综述：在利用植物修复技术处理纺织废水过程中，重金属固定对水生植物生物气体产量的影响：综述 Kaizar Hossain, Sayanti Kar, Dipsita Hati, Arpita Ghosh, Sinjini Sengupta, Souvik Paul, Avik De, Abhishek RoyChowdhury

《Biomass》：Impact of Heavy Metal Sequestration During Phytoremediation of Textile Wastewater on Biogas Yield of Aquatic Plants: A Review Kaizar Hossain, Sayanti Kar, Dipsita Hati, Arpita Ghosh, Sinjini Sengupta, Souvik Paul, Avik De and Abhishek RoyChowdhury

　　摘要 纺织业消耗大量水资源，并产生含有水溶性染料和重金属（如铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）、铜（Cu）和锌（Zn）等）的废水。水体中的重金属污染及其对水生生物和人类健康的影响至关重要。本综述探讨了植物修复技术的潜力，这是一种低成本且环保的去除纺织废水中有害物质的方法。同时，还研究了植物修复后用于生产沼气的 aquatic 植物的重金属毒性影响。本文评估了纺织废水的特性、植物修复的效率、水生植物对金属的吸收机制以及厌氧消化过程，重点关注了凤眼蓝（Eichhornia crassipes）、浮萍（Lemna minor）和睡莲（Pistia stratiotes）。研究结果表明，这些水生植物通过植物提取和根际过滤方法具有巨大的去除重金属和其他杂质的潜力。它们的快速生长速度使其成为厌氧消化的首选候选植物。然而，重金属在植物组织中的积累会抑制厌氧消化过程中的微生物活动，从而导致沼气和甲烷产量的波动。研究还发现，这些水生植物在去除水中重金属的同时能产生大量生物质，可用于通过厌氧消化生产生物能源，但金属在植物生物质中的固定可能会影响甲烷生成的效率。本综述表明，植物修复技术在纺织废水回收方面具有巨大潜力，结合沼气生产，有助于实现循环生物经济，即通过闭环资源利用和可再生生物系统来最小化废物。

1. 引言
水污染是一个全球性的重大挑战，是导致疾病和死亡的主要原因之一。纺织业是全球经济的关键支柱，2025年的市场规模约为1.16万亿美元，预计到2035年将增长至1.74万亿美元[1]。该行业在全球范围内提供了6000万至7000万个就业机会，尤其是在发展中国家，它是国内生产总值（GDP）的主要贡献者。自工业革命以来，生物圈中的有毒金属污染显著增加。纺织工业在生产过程中需要大量水资源，且常常不公开所使用的化学物质，而这些化学物质是污染的主要来源。纺织废水中的污染物浓度取决于废水的处理方式及其稀释程度。纺织工业中最常用的化学物质是纺织染料，市场上约有10,000种不同的染料，年产量超过7×10^5公吨。根据美国卫生与公众服务部下属的毒性物质与疾病登记署（ATSDR）的分类，纺织染料含有重金属，属于最危险的有毒污染物。每年有2000至3200吨金属铬（Cr）泄漏到印度环境中。铅、砷、铬、镍、铜、镉、汞和锌等重金属虽然天然存在，但由于工业使用而在环境中积累。由于这些重金属对水体和人类健康的影响，全球都对其污染问题十分关注[1,2]。纺织工业占全球工业水污染的近20%，每年消耗约930亿立方米的水。在印度西孟加拉邦和湄公河三角洲等地，众多染色设施排放的未经处理的废水导致附近食物链中重金属含量显著增加，影响地表水和地下水[3]。

人口增长和全球工业发展加剧了世界水体的重金属污染。在探索生物解决方案之前，需要认识到传统的化学和物理方法（如化学沉淀、离子交换和膜过滤）虽然能有效去除这些有害物质，但往往需要昂贵的化学试剂，并产生有毒的二次污泥，需要额外的危险废物管理。相比之下，植物修复提供了一种非侵入性、外观美观且经济的方法，成本通常仅为传统物理方法的三分之一[4]。植物修复可以直接且经济有效地去除受污染水中的重金属。许多植物已被用于去除废水中的重金属，例如浮萍、凤眼蓝、水葫芦等[2,5]。

1.1. 纺织废水管理的重要性
由于纺织废水的数量庞大且具有危害性，其管理已成为全球性的环境问题。全球范围内，纺织业占工业水污染的约20%，每年消耗约930亿立方米的水[6]。在印度和东南亚等主要生产地区，超过80%的纺织废水未经处理直接排放到附近的水体中，损害了数千公里的重要水道（如恒河[5]）。这种管理缺失造成了巨大的经济负担；例如，由于纺织废物和水的回收和处理不足，全球经济每年损失约5000亿美元[7]。

以印度泰米尔纳德邦的诺亚尔河（Kaveri河的支流）为例，该案例清楚地展示了未经处理的纺织废水的影响。印度蒂鲁普尔被称为“针织之城”，拥有800多家漂白和染色设施，每天直接向河流排放约8700万至9000万升未经处理的废水[8,9]。

重金属污染对人类健康的影响不容忽视。人体接触重金属会严重影响皮肤、呼吸系统和心血管系统[10]。在纺织工业中，重金属常因染色过程而进入废水，因为它们被广泛用作媒染剂和固定剂以增强染料与纤维的结合。许多染料（尤其是天然染料和某些合成染料）对纺织纤维（特别是纤维素材料如棉花）的亲和力较低。在分子层面上，金属离子（如Cr3+、Cu2+、Fe2+/Fe3+、Al3+）通过与染料分子和纤维基底形成配合物来发挥作用。这些金属作为桥梁剂，同时与染料中的功能基团（-OH、-COOH、-NH2）和纤维中的活性位点（如羊毛中的氨基和羧基、纤维素中的羟基）相互作用。这形成了稳定的染料-金属-纤维复合物，显著提高了染料的固着强度、色牢度（耐洗、耐光和耐磨性）、颜色强度和色调变化。此外，金属媒染剂还可以改变染料分子的电结构，从而因光吸收能力的变化而产生颜色差异[11]。

有机染料的存在也会影响金属从废水中的生物可利用性，因为染料分子具有与金属离子形成复合物的能力，从而降低金属的游离浓度。这些复合金属在水中保持稳定，影响其在植物中的生物可利用性，进而影响植物修复过程和厌氧消化[11]。除了重金属外，纺织废水中还含有大量在染色过程中释放的合成染料。这些染料对植物的光合作用有害，限制了光线穿透并增加了氧气消耗。某些染料中的重金属和氯对许多水生生物具有毒性。作为复杂的有机分子，染料难以降解，会限制光线穿透并增加氧气消耗，导致生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）升高[12]。此外，悬浮颗粒会堵塞鱼鳃，导致鱼类死亡。藻类产生食物和氧气的能力也会减弱。此外，染料还会干扰特定的市政废水处理过程，包括紫外线消毒[12]。

尽管使用生物系统进行修复具有明显优势，但仍存在重大研究挑战。虽然水生植物固定金属的技术能力已得到证实，但最关键的知识空白在于将这种有毒生物质作为原料进行厌氧消化的经济可行性。要从成功的植物修复过渡到可持续的能源回收模式，需要克服由金属引起的微生物抑制所带来的财务和运营障碍。解决这一差距对于确定此类集成系统能否从实验室成功走向经济可行的工业解决方案至关重要。

1.2. 本研究的目标和范围
本综述探讨了通过植物修复处理纺织废水的环境和能源回收方面，重点关注水生植物清洁受污染废水的能力及其随后作为沼气生成基质的潜力。研究了基于生物和植物的方法（如植物修复），以消除纺织废水中的有害染料和化学物质。本文强调了节水技术和工艺改进，以减少水资源消耗和废水产生。同时，还强调了支持长期资源保护和促进循环生物经济原则的环保废物处理实践，通过生物质回收能源。本研究旨在识别金属积累和沼气产量的知识空白，探讨植物修复过程中重金属固定对厌氧消化效率和沼气（甲烷）产量的影响。最后，评估了综合废水处理和沼气回收的潜力，例如将植物修复与沼气生产相结合，可以提供一种双效益的污染控制和可持续能源生成方法。

2. 纺织废水：组成和污染
纺织废水是一种有害的混合物，包含染料、表面活性剂和重金属。当使用水生植物进行植物修复和进一步处理时，它们会固定重金属，改变生物质特性并影响沼气产量。图1展示了纺织制造过程的关键阶段及其趋势[1]。表1列出了主要纺织工艺（如退浆、漂白和染色）的典型废水特性，为评估废水组成和处理要求提供了基准[13]。表2记录了纺织工业中常用的重金属及其对人类和环境的危害[13,14]。

最近的研究一致表明，纺织废水通常呈碱性，pH值范围在7到13之间，COD值经常超过3000 mg/L，尤其是在漂白和印花过程中。总溶解固体的升高反映了盐和加工化学品的广泛使用。在重金属中，铬、铜、锌和镍是最常见的，这主要是由于它们与纺织加工过程中使用的染料、催化剂和固定剂的关联。来自南亚（特别是孟加拉国和印度）的研究表明，铅（Pb）和镉（Cd）等有毒金属的含量超标，对环境和健康构成严重威胁[1,2]。总体而言，数据显示废水组成因工艺类型而异，凸显了纺织废水中高有机负荷和金属污染的持续挑战[3]（表3）。图2展示了纺织废水排放对环境和健康的影响，包括直接后果（如美观问题和水污染）和间接后果（如富营养化和对人类健康的不良影响）[2]。

3. 纺织废水的植物修复
3.1.植物修复的概念与机制
植物修复是一种环保技术，它利用植物自身的自然能力来清除土壤和水中的污染物。该方法包括五种主要策略，每种策略都以独特的方式去除或中和污染物。植物提取（Phytoextraction）是指植物通过根部从土壤中吸收重金属或其他无机毒素，这些污染物随后被储存在植物的地上部分或叶片中，从而便于后续处理。植物稳定化（Phytostabilization）通过将污染物结合到木质素或腐殖质等物质中来帮助将其固定在土壤中，防止其通过空气或水扩散。植物挥发（Phytovolatilization）使某些植物能够吸收污染物并将其转化为毒性较低的形式，然后以气体形式释放到大气中。植物降解（也称为植物转化，Phytotransformation）则利用植物产生的酶分解土壤和水中的有害化学物质。根系过滤（Rhizofiltration）则是利用植物根部过滤受污染的水中的污染物，尤其是重金属，并将其在根系内富集。综合这些植物修复技术，可以利用植物的力量以可持续且经济高效的方式恢复受污染的环境[4,28,29]。

3.2. 植物修复技术的类型
对于处理纺织工业产生的废水而言，植物修复是一种有前景、经济且环保的技术。不同植物物种在去除纺织染料和废水方面的效果各不相同。植物修复的效果受污染物分子量和化学组成的影响。通过结合化学处理和植物修复，可以提高纺织废水处理的效率。原位植物修复（In situ phytoremediation）是一种在源头处理纺织废水的高效方法。然而，关于纺织染料植物修复的研究大多还停留在实验室阶段。

3.3. 水生植物的选择标准
所选植物必须能够在纺织废水中的各种污染物（如染料、重金属和其他化学物质）存在的情况下存活并茁壮成长。不同植物对纺织染料的耐受能力不同，在选择过程中应考虑废水中的主要色素成分[30]。快速的生长速度有助于快速吸收污染物并有效处理废水；较大的生物量可以增加吸收和积累污染物的表面积[31]。健康的根系能增强植物从水和沉积物中吸收污染物的能力[32]。所选植物物种必须能够适应植物修复系统的环境条件，以确保其高效运行[33]。此外，该系统的长期可行性和运营成本降低还取决于其栽培和维护的难易程度[34]。选择本地且数量丰富的植物可以改善气候适应性并降低运输成本[35]。最后，植物在使用过程中及废弃后不应向环境中释放任何有毒物质；如果处理系统对公众开放，还应考虑其美观性[36]。
在印度淡水生态系统中原生的或归化的浮水植物中，浮萍（Lemna minor）、凤眼莲（Eichhornia crassipes）和睡莲（Pistia stratiotes）最符合上述标准，它们不仅具有生态优势，还能耐受富营养化和严重污染的水体。这些浮水植物生长迅速，生物量高，易于收割，比许多沉水或挺水植物更适合大规模的植物修复和生物能源应用。与其他本地水生植物相比，这些物种更能适应高浓度的污染物，并且在印度已有大量相关研究数据，保证了其可靠性和有效性。此外，凤眼莲和睡莲的生物质可通过厌氧消化生产沼气，从而为废水处理与可再生能源生产提供可持续的途径[4]。

4. 植物修复中的水生植物
植物修复利用多种水生植物来提取、降解和解毒有机污染物[37,38,39]。多项研究表明，由于水生植物生长速度快、污染物吸收能力强且生物量产量高，它们比陆生植物更有效地去除受污染水中的重金属[40,41,42,43,44,45]。这些植物仅需简单的矿物质养分，且光合作用效率高，能在从全日照到部分遮荫的各种光照条件下茁壮生长[46]。这种适应性以及根系与受污染水体的直接持续接触，使得它们的净化效果显著优于陆生植物[4.1]。
本综述选择浮萍（Lemna minor）、凤眼莲（Eichhornia crassipes）和睡莲（Pistia stratiotes）作为研究对象，是因为它们是热带和亚热带水域中最有效的天然过滤器（图3）。与其他水生植物相比，这三种植物具有极高的生长速度，并能在根系中高度富集铅、砷和铬等重金属[13]。表4列出了这三种常用植物在植物修复中的生理特征和特定污染物去除能力。选择这些植物是因为它们在环境净化和可再生资源生产方面的双重作用。虽然它们在去除纺织废水中的污染物方面非常有效，但这一过程会产生大量含有吸收污染物的植物生物质，需要妥善处理。这些植物适合作为厌氧消化的原料，因为其结构富含可发酵成分（如半纤维素和纤维素），而复杂的木质素含量较低，便于自然细菌分解。通过将水处理与厌氧消化相结合，该系统将污染问题转化为循环经济效益：植物的有机部分转化为可再生能源（沼气），从而抵消纺织制造过程中的能源消耗和碳足迹；同时，重金属被安全地浓缩到体积更小且易于管理的消化残渣中[13,14,47]。

4.2. 水生植物对金属的吸收与积累机制
植物需要铜、钼、锌、铁、锰和镍等金属来维持健康生长，但它们也能有效处理高浓度的非必需且可能有毒的金属（如镉、铬、铅和汞）[82,83]。在水生植物中，重金属的去除主要通过根系过滤（包括根系过滤和地上部分过滤）实现[84,85]。水中的金属以不同化学形式存在，植物根部吸收这些金属并将其运输到细胞内，在那里被中和或储存。为了应对铅、镉和汞等有毒金属，植物会用特殊蛋白质或肽将其结合[86]。柠檬酸和苹果酸等有机化合物也有助于金属的吸收，尤其是在酸性条件下[87]。例如，镍通常与柠檬酸结合储存在液泡中，锌则与柠檬酸和草酸形成稳定结合[88,89]。
植物还会因金属暴露而面临氧化压力，但可通过抗氧化酶和化合物来应对[90,91]。解毒过程包括将金属锁定在液泡中或嵌入细胞壁中。植物体内的金属螯合蛋白（Phytochelatins, PCs）在去除镉等方面起关键作用，通过将其运输到液泡中[92,93]。此外，阳离子扩散促进转运蛋白家族（Metal Tolerance Proteins, MTPs）中的成员有助于将锌和镍等金属储存在植物细胞内，提高植物在污染环境中的生存能力。MTPs是存在于细胞膜中的蛋白质，能促进金属离子在细胞内的隔离和解毒。当金属离子通过MTPs在植物组织中隔离时，不会抑制微生物的活动[92]。尽管许多研究表明金属主要在植物根部积累[94,95]，但在某些情况下也会出现在地上部分，具体取决于金属类型和植物种类[96,97]。一些金属通过水接触直接进入叶片，另一些则通过根部吸收后向上运输。水生植物还能在叶片组织中储存铁、锰、锌、铜、铬、镍和铅等金属[98,99]。
浮萍（Lemna minor）尤其擅长吸收金属，尤其是铁、铜和锌[98]。在含有多种金属的系统中，它能高效吸收镉和铜而不受显著影响[100]。凤眼莲（Eichhornia crassipes）生长迅速，主要在根部积累金属，减少到达叶片的金属量[52]，这有助于其在高污染环境中生存，并能高效向地上部分输送氮，促进快速生长[29,101]。睡莲（Pistia stratiotes）也能在叶片中储存大量铜，并能在金属污染下保持健康[64,100]。这些水生植物去除重金属的成功受多种因素影响，包括金属类型、浓度、植物种类以及pH值和暴露时间等环境条件。尽管存在这些变量，浮萍、凤眼莲和睡莲仍然是清洁受污染水体的有效且可持续的工具。
值得注意的是，这些植物在根部和地上部分之间对金属的分配方式对金属进入生物消化器的命运有直接影响。最近的一项关于浮水植物的研究显示，在大多数情况下，约75–90%的吸收金属留在根部，只有10–25%转移到地上部分[102]。根/地上部分比例分析表明，当根/地上部分比例≥6时，大约80%的金属（Cr、Cu、Fe、Ni）留在根部；当比例超过17时，铁在根部积累更多[102]。通常情况下，约80–90%的金属质量位于根部，10–20%位于地上部分[5]。

4.3. 不同水生植物在金属隔离方面的效率
浮萍（Lemna minor）、凤眼莲（Eichhornia crassipes）和睡莲（Pistia stratiotes）是研究较多的植物修复物种，它们均能有效去除水中的重金属[107]。它们的效果因金属类型、浓度和暴露时间而异。总体而言，凤眼莲的效果最佳，其次是睡莲，最后是浮萍[57,108]。凤眼莲的金属去除效率最高，可去除高达97%的铜、96%的铅和89%的铁[60,109,110]。在纺织废水中，凤眼莲的生物富集因子（BCF）为Fe > Cd > Cu，而睡莲则适用于铅、镉和铜的去除[57,61]。睡莲可去除24–80%的渗滤液中的金属，并在某些情况下比凤眼莲积累更多的铅和铁[57,111]。它能快速去除铅（70.7%）和铜（66.5%），并在24小时内实现显著去除[62,112]。BCF趋势为Zn > Cd > Ni [64]。研究表明，Lemna minor在28天内可以去除99.3%的Ni，在3天内可以去除62.8%的Pb [58,113]。L. spp.在12天内可以去除95%的Pb和84%的Cr [59]。在多金属系统中，L. spp.表现出较高的Cd2+和Cu2+积累能力 [100]，典型的BCF顺序为Pb > Mn > Cu > Zn [63]。最终，植物选择取决于目标金属和环境条件，如pH值、金属浓度和暴露时间。在控制金属固定效率的非生物因素中，纺织废水的pH值尤其值得关注。纺织废水通常是碱性的（pH 8–11），然而L. minor、E. crassipes和P. stratiotes在接近中性的条件下（pH ≈ 6–7.5）表现最佳，此时金属的溶解度和根部的生物可利用性最高。废水pH值与植物生理最佳状态之间的不匹配直接影响修复效果。在碱性条件下，Pb、Cu和Cr等金属倾向于形成不溶性的氢氧化物沉淀物，尽管废水中这些金属的总浓度可能很高，但其生物可利用性降低。同时，较高的pH值会抑制根表面的质子驱动离子传输机制，即使可溶性金属仍然存在，也会限制金属的主动吸收。研究表明，这三种大型水生植物在碱性条件下的金属吸收量明显低于接近中性pH值时的吸收量，尽管它们具有较高的积累能力。相比之下，接近中性的pH值通过保持金属以可溶且植物可利用的形式存在，促进了金属与根部的相互作用，而强酸性条件则可能导致植物中毒和根部结构损伤。因此，pH值对纺织废水系统中植物修复效率的影响至关重要，并强调了在引入大型水生植物进行废水处理之前进行pH值预调节的实际重要性 [102,114]。

5. 水生植物的沼气生产
5.1. 沼气生产概述
沼气是一种通过有机废物的厌氧消化（AD）产生的清洁可再生燃料 [115]。作为一种可持续替代品，它提供了替代传统化石燃料的方法 [116]。水生大型水生植物是水生生态系统的重要组成部分。最适合用于沼气生产的材料包括Eichhornia crassipes、Pistia stratiotes和Lemna minor，因为它们生长迅速，含有高量的纤维素和半纤维素，且木质素含量低 [117,118,119]。这些植物通常比陆地原料更具生产力，并且碳氮比有利，使其成为能源回收的理想选择 [120,121]。由于水生大型水生植物的木质素含量相对较低，因此被认为适合厌氧消化，从而提高了生物降解性 [122]。然而，不同物种之间存在差异；例如，浮萍的木质素含量适中，虽然低于典型的陆地生物质，但可能高于其他水生植物 [123]。此外，从用于净化工业废水的植物中收集的生物质也可以转化为沼气，从而提高整个过程的成本效益和可持续性（图4a,b）[85]。这种策略还有助于控制入侵性水生杂草，否则这些杂草会带来生态问题 [120]。
图4. (a) 使用水生植物进行植物修复处理工业废水的工艺流程。(b) 纺织废水生物处理过程中金属的命运示意图。
在印度和其他地区，Pistia stratiotes、Eichhornia crassipes和Lemna Minor常被用于沼气生产 [124]。研究表明，像Eichhornia crassipes和Pistia stratiotes这样的植物在消化过程中容易降解并产生大量沼气 [125]。产生的沼气可以直接用于烹饪、供暖，甚至可以通过发动机或燃料电池发电 [121,126]。

5.2. 有机物在沼气生产中的作用
沼气生产基于厌氧消化（AD），这是一种自然过程，其中污泥、农业残余物和作物废弃物被分解成富含甲烷的沼气 [127]。随着对环境破坏和粮食安全的日益关注，生物燃料研究转向了非食用性的木质纤维素原料 [128]。这一过程中的关键挑战是水解，即复杂有机物分解为简单化合物的限速步骤 [129]。然而，不仅仅是碳水化合物和蛋白质；脂质在消化率和甲烷生成中也起着重要作用，尤其是在微藻的情况下 [130]。为了提高效率，正在使用超声波等预处理技术来增强有机物的溶解度 [131]。像水葫芦、水生莴苣和浮萍这样的水生植物由于生长迅速，常被视为环境负担，但可以通过AD、黑暗发酵和共消化转化为有价值的生物能源 [132]。水葫芦（Eichhornia crassipes）是一种广泛研究的入侵物种，不仅可用于沼气生产，还可用于生物乙醇生产。它还以其从受污染水中去除重金属的能力而闻名 [133,134,135,136,137]。水生莴苣（Pistia stratiotes）除了在传统医学中的应用外，还能有效去除污水污泥中的污染物。其高含量的碳水化合物、蛋白质和纤维使其成为沼气原料的理想选择 [138,139,140,141]。浮萍（Lemna minor）因其能限制蒸发和阳光穿透而有利于水资源保护 [142]。它们的组成包括果胶、半纤维素和脂质，这些成分支持其在沼气和生物柴油生产中的应用 [143,144]。随着对多种有机废物用于能源回收的兴趣增加，改进水解阶段并考虑所有关键生物质成分（碳水化合物、蛋白质和脂质）对于最大化沼气产量和有效处理废物至关重要 [127,145]。

5.3. 水生植物的沼气产量
水生植物因其快速生长率和适宜的化学组成，提供了一种可再生且环保的沼气生产生物质来源 [146]。它们的高生产力和广泛可用性使其成为可持续能源生产的理想候选者。表6列出了浮萍、水葫芦和水生莴苣的沼气生产潜力。
表6. 三种水生植物的沼气生产潜力：浮萍、水葫芦和水生莴苣。
像Myriophyllum spicatum、Egeria densa和Hydrilla verticillata这样的沉水植物形成密集的水下床层，具有大量的生物质积累 [167]。特别是像Pistia stratiotes和Eichhornia crassipes这样的快速生长浮游植物不仅数量众多，还有助于控制水生系统的富营养化 [168,169]。来自湿地地区的挺水植物，如Scirpus lacustris、Typha latifolia和Phragmites australis，也常用于沼气生产，并带来额外的好处，如防止侵蚀和改善土壤质量 [170,171,172]。这些水生植物的沼气生产效率很大程度上取决于可消化有机化合物（如糖类）的可用性和植物的水分含量。为了确保经济可行性，正确的收割、储存和运输方法至关重要。此外，研磨、青贮或酶促水解等预处理技术可以显著提高植物物质的消化率并增加甲烷产量 [173]。
最近的研究强调了将水生大型水生植物整合到分散式沼气系统中的潜力，尤其是在农村和城郊地区，以改善废物管理和能源获取 [174]。
在越南湄公河三角洲的农村地区，小型养猪户通常依赖家庭规模的沼气消化器作为电网电力和传统薪火的替代品。虽然这些系统提供了明显的能源效益，但排放的废水往往富含营养物质，特别是化学需氧量（COD）和氨，这引发了关于二次环境影响的担忧。最近的一项研究调查了在沼气废水池中种植的水生莴苣（Pistia stratiotes L.）是否可以作为进一步厌氧消化的可行原料 [175]。这项为期75天的实验研究维持了有利于甲烷生产的最佳条件。有趣的是，总甲烷产量的50%是在第17天到第42天之间的相对较短时间内产生的，表明消化过程快速且高效。第16天的日沼气产量达到0.12 L/g VS，而最高的日甲烷产量记录为0.052 L/g VS。硫化氢（H2S）浓度，作为气体质量的重要指标，在第14天到第21天之间达到峰值28 ppm。另一项研究表明，水生莴苣不仅减少了废水中的污染物负荷，而且在厌氧消化过程中与猪粪共消化时还提高了总体沼气产量 [175]。这些发现表明，水生莴苣既是一种有前景的厌氧消化原料，也是综合农业系统中生成可再生能源的积极共基质。
水葫芦（Eichhornia crassipes）在津巴布韦哈拉雷的主要水源Chivero湖上的无控制繁殖造成了严重的环境挑战。多年来，湖泊经历了严重的富营养化，主要是由于过量的营养物质输入导致水葫芦迅速生长，破坏了生态系统平衡并降低了水质。为了解决这个问题，一项研究调查了收获的水葫芦是否可以作为沼气生产的可行原料 [176]。通过受控的实验室规模厌氧消化实验表明，这种植物生物质产生的沼气含有较高的甲烷含量，表明其作为可再生能源的潜力。这些发现展示了一种引人注目的循环方法：将一种导致生态退化的入侵物种转化为清洁能源的来源。
还研究了某种浮萍（Lemna gibba）的特性及其在温和条件下与废水活性污泥共消化时的表现 [177]。当浮萍占原料混合物的40–50%（体积比）时，甲烷产量特别有利，表明平衡的基质比例对于优化气体生产很重要。这些观察结果与现有研究一致，这些研究强调了共消化策略在提高过程稳定性和甲烷产量方面的优势。
通过比较植物修复前后的沼气产量，可以看出污染控制和可再生能源生成的双重效益。生长在受污染水域的水生植物倾向于吸收重金属，这有助于环境清理，但可能会影响用于厌氧消化的收获生物质的品质和消化率。几种水生植物以其吸收重金属的能力而闻名，包括沉水植物如Hydrilla verticillata、Ceratophyllum demersum和Potamogeton malaianus [178,179,180]，挺水植物如Typha latifolia，以及浮游植物如水葫芦（Eichhornia crassipes）[181,182,183]。植物修复后，这些植物的化学组成可能会发生变化。在某些情况下，木质素含量的增加可能会使它们更难以分解，从而降低沼气产量。利用植物提取重金属有着悠久的历史，通常被称为农业修复、绿色修复和植被修复 [184,185,186,187]。
最终，植物修复对沼气生产的影响取决于多种因素，如植物种类、涉及的污染物类型和水平、暴露时间以及消化条件等 [188]。因此，尽管植物修复改善了环境修复，但它也会将植物材料转化为含有金属的基质，在厌氧消化之前需要仔细评估，以防止对沼气生产产生负面影响 [189]。

5.4. 影响沼气生产的因素
要最大化水生植物的沼气产量，需要仔细优化关键工艺参数。温度起着关键作用，中温条件（约32–35 °C）对微生物活动和甲烷生产最为有效 [190,191]。特别是水葫芦在这种范围内表现最佳 [192]。pH值应保持在6.5到7.5之间。低于5.5的pH值会导致甲烷产量急剧下降，甚至可能完全停止反应 [193]。在水葫芦消化过程中，pH值往往会下降，因此需要持续监测 [194]。理想的碳氮（C/N）比例通常在20:1到30:1之间，尽管对于基于水生植物的基质，根据共消化和系统参数，这一比例可能在16:1到25:1之间变化。不平衡可能导致氨积累或氮缺乏，两者都会降低气体产量 [195]。其他支持指标，如生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）和挥发性固体（VSs）也会影响性能 [196]。停留时间是指生物质在消化器内的停留时间，对于水生植物通常为10到30天。较短的停留时间可能无法实现完全消化，而较长的停留时间则需要更大的反应器空间。对于木质纤维素植物，2–3周的停留时间通常是理想的 [197,198,199]。水力停留时间（HRT）是指可生物降解物质在消化器内的停留时间，受温度和反应器设计的影响，对于中温系统通常为10到40天，对于嗜热系统约为14天。如果HRT（停留时间）太短，有益的微生物可能会被冲走；如果太长，则会增加反应器的体积和成本。对于木质纤维素生物质，为了高效分解和产生甲烷，最佳的HRT约为2-3周[199]。添加富含多种微生物（如细菌、真菌和古菌）的接种剂可以显著提高沼气产量并加速消化过程[200]。虽然细菌和古菌的数量会随着化学变化而变化，但真菌相对稳定，并在分解复杂的植物物质中起着关键作用[201]。表7解释了影响沼气产生的关键参数，包括化学、物理和生物参数及其范围。

6. 重金属封存对沼气产量的影响
在区分植物修复过程中植物生物质中金属的积累与厌氧消化器内部金属形态的变化时非常重要。消化前储存在植物组织中的金属根据其结合形式（例如，细胞壁结合、络合或沉淀形式）可能具有抑制作用，因为这些形式会影响其释放。相比之下，在消化器内部，金属的形态可能会发生变化，例如沉淀（例如金属硫化物），这会降低其生物利用度和毒性。因此，金属对沼气产量的影响不仅取决于其浓度，还取决于其位置和化学形式[207,208]。

厌氧消化过程中沼气的产量可能受到重金属封存的复杂影响，某些金属可能产生积极影响，而其他金属则可能产生负面影响。从促进作用到毒性作用的转变取决于金属的类型及其浓度；例如，铁（Fe）和镍（Ni）是产甲烷酶的必需辅因子，而非必需金属如汞（Hg）和镉（Cd）则具有强烈的抑制作用[209,210]。在厌氧消化前，植物修复生物质中积累的金属可能会在消化过程中释放出来，并根据其浓度和形式阻碍微生物活动[208]。

从积极的角度来看，厌氧消化器可以通过沉淀或络合等方式固定金属化合物，从而降低重金属对微生物群落的负面影响，减少其生物利用度。这为有益微生物创造了有利的环境，增加了它们的活性和产生的沼气量[211]。此外，通过封存控制有毒金属还可以使消化过程更加稳定可靠，最终提高甲烷产量[213]。原料的类型和质量也在决定可产生多少沼气方面起着重要作用[214,215]。

然而，也存在缺点，因为封存有时不仅会锁住有毒金属，还会锁住重要的微量元素，使其无法被微生物利用，从而减缓甚至减少沼气产量[216]。某些金属的高浓度尤其成问题。例如，铜（Cu）在浓度为281.25 mg/L时，可使沼气产量减少多达77%[203]。像汞（Hg）、镉（Cd）和铬（Cr）这样的重金属对产甲烷细菌特别有害，其中汞的毒性最强。这会严重限制消化过程的效率[217]。此外，用于改善消化的生物增强策略有时会增加剩余消化物中的金属浓度，如果将其用作肥料，则存在风险[216,218]。

最近的一项研究展示了微量元素如何影响有机固体废物（如农业和食物废物）的厌氧消化过程中的甲烷产生。研究发现，当以适当剂量添加某些微量元素（如铁（Fe）、钴（Co）、钼（Mo）和镍（Ni）时，它们对微生物酶系统至关重要。最佳范围（例如，约0.56–1.67 mg Fe/g VS，约0.01–0.1 mg Co/g VS）与显著更高的甲烷产量相关，但过量添加会导致抑制作用，这与Haldane型动力学一致。这表明需要足够的微量元素来支持消化过程，但在高浓度下它们会对微生物群落造成伤害[209]。

6.1. 植物生物质中金属的形态及其对生物利用度的影响
为了区分植物修复过程中金属的封存和厌氧消化过程中发生的转化，必须考虑植物修复生物质中金属的化学形态。在植物修复过程中，金属不以自由离子的形式存在，而是通过各种机制被固定，例如与细胞壁成分（如果胶、纤维素）结合、储存在细胞内的液泡中、与有机化合物（植物螯合素和蛋白质）结合，以及形成稳定的化合物（如金属磷酸盐或硫化物）[219]。这些不同的形态会影响厌氧消化过程中金属的可用性。松散附着在细胞壁上的金属或存在于可交换部分的金属在水解过程中更容易释放，而以不溶性沉淀物（如金属硫化物或磷酸盐）或强络合形式存在的金属则较难被生物体利用[220]。

在厌氧消化过程中，pH值、氧化还原电位和硫化物水平的变化会对金属形态产生影响。在还原条件下，金属可以形成硫化物（如FeS），从而降低其毒性。然而，消化器条件的变化可能导致这些金属再次变得活跃，导致其生物利用度突然增加并抑制微生物活性[220,221]。因此，重金属对沼气产量的影响不仅取决于其总体浓度，还取决于它们从植物结合形式转变为消化器内可利用形式的过程。

6.2. 金属污染的影响
重金属污染对水生植物的沼气生产构成了严重挑战。由于厌氧消化依赖于微生物活性，铅、镉、铬和汞等关键重金属的存在（见表6中的阈值范围）会干扰细菌功能，显著降低甲烷产量，在某些情况下甚至会完全停止消化过程[216,222,223]。此外，消化产物和沼气生产后的剩余物质可能会保留这些重金属。当这些副产品被用作肥料时，可能会将有害污染物引入农业土壤，并可能进入食物链，引发环境和健康问题[224,225]。除了影响微生物外，重金属还会损害水生植物的生长和生理机能，最终减少可用于消化的生物质。

因此，了解水生生态系统中的重金属浓度和行为至关重要。监测铅、砷、镉、铬和汞等元素有助于预测它们对植物生长和沼气生成效率的潜在影响[25]。在消化前预先评估生物质质量对于减少重金属干扰带来的风险至关重要[184]。

6.3. 金属特定毒性和抑制作用的水平
重金属可以通过改变对厌氧消化过程至关重要的微生物种群的发展和功能来显著影响沼气生成。如6.2节所述，这些影响受到植物生物质中初始金属组成及其在消化过程中转化为可利用形式的强烈影响，并根据化学形式、暴露时间和底物性质而有所不同。尽管一些微量元素是必需的微量营养素，但高浓度会导致毒性并阻碍过程[226,227]。铁（Fe）、钴（Co）和镍（Ni）等微量元素在产甲烷过程中是必需的，作为参与甲烷生成的重要酶的辅因子。然而，当这些金属的浓度超过最佳水平时，会干扰酶的功能并破坏微生物平衡。相比之下，非必需金属如镉（Cd）、铅（Pb）和汞（Hg）即使在低浓度下也会表现出毒性，显著抑制产甲烷活性[216,217,228,229]。

表8概述了必需金属的微量营养素需求和毒性限制，包括它们的化学形式、影响的微生物以及它们通常存在的环境[209,219]。重金属对厌氧消化的影响取决于它们作为必需微量营养素和潜在抑制剂的双重功能。铁（Fe）、钴（Co）和镍（Ni）等微量元素对产甲烷过程中的酶活性是必需的，而非必需金属如镉（Cd）、铅（Pb）和汞（Hg）即使在低浓度下也具有毒性。毒性受金属形式的影响，因为可溶性离子形式通常比沉淀形式更具毒性。表6提供了重要金属的有益和抑制范围，以及它们的微生物靶标和常见底物环境[203,209,216,217,229]。

在经常记录的抑制作用中，铜（Cu）被认为对产甲烷菌极其有害，浓度约为281.25 mg/L时，可使沼气产量减少多达77%[203]。六价铬（Cr6+）的毒性尤其强于三价铬（Cr3+），浓度超过100 mg/L时，可使甲烷产量减少35–50%[202]。Cr6+相对于Cr3+的更高毒性主要是由于其更高的溶解度和能够穿过微生物细胞膜的能力。Cr6+通常以铬酸盐（CrO42?）的形式存在，由于其结构相似性，可以通过硫酸盐转运系统进入微生物细胞。一旦进入细胞，Cr6+会在细胞内被还原为Cr3+，在此过程中产生活性氧（ROS），导致氧化应激，损害DNA、蛋白质和膜脂质，最终干扰微生物代谢。相比之下，Cr3+的生物利用度较低，因为它倾向于形成稳定的不溶性复合物，限制其进入细胞并降低其毒性[208,232]。

同样，尽管锌（Zn）是必需的微量营养素，但其浓度超过150 mg/L时也会产生抑制作用。铅（Pb）经常在水葫芦等植物修复生物质中积累，即使在其可溶性形式下，浓度低至50 mg/L也会导致过程不稳定[229]。除了总体浓度外，金属的具体化学形式也会显著影响毒性，因为可溶性离子形式比沉淀形式（如金属硫化物）更容易被生物体利用。这种区别在使用植物修复生物质的系统中尤为重要，因为金属可能在消化过程中从特定的植物结合形式（如可交换部分与沉淀部分）缓慢释放，影响其可用性和对微生物群落的影响[208]。

6.4. 金属封存生物质与厌氧消化之间的联系
将植物修复与沼气生产相结合的一个主要挑战是植物生物质中储存的重金属如何影响厌氧消化（AD）。在植物修复过程中，水生植物通过将金属结合到细胞壁、储存在液泡中以及与有机配体形成复合物来吸收金属。这改变了生物质的组成，增加了灰分含量并降低了可生物降解的挥发性固体，可能会对甲烷产生负面影响[222]。在AD系统中，铁（Fe）、钴（Co）和镍（Ni）等微量元素对产甲烷酶的活性至关重要，尽管镉（Cd）、铅（Pb）和汞（Hg）的过量积累会阻碍微生物代谢。与外部污染不同，植物修复生物质中的金属是内部结合的，可能在水解过程中逐渐释放，导致毒性延迟和过程稳定性降低[233]。此外，植物生长期间的金属压力可能会提高木质素和酚类化合物的水平，从而降低底物的生物降解性并阻碍水解，这是AD过程中的限速步骤[234]。

金属形态也会影响毒性，因为可溶性形式比沉淀或络合形式更具毒性[233,235]。总体而言，植物修复生物质对沼气产生的影响取决于存在的金属类型、数量和可用性，这强调了在消化前评估生物质质量的必要性[233]。

6.5. 微生物活性的干扰
重金属还会通过改变微生物群落的多样性和组成来影响沼气生产，从而导致沼气产量减少和整体过程不稳定[203,230]。研究表明，镉（Cd）和镍（Ni）浓度的升高会使微生物群落从产甲烷菌转变为生长较慢但更强的产氢菌，导致整体过程不稳定和累积气体产量减少[230]。随着时间的推移，这种干扰使得维持理想的操作条件变得更加困难。除了群落内部的变化外，重金属还会直接干扰参与甲烷生成的功能基因表达和酶过程。当存在有毒金属（如Cd、Hg和Pb）时，包括mcrA（甲基辅酶M还原酶）在内的关键基因会被抑制，这些基因在甲烷生成中起着重要作用。同样，与乙酸利用（例如Ack和PTA）以及氢营养途径相关的基因也会被抑制，从而导致代谢效率降低[66,222]。重金属还可以附着在酶中的巯基（-SH）上，改变蛋白质结构并降低酶的功能。例如，镍（Ni）和钴（Co）是产生辅因子（如辅酶F430和维生素B12）所必需的，但高浓度的这些金属会通过反馈毒性干扰自身的代谢途径。此外，金属引发的氧化应激会产生活性氧（ROS），进一步损害微生物的DNA、蛋白质和细胞膜，破坏基因表达和细胞过程[222,227]。随着时间的推移，这种干扰使得维持理想的操作条件变得更加困难。除了影响甲烷的产生外，重金属还会影响生物气的质量，尤其是硫化氢（H2S）的浓度。在某些金属胁迫环境下，与产甲烷菌竞争底物的硫酸盐还原菌（SRB）可能会得到促进，从而导致H2S产量增加。高浓度的H2S会造成生物气发动机、管道和储存系统的腐蚀，从而缩短设备寿命并增加维护成本。另一方面，某些金属如铁（Fe）可以通过生成不溶性的金属硫化物（例如FeS）来降低H2S水平，从而提高气体质量。因此，金属的存在和类型对控制甲烷生产和硫化氢水平具有双重影响，直接影响生物气系统的效率和寿命[222,236]。

6.6 解释和长期环境影响
长期后果包括消化物和污泥中重金属的积累[216]，这可能会影响其作为肥料的质量，并带来环境风险[231]。由于金属不可生物降解，它们会在厌氧消化过程的固体部分积累。这种积累会影响消化物作为肥料的质量；例如，汞（Hg）含量超过1.0毫克/千克干物质时，根据环境安全法规，这种副产品通常不适合用于农业用地[231]。金属的生物可利用性和毒性取决于其化学形态或物种形式，某些形式更容易被微生物吸收。其他因素如温度、金属含量和pH值也会影响微生物对重金属的吸收[230,237]。在厌氧环境中，硫化物会导致金属以金属硫化物的形式沉淀，使其生物可利用性降低，从而降低对微生物的毒性。然而，pH值和温度的变化可能会导致这些金属的重新释放，对环境造成毒性冲击[230,237]。

7. 挑战和研究空白
7.1 技术和运营挑战
将植物修复技术用于纺织废水处理，并随后利用植物生物质生产生物气是一种有前景的循环经济方法，但它存在一些技术和运营挑战。尽管水生植物在固定重金属方面很有效，但其生物质中的高金属浓度会抑制厌氧消化，降低生物气产量。金属会干扰产生物气的微生物的代谢过程[238]。这种抑制的严重程度取决于金属的类型、浓度和可溶性形式。高浓度的金属还会对微生物呼吸和植物健康产生负面影响[239]，如果这些金属进入食物链，还可能对人类健康造成严重问题[240]。纺织废水会改变水生植物的生化组成，影响其适合厌氧消化的能力。纤维素、半纤维素和木质素含量的变化会影响生物气产量[241,242]。虽然木质纤维素废物通常是一个处理问题，但其多样的结构会影响其可生物降解性[243]。由于废水成分和金属浓度的潜在变化，维持稳定的厌氧消化具有挑战性。必须保持理想的条件，包括pH值、温度和营养平衡[244]。另一个挑战是处理消化物，其中可能含有残留金属，需要谨慎处置以防止环境污染。尽管厌氧消化对可持续生物经济至关重要，但仍需监测消化物，以防止抗生素抗性基因等污染物释放到环境中[245]。研究表明，通过受污染的消化物传播抗生素抗性基因（ARGs）可能是一个主要问题。目前的模型无法充分预测基于水生植物生物质中重金属含量和生化变化后的生物气产量。尽管有一些技术可以从消化物中回收金属，但这些技术往往非常昂贵且具有特异性。在大多数情况下，含有金属的消化污泥需要在指定地点进行处置[7.2]。

7.2 当前植物修复方法的局限性
纺织废水是一种复杂的污染物混合物，会阻碍植物生长，从而降低植物修复的效果[246]。虽然使用了根过滤和植物提取等基于植物的方法，但在水生介质中的过程受到废水物理化学性质（pH值、盐度和COD）、金属生物可利用性以及特定植物解毒复杂染料能力的限制。植物修复是一个缓慢的过程，特别是对于严重污染的场地，可能需要数年时间。其有效性仅限于根区，难以去除深层地下的污染物[247]。此外，可种植的植物数量限制了可以有效处理的土地面积。植物收集金属的能力各不相同。虽然存在超积累植物，但许多物种可能无法有效收集金属，或者在高浓度下会变得有毒。尽管存在这些缺点，植物修复仍被认为是一种环保的去除工业、住宅和农业排放物中污染物的方法。植物修复后的有害生物质应重新利用为循环经济副产品，如生物炭或生物气，而不是作为污染源[248]。植物修复的效果高度依赖于气候、土壤pH值和污染物类型等环境变量[249]。并非所有植物都能积累或分解所有类型的污染物，过高的污染物浓度可能对植物本身有毒[250]。此外，如果动物食用受污染的植物，还存在污染物进入食物链的风险[251]。由于积累的污染物转移到了生物质中，污染问题并没有完全解决，而是被转移到了其他地方，因此需要适当的处置[252]。

7.3 了解金属固定与生物气生产之间相互作用的研究空白
关于水生植物产生物气的研究存在一些空白。虽然低浓度的金属可以刺激生物气生产，而高浓度的金属则会抑制它，但不同金属和微生物群落的确切阈值尚未完全了解。还需要更多研究来探讨持续金属暴露对微生物群落稳定性和恢复力的长期影响。此外，大多数研究关注的是总金属浓度，但需要更多研究来了解不同金属种类如何影响微生物活性和生物气生产。复杂微生物群落的动态也是未来研究的关键领域，因为金属可以选择性地抑制或刺激某些群体，如产酸菌和产甲烷菌。最后，还需要进一步研究以优化来自金属固定植物的生物质的预处理方法，以控制金属释放。评估这些发现从实验室研究扩展到大规模生物气生产系统的经济和实际可行性也非常重要[7.4]。

7.4 危机管理策略
该策略包括紧急措施，如稀释有害原料、调节pH值、暂时降低有机负荷速率以及添加缓冲剂/吸附剂。此外，还建议将有害原料与新鲜有机材料共消化，并使用耐金属的微生物。

8. 结论
研究植物修复在处理纺织废水及其对生物气生产的影响表明，这是一种有前景的可持续方法，可以同时解决重金属污染问题并利用可再生能源。由于有毒重金属（包括铅、镉、铬和砷）对人类健康和环境构成严重风险，必须从纺织废水中去除这些金属。使用水生植物（如水葫芦（Pistia stratiotes）、凤眼莲（Eichhornia crassipes）和浮萍（Lemna minor）进行植物修复，是一种可行且经济有效的方法，可以从受污染的水源中提取这些污染物。本综述展示了水生植物如何通过多种过程（如植物提取、根过滤和植物稳定化）有效吸收和积累重金属。除了在净化水体中的作用外，这些植物还能产生大量生物质，可作为厌氧消化（AD）的原料，从而生成生物气。通过结合生物气的生成和植物修复，促进了结合能源回收和废物处理的循环经济系统，减少了环境退化和对化石燃料的依赖。尽管使用水生植物进行植物修复具有优势，但其组织固定金属的能力可能会阻碍生物气的形成。植物生物质中的重金属会妨碍厌氧消化过程中产生甲烷所需的微生物活动。然而，通过预处理生物质、将其与其他有机材料共消化以及使用耐金属的微生物群落等策略可以帮助缓解这些不利影响。本综述列举了多个实际案例，表明生物气生成和植物修复是可行的。值得注意的是，凤眼莲和浮萍表现出有希望的生物气产量，这归因于它们较高的有机物含量和快速的生长速度。它们在去除废水中的重金属和生成生物气方面的有效性突显了它们在可持续废水处理和可再生能源生产中的潜力。金属积累对生物气产量的影响是一个关键考虑因素。虽然植物对金属的吸收有助于环境修复，但它可能会影响随后的厌氧消化过程。植物生物质中升高的金属浓度可能导致微生物抑制，从而降低生物气产量。总之，本综述展示了水生植物如何为处理纺织废水和生成清洁能源提供双重策略。利用由此产生的植物生物质生产生物气符合可持续能源的目标，补充了通过植物修复成功去除环境污染物的效果。然而，进一步的研究和创新对于解决当前的运营和技术障碍至关重要。未来的工作应优先开发先进的生物质预处理方法，评估长期的环境后果，并优化植物中金属积累与厌氧消化效率之间的相互作用。通过这些途径，纺织行业可以采用更环保的废水处理技术，帮助世界向可再生能源过渡。

执行结论
使用水生植物的植物修复方法是一种有效且经济的方式，可以去除纺织废水中的重金属。一些有前景的植物包括Pistia stratiotes、Eichhornia crassipes和Lemna minor。通过将植物修复与厌氧消化相结合，我们可以实现废水管理和生物气生产。然而，植物生物质中的重金属可能会阻碍微生物代谢，从而降低生物气产量。