通过综合植物修复技术和生物量转化方法实现砷和汞的可持续去除——以Eichhornia crassipes为例

《Applied Geochemistry》：Sustainable removal of arsenic and mercury via integrated phytoremediation and biomass valorization of Eichhornia crassipes

研究利用水鳖（Eichhornia crassipes）对受砷（As）和汞（Hg）污染水体进行修复，并通过热解制备生物炭以增强重金属固定。结果显示，低浓度（1 mg/L）下As和Hg去除率分别达93%和87%，而高浓度（5 mg/L）时去除率显著下降，表明植物存在生理限制。XRD分析表明生物炭的碳结构能有效稳定As和Hg，减少二次污染风险。该整合工艺为低成本、可持续的重金属污染治理提供了新方案。

　　

拉什米·兰詹·曼达尔 | 迪普·拉杰

环境科学与工程系，SRM大学工程学院与科学学院，阿马拉瓦蒂522503，安得拉邦，印度

摘要

本研究评估了使用Eichhornia crassipes进行植物修复作为从受污染的水体系统中去除和稳定砷（As）和汞（Hg）的可持续策略，并将收获的生物质转化为生物炭以增强金属的长期固定效果。研究在两种不同的污染水平（1 mg L^-1和5 mg L^-1）下评估了植物的表现，以了解浓度依赖性反应。在较低浓度下，E. crassipes表现出较高的去除效率，在30天内实现了93%的砷去除率和87%的汞去除率。然而，在5 mg L^-1的污染水平下，去除效率显著下降，砷的去除率降至76%，汞的去除率降至52%，表明在高金属压力下植物存在生理限制和吸收能力降低。形态学和光谱学研究揭示了植物组织中的显著结构变化，并显示了砷和汞在细胞内的积累，证实了该植物作为有效积累物种的作用。为确保收获后的安全处理并防止二次污染，对富含金属的生物质进行了热解处理。所得生物炭对这两种金属具有很强的保留能力，这归因于其碳质结构和热转化过程中形成的增强结合位点。这种稳定的生物炭显示出长期固定金属和降低金属迁移性的明显潜力。总体而言，将植物修复与生物质增值相结合的集成方法为减轻水体中有毒金属污染提供了一种环保、经济且循环利用的途径。研究结果突显了污染物去除和增值材料生产的双重效益，提高了E. crassipes在可持续环境管理中的应用前景。

引言

汞（Hg）和砷（As）是具有高度毒性的重金属（HMs），对环境和健康构成严重威胁（AbdelMaksoud等人，2025；Daniel等人，2025；Ponce-Hernández等人，2025）。这些元素来源于自然和人为来源，包括火山活动、岩石风化、采矿、煤炭燃烧和工业排放（Kumar和Patyal，2025；Kaplan等人，2025）。由于它们的环境耐受性、生物累积倾向以及对土壤、水和生物体的有害影响，因此需要全面的监测和修复方法来维护生态系统健康（El-Sharkawy等人，2025；Atanda等人，2025）。暴露于汞和砷会对人类、动物和水生生态系统造成重大风险（Charkiewicz等人，2025；Derrick等人，2025）。汞主要影响神经和肾脏功能，而长期暴露于砷则与皮肤损伤、呼吸系统问题、心血管疾病和多种癌症有关（Charkiewicz等人，2025）。在野生动物和水生生物中，这些金属会导致生殖系统损伤、免疫功能障碍以及通过食物链的生物累积，最终威胁生态系统稳定性和食品安全（Mititelu等人，2025；Naik和Gamare，2025）。

传统的重金属修复方法如化学沉淀、吸附、离子交换、混凝-絮凝、膜过滤和电化学过程被广泛使用；然而，它们通常受到高运营成本、能源需求和二次废物产生的限制（Ali等人，2020；Yu等人，2020；Shrestha等人，2021；Younas等人，2021；Alkhadra等人，2022；Latif和Ahmed，2025）。这些限制降低了它们在大规模或资源有限情况下的适用性，突显了需要可持续、低成本且环境友好的有效金属去除策略（Carneiro等人，2025；Yadav等人，2025）。

植物修复是一种可持续且经济有效的修复策略，其中植物吸收、积累或转化受污染环境中的污染物（Raj和Maiti，2020；Ansari等人，2020；Gupta等人，2025）。由于其低运营成本和能够同时去除无机和有机污染物的能力，同时减少二次废物产生，它特别适用于大型水体（Kanwar等人，2020；Mandal等人，2024）。重要的机制包括根际过滤、植物降解、植物挥发和根际降解，使多种植物物种能够修复受重金属污染的水体系统（Kristanti和Hadibarata，2023）。水葫芦（Eichhornia crassipes）因其卓越的金属吸收能力而受到特别关注。Eichhornia crassipes表现出强烈的汞去除潜力，有研究报道在42天内可减少高达50.9%的汞，这归因于其广泛的根系和高金属吸收效率。湿地试验进一步证明E. crassipes可以在15天内减少超过79%的重金属，证实了其在受污染水体中进行汞植物修复的适用性（Santacoloma-Londono等人，2025）。先前的研究还表明，在受污染条件下，E. crassipes能有效积累重金属，其在植物组织中的吸收值分别为：镉（Cd）5–12 mg kg^-1、铬（Cr）20–40 mg kg^-1和铅（Pb）50–80 mg kg^-1。相应地，在河流和湿地环境中，汞、镉和铅的去除率在15–42天内减少了50–80%（Yalcin等人，2025）。

Eichhornia crassipes是一种生长迅速的水生大型植物，原产于亚马逊盆地，并因其快速的 vegetative propagation（Masto等人，2013；Madhumidha等人，2024）而在热带和亚热带地区广泛分布。尽管常被视为入侵物种，但其广泛的纤维根系、快速的生物质生产和强大的重金属积累能力使其成为受污染水体中植物修复的有希望的候选者（Guayjarernpanishk和Sampanpanish，2024）。因此，E. crassipes的主要管理策略传统上涉及物理去除和处置；然而，这些使其具有入侵性的特征同样支持其在环境中有益应用的潜力。E. crassipes产生的大量生物质也为可持续利用提供了途径，特别是通过将其转化为生物炭，这增强了碳稳定性，改善了土壤质量，并为处理收获的植物材料提供了环境友好的方法（Cherian和Joseph，2022；Yin等人，2022；Wang等人，2022）。先前的研究表明，来自E. crassipes和其他植物生物质的生物炭衍生物具有有利的物理化学性质，包括高营养含量、碱性pH值和稳定的碳组成，支持其在土壤改良、污染修复和长期碳封存中的应用（Kass等人，2025；Gezahegn等人，2025；Amir等人，2025）。这些属性共同使E. crassipes成为一种多功能物种，在环境清理和生物质增值方面具有潜力。

本研究通过提供超越传统植物修复评估的Eichhornia crassipes综合评价，填补了这一知识空白。虽然以往的研究主要集中在E. crassipes的金属吸收能力上，但本研究独特地将汞和砷的植物修复与通过热解进行的高温生物质增值相结合。具体而言，该研究观察了汞和砷的积累效率，研究了收获的富含金属的生物质转化为生物炭的物理化学变化，并利用先进的分析技术阐明了积累金属的稳定化和固定过程。通过直接将污染物去除与安全的生物质转化和增值生物炭生产联系起来，本研究推进了一个循环且可持续的修复框架，重新利用了这种入侵性但高产的水生大型植物。

植物物种选择（Eichhornia crassipes）

本研究选择水葫芦（E. crassipes）作为测试水生大型植物。E. crassipes属于Pontederiaceae科。水葫芦可以从受污染的水体中去除营养物质和重金属。它是热带和亚热带地区受污染水生生态系统植物修复的合适选择。E. crassipes的幼苗采集自印度安得拉邦维贾亚瓦达的Rayanapadu湖（16.5842° N，80.5702° E）。

水质参数分析：pH值、溶解氧、总溶解固体和电导率

使用Eichhornia crassipes进行植物修复后，水质的多参数分析显示出显著改善。处理后pH值略有下降（从约8.2降至约7.7），可能是由于根系分泌物和微生物活动改变了水的化学性质（Adelodun等人，2021）。

所有处理组的溶解氧（DO）水平都有所增加（例如，对照组从约6.0 mg/L升至约8.3 mg/L），这归因于植物的光合作用产生的氧气和根系结构改善的通气作用（图3）。

金属处理后植物生物质的XRD分析

经过植物修复后，暴露于砷和汞（5 mg L^-1）的Eichhornia crassipes根部和茎部组织的XRD图谱主要由宽而模糊的衍射特征组成，表明植物生物质主要是非晶态的（图10）。在2θ范围约18–25°处观察到一个宽峰，这是木质纤维素植物组织中部分有序纤维素的特征（Chaiwarit等人，2022）。没有出现尖锐或明确的衍射峰

来自金属处理后的Eichhornia crassipes的生物炭的XRD分析

对照组、汞处理组和砷处理组的生物炭的XRD衍射图总结在图13中。对照组生物炭在2θ = 21.52°、27.38°、29.38°、30.36°、33.44°、34.75°、35.87°、48.24°处显示出主要衍射峰，分别对应石英（SiO₂）、方解石（CaCO₃）、碳酸钾（K₂CO₃）、赤铁矿（Fe₂O₃）和磁铁矿（Fe₃O₄）（Rahman等人，2013；Silva等人，2020；Hossain和Ahmed，2023）。这些峰证实了其中天然存在的无机矿物残留物

结论

本研究揭示了Eichhornia crassipes作为高效植物修复剂的强大潜力，可用于从受污染的水体中去除砷和汞，并在生产生物炭稳定的金属方面具有显著的环境可持续性。在30天的批次实验中，砷和汞的最高去除效率分别达到了93%和87%（初始浓度为1 mg L^-1），在初始阶段观察到快速吸收，随后

CRediT作者贡献声明

迪普·拉杰：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，可视化，监督，数据管理，概念化。拉什米·兰詹·曼达尔：撰写原始草稿，软件使用，方法论，正式分析，数据管理

未引用的参考文献

Benguennouna等人，2025；e Melo等人，2024；Kassa等人，2025；Panneerselvam和Priya K，2023；Saengwilai等人，2017；Wu等人，2022；Zhang等人，2020。

利益冲突声明

作者确认他们没有已知的财务冲突或个人关系可能影响本研究中呈现的发现。

数据可用性

数据将按请求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有与本文内容相关的已知利益冲突。

致谢

作者感谢印度安得拉邦阿马拉瓦蒂522503的SRM大学提供的财政支持。