天然植物辣木籽对水体净化作用的研究

张饮江， 王 聪， 刘晓培， 董 悦， 李 岩， 文晓峰， 马海峰

（上海海洋大学 水域环境生态上海高校工程研究中心，上海 201306）

0 引言

随着我国社会、经济快速发展与人口不断增长，水资源短缺和水环境污染日益加剧，严重制约了我国经济可持续发展，影响人体健康，为满足工农业生产和人们生活需要，节约用水、水污染处理及回用显得尤为重要。物化法、生化法、膜分离技术、电渗体制析等处理方法先后应用于工业废水和生活污水处理。絮凝剂可以脱除水中微细颗粒、胶体物质、降低水中COD值，除去水中细菌、病毒，以及处理水体富营养化、废水脱色等，无机絮凝剂兼有除磷、脱色等作用［1］，其中聚合铝、聚合铁在除浊、除油等方面效果明显，铝盐是水处理中应用较广的化学絮凝剂，其絮凝效果好，但铝盐处理后的水中，铝离子残留会导致人类许多键康问题产生［2－3］。无机高分子絮凝剂发展于20世纪90年代初，主要以聚合氯化铝、聚合硫酸铁为基础，引入其他碱金属离子、SO42－、Cl－、PO43－等制备复合型絮凝剂，具有良好的凝聚脱色效果。有机絮凝剂主要是一些高分子聚合物，如聚丙烯酰胺系列、聚季铵盐等，有机高分子聚合物如聚丙烯酰胺（PAM）作为絮凝剂使用，虽有一定的絮凝效果，但也存在PAM单体残留对人体造成影响［4］。

为此，寻找对人类和环境安全、无毒、环保的天然絮凝剂，替代化学絮凝剂显得十分迫切和必要。辣木（Moringaoleifera）为多年生木本植物，原产于印度西北部亚喜马拉雅山地区，是具有独特经济价值的热带植物，西方科学家赞誉为神奇之树。世界上已知14种品种，其中研究和利用最多的是生长快、分布广的oleifera这一品种［5］。辣木全株是宝，辣木叶、种子营养极为丰富，富含维生素、蛋白质及钙、铁、钾等矿物质。辣木是重要的油料植物，种子含油约35%，具有良好的芳香固着性和极佳的氧化稳定性，耐贮放不易腐败，是优良的食用油，比橄榄油更有益于人体健康。同时，辣木种子中含有极好絮凝特性的活性成分，其种子水提物能明显降低混水的混浊度、硬度及混水中细菌含量。国外对非洲辣木种仁粉作为天然净水剂的研究已有较长历史［6］。但是我国对这方面研究甚少，因此深入开展与研究辣木净水效果，确定其净水最佳用量及条件具有重要意义［7］，可为水污染综合治理的理论研究与实际应用提供依据。

1 材料和方法

1.1 实验材料与仪器

辣木籽为辣木科辣木属植物辣木（Moringa oleiferaLam.）的种子。

浊度仪型号为HANNA HI91703。

1.2 实验方法

1.2.1 水样制备

取上海海洋大学人工景观湖（水面60 000m2，平均水深1.6m）边坡常水位处的土样100g（湿重），在105℃条件下放入烘箱中烘干，冷却至室温，用粉碎机研磨成0.1mm粒径，称取5g土样置于蒸发皿中加蒸馏水浸润，2d后加入湖水1 000mL，用电子摇床搅拌均匀，静置2h后，把上层混水液全部转入1 000mL容量瓶中定容备用，从而得到一定浊度的混水样。

1.2.2 辣木净水实验设计

（1）辣木籽与化学净水剂比较。选用聚合氯化铝、明矾等常用净水剂与辣木净水剂进行净水效果比较，确定其净水功能。辣木籽去壳后用粉碎机粉碎，分别称取10.00mg辣木籽粉、PAM、明矾、聚合 A1C13，置于200mL烧杯中，加人100mL的混水样，用摇床搅拌5min，转速500r／min，用浊度仪测定混水样的起始浊度，静置后每隔30min测定1次，每个样3次重复，取平均值。同时以未加净水剂的混水样为对照［8］。

（2）辣木籽净水最佳剂量确定。在5个200mL的烧杯中放入5g土样制成的100mL混水样5份，分别加入0、10、20、30、40mg粉碎后的辣木籽。同时用摇床搅拌5min，转速500r／min，测定混水样的起始浊度，静置后每隔60min测定1次，每个样3次重复，取平均值，最后测定水体CODMn。

（3）辣木籽粗提取成分净水效果。辣木种子去壳，粉碎机粉碎，干燥辣木种子粉末用95%乙醇提取辣木籽成分，充分搅拌30min，取沉淀物于室温干燥，之后用0.5mol／L的NaCl溶液与干燥的辣木籽沉淀物搅拌30min，通过Whatman滤纸1号过滤，之后用Whatman 0.45μm玻璃纤维滤纸过滤，过滤后的液体即为辣木籽粗提取物。在分别放有100mL混水样的2个烧杯中，分别加入100mL蒸馏水和辣木籽粗提取液，用摇床搅拌5min，转速500r／min，测定混水样的起始浊度，静置后每隔60min测定1次，每个样3次重复，取平均值，最后测定水体CODMn。

（4）辣木籽蒸馏水、盐水提取液净水效果比较。取250mL锥形瓶8个，分别放入粉碎后辣木籽10mg，分别加入5倍蒸馏水、5倍1mol／L NaCl溶液，10倍蒸馏水、10倍1mol／L NaCl溶液，15倍蒸馏水、15倍1mol／L NaCl溶液，20倍蒸馏水、20倍1mol／L NaCl溶液，充分搅拌30min，过滤，取滤液。在放有2组100mL混水样的4个200mL的烧杯中，分别加入5～20倍辣木籽蒸馏水提取液和5～20倍NaCl提取液。同时用电子摇床搅拌5min，转速500r／min，测定混水样的起始浊度，静置后每隔60min测定1次，每个样3次重复，取平均值，最后测定水体的CODMn。

（5）辣木籽不同盐水提取液净水效果比较。10mg干燥辣木种子粉末加入10倍的蒸馏水、1mol／L NaCl 溶 液、1mol／L NaNO3溶液、1mol／L KCl溶液、1mol／L KNO3溶液，充分搅拌30min，过滤，滤液为净水活性成分的粗提物。在放有100mL混水样的5个200mL的烧杯中，分别加入100mL蒸馏水、NaCl、NaNO3、KCl、KNO3溶液提取液，摇床搅拌5min，转速500r／min，测定混水样的起始浊度，静置后每隔60min测定1次，每个样3次重复，取平均值，最后测定水体的CODMn。

1.3 检测方法

1.3.1 COD测定

高锰酸盐指数常被作为地表水体受有机污染物和还原性无机物质污染程度的综合指标，按照国标GB 11892－89高锰酸盐指数法测定水体中

1.3.2 浊度测定

浊度是指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度。浊度高低一般不能直接说明水质污染程度，但由人类生活和工业生活污水造成的浊度增高，表明水质变坏，利用浊度仪进行检测［10］。

2 结 果

2.1 辣木籽与化学净水剂降低浊度效果比较

混水样品浊度初始值为194NTU，加入不同净水剂后，通过搅拌、静置30min开始测定混水浊度，每隔30min测定1次，混水浊度检测结果见表1所列。

表1 辣木籽与化学净水剂降低浊度效果比较

从表1可见，3种净水剂的净水效果相当明显，混水样品浊度值下降较快，1h内加辣木籽混水样浊度从198NTU降至33.6NTU，加聚合氯化铝混水样浊度从201NTU降至24.5NTU，加明矾混水样从187NTU降低至79NTU，12h后，加聚合氯化铝混水样浊度降至3.24NTU，加辣木籽混水样浊度降至5.27NTU，加明矾混水样浊度降至7.58NTU，以净水剂聚合氯化铝效果最好，辣木籽次之，而明矾净水效果比两者弱；由此可见，聚合氯化铝和辣木籽净水效果相当，说明辣木籽净水剂基本可以取代化学净水剂用于混水净化方面［11］。

2.2 辣木籽净水最佳剂量确定

土样为5g，混水样初始浊度为193NTU，加入0.01、0.02、0.03、0.04g辣木籽后起始浊度分别变为206.8、274、268、281NTU，如图1所示。

图1 辣木籽最佳剂量确定

由图1可见，添加辣木籽量0.01mg时，有降低水体浊度的作用，辣木籽含量为0.02、0.03、0.04mg时反而增加了水体的浊度；20h后，添加辣木籽的水体浊度都下降，基本为0。水体中添加辣木籽量为0.01mg时，净水效果较为明显，使水体浊度从206.8NTU降低到5.32NTU，即辣木籽净水最佳剂量为100mg／L。因此，辣木籽降低水体浊度需维持一个最佳质量浓度，超过最佳质量浓度，则会提高水体浊度。

辣木籽质量浓度为0.01g／L时，混水样放置1～7h后，对水体浊度去除率分别为53.41%、80.06%、79.34%、73.70%、73.58%、80.26%、84.12%，20h后去除率为71.51%。

不同辣木籽用量混水样的高锰酸盐指数如图2所示。

图2 不同辣木籽用量混水样的高锰酸盐指数

实验结果表明：直接向水体中投放辣木籽水体有机物含量有所增加，CODMn随着辣木籽量增加明显上升，辣木籽投加量为0.01、0.02、0.03、0.04g时，水体 CODMn含量分别为5.23、16.76、18.00、19.12、19.44mg／L。辣木籽在降低水体浊度的同时，也增加了水体有机物含量，需要对其进行活性成分粗提取。

2.3 辣木籽粗提取成分净水效果

辣木籽粗提取成分净水效果如图3所示。

实验结果表明：混水样中直接投加辣木籽、辣木籽粗提取液都可以使混水样浊度迅速下降，但与直接投放辣木籽相比，辣木籽经粗提取后对水体浊度有更好的去除效果，1h时辣木籽粗提取液处理的混水样浊度从189NTU下降为72.5NTU，随着时间增加水体浊度下降幅度较大。通过高锰酸盐指数测定，与直接向水中投加辣木籽相比，辣木籽经粗提取后降低了高锰酸盐指数，但与未加辣木籽混水样相比，仍然增加了水体中有机物含量，因此需要寻找较适方法使辣木籽发挥净水活性，同时避免水体有机物含量增加。

图3 辣木籽粗提取成分净水效果

2.4 辣木籽蒸馏水、盐水提取液净水效果比较

5倍蒸馏水与5倍NaCl溶液提取对辣木籽去除浊度的影响如图4所示。

图4 5倍蒸馏水与5倍NaCl溶液提取对辣木籽去除浊度的影响

10mg辣木籽用蒸馏水和NaCl分别稀释5倍，实验结果表明：在放置2.5h内，与蒸馏水稀释组相比，NaCl稀释组水体浊度增加，但随着时间增加，NaCl处理组降低水体浊度的效果却更好，可能由于蛋白质随着时间溶解于NaCl溶液中，盐离子强度的增加促进了蛋白质的溶解，发生蛋白质的盐溶现象，使辣木籽中更多活性蛋白发挥作用。

10倍蒸馏水与10倍NaCl溶液提取对辣木籽去除浊度的影响如图5所示。

10mg辣木籽用蒸馏水和NaCl稀释10倍，实验48h内，NaCl稀释组水体浊度要低于蒸馏水稀释组浊度，在起初的4h净水效果更明显，随着时间增加，混水浊度都迅速下降，可能在辣木籽净水蛋白发挥作用的同时，也存在悬浮物自动沉降作用致使水体浊度降低更迅速。

图5 10倍蒸馏水与10倍NaCl溶液提取对辣木籽去除浊度的影响

15倍蒸馏水与15倍NaCl溶液提取对辣木籽去除浊度的影响如图6所示。

图6 15倍蒸馏水与15倍NaCl溶液提取对辣木籽去除浊度的影响

10mg辣木籽用蒸馏水和NaCl稀释15倍，起初NaCl稀释组水体浊度要高于蒸馏水稀释组浊度，1.5～4.5h与蒸馏水稀释组相比，NaCl稀释组水体浊度降低，5h后NaCl稀释组、蒸馏水稀释组浊度都下降，相差不大。

20倍蒸馏水与20倍NaCl溶液提取对辣木籽去除浊度的影响如图7所示。

图7 20倍蒸馏水与20倍NaCl溶液提取对辣木籽去除浊度的影响

10mg辣木籽用蒸馏水和NaCl稀释20倍，NaCl处理辣木籽与蒸馏水处理辣木籽对水体浊度的影响基本一致，3.5h后NaCl处理组浊度升高，高出蒸馏水组，可能由于NaCl浓度过高，致使部分辣木籽净水蛋白溶解度降低从而析出，减弱了净水蛋白的作用。

综上所述，4个设置组中10倍NaCl稀释辣木籽，对辣木籽净水活性蛋白的初提取效果较好。

不同倍数辣木籽蒸馏水提取液与NaCl提取液对混水高锰酸盐指数的影响如图8所示，其中5倍NaCl与蒸馏水稀释组、10倍NaCl与蒸馏水稀释组、15倍NaCl与蒸馏水稀释组、20倍NaCl与蒸馏水稀释组分别用 A1、B1、A2、B2、A3、B3、A4、B4表示。

图8 不同倍数辣木籽蒸馏水提取液与NaCl提取液对混水高锰酸盐指数的影响

由图8可知，NaCl处理组的高锰酸盐指数要低于蒸馏水稀释组，结合以上不同浓度提取效果可知10倍NaCl处理效果最佳，明显降低水体浊度同时未增加水体有机物含量。辣木籽经NaCl提取后高锰酸盐指数降低原因有待进一步研究分析。

2.5 辣木籽不同盐水提取液净水效果比较

辣木籽不同盐水提取液对混水浊度的影响，如图9所示。

实验结果表明：用 NaCl、NaNO3、KCl、KNO3提取辣木籽活性成分，降低浊度效果比蒸馏水组好，并且提取效率基本相同，说明可以用NaCl、NaNO3、KCl、KNO3等盐对辣木籽进行初步处理，提高其净水活性。

图9 辣木籽不同盐水提取液对混水浊度的影响

辣木籽不同盐水提取液对混水高锰酸盐指数的影响如图10所示，其中10倍蒸馏水、NaCl、NaNO3、KCl、KNO3的辣木籽盐溶液分别用A、B、C、D、E表示。

对蒸馏水、NaCl、NaNO3、KCl、KNO3提取辣木籽活性成分后的溶液，进行高锰酸盐指数测定，结果表明，用 NaCl、NaNO3、KCl、KNO3对辣木籽处理后，并未增加水体有机物含量，证明用NaCl、NaNO3、KCl、KNO3等盐对辣木籽活性成分进行处理，在降低浊度的同时，可以降低对水体造成的污染。

图10 辣木籽不同盐水提取液对混水高锰酸盐指数的影响

3 讨 论

3.1 辣木籽净水最佳剂量与条件

实验研究表明：辣木籽净水最佳剂量为100mg／L，直接使用辣木籽易增加水体有机物含量，而用辣木籽粗提物可提高净水效率，但仍会增加水体污染。经NaCl溶液处理后的辣木籽对水体浊度去除效果更佳且未提高水体高锰酸盐指数，可能因为辣木净水活性蛋白溶于盐溶液中，提高了净水活性。NaCl、NaNO3、KCl、KNO3处理辣木籽有相似的效果，说明可以用不同盐溶液对辣木籽进行前处理，具体机理有待进一步分析［12］。

3.2 辣木籽净水机理特征的探索

目前对于辣木蛋白的净水机理，存在不同解释。有人将其归结为电荷吸收和中和：带阳性电荷的辣木蛋白能够与带阴性电荷的浑浊物微粒结合并中和浑浊物微粒表面的部分电荷，使浑浊物微粒表面形成电荷特性不同的区域，这样，在浑浊微粒运动碰撞过程中，浑浊微粒就通过不同电荷特性的区域相互结合而形成较大的絮凝颗粒。也有学者认为：辣木的一种净水活性成分 MO2.1富含谷氨酸，谷氨酸之间通过氢键形成的网状结构有利于浑浊微粒形成絮凝颗粒［13］。

国外研究发现辣木籽含有净水活性很高的蛋白质，这种净水蛋白具有天然、无毒、无副作用、易于降解等特点，在净化饮用水和污水处理等方面有很好的应用价值［14］。辣木种子用于净水的一个主要缺点是部分有机物溶于所净化的水中，所净化的水存放一定的时间之后，溶于水中的有机物可产生颜色和气味；粗提的辣木净水剂对较高浊度的水有效，但对低浊度的水效果不够好。对于可溶性有机物溶于水中的问题，可以通过较简单的方法来纯化辣木净水剂，纯化的净水剂对低浊度的水，其净水效果相当好，因此，辣木是一种对人类和环境安全、无毒、环保的天然絮凝剂。

3.3 辣木籽天然净水剂的应用前景

天然的辣木籽净水剂较化学净水剂具有明显优点，它无毒、可降解、对环境友好，辣木籽作为天然净水剂、辣木油用于食用都有多年的历史。辣木籽净水剂对于所净化水的pH值及导电性没有影响，它在较高的温度下也很稳定，净水过程中还能够除去水中微生物，能够除去污水中Cd、Ni、Cr等重金属离子［15］。辣木籽净水后所产生的絮凝废物体积仅为化学净水剂的1／3，并且该絮凝废物可用作肥料，不造成环境污染。辣木籽净水剂相比于化学净水剂更有经济、方便的优点。人们在乡村或城市的房前、屋后、堤梗等空闲地带栽种辣木不占用耕地，种子成熟后易于收获，还可获得25%的珍贵辣木油，提取了净水剂的剩余物可当作动物的功能性饲料添加剂等［16］。通过对辣木活性成分的提取与处理，可将其运用到废水处理及高浊度水体净化中，也可提高景观水体的感官效果。

近期也有成功应用辣木籽作为净水剂的中试性研究，而辣木籽净水剂真正得到商业化大规模应用，还需深入开展辣木栽培、净水剂大规模纯化、净水设备配套、天然净水剂产品生产和应用规范化、标准化，进行系统的经济性评估等相关多学科的综合研究，以及通过毒理学研究，取得相关卫生主管部门的应用许可。当辣木净水剂大规模推广应用后，辣木的培育、种植、辣木油、辣木净水剂等相关产品的深加工等方面都将产生明显的社会和经济效益，同时又会促进辣木产业发展，促进辣木净水剂的广泛应用［6］。因此，辣木籽作为天然净水剂具有较好的潜在应用价值。

［1］吴雅丹.聚合氯化铝和聚合氯化铝铁净水效果对比研究［J］.企业技术开发，2009（8）：61－62.

［2］徐楚良.聚合氯化铝铁净水剂的制备及净水对比试验［J］.能源环境保护，2007，21（5）：18－20.

［3］王 钧，施善友.PAC、PFS和PAFS原水处理的研究［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2001，24（1）：116－118.

［4］赵德炳，丁 雷.几种净水剂净化水质效果比较［J］.现代农业科学，2008，15（7）：46－48.

［5］段琼芬，陈思多，马李一，等.辣木种子组成及蛋白的开发利用［J］.安徽农业科学，2008，36（32）：14084－14086.

［6］马李一，王有琼，张重权，等.天然净水剂辣木净水功能研究［J］.天然产物研究与开发，2009（B10）：483－485.

［7］盘李军，刘小金.辣木的栽培及开发利用研究进展［J］.广东林业科技，2010，26（3）：71－77.

［8］段琼芬，马李一，李珍贵，等.辣木种仁净水效果研究［J］.林产化学与工业，2008，28（3）：71－74.

［9］GB 11892－89，水质 高锰酸盐指数的测定［S］.

［10］李合义，许 锋，蔡 欢，等.国标浊度测定法与便携式浊度计法测定结果相关性研究［J］.环境研究与监测，2008，21（3）：29－30.

［11］曾玉彬，杨昌柱，濮文虹，等.多元复合高分子净水剂的合成与影响因素分析［J］.环境科学与技术，2006，29（5）：38－41.

［12］Ghebremichael K A，Gunaratna K R，Henriksson H，et al.A simple purification and activity assay of the coagulant protein from Moringa oleifera seed［J］.Water Research，2005，39：2338－2344.

［13］Okuda T，Baes A U，Nishijimam W.Coagulation mechanism of salt solution－extracted active component in Moringa oleifera seed［J］.Pergam，2001，35（3）：830－834.

［14］Muyibi S A，Evison L M.Optimizing physical papameters affecting coagulation of turbid water withMoringaoleiferaseed［J］.Pergam，1995，29（12）：2689－2695.

［15］Sánchez－Martin J，Ghebremichael K，Beltrán－Heredia J.Comparison of single－step and two－step purified coagulantsfrom Moringa oleifera seed for turbidity and DOC removal［J］.Bioresource Technology，2010，101（15）：6259－6261.

［16］Bhuptawat H，Folkard G K，Chaudhari S.Innovative physico－chemical treatment of wastewater incorporating Moringa oleifera seed coagulant［J］.Journal of Hazardous Materials，2007，142：477－482.