水体重金属污染现状及其治理方法研究进展

1、水体重金属污染现状及其治理方法研究进展朱映川1,刘雯2,周遗品2,雷泽湘2(1.广州市海珠区环境监测站,广东广州510240;2.仲恺农业技术学院环境科学与工程系,广东广州510225摘要:对水体重金属的污染现状、危害、治理途径及可行性进行简要的概述,并对水体重金属污染植物修复技术类型、原理、特点以及基因工程等现代生物技术的应用前景作进一步的展望,为实现对重金属污染水体进行有效的生态整治与安全高效益利用提供新的技术途径。关键词:重金属;水污染;危害;治理途径中图分类号:X52文献标识码:B文章编号:1004-874X(200808-0143-04Reused path of heavy met

2、al pollution in hydro-environmentand its research advanceZHU Ying-chuan1,LIU Wen2,ZHOU Yi-pin2,LEI Ze-xiang2(1.Guangzhou Haizhu Environmenal Supervision Station,Guangzhou510240,China;2.ZhongKai University of Agricultureand Technology,Department of Envirenmental Science and engineering Guangzhou51022

3、5,ChinaAbstract:Current status of heavy metal pollution,Remedial mechanisms,advantages and disadvantages of different methods and feasibility of application are reviewed in this article.In addition,principle,characteristics and new biotechnological methods involving genetic engineering used in phyto

4、remediation of water contaminated by heavy metal and future prospect are discussed in details.The alternative methods provide novel approaches to restore the polluted ecological systems using highly efficient techniques.Key words:heavy metal;water pollution;harm;reused path近年来,各种工业(如采矿、冶炼、电镀等废水和固体废弃

5、物的渗出液直接排入水体,致使水体含有较高含量的重金属1。20世纪60年代,在日本的富山县神通川流域,由于铅锌冶炼厂排放的含Cd废水污染稻田,居民长期食用含Cd稻米和含Cd水而造成Cd中毒,引发“骨痛病”2-3。由于重金属具有较高的移动性和较低的中毒浓度,如毒性较强的Hg、Cd产生毒害的浓度仅为0.010.001mg/L4,使得重金属污染具有一定的隐蔽性和延后性。重金属在水体中不能被生物降解,有些在微生物作用下转化为毒性更强的重金属化合物,如甲基汞进入生态系统后,经食物链的生物放大作用,逐级在较高级的生物体内富集,引起生态系统中各级生物的不良反应,甚至危害包括人体在内的各种生命体的健康与生存5。

6、因此,水体的重金属污染问题不容忽视。本文就水体重金属污染的现状、危害以及治理途径的研究进展进行了简要的概述,同时探讨相应的防治对策,以期为保持和重建健康水生生态系统及保障人体健康提供参考依据。1水体重金属污染现状及危害1.1污染现状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地存在着较突出的水质问题,大量未经处理的城市垃圾、被污染的土壤、工业废水和生活污水以及大气沉降物不断排入水中,使水体悬浮物和沉积物中的重金属含量急剧升高。对我国各大湖泊的调查结果表明,近年各种重金属污染呈上升趋势,已经开始影响到水体的质量。广东省浈水河水体由于铅锌矿区的矿尾砂和矿区废水的排放,沉积物及

7、悬浮物中Pb、Zn、Cd含量较高,导致下游地区的污染隐患6。湖南吉首市湖泊由于工业废水和生活污水的排放,水体中的大肠菌群已严重超标,重金属含量也超过收稿日期:2008-04-09基金项目:仲恺农业技术学院引进优秀人才科研启动基金项目(G2360257作者简介:朱映川(1980-,男,助理工程师通讯作者:刘雯(1977-,女,博士,讲师,E-mail:广东农业科学2008年第8期143国家标准7。对作为饮用水源的城市河流污染物监测结果表明,城市河流有18.46%的河段面总Cd含量超过类水体标准。从我国七大水系的调研结果可以看出, 1995年长江水系Cd污染仅次于Hg、C

8、OD、BOD和挥发酚;黄河水系有16.7%的断面总Cd含量超标;淮河干流总Cd含量超标率为16.7%;海滦河总Cd含量平均超标率为16.7%83.9%;大辽河水系污染较轻,在对所统计的26个国控湖泊、水库的监测中发现了不同程度的Cd污染问题,污染程度仍次于Hg污染。1991 1995年有关部门对国内城市河流、七大水系及湖泊水库的监测中发现Cr和Pb是比较普遍的重金属污染物。水体中的重金属通过直接饮水、食用被污水灌溉过的蔬菜和粮食等途径进入人体,威胁着人们的身体健康。1.2污染危害重金属进入水生生态系统后,分布于水生生态系统的各个组分中,对生态系统各组分产生影响(即生态效应。当生物体内重金属积累

9、到一定数量后,就会出现受害症状,生理受阻、发育停滞,甚至死亡,并使整个水生生态系统结构和功能受损、崩溃8。1.2.1对水生动物的危害在野外调查研究的基础上,在实验室内研究有关河蚬的重金属生物毒性也在不断开展,不仅对河蚬个体、器官、组织等的重金属残留进行测定,还对贝类指示生物的生理(呼吸、生化(酶活性等进行致毒研究9。黄雪琴等9采用江蚬(Corbiculafluminalis作为指示生物,从酶学角度探讨了Cd污染与江蚬体内重要代谢酶之一的碱性磷酸酶(Alkaline Phosphatase之间的关系,研究结果表明Cd 对碱性磷酸酶的活性有明显抑制作用。DelaTorre等10研究报道了重金属(C

10、d等对鱼大脑乙酰胆碱酯酶活性的影响。重金属进入水体后,可能会对水生动物的生长发育、生理代谢等过程产生一系列的影响。周新文等11研究报道了Cu、Zn、Pb、Cd复合污染对鲫鱼DNA合成的抑制。梁君荣等12通过试验分析了不同离子浓度的Zn、Pb、Cu、Cd对中国鲎胚胎发育及胚胎致畸率影响。Madoni13报道了Ni对淡水纤毛虫的急性毒性。Al-Yousuf等14研究了Zn、Cu、Mn的积累对鱼性别、身长的影响。吴贤汉等15研究表明,海水重金属离子(Cu2+、Zn2+、Cr6+含量超过一定浓度会引起文昌鱼中毒,使其身体渐成弯曲状而死亡。此外,有研究显示重金属对水生动物的遗传表达也会产生很大的影响。K

11、owk等16研究了重金属(Cu、Zn毒性对鲤鱼和罗非鱼金属硫蛋白基因表达的影响,罗非鱼暴露于重金属离子中,鳃和肝脏中金属硫蛋白mRNA的表达受到显著影响。1.2.2对水生植物的危害藻类是水体的初级生产者,在水生生态系统的食物链中起着十分重要的作用。人们可以利用藻类及水生生物的敏感性来监控水体的重金属污染。如浩云涛等17在电镀厂附近的水塘中利用一种小球藻(Chlorellaellipsoidea,研究了不同浓度的重金属Cu、Zn、Ni、Cd对小球藻生长的影响。Rashed18通过鱼体内各器官重金属含量的测定来监控纳赛尔湖水环境的重金属。Oerte19研究利用植物和动物作为多瑙河水生生态系统重金属

12、水平的生物监测器。众多研究表明,重金属对水生植物的生长能产生一定的毒害。Kaladhararp等20研究发现重金属通过各种途径进入水体后,一旦被藻类吸收,将引起藻类生长代谢与生理功能紊乱,抑制光合作用,减少细胞色素,导致细胞畸变、组织坏死,甚至使藻类中毒死亡,改变天然环境中藻类的种类组成。阎海等21-22研究报道了Cu、Zn、Mn抑制蛋白核小球藻、月形藻生长的毒性效应,从藻细胞试验可以看出不同金属离子与藻细胞的不同亲合性是导致金属离子抑制蛋白核小球藻生长毒性差异的主要原因。杨红玉等23研究报道了Cd能破坏某些绿藻的叶绿素,引起光合作用下降,并对斜生栅藻和蛋白核小球藻呼吸作用产生影响,抑制苹果酸

13、脱氢酶活性。孔繁翔等24研究了不同浓度的Zn 等重金属对羊角月牙藻的生长进度、蛋白质含量、ATP水平等的影响,结果表明,金属离子在试验浓度范围内对羊角月牙藻的生长速率均有抑制作用,陈愚等25的研究表明,一定浓度的Cd能诱导硝酸还原酶活性,抑制超氧化物歧化酶活性,从而破环其抗氧化防御系统。Ghate26等研究报道Plagiochasma append-iculatum对Hg敏感,叶状体损伤和叶绿素含量受到影响。陈国祥等27研究了Hg、Cd对莼菜越冬芽光合膜光化学活性及多肽组分的影响。1.2.3对人体健康的危害重金属进入人体后,不易排泄,逐渐蓄积,对人体健康的危害是多方面、多层次的,其毒理作用主要

14、表现在影响胎儿正常发育、造成生殖障碍、降低人体素质等。重金属(例如Pb、Se、Mn等通过水体直接或间接进入食物链后,能严重地耗尽体内贮存的Fe、维生素C和其他必需的营养物质,导致免疫系统防御能力的下降,子宫内的胚胎生长停滞和其他一些残疾28。Jensen等29在报道环境污染对咸海Kazakhstan地区的儿童健康的影响中也提到重金属污染对儿童健康的危害。重金属能抑制人体化学反应酶的活动,使细胞质中毒,从而伤害神经组织,还可导致直接的组织中毒,损害人体解毒功能的关键器官肝、肾等组织。例如,Hg、Pb、Cd等重金属及Se已被列为剧毒144物进行重点防治30。目前的研究结果表明,Cr、Co、Ni、C

15、d、Se等重金属元素均具有致癌、致畸、致突变等危险8。2水体重金属污染的治理途径2.1物理和化学治理利用物理、化学方法处理含重金属废水的有沉淀法、螯合树脂法、高分子捕集剂法、天然沸石吸附法、膜技术、活性炭吸附工艺、离子交换法等。郑兆芳31研究报道在废水中加入FeCl2、消石灰和高分子凝聚剂,可使Se与Ca、Mg、Fe、Pb等形成氢氧化物沉淀,从而去除水中的Se。而采用氢氧化物聚集沉淀法可去除废水中的Cd和Pb,也可利用活性炭法将污水中Hg的含量降至0.010.05mg/L,另据报道,采用离子交换树脂法可使废水中的Hg含量降至0.02mg/L。2.2生物治理物理和化学方法处理水体重金属虽然具有较

16、高的处理效率,但是存在处理费用高等缺点。因而,中外学者又研发出一种有效、低廉且简便易行的水质净化方法生物处理法。2.2.1人工湿地法人工湿地处理系统是在一定长宽比及一定坡度的洼地中填充一定规格的特殊填料,并种植有经济和观赏价值的植物,如水芹菜、凤眼莲等,这些植物能在水中长期吸收Pb、Cu和Cd等。当含有重金属的污水流经填料表面,可通过植物和填料的吸附、沉淀作用将污水中重金属污染物去除。但是人工湿地生态结构比较复杂,很难收获填料中的重金属,而且植物对重金属的吸收达到一定的程度,重金属就会对植物产生毒害,不利于重金属的持续去除。2.2.2生物氧化塘法生物氧化塘就是向受重金属污染的池塘内投加具有超富

17、集作用的植物如凤眼莲、香蒲、芦苇、黑麦草、水芹菜等,这些植物吸收积累水体中的重金属元素,净化水质32。戴全裕等33研究表明,黑麦草对一些重金属具有很高的富集、净化作用,特别对于含黄金的废水处理效果十分明显,黑麦草根部(干重的含金量最高可达到784g/t,具有很广阔的开发应用前景。有研究表明,1hm2的凤眼莲一昼夜就能从水中吸收Mn4kg、Pb104g、Ni297g、Hg89g,而且凤眼莲对含Cd废水也有比较好的净化效果,对含Cd 量低于1mg/L的废水,Cd去除率达97%。另据报道广东韶关利用香蒲氧化塘系统净化铅锌矿区废水取得了比较明显的效果,对废水中的Pb、Cd、Cu、Zn的去除率分别达到9

18、4%、96.4%、96.9%、97%,净化后的废水重金属含量达到国家排放水标准34。2.2.3微生物及基因工程技术的应用近年来,微生物及基金工程技术也逐渐用于对水体重金属污染的处理。吴涓等35报道了重金属的生物吸附研究进展及进行处理的生物材料(藻类,发酵工业中的废弃菌丝体、细菌、放线菌、酵母菌和霉菌等。另外,史宇等36报道了将细菌基因和merP转化到芦苇(Phragmitescom munis、香蒲(Typhaangustifolia、大米草(spartinaanglica等水生目标物种,可能会显著地促进植物对Hg的吸收,从而可以将转基因物种种植到被污染的水生生态系统或湿地中,清除湿地中Hg污

19、染物。总之,在对水体中重金属进行治理时,应因时、因地致宜,并且根据不同的重金属种类,选择处理费用低、效果好的一种或多种方法进行治理,才能达到事半功倍的效果。3展望近年来,重金属在水生生态系统中的迁移规律研究取得了较大的成就,特别是水环境植物中重金属的积累转化过程倍受国内外学者的重视,重金属污染问题正越来越为人们所关注和了解。然而,重金属在水体中的迁移规律及其在生态系统中的迁移机理等方面还有待于深入研究。由于重金属在理化条件复杂的水环境中,有十分复杂的迁移转化过程,其迁移能力和生物效应与化学形态和含量密切相关,因此在现场监测和室内实验中,往往由于复杂因素的影响,导致测定结果难以解释37-38。了

20、解不同重金属的主要污染源以及重金属在生态系统中的化学行为,即形态、转化机理和动力学过程,是科学开展重金属污染防治的前提和保证,并且能有效防止重金属的二次污染和循环污染。此外,还应该利用基因工程等分子生物学技术在植物体内建立一条更广泛的重金属代谢途径,使植物能够同时对多种重金属有抗性并有富集作用,这在重金属植物修复中将有更重要的意义和更广阔的应用前景。参考文献:1张剑波,冯金敏.离子吸附技术在废水处理中的应用和发展J。环境污染治理技术与设备,2000,1(1:4651.2Anderson T A,Guthrie E A,Walton BT.Bioremediationin the rhizosp

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