植物激素调控下人工湿地对水体除氟的性能优化与动力学机制研究

本研究针对高氟饮用水处理的难题，创新性地采用水平潜流人工湿地(CWs)系统，探究植物(Eichhornia crassipes)与生长素(auxin)协同作用对氟化物(15 mg L?1)的去除效能。研究发现5-10天水力停留时间(HRT)可实现>69%除氟率，生长素显著提升短期(2天)系统性能，首次揭示氟在植物体内的转运规律(转移因子>1)及根系解剖结构适应性变化。该研究为偏远地区饮用水安全提供了低成本、可持续的自然解决方案(NbS)，相关成果发表于《Bioresource Technology》。

　　

氟污染饮用水已成为全球公共卫生的重要威胁，特别是在被称为"氟带"的地区，水中氟浓度常超过3 mg L^?1，导致氟骨症高发。传统除氟技术成本高昂且难以在偏远地区实施，而基于自然解决方案(Nature-based Solutions, NbS)的人工湿地(CWs)技术展现出独特优势。然而，关于CW系统专门用于除氟的研究仍属空白，且植物对氟胁迫的响应机制尚不明确。

为解决这一难题，巴西研究团队在温室中构建了9组水平潜流人工湿地(2×0.5×0.6 m)，以7 mm砾石为基质，设置2/5/10天三种水力停留时间(HRT)，选用凤眼莲(Eichhornia crassipes)为修复植物，并创新性地引入植物生长素(auxin)进行调控。研究通过监测进出水氟浓度、植物组织氟积累量及解剖结构变化，结合一级动力学模型，系统评估了各因素对除氟效率的影响。

关键技术方法包括：(1)构建不同HRT的CW实验系统；(2)采用电感耦合等离子体光谱仪测定氟浓度；(3)植物组织显微切片技术分析解剖结构变化；(4)一级动力学模型拟合除氟过程。样本来源于人工配制的氟污染水(15 mg L^?1)。

Constructed wetlands系统性能
实验显示，种植植物的CW除氟效率显著高于无植物系统。5天和10天HRT组实现>69%的稳定去除率，而2天HRT组虽负荷较高，但在单位时间内表现出更高的氟质量去除能力。这揭示了HRT与除氟效率的非线性关系，为系统优化提供了重要依据。

Auxin的增效机制
生长素处理使2天HRT种植系统的除氟率提升27%，表明其能有效缓解氟毒性并促进植物吸收。解剖学证据显示，处理组植物通过形成暴露的通气组织(aerenchyma)、减少薄壁细胞等适应性改变维持生理功能，解释了其耐受高氟环境的生物学基础。

Fluoride转运特征
氟在植物体内呈现向地上部优先转运的特点(转移因子>1)，其中茎部积累量最高。这种独特的分布模式打破了传统重金属主要富集于根系的认知，为植物修复技术筛选提供了新标准。

水处理动力学
一级动力学模型(R²>0.9)能准确描述CW系统的除氟过程，其中植物吸收和基质吸附是主要去除途径。该模型为放大设计提供了可靠的理论工具。

这项研究首次系统论证了人工湿地在饮用水除氟中的应用潜力，创新性地通过植物激素调控提升了系统性能。研究发现凤眼莲具有显著的氟富集能力，其特殊的转运机制和解剖适应性为筛选超积累植物提供了新视角。建立的动力学模型为实际工程应用提供了设计依据，尤其适合解决发展中国家偏远地区的饮用水安全问题。研究结果发表在环境领域顶级期刊《Bioresource Technology》，对推动基于自然的解决方案在环境治理中的应用具有重要指导价值。