克隆植物在化工废水处理的应用

1克隆植物分类及生长特性
克隆植物(clonalplant)是指在自然生境条件下，能通过营养繁殖产生与其亲本在基因型上几乎完全一致的新个体的植物。它的多个生理学单位和形态学单位(分株ramet和片段fragment)共享一个遗传学单位———基株(genet)。植物的克隆生长特征是能够自然产生相关基因类型的重复单元(分株)，这些分株间通过匍匐茎或根茎相互联系形成一个克隆群［1］。克隆植物通过营养生长产生的新分株，具有潜在的独立性，可以在空间上移动从而占据新的生境位点，且各分株间可以通过克隆整合(clonalintegration)相互传递资源和信号，使各种异质性资源得以共享［2］。克隆整合，亦称生理整合，它是克隆植物区别于非克隆植物最显著的特征之一［3］。克隆植物对于环境因子在空间上和/或时间上分布的不均匀性可能的适应假设包括克隆整合，形态可塑性，“克隆分工”和不同生长条件下克隆繁殖和种子生产之间的最佳平衡［4－5］。克隆植物几乎是所有类型生态系统的组成成分，在许多陆地和水生生态系统中都处于优势地位。Ji－YiZhang等调查了正经历不同年份的自然恢复形成的演替系统中六个沙丘地上的克隆植物。结果显示经过45年的演替，克隆植物的品种数较低，但生物量从无到3年后总数的49%［6］。
2水花生去除水中污染物
水花生(Alternantheraphiloxeroides)，别名空心莲子草、喜旱莲子草等，为水生或湿生多年生宿根性草本植物，具有生命力强、适应性广、生长繁殖迅速的特点［7］。水花生来源于南美洲的巴拉那流域，是一种已引起世界范围内严重经济和环境问题的克隆杂草。水花生可以通过克隆整合促进分株在胁迫条件下的定植和生长，提高个体分株对于物理扰动的耐受性和帮助基株存活以及剧烈环境改变后的恢复。如对于去叶的外界干扰，水花生可通过克隆整合补偿生物量的去除和通过极大提高它的生长和光合作用，改变生物量分配模式和运送母系补贴以减缓负面影响［8］。水花生也可通过克隆植物的表型可塑性更好地适应环境。如在湿地群落中，入侵的空心莲子草A．philoxeroides比本土的莲子草A．sessilis具有更高的表型可塑性。空心莲子草在许多的产地可很好地适应不同的光照［9］。
2．1水花生去除水中重金属
2．1．1水花生富集水中重金属
水花生对于水中Cu，Cr，Cd，Pb，Zn，Fe2+等具有较好的富集能力。如陈勤等［10］研究测定与分析了紫湖溪水体、河底淤泥和河岸土壤以及9种河岸植物的重金属含量，利用污染指数法系统评估其污染状况，进而筛选出具有富集与修复重金属污染潜力的植物。结果表明，水花生对Cu的富集系数(BCF)和转移系数(TF)均大于1。S．Vajravel等［11］将水花生置于不同浓度的铬(25，50，100，150mg/L)溶液中12d。结果显示铬富集于空心莲子草的根和芽中，根在150mg/L铬溶液中富集了111．27mgCr/g干重，而芽富集了751．71mgCr/g干重。BingzhongDing等［12］发现在Cd浓度为10mmol/L时，水花生吸收48h后，其叶子中的Cd达16．2μg/g干重。JianguoLiu等［13］将小型人工湿地中的19种湿地植物用于吸收浓度分别为0．5，2．0和5．0mg/L的Cd，Pb和Zn。所有植物平均吸收14．78±1．16mg/kgCd，67．18±5．23mg/kg的Pb和174．61±12．55mg/kg的Zn。水花生富集了最大含量的Cd:28．17±1．56mg/kg。H．Deng等［14］将水花生置于20mg/LPb，4．0mg/LZnand25mg/LFe2+(in20%Ｒorisonsolution)中，PbTI=86±6．8，ZnTI40±4．9;FeTI56±5．8，与其他湿地植物如菵草(B．syzi-gachne)，旱伞草(C．flabelliformis)，茳芏(Cyperusmalaccen-sis)等相比，其对铅的耐受性属中等，对锌和铁的耐受性较小。大部分的植物吸收的金属保留在根部，只有小部分的传送到芽。
2．1．2水花生对水中重金属的抗性研究
通过研究水花生愈伤组织对重金属的响应，国内一些研究者发现水花生愈伤组织对于Pb2+，Cr6+，Hg等具有一定的抗性。如王娟等研究水花生愈伤组织对随着Pb2+胁迫的响应，发表随着Pb2+浓度的增加，水花生愈伤组织光合色素和可溶性蛋白含量逐渐下降;超氧阴离子和过氧化氢含量呈上升趋势，丙二醛含量表现为先升后降;超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性同样呈现先升后降趋势，过氧化氢酶活性则为逐渐下降的趋势。水花生低浓度Pb2+具有一定的抗性［15］。田秀丽等发现Cr6+胁迫打破了水花生愈伤组织内PAs正常代谢，激发了合成多胺PAs相关酶的活性，从而抑制了降解多胺PAs相关酶的活性，导致PAs大量积累，其中游离态亚精胺f－Spd和游离态精胺f－Spm及结合态PAs和束缚态PAs含量增加有利于维持膜系统的完整性和稳定性，较高的内源PAs在提高愈伤组织抵抗Cr6+胁迫能力的过程中发挥重要作用［16］。康宜宁等研究了Hg胁迫对水花生致密型愈伤组织叶绿素含量、可溶性蛋白含量、活性氧水平、抗氧化酶活性及细胞超微结构的影响。结果表明随着Hg施加浓度的增加，总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b、可溶性蛋白含量呈先升后降趋势，叶绿素a/叶绿素b逐渐下降;超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性先升后降，而过氧化氢酶(CAT)活性呈逐渐下降趋势;同时，超氧阴离子O－2产生速率、丙二醛(MDA)和过氧化氢(H2O2)含量均呈逐渐上升趋势［17］。徐君等［18］通过研究Ca在细胞壁中的累积以及植物络合素(PCs和总抗氧化能力T－AOC水平的变化，说明了水花生对镉具有较强的抗性。
2．1．3水花生制吸附剂去除水中重金属
XueSongWang等［19］将水花生用去离子水清洗去杂质，太阳下烘干后磨碎至＜150μm制成吸附剂用于吸附水中的AI(III)，在25℃和pH值3．5时最大吸附量为51．54mg/g。此外XueSongWang等［20］水花生用去离子水洗净后，在60℃下烘干一夜后磨碎制成吸附剂用于吸附水中的Ni(II)，Zn(II)和Cr(VI)。结果表明该种吸附剂对Ni(II)，Zn(II)和Cr(VI)具有很好的吸附效果。YuYang等［21］空心莲子草洗净后切碎成3～5cm的小断，之后在80℃条件下干燥24h，空心莲子草生物碳在限氧，600℃，升温速率为10℃条件下热解3h得生物碳。该种碳APB的对铅的最大吸附量达257．12mg/g，是普通活性炭的5．3倍。
2．2水花生去除水中其他污染物
水花生在其他水中污染物的去除上也表现出了较好的去除率。如Chong－BangZhang等［22］采用水花生对污水中的有机物和N、P的去除效果进行了研究。污水水质指标:CODcr=132．51mg/L，BOD5=79．51mg/L，TN=79．73mg/L，TP=34．52mg/L，NH4－N=38．05mg/LandNO3－N=39．63mg/L，水花生植物浮床经过120d的处理后去除率分别为39．7±2．7%，69．7±4．4%，86．0±5．5%，82．3±4．5%，85．7±2．1%，71．6±6．7%。杨雁等［23］选择了五个品种的水稻、空心菜、茭白、和水花生用于去除水体中磷。结果表明，水花生对水体中总磷(TP)、水溶性总磷(DTP)的去除率为这几种植物中最高，分别达到84．07%和88．81%。朱泽聪等［24］研究了水花生在不同投放密度下净化富营养化湖水的效果，结果表明:夏季高温条件下，低屏密度时水花生去除水体中总氮(TN)、总磷(TP)及悬浮物(SS)的效果较明显，水花生初始投放密度为2kg/m2和4kg/m2时，TN最大去除率分别为26．4%和38．4%;TP最大去除率分别为45．3%和32．9%;SS最大去除率分别为44．5%和81．4%。
3结论
克隆植物在去除水中污染物表现出其独特的优势，一方面得益于其较强的繁殖能力，另一方面克隆植物在污染物耐受性方面也表现良好。进一步的研究应放在克隆植物吸收污染物的作用机制和处理后植物的恰当处理上，以利于在化工废水水处理工程上的推广应用。