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《地球與環(huán)境雜志》2016年第一期

摘要:

對水生植物睡蓮(Nymphaeaspontanea)、梭魚草(Pontederiacordata)在5、15和25mg/L銅(Cu)質(zhì)量濃度下的水體修復(fù)效果及生物富集作用進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)條件下，30d后睡蓮和梭魚草對Cu全量的去除率分別為89%和58%。2種植物都能夠用于修復(fù)Cu污染水體，且睡蓮的修復(fù)效果和根部的Cu富集能力顯著高于梭魚草。初始濃度、修復(fù)時間及其交互作用對水體中Cu的去除具有極顯著差異。植物鮮重增長率、修復(fù)效果、生物富集系數(shù)均隨修復(fù)時間的延長和初始濃度的減小而增加。Cu溶解態(tài)及其全量具有較為一致的修復(fù)規(guī)律，去除率與修復(fù)時間呈高度相關(guān)的線性關(guān)系。今后應(yīng)進(jìn)一步探討植物種植密度、修復(fù)時間和初始濃度對凈化效果的綜合影響。

關(guān)鍵詞:

植物修復(fù);睡蓮;梭魚草;銅污染;水體凈化

隨著采礦、冶煉、化工、電鍍、制革等行業(yè)的發(fā)展，以及固體廢棄物的不合理填埋、堆放和大量化肥農(nóng)藥的施用，使得各種重金屬污染物進(jìn)入水體［1－2］。加之重金屬本身所具有的穩(wěn)定性和生物蓄積性，導(dǎo)致這些污染物給環(huán)境和人體健康造成了嚴(yán)重危害［3－4］。銅作為環(huán)境介質(zhì)中常見的一種重金屬，在天然水體中有多種存在形式，其中，自由Cu2+被普遍認(rèn)為是銅對水生生物致毒的主要離子形式。據(jù)報道未污染的河流中平均銅濃度為0.25～2μg/L，污染水體的銅濃度通常在10μg/L以上［5］。植物修復(fù)作為污染環(huán)境治理最具前景的重要手段之一，在土壤和水體重金屬污染修復(fù)中已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注，具有投資小、效率高，環(huán)境生態(tài)效益好等優(yōu)點(diǎn)［6－10］。其中水生維管束植物不僅能保持水體生態(tài)系統(tǒng)的良性運(yùn)行，而且也是重金屬污染水體修復(fù)優(yōu)先選擇的植物種群之一［11－12］。例如，鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes(Mart．)Solms)由于適應(yīng)性廣、生長繁殖快等特點(diǎn)，是Cu、Cd、Cr、Hg、Ni、Pb、Zn等多種重金屬的優(yōu)勢蓄積植物［13－15］。在印度利用水生植物假馬齒莧、鳳眼蓮、蜈蚣草、水蕹菜等對廢水中重金屬Cr、Cu、Ni和Pb的富集能力和修復(fù)潛力進(jìn)行評價，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鳳眼蓮適用于Cu和Ni的修復(fù)，而細(xì)小蘋、蜈蚣草則適用于Cr和Pb的修復(fù)［16］。在短期(5d)內(nèi)鳳眼蓮對含銅廢水具有良好的凈化效果［17］。香根草在處理含Cu廢水時，其生物量隨水體Cu濃度的增長而降低［18］。另據(jù)報道，在我國鄱陽湖水生植物種植資源調(diào)查中，狗牙根、紫云英對Cu的富集能力也相對較強(qiáng)些［19］。目前，植物修復(fù)重金屬污染水體尚處于對超富集植物的篩選和研究階段，用于工程應(yīng)用的并不多見。考慮到植物生長的環(huán)境和適應(yīng)性，植物修復(fù)規(guī)律和效率存在較大的地域差異，對具有良好適應(yīng)性的植物應(yīng)值得深入研究，挖掘其修復(fù)潛力。鑒于睡蓮(Nymphaeaspontanea)、梭魚草(Pontederiacorda-ta)作為城市河流、池塘、湖泊等水體常見的景觀植物，在城市綠化、景觀建設(shè)中備受注目，而且一些研究證明它們對水體具有一定的凈化功能［20－21］。但這2種植物用于修復(fù)重金屬污染水體的研究結(jié)果報道甚少。因此，本次研究嘗試?yán)迷谘芯繀^(qū)生長良好的睡蓮、梭魚草，來修復(fù)不同濃度的銅(Cu)污染水體，并用于評價這2種植物的修復(fù)潛力和應(yīng)用價值。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料根據(jù)文獻(xiàn)［22－23］的研究結(jié)果，用水葫蘆等水生植物處理20mg/L的含Cu廢水時，染毒72h后植株整體上仍保持生長狀態(tài)，根部完整，植物的水分運(yùn)輸系統(tǒng)基本沒有遭到破壞;而在含Cu濃度為從5mg/L升至40mg/L的條件下，李氏禾的生物量不斷減小。因此，在保證水生植物不被損傷致死的情況下，借鑒該結(jié)果設(shè)定本次試驗(yàn)中水體Cu質(zhì)量濃度為三個梯度，分別是5mg/L、15mg/L和25mg/L。植物修復(fù)水樣用Hoagl營養(yǎng)液進(jìn)行配置，Cu元素由CuSO4•5H2O補(bǔ)給。試驗(yàn)容器為20cm(底部直徑)×30cm(頂部直徑)×25cm(高)的塑料桶，設(shè)置試驗(yàn)水量8L。水生植物睡蓮、梭魚草均購置于鄭州市陳砦花卉市場水生植物培育基地，幼苗平均高10～15cm。植物幼苗經(jīng)去土洗凈根后置于試驗(yàn)容器中，進(jìn)行適應(yīng)性生長，時間為7d。置于室外光照充足處自然生長。

1.2試驗(yàn)設(shè)計兩種植物按照初始Cu濃度不同分別設(shè)置3組，即睡蓮組設(shè)N-5、N-15和N-25三組，梭魚草組設(shè)P-5、P-15和P-25三組，共計6組，并設(shè)空白對照(不種植植物)一組。每組設(shè)2個重復(fù)。在選擇植株個體時考慮到自然生長原因，盡量保證大小均勻的同時，難免出現(xiàn)睡蓮、梭魚草種類以及個體之間存在鮮重方面的差異。因此，在試驗(yàn)設(shè)計時，每組重復(fù)之間做到鮮重近似相等，組間隨初始濃度增加植物鮮重也有所增加。對于相同初始濃度，梭魚草鮮重總體上接近或略小于睡蓮。試驗(yàn)過程中始終保持桶內(nèi)水位至8L，添加蒸餾水補(bǔ)充蒸發(fā)、蒸騰和采樣所耗水分。試驗(yàn)于2012年四月中下旬到五月中旬進(jìn)行，持續(xù)時間30d，每8d采集一次水樣進(jìn)行分析(采樣前一天必須補(bǔ)足水量)。

1.3水樣與植物分析依照《水和廢水監(jiān)測分析方法》［24］對水樣中的Cu采用火焰原子吸收法測定，計算去除率，評價2種植物對Cu污染水體的修復(fù)效果。水樣采集后經(jīng)硝酸酸化至pH1～2，然后用硝酸、高氯酸消解;測定Cu溶解態(tài)含量時，須先把樣品通過0.45μm濾膜過濾，然后酸化消解。植物根部前處理先于50℃烘干48h，研碎，再于105℃恒溫2h，冷卻后消解待測。試驗(yàn)過程中，觀察植物的生長狀況，并測定鮮重。測量時將植物從水中取出，置于陰涼通風(fēng)處，直至沒有水從植物滴落時快速稱重。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析利用Excel2007和SPSS13.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和圖表繪制。污水Cu去除率、植物富集系數(shù)及富集量根據(jù)以下公式計算。

2結(jié)果與討論

2.1植物生長狀況分析整個試驗(yàn)期間平均室外溫度在14～25℃，溫度隨時間逐漸升高，適合植物生長。在試驗(yàn)期間植物經(jīng)歷了發(fā)芽，長出新葉，發(fā)出新根須幾個階段，整體長勢良好。起初幾天，2種植物原先長出的葉子部分發(fā)蔫，植物體周圍出現(xiàn)白色泡沫，一周后情況好轉(zhuǎn)，第12d睡蓮和梭魚草都長出了新芽，其中睡蓮的新芽較多。第15d之后水質(zhì)開始出現(xiàn)明顯的澄清。在Cu處理濃度為15mg/L和25mg/L時，20d后睡蓮的葉子和莖出現(xiàn)腐爛發(fā)黑的現(xiàn)象，并且從植物體上脫落下來，新長出的根須也出現(xiàn)了黑頭現(xiàn)象。而梭魚草整體長勢要好于睡蓮，但其新生根須和幼芽的數(shù)量都不如對應(yīng)濃度下的睡蓮多。兩種植物在30d內(nèi)重量均有所增加，所有植物的增長率均隨著Cu污染水平的增加而減小(圖1)。梭魚草增長率高于睡蓮，尤其隨著初始濃度的增加，2種植物之間的增長率差異變大。方差分析結(jié)果顯示初始濃度、植物種類對植物鮮重增長率均具有極顯著差異(P＜0.01)。因此，試驗(yàn)過程中植物生長的快慢，與植物種類和水體Cu初始污染濃度都有關(guān)系。雖然選擇的睡蓮和梭魚草都屬于多年生水生植物，但睡蓮為浮葉植物，梭魚草為挺水植物，從適應(yīng)能力上看后者優(yōu)于前者，因此梭魚草生長整體較好，表現(xiàn)為在水體具有相同Cu初始濃度時，當(dāng)試驗(yàn)初始2種植物生物量較接近時，試驗(yàn)?zāi)┢谒篝~草生物量高于睡蓮;或者當(dāng)試驗(yàn)初始梭魚草鮮重小于睡蓮時，試驗(yàn)?zāi)┢谒篝~草生物量近似相當(dāng)甚至高于睡蓮。當(dāng)種植睡蓮時，Cu初始濃度5mg/L與15mg/L、25mg/L之間的植物增長率具有顯著差異(P＜0.05)，而15mg/L與25mg/L之間沒有顯著差異;說明睡蓮能在較長修復(fù)時間內(nèi)生長良好的Cu初始濃度處于較低水平(5mg/L)。與此相比，當(dāng)種植梭魚草時，Cu初始濃度25mg/L與5mg/L、15mg/L之間的植物增長率具有顯著差異，反而5mg/L與15mg/L之間沒有出現(xiàn)顯著差異;表明梭魚草能在較長修復(fù)時間內(nèi)生長良好的Cu初始濃度處于較高水平(15mg/L)。這也進(jìn)一步擴(kuò)大了睡蓮和梭魚草在相同初始濃度時植物鮮重增長率之間的差距。從整體狀況看，試驗(yàn)期間雖遭遇最低溫度11℃和最高溫度30℃，但并無大起大落現(xiàn)象，因此植物整體生長狀況受污染水體Cu初始濃度的影響程度要遠(yuǎn)大于外界環(huán)境的影響。一些研究也表明Cu濃度的增加會明顯抑制鳳眼蓮、浮萍等水生植物的增長或使其生物量產(chǎn)生顯著差異［17－18，22－23，25］。

2.2水體中Cu濃度的變化

2.2.1水體中Cu溶解態(tài)濃度的變化分別種植睡蓮和梭魚草，水體中Cu溶解態(tài)的含量隨著修復(fù)時間的延長和初始濃度的增大均呈減小趨勢，而且睡蓮對Cu溶解態(tài)的去除效果優(yōu)于梭魚草，這種修復(fù)差異隨著時間的延長也在擴(kuò)大。如初始Cu溶解態(tài)濃度介于1.7～1.8mg/L時，16d后睡蓮和梭魚草對其平均去除率分別為49%和45%，而30d后這2種植物的平均去除率則分別為91%和63%(表1)。通過方差分析，表明在3種初始濃度水平下，水生植物和修復(fù)時間及其二者的交互作用對Cu溶解態(tài)的去除率起到極顯著作用;同樣地，分別種植2種植物，修復(fù)時間和初始濃度及其二者的交互作用對Cu溶解態(tài)的去除率亦起到極顯著作用;說明Cu溶解態(tài)的去除率受到水生植物種類、修復(fù)時間和初始濃度的極顯著影響。進(jìn)一步對修復(fù)時間、初始濃度各處理之間分別進(jìn)行多重比較，發(fā)現(xiàn)除N-15這一組外，其余組Cu溶解態(tài)的去除率在不同修復(fù)時間之間均表現(xiàn)出極顯著差異，說明2種植物在30d之內(nèi)均能夠把Cu溶解態(tài)持續(xù)快速地從水中移除。利用睡蓮修復(fù)時，8d后3種初始濃度對Cu溶解態(tài)的去除率沒有造成顯著影響，而持續(xù)修復(fù)16d和24d后，Cu初始濃度5mg/L與15mg/L、25mg/L之間具有顯著差異，直至修復(fù)30d后，3種Cu初始濃度兩兩之間才具有顯著差異。當(dāng)利用梭魚草修復(fù)時，8d后Cu初始濃度5mg/L與15mg/L、25mg/L之間已呈現(xiàn)出極顯著差異，此后Cu初始濃度兩兩之間均具有顯著差異，有的甚至是極顯著差異。可見，當(dāng)Cu初始濃度增加時，梭魚草修復(fù)比睡蓮修復(fù)導(dǎo)致水體中Cu溶解態(tài)的去除變化更大。

2.2.2水體中Cu全量的變化在初始濃度為5mg/L時，睡蓮、梭魚草的修復(fù)效果最好，而且睡蓮的修復(fù)效果明顯優(yōu)于梭魚草(表2)。不論種植何種植物，修復(fù)時間、初始濃度以及二者的交互作用對Cu全量的去除均具有極顯著影響。在初始濃度為5mg/L和15mg/L時，植物種類、修復(fù)時間及其交互作用亦具有極顯著影響，進(jìn)一步的多重比較證明:該對應(yīng)濃度下不同修復(fù)時間之間Cu全量的去除率均具有極顯著差異。但當(dāng)初始濃度達(dá)到25mg/L時，植物種類、修復(fù)時間對Cu全量的去除不具有顯著影響。這一結(jié)果表明在相同濃度梯度下，2種植物的修復(fù)效果在中低濃度水平下差異較大，而在高濃度水平下差異較小，通過多重比較判斷，在相同植物、相同修復(fù)時間下，初始濃度5mg/L與15mg/L和25mg/L時的去除率之間全部是顯著差異，試驗(yàn)結(jié)果中除一組外全部呈極顯著差異;但與此相反的是，15mg/L與25mg/L之間的去除率除一組具有顯著差異外，其余組均不具有統(tǒng)計學(xué)意義上的明顯差異。值得一提的是，當(dāng)Cu初始濃度由15mg/L增加至25mg/L時，試驗(yàn)設(shè)計中雖考慮各組的植物鮮重根據(jù)污水中Cu濃度的遞增亦有所增加，而且其增幅比例近似相當(dāng)，但修復(fù)結(jié)果出現(xiàn)的一些變化卻值得探討，即在最初的修復(fù)期內(nèi)(8～16d)，2種植物的去除率(溶解態(tài)、全量)都是RE25＞RE15，在后期的修復(fù)過程中(16～30d)，卻是RE15＞RE25。出現(xiàn)這種變化的原因可能是:由于植物吸收的Cu主要集中在根部［16，26－27］，因此在高濃度情況下，后期植物根部重金屬濃度接近其最高耐受量時，其吸收速度變慢，導(dǎo)致去除速率反而比中等濃度情況下的低。2.3Cu去除率與時間的擬合關(guān)系重金屬在水中的存在形態(tài)可分為溶解態(tài)和顆粒態(tài)兩大類，通過分析水體中Cu溶解態(tài)和Cu全量的去除率隨時間的擬合關(guān)系，發(fā)現(xiàn)均符合線性關(guān)系(y=ax+b)(表3)。一些研究表明，在植物修復(fù)過程中，會出現(xiàn)一段時間內(nèi)水體中濃度增加和去除率下降的現(xiàn)象，如水葫蘆在修復(fù)13～14d時，對Cd、As具有最高的去除率，此后，植物體內(nèi)的蓄積量并不是隨時間的延長持續(xù)增加;而綠萍對鉛的蓄積表現(xiàn)為從第8d開始有所降低，并且水體中鉛濃度出現(xiàn)反彈和增加［9，15，28－30］。但在本次試驗(yàn)期間，2種植物并沒有出現(xiàn)去除率下降和水體Cu濃度反彈增加的現(xiàn)象，說明2種植物在30d內(nèi)均能夠持續(xù)、穩(wěn)定地帶走水體中的Cu元素。隨著初始濃度的增加，如果合理布置植物種植密度，其去除率會有顯著提高［31］。今后應(yīng)進(jìn)一步探討初始濃度、植物密度、修復(fù)時間和修復(fù)效果之間的關(guān)系，以及確定植物合理收割的時間，避免植物衰亡后污染元素又重新釋放進(jìn)入水體，引起二次污染［32－33］。通過系統(tǒng)研究使得試驗(yàn)結(jié)果更加完善，能夠逐步將植物修復(fù)推廣付諸實(shí)踐。

2.4植物根部對Cu的富集睡蓮、梭魚草根部Cu的富集量平均值分別為794.95mg/kg和670.55mg/kg。睡蓮根部的富集量，隨著初始濃度的增加而增加，梭魚草則表現(xiàn)為先減小后增加的趨勢;2種植物根部對Cu的富集量隨初始濃度的增加，其差距加大。統(tǒng)計分析顯示，不論水生植物，初始濃度的變化都會對植物根部Cu的富集量帶來顯著差異。當(dāng)初始濃度為5mg/L時，2種植物根部對Cu的富集量差異不明顯，但當(dāng)升至15mg/L和25mg/L時，2種植物間的富集量分別呈現(xiàn)出顯著和極顯著差異。隨著Cu初始濃度的增加，2種植物的富集系數(shù)呈現(xiàn)一致的下降規(guī)律(圖2)。在相同初始濃度下，睡蓮的富集系數(shù)大于梭魚草，且睡蓮、梭魚草根部對Cu的富集系數(shù)范圍分別介于35～150和28～143之間。由于富集系數(shù)遠(yuǎn)大于1，因此2種植物都能夠很好地凈化Cu污染水體。當(dāng)初始濃度保持不變時，2種植物對富集系數(shù)的影響與其對富集量的影響一致。但是在種植任一水生植物的情況下，初始濃度的變化都會對植物富集系數(shù)帶來極顯著影響。尤其小濃度(5mg/L)下植物的富集系數(shù)是中、高濃度(15mg/L、25mg/L)下的3～5倍。一些研究表明植物組織中Cu的濃度范圍介于5～20mg/kg，而超過此限值時Cu極有可能產(chǎn)生毒理效應(yīng)［34－35］。另外許多擁有發(fā)達(dá)根系的植物對Cu的吸收機(jī)理是將其集中阻隔于根部，使得這些植物既能從環(huán)境介質(zhì)中去除Cu，又能免于植物中毒致害［34，36］。本次研究雖然睡蓮的鮮重增長較小，但由于植物生出較多的根須，因而在對Cu的富集方面顯示出優(yōu)于梭魚草的能力，恰好驗(yàn)證了上述結(jié)論。

3結(jié)論

1)植物種類、水體中Cu初始濃度對植物生物量的影響顯著。梭魚草生長整體好于睡蓮，且試驗(yàn)?zāi)┢谄漉r重增長率均高于睡蓮;2種植物能在較長修復(fù)時間內(nèi)生長良好的Cu初始濃度分別是睡蓮為5mg/L，梭魚草為15mg/L。2)初始濃度對植物根部Cu的富集量和富集系數(shù)的影響分別呈現(xiàn)出顯著和極顯著差異。隨著水體中Cu初始濃度的增加，睡蓮根部Cu的富集量一直增加，而梭魚草則是先減小后增加;但2種植物的富集系數(shù)均一致下降。在初始濃度由15mg/L增至25mg/L時，不同植物種類對富集量和富集系數(shù)的影響由顯著差異變?yōu)闃O顯著差異。與梭魚草相比，睡蓮根部對Cu具有更強(qiáng)的富集能力。3)2種植物對Cu溶解態(tài)、全量的修復(fù)過程相似，都能夠較好地應(yīng)用于Cu污染水體的修復(fù)。總體上，修復(fù)30d后，睡蓮對Cu溶解態(tài)的平均去除率最高為92%，梭魚草為64%;而對應(yīng)的Cu全量的去除率則分別為89%和58%。可見，睡蓮的去除率高于梭魚草。

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作者：高軍俠 陶賀 黨宏斌 姜靈彥 陳寧 劉蕾 單位：鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 資源與環(huán)境研究所