一种利用凤眼兰活体联合根系组织去除水中Cr(Ⅵ)的方法与流程

本发明涉及一种利用凤眼兰活体联合根系组织去除水中cr(ⅵ)的方法。属于环境保护技术领域。

背景技术：

随着国家工业规模的迅速增加，工业用水量与此同时也急速增加。特别是对于与电子产业相关的电镀印刷，其产生的废液中往往含有过量的重金属。一般电镀废液中的cr(ⅵ)浓度为100-200mg/l(二次废液)，其具有强的生理毒性。因此必须经过相关处理才能排放入自然环境中。其一般常采用化学、物理和生物处理方法进行元素去除。相对于化学方法，物理和生物处理方法均无需向污染水体中引入其他化学试剂，使得处理后的废液中电解质浓度较低，可杜绝对环境的二次污染。因此，需发展一些高效低成本的物理和生物处理方法，用于去除cr(ⅵ)。

围绕上述问题，展开利用植物活体及其生物质材料进行含cr(ⅵ)废液的净化处理。选择的水生植物为常见的凤眼兰，其对水体中各类重金属元素(cr，cu，cd，pb等)均具有较好的富集效果。目前，人们普遍把凤眼兰当成一种可引起“生态灾难”的典型入侵物种。究其原因，凤眼兰的快速生长与利用之间存在巨大的差距。引入早期，人们将其作为动物饲料和肥料，但效果均较差。后来由于养殖业的规模化、饲料的标准化以及化肥的广泛应用使凤眼兰的应用受到抑制，从而导致大量的凤眼兰在广阔的水域疯长，给航运和水生态造成了很大的负面影响。因此，凤眼兰的高值化利用技术是解决其应用推广的关键技术。

技术实现要素：

本发明的目的是根据现有技术的不足提供一种利用凤眼兰活体联合根系组织来去除水中cr(ⅵ)的方法。

本发明的技术方案为：

一种利用凤眼兰活体联合根系组织去除水中cr(ⅵ)的方法，在水体中cr(ⅵ)浓度>20mg/l时，采用凤眼兰离体根部的原生材料进行吸附去除cr(ⅵ)；当水体中cr(ⅵ)浓度下降到<20mg/l时，采用凤眼兰活体植株富集去除cr(ⅵ)。

所述的方法，包括以下步骤：

(1)利用txrf对含cr(ⅵ)污染水体进行cr元素浓度测定；污染水体的元素浓度测定是为了分析该水体中cr(ⅵ)的元素浓度；

(2)依照txrf的测量数据确定污染水体中cr(ⅵ)的元素浓度范围，依据步骤(3)制定凤眼兰离体根部的原生材料吸附方案或凤眼兰活体植株富集的方案；

(3)在水体中cr(ⅵ)浓度>20mg/l时，采用凤眼兰离体根部的原生材料进行吸附去除cr(ⅵ)；当水体中cr(ⅵ)浓度下降到<20mg/l时，采用凤眼兰活体植株富集去除cr(ⅵ)；

(4)对步骤(3)中加入植物材料吸附的水体，经12小时吸附后，进行步骤(2)中的txrf测量过程，并制定下一步的元素去除方案；

(5)对步骤(3)中加入凤眼兰活体植株富集的水体，经7天的富集后，进行步骤(2)中的txrf测量过程，并制定下一步的元素去除方案；

(6)对于经步骤(4)得到的凤眼兰离体根部的原生材料吸附样品，每2小时取样测定水体和吸附材料内的cr(ⅵ)浓度；对于经步骤(5)得到的凤眼兰活体植株样品，每天取样测定水体和植株各组织内的cr(ⅵ)浓度，直至当吸附材料吸附量达到饱和或植株各组织内cr元素浓度处于平衡状态；将txrf测量所得归纳总结，得到的参数反馈回步骤(2)，更好的制定cr(ⅵ)的去除方案；

(7)重复进行步骤(4)和(5)，使得最终水体内的cr(ⅵ)浓度达到标准，或cr(ⅵ)浓度无法继续降低后结束植物去除，完成整个去除流程。

所述的方法，步骤(1)对含cr(ⅵ)的污染水体进行元素浓度测定，依据txrf的测量所得浓度条件决定初始去除方案。

所述的方法，步骤(2)中植物去除方案的制定包括：若选择吸附方案，则确定使用凤眼兰离体根部的原生材料的剂量为0.2g/100ml-0.6g/100ml，优选为0.2g/100ml，0.4g/100ml，0.6g/100ml；若选择富集方案，则确定使用凤眼兰活体植株培养密度为1株/500ml-1株/1000ml，优选为1株/500ml，1株/1000ml，富集的天数为7-9天。

所述的方法，所述凤眼兰植株培养及吸附均在室温下进行，选取长江流域自然生长植株进行实验。

所述的方法，所述步骤(4)和(5)中，加入新的吸附材料或者移入活体凤眼兰植株应在移除原有吸附材料后进行。

所述的方法，依据所述步骤(6)中所得一系列数据，得到浓度与吸附剂量、吸附时间及浓度与培养密度、培养时间的函数拟合关系；完成一次去除过程后，依据txrf测得此时水体中的cr(ⅵ)浓度，确定下一步去除方案。

每2小时对吸附材料进行取样，利用txrf测得吸附材料内的cr(ⅵ)浓度随时间的变化趋势如图2所示，表明达到平衡的时间与外界浓度有关。其均在约12小时内达到吸附平衡。则选取12小时为吸附过程的整体操作时间。

凤眼兰离体根部的原生材料，其达到的饱和浓度与环境中cr(ⅵ)浓度及吸附剂量的拟合关系(见图3)如下：

dose＝0.2g/100ml；y＝1.3692x²+13.508x(r2＝0.9855)

dose＝0.4g/100ml；y＝1.0995x²+1.4165x(r2＝0.9771)

dose＝0.6g/100ml；y＝0.5762x²+15.598x(r2＝0.9846)

式中，x为环境中cr(ⅵ)浓度(mg/l)；y为吸附材料达到饱和时的cr元素浓度(μg/g)。

凤眼兰对cr(ⅵ)富集系数与培养浓度的拟合关系(见图4)如下：

z＝1250.09202x^-0.69331(r²＝0.99296)

式中，x为环境中cr(ⅵ)浓度(mg/l)；z为凤眼兰植株对cr(ⅵ)的生物富集系数(bcf)。

本发明采用全反射x荧光光谱法(txrf)作为元素的检测手段，同步检测随时间变化植物体内重金属的含量。利用全反射x荧光光谱法分析所得的数据，分别获得各浓度下材料吸附和生物富集的去除效果，建立不同浓度条件下材料吸附和生物富集对时间的响应关系。本发明给出了不同浓度条件下各吸附及富集过程达到饱和的时间，同时进行了循环的去除过程，最终完成水体中cr(ⅵ)去除。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明是一种利用凤眼兰活体联合根系组织来去除水中cr(ⅵ)的方法，其明确给出了凤眼兰活体富集cr(ⅵ)及其根系组织吸附cr(ⅵ)的规律，为凤眼兰的开发利用提供了科学依据；

2)本发明明确了凤眼兰活体的培养密度，并对根系组织不同添加剂量的吸附结果进行了探讨，给出了不同添加剂量下的吸附拟合公式，为高效利用凤眼兰提供了数据指导；

3)通过循环采用凤眼兰活体联合根系组织的方法对水体中cr(ⅵ)的去除率明显提高；

4)本发明最大程度上提高了凤眼兰的利用率，使得在水中不同cr(ⅵ)浓度下其活体及根系组织中的cr(ⅵ)浓度均达到当前条件下可容纳的最大值；

5)本发明在整个去除过程中均不需要加入任何化学试剂，同时不需要对材料进行改性处理，最大程度上减少了操作难度，无任何二次污染。

附图说明

图1为实施例中凤眼兰活体联合根系组织去除水体中cr(ⅵ)的操作步骤流程图；

图2为不同cr(ⅵ)浓度下凤眼兰离体根部的原生材料中cr(ⅵ)浓度随时间的变化曲线；

图3为不同添加剂量条件下凤眼兰离体根部的原生材料的吸附饱和曲线；

图4为不同cr(ⅵ)浓度下凤眼兰活体植株的生物富集因子(bcf)拟合曲线；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1：凤眼兰活体对不同浓度含cr(ⅵ)水体的去除

采集一批生长状况良好、无分蘖、单株高度和叶片数量相近的凤眼兰，去除附着物。在实验室的温湿度及光照条件下，将凤眼兰放入塑料养殖盆中培养3天。凤眼兰生长状况良好，证实本次试验的自然条件可以进行实验。

本实验主要是考察凤眼兰活体对溶液中cr(ⅵ)的富集效果。并探索凤眼兰活体对cr(ⅵ)的富集规律，得出可参照的结果，确定凤眼兰活体对cr(ⅵ)富集的最佳富集浓度。

实验以下述步骤进行：

(1)使用标准霍格兰氏培养液和浓度为1000mg/l的cr(ⅵ)标准溶液配置浓度为0，10，25，50，100mg/l的培养液。

(2)将生长状况相同的植株分别放入含cr(ⅵ)浓度为0，10，25，50，100mg/l的培养液中进行实验。

(3)分别对各组实验植株进行连续培养，并在0，1，3，5，7，9，11，13和15天下采集样品。在实验过程中注意加入清水以保持体系中水量的平衡。

(4)活体样品采集：取样时，将植株取出并用无尘清洁布吸干水后分别截取植株根茎叶。并将所得各组织样品使用纯水进行漂洗，每次用水浸泡10分钟，重复3次。

(5)活体样品处理：将获取的各组织样品进行在100℃的条件下进行2小时杀青处理，在60℃的条件下烘干至恒重。在玛瑙研钵中研碎至均匀粉末状(研磨20min)，之后各精确称量20mg的样品待用。

(6)使用txrf测量步骤(5)所得样品，进行数据分析，最终水体中的浓度结果见表1。

表1含不同浓度cr(ⅵ)的水体单独进行凤眼兰活体富集的去除结果(富集到达饱和)

表1中的数据表明，凤眼兰活体植株对cr(ⅵ)的去除效率与环境中cr(ⅵ)的成负相关。环境浓度越低去除效率越高，适用于cr(ⅵ)的去除，高浓度条件下去除效率低，无法满足实际需求。

因此需要有一个可参照的数值进行判断，选用生物富集系数(bcf)对富集过程进行描述。bcf是生物对化合物的吸收速率与生物体内化合物净化速率之比，是用来表示化合物在生物体内的生物富集作用的大小。生物富集系数(bcf)公式如下：

bcf＝cp/cs

式中：cp为植物各部分重金属含量，cs为培养水体中重金属含量。

计算可得不同cr(ⅵ)浓度下凤眼兰活体植株的生物富集因子(bcf)拟合曲线(bcf＝1250.09202cs^-0.69331(r²＝0.99296)，见图4)，其可恰当的描述凤眼兰对cr(ⅵ)的富集效果，并大致确定凤眼兰活体的最佳富集浓度为20mg/l。

实施例2：凤眼兰根部组织吸附对不同浓度含cr(ⅵ)水体的去除

本实验主要是考察凤眼兰根部组织对水体中cr(ⅵ)的吸收效果。本实施例中凤眼兰的挑选原则与本发明中实施例1相同。

(1)截取部分生长健康植株的根部组织，在100℃的条件下进行2小时杀青处理，在60℃的条件下烘干至恒重，并称重储存。

(2)使用1000mg/l的cr(ⅵ)标准溶液配置浓度为10、25、50、75、100mg/l的cr(ⅵ)溶液。

(3)将储存的根部组织分别按剂量(dose＝0.2g/100ml、0.4g/100ml、0.6g/100ml)加入浓度为10、25、50、75、100mg/l的cr(ⅵ)溶液中进行实验。

(4)根系组织的吸附样品获取：每2小时在整个吸附体系中取出50μl溶液，分别标号待用。

(5)使用txrf测量步骤(4)所得样品，进行数据分析，得到水体中的浓度随时间变化，结果见表2(部分)。

表2含不同浓度cr(ⅵ)的水体单独进行凤眼兰根部组织吸附的去除结果(部分)

注：表内数值单位为mg/l。

表2中的数据表明，凤眼兰根部组织对cr(ⅵ)的去除在12-14h后到达稳定，且浓度越低，达到饱和的时间越短。同时表明对于该材料，当添加剂量达到0.4g/100ml后，在增加剂量对吸附效果的贡献不大，因此选择0.4g/100ml为最终添加剂量。

将在不同浓度条件下各时间段内根系组织材料内所含cr浓度进行描述，可得到图2。其说明了各浓度条件下根系组织材料随时间对cr吸附的变化趋势，可以发现吸附达到平衡的时间约在10-12h，且环境中cr浓度越高吸附达到平衡时根系组织内cr浓度越高。

为表征达到平衡时根系组织内cr浓度与环境中cr浓度的关系，将其趋于平衡时不同剂量和不同浓度条件下的根系组织含cr浓度进行二次拟合，可得不同剂量条件下的吸附关系(见图3)。其表明，该根部组织对环境中高浓度cr具有一定的吸附优势，且与添加剂量成一定的负相关。

实施例3：凤眼兰活体联合根系组织对不同浓度cr(ⅵ)水体的去除

本实验主要是考察凤眼兰活体联合根系组织对水体中cr(ⅵ)的去除效果。本实施例中凤眼兰的挑选原则，培养方式与本发明中实施例1相同。

依据实施例1，2得出的结论，根据图1的操作步骤流程图进行实验操作。依据污染水体中的含cr(ⅵ)浓度，制定凤眼兰离体根部的原生材料吸附方案以及凤眼兰活体植株富集的方案。

(1)对cr(ⅵ)浓度>20mg/l的水体，进行吸附方案，采用凤眼兰离体根部的原生材料吸附；对cr(ⅵ)浓度<20mg/l的水体，进行凤眼兰活体植株富集。

(2)对凤眼兰活体植株富集的组，进行连续7天的培养，在培养过程中注意保持整个体系中的水量稳定。

(3)对凤眼兰离体根部的原生材料吸附组，按0.4g/100ml的剂量添加根部组织，进行连续12-14天的吸附，具体时间按图2中数据确定。

(4)植物材料吸附一段时间之后，依据图2中的饱和曲线，判断吸附材料吸附量是否达到饱和，若已达饱和，则依据此时测得的水体cr(ⅵ)浓度，判断是否采用吸附或富集方案向污染水体中加入新的吸附材料或者移入活体凤眼兰植株进行水体去除，使得植物吸附和植物富集依次进行；

(4)重复进行步骤(3)，使得最终水体内的cr(ⅵ)浓度达到标准，或cr(ⅵ)浓度无法继续降低后结束植物去除，完成整个去除流程。

本次吸附试验共对5个浓度进行了跟踪测量，每次吸附过程为12小时。富集实验对4个浓度进行了跟踪测量，植物活体富集过程为8天。凤眼兰活体的单一富集实验的实验结果见表1，根系组织的单一吸附实验结果(部分)见表2，凤眼兰活体联合根系组织试验结果如表3：

表3含不同浓度cr(ⅵ)的水体进行凤眼兰活体联合根系组织去除的结果

注：*表示未进行该步骤。

表3中的数据表明，经凤眼兰活体联合根系组织去除后，整个水体中cr(ⅵ)的浓度降到了一个很低的水平，可以满足预设的实验效果。若需降至更低的水平，可以再次进行一个富集过程。

将实施例3中的结果与实施例1，2对比，以浓度为100mg/l的水体为例，采取不同去除方式去除水体中cr(ⅵ)得到的结果见表4，可明显发现通过循环采用凤眼兰活体联合根系组织的方法对水体中cr(ⅵ)的去除率明显提高，表明本发明所述凤眼兰活体联合根系组织对水体中cr(ⅵ)的去除具有明显的优势。

表4cr(ⅵ)浓度为100mg/l时不同去除方式的去除结果

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。