[发明专利]植物材料吸附剂-水丝蚓生物联合去除景观水体中重金属污染物的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种植物材料吸附剂-水丝蚓生物联合去除景观水体中重金属污染物的方法及其装置，属于水体净化及环境保护技术领域。

背景技术

20世纪以来，随着工业和经济的迅速发展，世界各国都出现了不同程度的环境污染问题，其中工业“三废”排放、农业活动以及城市面源污染等，是造成景观水体遭受有机、无机和重金属物质污染的主要原因。相对于富营养化水体中大量存在的氮、磷等营养物质，水体中的重金属污染物浓度相对较低。然而，这些重金属污染物一旦进入水体，就可能造成水生生态系统内潜在的生物体重金属毒害，并由此进一步导致其在食物链中的传递和累积，从而最终危极人类健康安全。

传统的水体重金属污染物去除方法包括物理和化学两种。这些方法往往具有去除效率高、效果稳定、操作方法简单等优点，但它们有一个共同的缺点就是成本和运行费用较高，不适于大规模使用，尤其在开放的景观水体应用中具有较为明显的局限性。生物吸附法是一项处理重金属污染废水的新技术。与传统处理方法相比，生物吸附法的主要优点在于其吸附速度快、回收效率高，能有效地降低水体中的重金属污染物浓度，且所用的生物材料来源广泛，其中很多都是工农业的副产物或废弃物，因此成本和运行费用低廉，对水生生态系统影响较小，可应用于景观水体的水质净化中。目前，在众多的重金属生物吸附剂中，利用农业副产物，如木屑、树皮、麦麸、谷壳、玉米皮和玉米芯等作吸附剂去除水体中重金属污染物的研究备受关注。作为我国产量最大的农业副产物，麦麸和米糠的年产量分别可达2000和1000万吨以上。然而，目前这些麦麸和米糠的主要用途是作为饲料，经济价值不高。因此，若能够将这些农业副产品作为重金属的生物吸附剂，不仅资源丰富，而且价格低廉。近年来，大量研究已证明了麦麸和米糠所具有的吸附水体中重金属污染物的能力。然而，研究也表明，在适宜的条件下，这些生物吸附剂也存在着一定的解吸附过程。此外，麦麸和米糠中所含有的蛋白质、脂类等有机质成分会随其在水体中的长时间浸泡而分解，从而可能造成水体的二次污染。因此若在景观水体中应用麦麸和米糠等的植物材料吸附剂时，则必须进行预处理或定期回收。

水丝蚓(Limnodrilus sp.)是淡水生态系统中最为常见的底栖动物，属环节动物门、寡毛纲、近孔寡毛目、颤蚓科、水丝蚓属，常生活在河流及湖泊浅层区域，以腐殖质为食，同时也是水中鱼类的优质饵料，常在水环境污染较为严重的水域中大量出现。目前，全世界记载的水丝蚓属有10种以上，其中作为优势种类的霍甫水丝蚓(Limnodrilus hoffmeisteri)在我国主要河湖水域中均有大量分布。由于水丝蚓生命周期相对较长、迁移能力有限，在长期的环境适应过程中逐步形成了敏感的环境变化响应机制以及较强的环境胁迫抗逆性，可对栖息地物理、化学及生态特性随时间、空间的变化情况进行综合反映，因此，长期以来人们多将其作为反映淡水生态系统健康状况的主要评价指标之一。近年来，研究者开始逐步关注水丝蚓对水体中各类污染物质所表现出的生理耐受性，以及其在水质净化方面所具有的应用潜力。沉积在底泥表面的重金属污染物质可通过摄食和呼吸过程等途径进入水丝蚓体内，并在其表皮及肠壁细胞中累积。这些重金属离子能够诱导虫体细胞内金属硫蛋白(metallothionein，MT)的合成，而与金属硫蛋白络合后的重金属离子即被储存和隔离在溶小体(lysosomes)中。显然，金属硫蛋白是水丝蚓抵抗重金属毒性的重要适应性机能。同时，为了防止过高浓度重金属污染物对虫体自身的损坏，水丝蚓还形成了独特的尾部“自割”机制，即水丝蚓的尾部有较多的溶小体，可以吸收更多的金属储存隔离在尾部的表皮细胞或肠道的上皮组织间，当金属累积储存到一定浓度时，尾端体节与体节之间的隔膜处便会凹陷裂开，将尾部自割。由于水丝蚓有很强的再生能力，因此，自割后经过约两个星期的时间，可以再生新的尾巴，并不会造成伤害，而断掉的尾巴会皱缩成念珠状退化消失，不会变成另一个新的个体。此外，研究人员还将重金属污染区域生长的水丝蚓进行草虾(Palaemontespugio)喂食实验，未观察到草虾体内的重金属污染物累积现象。由此可知，水丝蚓能够利用其独特的生物学机制转化和降解水体中重金属污染物毒性，但其中具体生理学过程尚未得到完整的解释。