活性炭聯合植物修復對水中鉻的去除效果研究①

張之浩，李 威

（1．長沙環境保護職業技術學院，湖南 長沙410004；2．中南林業科技大學 生命科學與技術學院，湖南 長沙410004）

目前去除溶液中鉻的技術主要有膜分離法、化學沉淀法、離子交換法等［1－2］。植物修復技術具有綠色、經濟且適用于大面積鉻污染區修復等特點［3－4］，是目前土壤、水體修復技術中的一個熱點研究方向［5－6］。相較于傳統的植物修復技術，在植物生態修復過程中同步引入吸附法可很好地彌補單一植物生態修復技術之不足。吸附法主要利用發達孔隙或高比表面積的固體多孔吸附材料，通過靜電作用、離子交換和絡合作用去除溶液中重金屬［7－8］，適用于各種重金屬溶液，尤其對含鉻溶液進行深度處理具有良好效果［9－11］。

本文針對重金屬鉻污染溶液，挑選了李氏禾作為植物修復技術的模式生物，基于李氏禾中鉻含量，通過富集、轉運系數和提取量以及溶液中鉻含量評價其修復效果；同時選取活性炭（AC）作為吸附劑，研究其對鉻的去除效果；從而探討吸附技術與植物修復技術共同作用下的含鉻溶液修復效果。

1 實驗原料、儀器和方法

1．1 實驗原料

乙醇、HNO3、NaOH、硫代巴比妥酸、重鉻酸鉀，均為分析純，購買于國藥集團化學試劑有限公司。實驗用水為高純水。

吸附劑為活性炭粉（比表面積1 020 m2／g）。

所選植物為李氏禾，采自長沙市某鎮周邊的田埂或者魚塘邊上，周邊土地未曾受到重金屬污染。將采回的李氏禾根部雜質摘除，然后用自來水反復沖洗，最后用超純水潤洗。將洗凈的李氏禾放入含100%霍格蘭營養液的容器中，并加入青鏈霉素對根部滅菌，并避光防止藻類生長，然后放入人工氣候培養箱進行培養。固定李氏禾的泡沫板為EPE材質，購于淘寶histimo旗艦店。

1．2 實驗儀器

主要儀器包括電子分析天平（BSA124S－CW，德國Sartorius）、磁力攪拌器（KMS－521D，上海精鑿科技公司）、鼓風干燥箱（DHG－9013A，上海一恒科學儀器公司）、pH計（PHS－3C，上海雷磁有限公司）、消解儀（09A24S，博通實驗儀器有限公司）、紫外可見分光光度計（UV－2600，日本島津公司）和電感耦合等離子MS儀（ICPMS－Agilent 7700，安捷倫科技有限公司）等。

1．3 活性炭吸附實驗

采用去離子水配制不同濃度的含鉻模擬溶液，以5%HNO3或5%NaOH溶液為pH調節劑，以活性炭為吸附劑，通過改變溶液pH值、吸附時間和活性炭添加量，研究不同條件下鉻的去除率。

1．4 植物修復及活性炭聯合植物修復實驗

選取生長一致的李氏禾植物，用去離子水沖洗干凈，待水分蒸發完全，每份植物稱取100 g，栽植在10 L含鉻模擬溶液或含有活性炭的含鉻模擬溶液中，用泡沫板使其浮在水面上，進行植物修復及活性炭聯合植物修復實驗。

1．5 Cr含量測定方法

采用HCl-HNO3-HF-HClO4混酸消解，取上清液通過0．22μm微孔濾膜過濾，利用ICP-MS檢測溶液和植物中Cr濃度。

1．6 根長及生物量測定

根長測定：測量各處理組的李氏禾莖部以下的根長，取平均值作為該組的李氏禾根長。

生物量測定：將李氏禾洗干凈，用0．1 mol／L的Ca（NO3）2溶液浸泡30 min，自來水沖洗后再用去離子水沖洗，處理好后分開根、莖、葉，放入105℃烘箱殺青30 min，再調至70℃烘至恒重，生物量以植物的最終干重表示。

1．7 丙二醛（MDA）、過氧化氫酶（CAT）測定

采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛；采用紫外分光光度計測定過氧化氫酶。

2 實驗結果與討論

2．1 溶液Cr初始濃度對鉻去除率的影響

李氏禾用量10 g／L、活性炭添加量150 mg／L、反應時間120 h條件下，考察活性炭吸附、植物修復及活性炭聯合植物修復實驗中，Cr初始濃度對鉻去除率的影響，如圖1所示。由圖1可知，首先隨著Cr初始濃度提高，3組實驗的鉻去除率均明顯提升；但當Cr初始濃度超過5 mg／L時，鉻去除效率降低。單純使用植物修復時，高濃度鉻可以使植物中毒，導致其吸收能力下降。活性炭聯合植物修復具有明顯優勢，相對于單純使用活性炭吸附或植物修復，始終保持較高的去除效率。綜合考慮，選取溶液Cr初始濃度5 mg／L。

圖1 溶液Cr初始濃度對鉻去除率的影響

2．2 活性炭添加量對鉻去除率的影響

Cr初始濃度5 mg／L、李氏禾用量10 g／L、反應時間120 h條件下，活性炭添加量對鉻去除率的影響如圖2所示。由圖2可知，隨著活性炭添加量的增加，鉻去除率先增加后保持不變。當活性炭添加量達到150 mg／L時，吸附過程基本達到了平衡。因此，選取活性炭添加量150 mg／L。

圖2 活性炭添加量對鉻去除率的影響

2．3 吸附時間對鉻去除率的影響

Cr初始濃度5 mg／L、李氏禾用量10 g／L、活性炭添加量150 mg／L條件下，吸附時間對鉻去除率的影響如圖3所示。由圖3可知，活性炭吸附及活性炭聯合植物修復均在較短時間內達到吸附平衡。而單獨使用植物修復時，吸附平衡需要較長時間。

圖3 吸附時間對鉻去除率的影響

活性炭可快速吸附溶液中鉻，而較低濃度的鉻也可以很好地吸附在李氏禾中，達到復合吸附效果；同時李氏禾對鉻的吸收可使鉻高濃度聚集，為活性炭高效吸附鉻奠定了基礎，有利于加速鉻的吸附過程。綜合考慮，吸附時間選擇120 h，此時活性炭聯合植物修復的鉻去除率達到95%。

2．4 活性炭對李氏禾根長和生物量的影響

除了考察李氏禾對鉻的吸附能力，還應了解李氏禾在鉻污染溶液中的生長和解毒情況。李氏禾根長和生物量可以表征植物的吸收能力、適應性，反應其對重金屬鉻的耐性。圖4和圖5分別為Cr初始濃度5 mg／L、李氏禾用量10 g／L、活性炭添加量150 mg／L時，活性炭對李氏禾根長和生物量的影響。隨著培養時間增長，單獨使用植物修復及活性炭聯合植物修復兩組實驗中，李氏禾的根長和生物量均呈現增加趨勢；第15 d時，兩組實驗李氏禾根長分別為9．6 cm和15．5 cm，生物量分別為7．7 g／（10株）和13 g／（10株）。

圖4 活性炭對李氏禾根長的影響

圖5 活性炭對李氏禾生物量的影響

活性炭聯合植物修復實驗中李氏禾根長和生物量（10株）均高于單獨使用植物修復實驗。表明當Cr濃度5 mg／L時，鉻離子一定程度抑制了李氏禾生長，但是沒有達到毒害的程度，李氏禾在一定范圍內對鉻具有較強的耐性。而添加活性炭可以有效降低鉻對李氏禾生長發育的抑制作用。

2．5 活性炭對李氏禾葉片中丙二醛含量的影響

脂質氧化終產物丙二醛能夠加劇細胞膜的損傷，其含量越高，表明脂質過氧化越激烈，細胞受到的損傷就越大。圖6為Cr初始濃度5 mg／L、李氏禾用量10 g／L、活性炭添加量150 mg／L條件下，活性炭對李氏禾葉片中丙二醛含量的影響。由圖6可知，隨著培養時間增加，無論是否添加活性炭，李氏禾葉片丙二醛含量均呈現持續下降趨勢，并且在第15 d基本降到最低，說明鉻對李氏禾造成的抑制作用在變小。

圖6 活性炭對李氏禾葉片中丙二醛含量的影響

2．6 活性炭對李氏禾葉片中過氧化氫酶活性的影響

植物受到重金屬脅迫時，生理代謝系統容易紊亂致使細胞活性氧失衡，造成活性氧積累，對細胞膜產生破壞。抗氧化氫酶是植物清除活性氧的重要物質，在緩解植物毒害方面有著重要作用。圖7為Cr初始濃度5 mg／L、李氏禾用量10 g／L、活性炭添加量150 mg／L條件下，活性炭對李氏禾葉片過氧化氫酶活性的影響。隨著培養時間增長，單獨植物修復和活性炭聯合植物修復實驗中，李氏禾葉片中過氧化氫酶活性表現出先升后降的趨勢。說明在初始濃度5 mg／L的鉻脅迫下，李氏禾受到毒害，過氧化氫酶會升高清除產生的活性氧自由基。添加活性炭可以增加李氏禾葉片中過氧化氫酶的活性。

圖7 活性炭對李氏禾過氧化氫酶活性的影響

3 結 論

1）建立了一種活性炭聯合植物修復技術，可高效去除溶液中鉻，除鉻效果明顯優于單獨活性炭吸附或植物修復。

2）活性炭聯合植物修復去除鉻具有協同作用，活性炭可以吸收高濃度的鉻，使鉻不危害李氏禾的生長，而李氏禾對鉻的吸附使鉻局部濃度提高，為活性炭吸附鉻提供基礎。

3）添加活性炭后，李氏禾的生長狀況良好且解毒情況得到了提升，李氏禾葉片中產生的丙二醛減少，過氧化氫酶活性增加，從而有利于李氏禾抵抗鉻污染。