植物-微生物联合修复重金属污染废水的研究

黄 强

(河北省污染物排放权交易服务中心，河北 石家庄 050051)

废水中的重金属离子易通过生物链在生物体内富集，威胁生态环境和人类健康。因此，开发高效的重金属污染废水处理技术成为研究者关注的热点。植物-微生物联合修复技术可以大幅提高重金属的吸收效率及再利用率，进而提高重金属污染废水的处理效果。

李桂荣等[1]针对我国农田土壤中普遍存在重金属污染等问题，研究了茄子秆生物炭联合黑麦草对土壤中镉-芘复合污染的处理效果及对微生物群落结构的影响，发现茄子秆生物炭联合黑麦草对土壤中镉、芘的去除率最高分别可达20.59%和70.58%，能够显著减少土壤中重金属污染。卢晋晶等[2]综述了植物-微生物联合修复镉污染土壤的研究进展，分析了植物、微生物对重金属的作用机制，并统计了具有修复功能的植物-微生物群落的种类。王黎芸等[3]通过Hungate厌氧滚管法从酸性重金属废水中筛选出一株嗜酸性的硫单质还原菌NAU-16，研究了该菌株对污泥生物沥浸酸液中重金属的去除效果。作者选用水生鸢尾、筛选耐重金属菌株，采用植物-微生物联合修复重金属污染废水，考察温度、重金属初始浓度、pH值对重金属镉、镍、汞去除率的影响。

1 实验

1.1 材料与仪器

重金属污染废水：取城市某工业生产基地排放的废水1 000 mL装入洗净的锥形瓶中，带回实验室密封，编号。

FA2004型电子分析天平，南京昕仪生物科技有限公司；CBI150-L型生化培养箱、DZF-6020型干燥箱，上海舍岩仪器有限公司；TS-80C型大容量微生物摇床，上海天呈实验仪器制造有限公司；JC-YG-200型双道原子荧光分光分度计(三光三通道)，青岛聚创环保集团有限公司；KJ-XB14型电阻炉，洛阳科炬炉业有限公司。

1.2 培养基

基础培养基：有机物培养膏2 g、蛋白质培养液0.1 L、氯化钠100 g、琼脂10 g，pH值为6.8～7.0。

液体培养基：有机物培养膏2 g、蛋白质培养液0.1 L、氯化钠100 g，pH值为7.0～7.2。

筛选培养基：蛋白质培养液0.1 L、有机物培养膏2 g、氯化钠100 g、琼脂10 g、重金属污染废水，pH值为7.0～7.5。

葡萄糖蛋白培养基：蛋白质培养液0.56 L、氯化钠至少50 g、葡萄糖10 g，pH值为6.8～7.2。

其中基础培养基用于保存耐重金属菌株；液体培养基用于生化培养箱中的倒置培养[4-5]；筛选培养基用于筛选耐重金属菌株；葡萄糖蛋白培养基用于大量繁殖耐重金属菌株。

1.3 标准曲线的绘制

比色管试剂(pH值约为10)的配制：将NH4Cl溶液加入到150 mL氨水中，置于冷冻箱中密封保存；称取5 g吗啉吡啶乙腈溶于水中，并稀释至150 mL[6-7]，置于冷冻箱中密封保存；称取一定质量铁氰化钾溶于水中，搅拌均匀，配制一定浓度的铁氰化钾溶液，置于冷冻箱中密封保存。

重金属样品溶液的配制：精密量取一定量的重金属污染废水，置于1 000 mL容量瓶中，加水稀释至刻度，摇匀，配制浓度分别为5 mg·L-1、10 mg·L-1、15 mg·L-1、20 mg·L-1、25 mg·L-1的重金属样品溶液。即配即用。

重金属标准曲线的绘制：分别吸取5 mg·L-1、10 mg·L-1、15 mg·L-1、20 mg·L-1、25 mg·L-1的重金属样品溶液各5 mL，置于10 mm比色管中作为试样管；吸取0.5 mL标准使用液置于10 mm比色管中，加水至5 mL，作为标准管；在试样管中按照1∶1的比例加入比色管试剂，在标准管中按照10∶1的比例加入比色管试剂，摇匀，测定510 nm处吸光度。以重金属浓度(c)为横坐标、吸光度(A)为纵坐标绘制重金属标准曲线(图1),拟合得到标准曲线方程为：A=Kc(K为摩尔吸收系数，为0.692 L·mg-1)。表明，重金属浓度与吸光度线性关系良好。

图1 重金属浓度与吸光度的关系曲线Fig.1 Relationship curve between heavy metal concentration and absorbance

1.4 重金属去除率的测定

采用比色法[8]测定重金属浓度。按1.3方法测定植物-微生物联合修复前后废水的吸光度，依据标准曲线方程计算重金属浓度，按下式计算废水中重金属去除率：

式中：c0为废水中重金属的初始浓度；c1为植物-微生物联合修复后废水中重金属的浓度[9]。

1.5 植物-微生物联合修复体系的构建

废水预处理：采用明矾过滤的方法去除重金属污染废水中的不可溶性杂质；然后通过活性炭去除废水的色素和异味；将玻璃珠加入废水中，振荡摇匀，使废水中的微生物分布均匀且处于游离状态。

菌株筛选：将处理后的废水、无菌水以体积比1∶10混合，置于试管中，作为筛选菌株的富集母液[10-11]。向液体培养基中滴加5 mL富集母液，涂抹均匀，置于生化培养箱中50 ℃恒温培养；24 h后，取5 mL菌液，均匀涂抹于第二个液体培养基中，置于生化培养箱中继续培养；同上步骤，培养至第五代，将菌液稀释成不同梯度浓度，均匀涂抹于筛选培养基中，置于生化培养基中恒温培养；将菌落划线分离，最后得到不同的单菌落；将单菌落分别接种于基础培养基中，置于30～35 ℃生化培养箱中，于280 r·min-1培养一定时间；测定培养液的吸光度，计算重金属去除率；最终筛选出高效耐重金属菌株，置于-80 ℃冷冻箱中保存。

植物预处理：将水生鸢尾杀青并烘干，用NaOH溶液处理后，再次烘干，备用。

植物-微生物联合修复体系的构建：取处理后的水生鸢尾与筛选的耐重金属菌株，配制植物-微生物水溶液。

1.6 植物-微生物联合修复重金属污染废水的条件优化

将筛选出的高效耐重金属菌株解冻活化，按接种量10%接种至葡萄糖蛋白培养基中，置于大容量微生物摇床中，每隔4 h取样，1 500 r·min-1下离心，取上清测定吸光度，计算重金属去除率。考察24 h内温度(20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃)、重金属初始浓度(100 mg·L-1、200 mg·L-1、300 mg·L-1、400 mg·L-1)[12-13]、pH值(5.0、6.0、7.0、8.0、9.0)对重金属去除率的影响[14-15]。

2 结果与讨论

2.1 温度对镉、镍、汞去除率的影响(图2)

注：pH值7.0、重金属初始浓度300 mg·L-1

由图2可以看出，随着温度的升高，重金属去除率整体呈先升高后降低的趋势，当温度为20 ℃时，镉、镍、汞24 h去除率分别为45%、42%、38%；当温度升至25 ℃时，镉、镍、汞去除率均最高，分别为61%、52%、64%；继续升高温度，镉、镍、汞去除率逐渐降低，30 ℃时分别降至55%、46%、47%；35 ℃时分别降至42%、37%、28%。故选择最佳温度为25 ℃。

2.2 重金属初始浓度对镉、镍、汞去除率的影响(图3)

注：温度25 ℃、pH值7.0

由图3可以看出，随着重金属初始浓度的增加，重金属去除率整体呈先升高后降低的趋势，其中重金属镉初始浓度对镉去除效果的影响较小。当重金属初始浓度为100 mg·L-1时，镉、镍、汞24 h去除率分别为36%、42%、32%；当重金属初始浓度增至300 mg·L-1时，镉、镍、汞去除率分别升至39%、56%、42%；继续增加重金属初始浓度至400 mg·L-1时，镉、镍、汞去除率分别降至34%、35%、29%。说明，废水中重金属初始浓度在300 mg·L-1时，处理效果最好。

2.3 pH值对镉、镍、汞去除率的影响(图4)

由图4可以看出，随着pH值的增大，重金属去除率整体呈先升高后降低的趋势，当pH值为5.0时，镉、镍、汞24 h去除率分别为39%、35%、33%；当pH值增至7.0时，镉、镍、汞去除率分别升至68%、58%、77%；继续增大pH值，镉、镍、汞去除率逐渐降低，pH值为8.0时，镉、镍、汞去除率分别降至49%、40%、49%；pH值为9.0时，镉、镍、汞去除率分别降至29%、29%、26%。故选择最佳pH值为7.0。

注：温度25 ℃、重金属初始浓度300 mg·L-1

3 结论

在温度为25 ℃、pH值为7.0的最佳条件下，对重金属初始浓度为300 mg·L-1的重金属污染废水进行植物-微生物联合修复，废水中镉、镍、汞去除率分别达到68%、58%、77%，处理效果较好。在今后的研究中，还可探究植物-微生物联合修复对其它重金属的处理效果，综合评价植物-微生物联合修复重金属污染废水的效果。