非热等离子体处理染料污染废水：一种可持续的污染物降解与促进植物生长的方法

《Plasma》：Non-Thermal Plasma Treatment of Dye-Contaminated Wastewater: A Sustainable Approach for Pollutant Degradation and Enhanced Plant Growth

　　

本研究探讨了利用非热等离子体（NTP）实现废水中染料降解与固氮的双赢局面。具体而言，研究人员探索了利用等离子体处理后的染料污染废水进行种子萌发和植物生长的可行性。以结晶紫（CV）和罗丹明B（RhB）染料作为模型污染物，以高粱（Sorghum bicolor）种子评估萌发率和植物生长响应。在含有CV和RhB的未处理废水中，约45%的种子在三天后萌发，但11天后未观察到显著的茎或根生长。等离子体处理显著增强了染料降解，效率随处理时间和输入功率的增加而提高。在1.3±0.2 W输入功率下进行16分钟等离子体处理后，CV（0.0122 mM）和RhB（0.0104 mM）均达到约99%的降解效率。该降解主要由等离子体放电产生的活性氧和氮物种（RONS）驱动。当使用等离子体处理后的废水萌发高粱种子时，三天后萌发率提高到65%，比未处理废水高20%。此外，11天后，平均茎长达到9 cm，平均根长延伸至7 cm。这些发现凸显了NTP作为一种有前景且可持续的方法，用于降解纺织工业污染物，同时通过处理后的废水再利用提高作物生产力。

**论文解读：非热等离子体处理染料污染废水对污染物降解与植物生长的可持续影响**

**1. 研究背景与问题**

工业化和城市化迅速发展导致水污染日益严重，纺织、造纸、皮革等行业排放的染料废水是重要污染源。染料分子结构复杂、毒性高，不仅破坏水生生态系统，还通过进入农业用地抑制种子萌发和植物生长。染料污染物通过化学毒性、光吸收干扰和营养失衡等机制，阻碍种子萌发（如延迟发芽、降低萌发率）并抑制幼苗发育（如根茎缩短、生物量减少），甚至导致作物减产。现有处理方法（如生物处理、吸附、膜过滤、高级氧化过程等）对混合染料降解效率有限，且难以同时实现污染治理与资源化利用。非热等离子体（NTP）作为一种高级氧化过程（AOP），能产生高能电子、离子及活性物种，高效降解有机污染物，同时具有低能耗、环境友好等优势。因此，研究人员开展本研究，旨在探索NTP技术同时实现染料降解与废水农业再利用的可行性，为纺织工业废水处理与可持续农业提供新途径。论文发表在《Plasma》期刊。

**2. 主要关键技术与方法**

研究人员采用了以下核心技术方法：使用双介质阻挡放电（DBD）反应器，包括圆柱形双DBD鼓泡反应器用于水处理，以及同轴玻璃管DBD反应器用于种子处理；通过紫外-可见分光光度法（UV-vis）监测染料降解效率并计算动力学常数；采用总有机碳（TOC）分析评估矿化程度，并结合液相色谱-质谱联用（LC-MS）鉴定降解副产物；利用高分辨率扫描电子显微镜（HR-SEM）观察种子表面形貌，并通过水接触角（WCA）测量表征表面润湿性；通过多参数测试仪测量pH、电导率、总溶解固体（TDS）等理化性质，并使用UV分光光度法量化活性物种（NO₂^?、NO₃^?、H₂O₂）。所有实验均使用商品化试剂和购买的Sorghum bicolor种子。

**3. 研究结果**

**3.1 Crystal Violet (CV) and/or Rhodamine B (RhB) Degradation**
通过UV-vis吸收光谱分析，研究人员发现等离子体处理可有效降解CV（吸收峰590 nm）和RhB（吸收峰550 nm），16分钟内降解效率均达约99%，且混合物（CV+RhB）中的两种染料同步降解。降解遵循准一级动力学，CV和RhB单独降解速率常数分别为0.0166 s^?1和0.0212 s^?1，混合物中整体速率常数降至0.0128 s^?1，表明竞争作用导致速率减慢。降解由等离子体放电产生的活性氧和氮物种（RONS）驱动，包括•OH、O₃、NO等，通过氧化破坏共轭发色团实现脱色。

**3.2 Dye Mineralization and By-Product Identification**
TOC分析显示，30分钟等离子体处理后，CV、RhB及混合溶液分别去除52%、50%和53%的有机碳，表明部分矿化。尽管完全脱色，但残留有机碳对应中间产物。LC-MS鉴定CV降解副产物包括Pararosaniline（m/z 293）、Salicylideneaniline（m/z 198）等，证明氧化裂解但未完全矿化。

**3.3 Effect of Dye-Contaminated Water on Seed Germination**
通过对比不同灌溉介质（自来水、蒸馏水、CV溶液、RhB溶液、混合溶液），研究人员发现未处理染料水对种子萌发影响不大（约45-50%），但等离子体处理种子（PTS）萌发率显著提高至57-65%，且不受水质影响。HR-SEM显示PTS表面出现微裂纹和粗糙化，WCA从120.1°降至91.5°，表明亲水性增强，促进水分吸收和代谢激活。

**3.4 Effects of Dye-Contaminated Water on Post-Germination Plant Growth**
11天后，控制种子在染料水中茎长仅约2.2 cm，根长不足0.2 cm，而PTS茎长增至3.0-4.0 cm，根长0.5 cm。CV毒性更强，抑制根生长更显著。等离子体处理部分缓解了染料植物毒性，但仍需进一步优化。

**3.5 Seed Germination Using Plasma-Treated Water Contaminated with CV and RhB**
使用16分钟和30分钟等离子体处理后的废水灌溉，种子萌发率随处理时间延长而提高。30分钟处理下，控制种子萌发率达60-64%，PTS达61-66.6%。等离子体处理通过解毒、降解大分子和富集NO₃^?、NO₂^?等营养物种促进萌发。理化分析显示pH下降，电导率、TDS升高，主要由RONS生成引起。

**3.6 Effect of Plasma-Treated Water Contaminated with CV and RhB on Post-Germination Plant Growth**
11天后，使用30分钟等离子体处理废水灌溉的PTS，茎长达到11.2-16.7 cm，根长9.2-12.5 cm，显著优于未处理染料水。处理时间越长，促进效果越明显。RONS（如NO₃^?、H₂O₂）作为信号分子和营养源，激活抗氧化防御、促进细胞伸长，同时染料碎片降低毒性，共同改善生长。

**3.7 Effect of pH on Seed Germination and Plant Growth**
通过HCl调节pH（2-5.5），发现酸性条件对萌发率影响不大（5天后约73-84%），但严重抑制茎和根生长（根长<0.5 cm，茎长1.4-4.5 cm）。然而，经等离子体处理后的酸性水（pH 2.6-5.5）因含有RONS，反而促进植物生长（根长约7.4 cm，茎长约10 cm），与HCl酸化效果截然不同，表明等离子体生成的活性物种能缓解酸性胁迫。

**4. 讨论与结论**

讨论部分指出，等离子体处理染料废水实现了双重作用：一方面降解染料为低毒中间体，减轻化学胁迫；另一方面富集RONS，提供氮源和信号分子，增强植物抗逆性。尽管pH降低，但RONS的协同效应抵消了酸性不利影响。结论部分：本研究调查了冷等离子体放电对CV、RhB及其混合染料的降解效果，以及对高粱种子萌发和植物生长的影响。染料降解效率随处理时间增加，16分钟内CV和RhB均达到约99%降解。降解主要由活性氧物种（ROS）启动和控制。等离子体处理后的染料污染废水用于高粱种子萌发，提高了萌发率和植物生长。播种三天后，萌发率约65%，比蒸馏水组高20%。一方面，pH未影响种子萌发，但显著控制植物生长；另一方面，尽管等离子体处理水pH在2.6-5.7之间，但未对种子萌发和植物生长产生负面影响。研究表明，开发的NTP反应器可用于处理工业废水，处理后的水在农业应用中具有潜在价值。