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李氏禾研究进展与应用现状



全 文 :书李氏禾研究进展与应用现状
李 丹,张杏锋* ,黄 凯,程志刚,田 超
(桂林理工大学环境科学与工程学院,广西环境污染控制理论与技术重点实验室,广西桂林 541004)
摘要 多年生禾本科草本植物李氏禾( Leersia hexandra),起初作为农田杂草备受关注,后因其具有抗旱耐淹耐瘠的生物学特性以及对重
金属铬的超富集特性,成为水土保持领域和重金属污染防治领域的研究热点。就李氏禾在土壤重金属污染植物修复上的应用、李氏禾
在人工湿地上的应用、李氏禾在水土保持上的应用和李氏禾与农田杂草的控制 4个方面进行了综述,并对其今后发展进行展望,以期为
该植物的应用提供参考。
关键词 李氏禾,植物修复; 人工湿地;水土保持;杂草控制
中图分类号 S181. 3; X53 文献标识码 A 文章编号 0517 -6611( 2014) 06 -01671 -03
Current Research and Application Status of Leersia Hexandra
LI Dan,ZHANG Xing-feng et al ( College of Environmental Science and Engineering,Guilin University of Technology,The Guangxi Key
Laboratory of Environmental Engineering,Guilin,Guangxi 541004)
Abstract Leersia hexandra is a perennial grass of the Poaceae family. As a variety of weed,it has received much concern initially. There-
fore,it becomes a research hotspot in the field of water-soil conservation and pollution control of heavy metals for its biological characteristics
of resistance to flood and drought,as well as its accumulation characteristics of heavy metal chromium. This paper summarized application of
L. hexandra in four fields: phytoremediation,constructed wetland,soil and water conservation,and weed control. Further,it discussed the
prospect of aplication of L. hexandra. It is expected to provide a reference for its application.
Key words Leersia hexandra; Phytoremediation; Constructed wetlands; Soil and water conservation; Weed control
基金项目 广西自然科学基金项目( 2012GXNSFBA239001 ) ; 广西重点
实验室基金项目( 桂科能 1201Z024 ) ; 桂林理工大学科研启
动费资助项目。
作者简介 李丹( 1986 - ) ,女,河北唐山人,硕士研究生,研究方向: 土
壤重金属植物修复。* 通讯作者,讲师,博士,从事环境污
染治理的研究。
收稿日期 2014-02-06
李氏禾(Leersia hexandra)属多年生禾本科草本植物;秆
下部伏卧地面或倾斜,并于节处生根,其节常具倒生微毛;叶
鞘光滑或粗糙,上部短于节间;叶舌膜质,长 l ~ 2 mm,其基部
两侧下延与叶鞘边缘相愈合;叶片扁平或卷折,披针形,长 3
~12 cm,宽约 1. 5 mm,具短柄。外稃 5 脉,脊与边缘均具刺
毛,两侧具刺毛;雄蕊 6 枚,秋冬抽穗,广泛分布于华东、华
中、河北、陕西、四川、贵州和广西等地,为湿生野草,多生于
沼泽地、溪旁和稻田的田基上。李氏禾可通过种子繁殖,也
可通过地下茎繁殖,繁殖速度非常快,可高密度生长,单位面
积内生物量大[1 -2]。李氏禾起初作为农田杂草备受关注,后
因其具有抗旱耐淹耐瘠的生物学特性以及对重金属铬的超
富集特性,成为水土保持领域和重金属污染防治领域的研究
热点。目前关于李氏禾的研究主要集中在以下 4 个方面:第
一,李氏禾在土壤重金属植物修复上的应用;第二,李氏禾在
人工湿地上的应用;第三,李氏禾在水土保持上的应用;第
四,李氏禾与农田杂草的控制。笔者对李氏禾研究进展与应
用现状进行了综述,并对其今后发展进行展望,以期为该植
物的应用提供参考。
1 李氏禾与重金属污染植物修复
近年来,土壤有毒金属和准金属污染逐渐成为全世界普
遍关注的问题。由于人类活动加剧、地球化学岩石风化及其
他环境原因(火山爆发、酸雨水和大陆粉尘),土壤中金属镉
(Cd)、铜(Cu)、铬(Cr)、铝(Al)、铅(Pb)、汞(Hg)、镍(Ni)及准
金属砷(As)、硼(B)等的含量急剧提升[3],严重威胁人类健康。
铬(Chromium)是一种具有银白色光泽的金属,不溶于水
和硝酸,但溶于稀盐酸和硫酸而生成相应的盐类。常温下较
稳定,不易被氧化,具有延展性。铬的化合物最常见的是三
价或六价,常见的化合物为氧化铬(Cr2O3)、三氧化铬
(CrO3)、氯化铬(Cr-Cl3)、铬酸钠(Na2CrO4)、铬酸钾
(K2CrO4)、重铬酸钠(Na2Cr2O7)、重铬酸钾(K2Cr2O7)等
[4]。
铬(Cr)是一种剧毒的重金属,也是一种危害性极大的环境污
染物。铬及其化合物是冶金、电镀、制革、油漆、颜料等行业
的基本原料,这些行业生产过程产生的含铬废水、废渣等通
过多种途径进入土壤,造成严重的铬污染[5]。据统计,全世
界每年分别向大气、水体和土壤中排放 30 142和 896 kt铬污
染物质[5]。我国每年生产 329 000 t铬盐,伴随产生 450 000 t
铬的废弃物[6]。国务院批复的第一个“十二五”专项规划
《重金属污染综合防治“十二五”规划》中将铬列为重点防控
的 5个元素之一。因此,有效控制及治理铬污染是一项重要
且紧迫的工作。
植物修复技术是目前重金属污染土壤治理最有效的方
法之一,也是当今重金属污染治理的研究热点,它具有治理
效果的永久性、治理过程的原位性、治理成本的低廉、环境美
学的兼容性、后期处理的简易性等优点[7]。该技术是指利用
一些超富集植物把土壤中的重金属转移到植物地上部,然后
收获植物以达到清除土壤中重金属污染的目的[8]。到目前
为止,世界各国发现的重金属超富集植物有 400 多种,但铬
超富集植物极少,仅有 3种,分别是在津巴布韦发现的 Dico-
ma niccolifera和 Sutera fodina及[8]我国发现的李氏禾[9]。自
2006年张学洪等在桂林发现首例铬超富集植物李氏禾后,国
内外针对李氏禾修复重金属铬污染的研究十分活跃。主要
集中在:第一,李氏禾对铬的富集特征;第二,李氏禾对铬的
安徽农业科学,Journal of Anhui Agri. Sci. 2014,42(6):1671 - 1673,1794 责任编辑 李占东 责任校对 李岩
DOI:10.13989/j.cnki.0517-6611.2014.06.052
耐性机制;第三,外源物质对李氏禾吸收、转运铬的影响。
1. 1 李氏禾对铬的富集特征 李氏禾对铬具有超富集特
性。研究表明,李氏禾能够在土壤铬浓度为 114 mg /kg环境
下生长良好,叶片内平均铬含量达 1 786. 9 mg /kg,变化范围
为 1 084 ~2 978 mg /kg;叶片内铬含量与根部土壤中铬含量
之比最高达 57,叶片内铬含量与根茎中铬含量之比最高达
12,叶片内铬含量与水中铬含量之比最高达 518[9]。此外,李
氏禾对铜、镍也具有很强的富集特性。研究表明,当土壤铜
含量达 2 000 mg /kg 时,根、茎、叶中铜含量分别为 500. 33、
335. 81、307. 89 mg /kg。在土壤培养条件下,李氏禾叶中铜含
量为 46. 11 ~ 308. 07 mg /kg,铜的生物富集系数为 0. 40 ~
1. 75;根和茎中铜含量分别为 49. 22 ~ 500. 33 和 39. 22 ~
335. 81 mg /kg,铜的最高生物富集系数分别为 1. 85 和
1. 47[10];李氏禾对水体中镍的最高去除率达 89. 3%[11],浓度
100%的电镀污泥中镍的富集量 355. 06 mg /kg[11]。
1. 2 李氏禾对铬的耐性机制 李氏禾对重金属铬具有很强
的耐性和解毒能力。当植物吸收的铬达到超富集植物的临
界浓度(100 mg /kg)时,李氏禾地上部分的生物量无明显降
低,显微结构和形态结构未发现明显变化[12]。李氏禾在一
定铬浓度胁迫下其叶片的叶绿素、可溶性糖、MDA、类黄酮化
合物、脯氨酸、可溶性蛋白含量和保护酶 SOD、POD、CAT 活
性能适应铬胁迫并作出相应的调节,从而维持植株良好生
长,说明李氏禾能适应一定浓度的铬胁迫并作出相应的调
节[13]。另一方面,李氏禾对铬具有较强的解毒能力,铬化学
形态分析表明,铬在茎、叶中以盐酸提取态(草酸盐结合态)
为主,铬的草酸盐结合态含量与李氏禾对铬的富集解毒机制
密切相关;根部以残留态为主,说明铬在根部高浓度的累积
与铬的低生物利用形式有关;李氏禾对铬也存在主动吸收的
可能性,对铬的吸收可能通过植物体钙离子通道进行[14]。
1. 3 外源物质对李氏禾吸收、转运铬的影响 在进行重金
属污染植物修复时,单纯依靠超富集植物自身的耐性和富集
特性很难达到理想的修复效果,因此往往需要添加外源物质
作为辅助手段,以期增强植物的耐性和富集能力[15]。植物
中与重金属转运和积累相关的机理研究受到越来越广泛的
关注,然而,重金属转运和积累是极其复杂的生理过程[16],
研究表明,施加有机酸会对李氏禾富集铬产生不同程度的影
响[17 -18],李氏禾在铬胁迫下,分别外施 EDTA(乙二胺四乙
酸)、CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)和 SA(水杨酸)对李氏
禾吸收铬含量及其生理特性产生不同的影响[19]:①EDTA
(乙二胺四乙酸)使叶绿素含量稍有恢复,SOD/POD、SOD/
CAT 的活性比降低,MDA含量减少,同时促进铬从根部向地
上部分运输及积累,根系铬含量下降,总体铬含量仍有较大
的提高[20]。②CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)使叶绿素含
量降低,酶活性比值升高,MDA 含量增加,并有效促进根部
对铬的吸收和积累,对铬向地上部分的运输也有一定的促进
作用,总体铬含量有大幅度的提高[21]。③SA(水杨酸)可使
叶绿素含量、酶活比值有所恢复,减少 MDA 的积累,对铬的
吸收和运输无显著影响[21]。
2 李氏禾与人工湿地
人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的
地面,将污水、污泥有控制地投配到经人工建造的湿地上,污
水与污泥在沿一定方向流动的过程中,主要利用土壤、人工
介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用,对污
水、污泥进行处理的一种技术[22]。人工是一个综合的生态
系统,它应用生态系统中物种共生、物质循环再生原理和结
构与功能协调原则[23],在促进废水中污染物质良性循环的
前提下,充分发挥资源的生产潜力,防止环境的再污染,获得
污水处理与资源化的最佳效益[24 -25]。植物是人工湿地的重
要组成部分[26]。人工湿地根据主要植物优势种的不同,分
为浮水植物人工湿地、浮叶植物人工湿地、挺水植物人工湿
地和沉水植物人工湿地等不同类型[27]。湿地中的植物对于
湿地净化污水的作用能起到极重要的影响[28]。
李氏禾作为人工湿地的植物能够有效去除水体中铬、
铜、镍重金属污染物,研究显示,李氏禾对水中铬的去除率接
近 100%,对水中铜、镍的最高去除率分别达到 93. 8%和
89. 3%[11]。同时它也能在含铬、铜和镍等重金属的电镀污泥
中较好生长,在 100%电镀污泥中达到最高,分别为 588. 21、
345. 49、355. 06 mg /kg [10]。此外,也将李氏禾试用于处理生
活污水的研究中,李氏禾人工湿地处理人工模拟生活污水,
采用引入原水自然启动的方式,渐渐增大水力负荷的方式来
培养李氏禾,增强湿地微生物的适应能力及其生长速度。其
中李氏禾人工湿地系统对氨氮的去除率在 80% ~ 90%,对总
磷的去除率在 80%左右。李氏禾作为人工湿地处理生活污
水的植物具有一定的应用价值[29]。
3 李氏禾与水土保持
消涨带是指江河、湖泊的坡岸在丰水期水位与枯水期水
位之间的水位差地带,具有周期性淹水和出露交替的特征,
淹露交替造成了消涨带生境的极端变化,导致陆生和水生植
物均难以生长,因而在缺乏植被覆盖的条件下,往往形成水
土流失较严重的受损生态系统。目前国外关于适用于消涨
带生态恢复的植物种类的研究仍十分有限[30]。
李氏禾具有抗旱耐淹耐瘠的生物学特性。该植物分蘖
快,可迅速形成覆盖,根系发达,能有效防止水土流失,在水
库岸坡消涨带植被恢复中减少坡面径流,防止水土流失,改
善生态环境,提升景观等有一定应用价值,用于消涨带植被
恢复有一定的前景[31]。在新丰江水库历经较典型的 3 种来
水时段,即 2000年为平水年,2001 年为丰水年,2002 年为枯
水年,证明李氏禾的确抗旱耐淹。如 2001年秋至 2002年春,
广东地区出现 60 年来罕见的秋、冬、春连旱气候,试验区的
蟛蜞菊在部分瘦瘠岸坡上表现出明显的不良长势,但李氏禾
仍能适应其干旱条件;而 2001年上半年是特丰水量,来水量
比平水年多近 50%。试验区李氏禾受淹最深 10 m,淹没最
长达 10个月,2002年出露后迅速返青,生长良好[32]。因此,
将抗逆性强、尤其是把对水分逆境有较强抗性的李氏禾应用
于消涨带植被恢复工程具有重要意义[33]。
2761 安徽农业科学 2014 年
4 李氏禾与杂草控制
李氏禾虽然为是重金属超富集植物,但在农业生产上却
是水稻的克星。李氏禾地下茎的萌芽能力强,平均萌芽比例
高达 80. 0%以上;不同年无性系种群的分蘖株株高差异显著
(P <0. 05) ,建植 1 和 2 年的无性系种群的分蘖株株数显著
高于建植 3 年的;未经处理的李氏禾种子生活力可达
69. 5%,但种子萌发率低,一般仅为 3. 8%[34]。无性繁殖是
李氏禾得以繁衍的主要途径,1 m2 稻有李氏禾 80 株,可使水
稻减产 80%;有 100 株以上,可使水稻减产 90%,甚至绝
产[35],其实繁殖生长速度快有诸多不可控性,推广到实际应
用存在一定困难。
目前关于防治李氏禾对稻田的危害措施主要有以下 3
种措施。第一,农作措施防除:在秋季或春季对稻田进行深
翻深耕,把李氏禾的地下根茎暴露于土表,阻断其衍生繁殖;
第二,建立或恢复水旱轮作:为了有效控制稻田恶性杂草李
氏禾的危害,可实行水旱轮作减少李氏禾基数,并调节地力
和改良土壤,大大减少再生苗的发生量;第三,化学药剂防
除:韩乐天、农美利 2种药剂对李氏禾的效果显著,可有效控
制稻田李氏禾的危害,明确 20%上格千金防除直播水稻田禾
本科杂草的效果良好[36 -38]。
5 展望
李氏禾开始是作为一种农田杂草,由于其在环境修复领
域和水土保持领域的独特性,成为人们广泛关注的热点。今
后可加强在以下几个方面的深入研究:
(1)李氏禾虽然具有生长快速,整体生物量较大等优
势,但单株李氏禾生物量较小,若能从基因工程方面入手,
改善其生长特性,提高单株生物量,进而提高其富集重金属
的能力。另一方面,目前关于超富集植物的研究,多集中于
植物对重金属的积累量、耐性及积累机理,以及如何提高植
物的金属积累性方面[39 - 40],但对于修复植物的后期处理问
题关注不多,且技术尚未成熟。超富集植物的后期处置问
题主要是借鉴废弃物的处置技术,工艺较单一,较少有针对
修复植物特性的先进工艺技术,还需更系统深入地开展回
收技术研究[41],这样才能使其综合利用既有一定的经济效
益,又使污染物得到妥善处理避免“二次污染”。因此如何
妥善处理提取重金属之后的李氏禾是今后需要重点研究的
问题之一。
(2)李氏禾具有忍耐淹水和干旱的共耐性特点。可以考
虑从生物驯化方面入手,适当地驯化出一批对极端环境适应
能力强的新种李氏禾,将其应用在水库消涨带的生态恢复
中。加强李氏禾生物学特性特别是抗逆性的研究,弄清其在
不同条件下的抗性大小与抗性机理;多年生李氏禾地下根系
发达,蓄水保土能力强,深入研究李氏禾在固土护坡、水土保
持、消涨带生态恢复等抑制崩塌、改良土壤、改善生态环境等
方面的作用功能和作用及其机理,为其推广应用提供理论指
导和科学依据[42]。
(3)人工湿地去污效果的影响因素分为季节差异、湿地
类型、湿地植物组合和 pH等[43]。将李氏禾和其他湿地植物
混种或者利用李氏禾发达的根系并在人工湿地中人为添加
微生物提高污水处理能力。
(4)实际推广应用李氏禾期间应注意预防其对水稻田的
危害,应以“预防为主、综合防治”为推广方针,本着安全、有
效、经济、简易的原则,因地因时制宜,合理推行,实现水稻田
保护与土壤污染修复双赢效益[44]。
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(下转第 1794页)
376142卷 6期 李 丹等 李氏禾研究进展与应用现状
图 2 初始酒精浓度对醋酸发酵的影响
表 6 不同 pH发酵过程产酸量的变化
pH 产酸量∥g /L pH 产酸量∥g /L
3. 5 21. 150 6. 5 33. 090
4. 5 34. 125 7. 5 35. 550
5. 5 35. 130
2. 2. 5 正交试验结果分析[6]。为了确定 K-8 醋酸菌发酵的
最佳培养基,在单因素试验的基础上设计了蔗糖、酵母膏、初
始酒精浓度和 pH 4 个因素做 L9(3
4)正交试验,在温度 30
℃,转速 175 r /min,接种量 6%,培养周期为 4 d的条件下测
定 K-8醋酸菌发酵产酸量。正交试验因素及水平设计见表
7,正交试验结果见表 8。
表 7 K-8醋酸菌发酵的正交试验 L9(3
4)因素水平设计
水平
因素
酵母膏
(A)∥%
起始 pH
(B)
初始酒精度
(C)∥%(V /V)
蔗糖(D)∥%
1 0. 4 4. 5 2 0. 4
2 1. 0 5. 5 4 1. 0
3 1. 6 6. 5 6 1. 6
由表 8可知,在试验范围内,各因素影响指标的次序为:
D(蔗糖)> B(pH)> A(酵母膏)> C(初始酒精浓度) ;K-8醋
酸菌发酵的理论最佳组合为 A3B1C2D2。由于产酸量单因素
试验最佳组合为 A2B2C2D2 与极差分析得出的理论最佳组
合A3 B1 C2 D2不一致,因此对A2 B2 C2 D2和A3 B1 C2 D2进行验
证试验,结果得出 A2B2C2D2 组合产酸量 46. 123 g /L,
A3B1C2D2 组合产酸量 50. 251 g /L。
表 8 正交试验结果分析
试验号
因素
酵母膏 起始 pH 初始酒精度 蔗糖
产酸量
g /L
1 1 1 1 1 20. 55
2 1 2 2 2 40. 00
3 1 3 3 3 33. 60
4 2 1 2 3 47. 70
5 2 2 3 1 21. 30
6 2 3 1 2 35. 04
7 3 1 3 2 42. 00
8 3 2 1 3 48. 00
9 3 3 2 1 16. 20
k1 31. 40 36. 75 34. 53 19. 35
k2 34. 68 36. 45 34. 65 43. 10
k3 35. 40 28. 28 32. 30 39. 03
R 4. 00 8. 47 2. 35 23. 75
优水平 A3 B1 C2 D2
由此可知,理论最佳组合 A2B2C2D2 比试验最佳组合
A3B1C2D2 的产酸量高,因此 K-8 醋酸菌的最优发酵培养基
是 A3B1C2D2:即酵母膏浓度 1. 6%,pH为 4. 5,初始酒精浓度
4%(V /V) ,蔗糖浓度为 1. 0%。
3 结论
该试验采用液态发酵法研究了苹果醋的发酵工艺,确定
了苹果醋发酵的最佳试验条件为:温度 30 ℃,转速 175
r /min,接种量 6%,培养周期为 4 d,最优培养基配方酵母膏
浓度 1. 6%,pH 为 4. 5,初始酒精浓度 4%,蔗糖浓度为
1. 0%,可为菌种发酵试验研究、生产菌种扩大培养及工艺技
术指标和标准的制定提供依据。
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4971 安徽农业科学 2014 年