的根系給微生物提供了良好的根際微環(huán)境，改善區(qū)域氣候，讓整個生態(tài)系統(tǒng)平穩(wěn)運轉(zhuǎn)[12]。土壤溶液中的鹽濃度高，降低了土壤水勢，導(dǎo)致植物細胞滲透壓比土壤滲透壓低，植物體內(nèi)水分流失進而引發(fā)植物缺水，進而導(dǎo)致濕地植物對水分和鉀鈣等礦物質(zhì)的吸收能力降低[13]。濕地植物在鹽脅迫下自身的葉片相對含水量下降，植物缺水而引發(fā)生理干旱效應(yīng)，導(dǎo)致葉片光合速率降低并逐漸枯萎[16]。因此，在高鹽濃度下，植物對廢水中的BOD、COD去除性能降低，懸浮固體物增加[17]。3.2.3氧化脅迫在離子毒害和滲透脅迫的作用下，植物的膜系統(tǒng)會受到損害。鹽脅迫會引起活性氧和自由基在濕地植物體內(nèi)大量積累，造成植物細胞膜脂過氧化傷害，使?jié)竦刂参矬w內(nèi)的相對電導(dǎo)率和MDA含量上升。相對電導(dǎo)率變化是由于濕地植物在逆境脅迫下，細胞膜損害后導(dǎo)致膜通透性變大，細胞中離子滲出，相對電導(dǎo)率能夠反映細胞膜的受害程度。丙二醛(MDA)是植物細胞膜脂過氧化的最終產(chǎn)物，其含量的高低體現(xiàn)了濕地植物的受害程度[18]。在鹽脅迫下，濕地植物自身的保護酶系統(tǒng)會清除體內(nèi)過多的活性氧和自由基，這種保護酶系統(tǒng)主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)。

4高鹽廢水中污染物的去除濕地植物篩選現(xiàn)狀

人工濕地技術(shù)常用于處理污水中的氮磷有機污染物以及重金屬，濕地植物是影響人工濕地凈化水體效能的關(guān)鍵因素，我國在人工濕地處理高鹽廢水這方面的研究較少。因此，近年來人們開展大量的工作，為了篩選既耐鹽又能去除污染物的濕地植物，筆者將研究成果總結(jié)在下表中(表1)。分析表1中的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所列的濕地植物中蘆葦、水蔥、美人蕉、香蒲、千屈菜具有較強的耐鹽能力并對氮磷及有機污染物有較好的去除效果；堿蓬、花菖蒲、鳶尾耐鹽能力強但去除效果較差；而空心蓮子草、再力花、荇菜耐鹽能力差，導(dǎo)致去除效果差；黑三棱、梭魚草、睡蓮、香根草耐鹽閾值極低，因此沒有研究分析它們在高鹽度條件下對污染物的去除效果。

5結(jié)論與展望

(1)現(xiàn)有研究大多是對高鹽度廢水中的氮磷及有機污染物的去除，而對廢水中重金屬污染的去除缺乏相應(yīng)的研究。因此，應(yīng)加強對污水中重金屬去除的研究，提高植物的耐污能力。現(xiàn)實中的高鹽廢水成分復(fù)雜，不是單一的鹽脅迫，因此在耐鹽濕地植物篩選的同時，加強對水中多種污染物去除的研究，篩選出耐鹽同時還能凈化高鹽廢水的濕地植物具有很強的現(xiàn)實意義。(2)對耐鹽能力和去污效果較好的濕地植物的進行進一步的研究，探究濕地植物的生物量指標(biāo)、生理生化特性、葉綠素的含量等受到的影響，植物如何維持自身的生長代謝，包括濕地植物生理變化過程中由于細胞膜功能受損導(dǎo)致體內(nèi)抗氧化酶活性的變化。(3)濕地植物的凈化機制的深入研究應(yīng)與在人工濕地中的實際應(yīng)用并舉，篩選出既耐鹽又耐污的濕地植物固然重要，但濕地植物在高鹽度條件下去除水體中的污染物產(chǎn)生的如分子機制、基因表達等一系列基礎(chǔ)理論問題還很復(fù)雜，目前研究還很少涉及這方面，有待于進一步探索和深化。

作者：廖明晶 范敬龍 匡代洪 王鴻鈺 王文全 單位：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所