吊兰和蝴蝶梅对污泥中重金属的去除效果

冉建平

(忠县环境保护局，重庆忠县404300)

1 前言

现在污泥的处置主要包括农用、填埋、焚烧、排海等方法.而污泥农用是最古老、最经济、最主要的处置方法，污泥中的有机腐殖质是良好的土壤改良剂.但是它施用于土壤的最大障碍就是其中的重金属含量问题.目前，去除城市污泥重金属的主要方法有物理修复法、化学修复法、生物修复法[1]、植物修复法.

物理修复法是发展使较早，主要有电动修复方法、玻璃化技术等.其优点是对于污染严重而且污染土壤面积小，其效果较好.利用换土方法或热解析的冶本手段，适用范围广，并且最容易造成重复污染，对土壤结构破坏性，并且土地肥力也会下降，不能大面积使用.

化学修复法主要采取向土壤中掺入固化剂、化学物质的成份或天然矿物等手段，从而使土壤原有成份发生质变，经氧化还原、沉淀、吸附，从而达到降低重金属的生物属性.其方法简单，较容易操作.缺点是不能永久修复，它仅仅改变了土壤中所含重金属的形态或结构，但不能从根本上消除重金属原成份，并且在经历一段时期后，重金属可能再次复现.

生物修复法是采用微生物或植物的生长过程中新陈代谢，从而吸附土壤中的重金属，从而改变了金属在土壤中的原有存在结构或形态，重金属由此发生固定或解化，降低了重金属在土壤中的移种和生物再循环.这种方法对土壤重金属修复的成本低，并且易于操作实施，并且不会产生重复污染.但微生物的物种及生物利用度会随时间发生改变[2].

植物修复法用来消除有毒有害源，可以美化环境，最容易被人接受的环保修复方法.植物修复土壤中重金属，主要是利用某些植物先天基因成份，大面积种植用来吸收土壤中重金属的富集功能，而将土壤或环境空气中富含金属的成份吸入到植物体内，从而达到修复土壤的效果或剔除污染造成的生态破坏，达到修复原有生态平衡的目的.[3]许多科研结果表明，一些植物天生具有吸附金属的功能，有许多矿源都是根据地面植物种类来确定地下含某种金属成份，二者相互依附生成，并且植物自身并不会受到影响.[4]在所有植物与金属相互依赖品种中，一些花卉植物具有较明显的结果，并且可金属的影响.

图1 吊兰在泥土0∶3和3∶0中的生物量变化情况Fig.1 Chlorophytum 0∶3 and 3∶0 in the soil biomass changes in

2.3 吊兰、蝴蝶梅的叶绿素变化情况

如图3所示，吊兰在四种泥土配比中的叶绿素含量动态变化，从整体情况来看，吊兰均呈上升趋势，中间也有的时间段有升有降，泥土3∶0与空白组0∶3的规律相似，且3∶0中吊兰的叶绿素比0∶3中的大很多，说明3∶0的污泥中有能够促进吊兰生长的营养物质，也因为污泥量最大使之吸收的重金属的量也最大，但也最大限度地体现了吊兰对重金属的耐性.在这两种配比中，在第50天以后均有明显的上升趋势，充分说明了吊兰对重金属的耐性.泥以达到绿化环境一举两得的结果.由于花卉植物比较容易种植，种类繁多，易于推广，市场广阔，前景较好.并且许多能只吸收重金属的花卉不影响人体健康，反而对周围环境有所改变，对污染土壤重金属也较能很好吸附清除，对植物生态链也不会造成损害，甚至一些花卉还会对人体形成免疫能力，有的还成为制作食品的调料或原料.只要在花卉选育、栽培及病虫害防治上采取相应措施，对于筛选花卉修复植物是完全可行的.[5-6]

2 实验设计及研究内容

研究的实验设计以及研究内容等见表1所示:

表1 实验设计一览表Tab.1 List of experimental design

2.1 吊兰、蝴蝶梅生长情况变化规律

植物根系的吸收周围土壤面积、根系生长深浅等因素直接影响着对污染物质的吸收、除解及根生长圈微生物区系的繁殖生长.所以，根系表面积、根系分布方式及根分泌特性等根部性状作为选择花卉的主要参考指数.而植物的茎部主要用来物质运输和水分传递的功能，并且用来支撑整株植物成长的重要部位，对于防范风雨等自然因素影响起着重要作用，也是能否有利于植物成长关键组成部分.植物的叶作为挥发和排泄功能外，还有光合作用，较大面积的叶子有利于植物的蒸腾和水土保持作用和生物量的增加，所以叶面积指数和功能叶片寿命长短也是重要的指标.对于提取植物来说，生物量越大，越能提高修复效果，而生物量通常与株高成正比，所以株高也是重要的选择依据[7].

2.2 吊兰、蝴蝶梅的生物量变化情况

从图1可见，吊兰在全泥3∶0中的生物量变化与空白组全土相比，没有明显的差异，吊兰的根和茎叶的鲜重、株高以及根长都有不同程度的上升趋势，说明生长状况良好.

如图2所示，与泥土0∶3的相比，蝴蝶梅在泥土3∶0中的茎叶和根的鲜重变化规律与0∶3中的相似，而株高和根长在第20天、第35天和第50天出现了异常情况，说明蝴蝶梅的株高和根长受到了重土1∶2和2∶1中，吊兰的叶绿素含量变化规律基本一致，在每个阶段的变化都比3∶0和0∶3都提前了，到35天时叶绿素的变化从下降变为升高，是由于吊兰的生物量积累达到了一定程度，能对重金属产生耐性，到50天时，叶绿素又开始下降，这是由于吊兰吸收的重金属含量超过了其生物量的负荷量，所以对其生长和光合作用造成了胁迫效应.而蝴蝶梅在四种配比中的变化规律基本一致，与空白组0∶3对照来看，3∶0的与之最接近，1∶2和2∶1的变化较一致，在此图中，蝴蝶梅的叶绿素总体呈下降趋势，这是因为蝴蝶梅根系不发达，生物量积累量也不大，因此对重金属的吸收效果不高，耐性不强，容易受重金属胁迫影响.

实验表明，重金属在低浓度短期内对叶绿素合成有刺激作用，而超过一定浓度后才对叶绿素起破坏作用.重金属对光合作用的效应，不论是增大或者减少，都是重金属作用于光合作用中酶活性的结果.在重金属胁迫下，植物光合作用紊乱，植物正常生命活动的能量也会减少，还会让部分能量从正常代谢和生长过程转移到对重金属胁迫的适应过程上，如损伤的修复和合成一些重金属络合物等，相应地植物的生长发育就会被抑制.

图4 各种配比中吊兰和蝴蝶梅的根活力变化情况Fig.4 Spider plants and butterflies in various proportions plum root activity changes

2.4 吊兰、蝴蝶梅的根系活力变化情况

如图4所示，吊兰在各种配比中根活力变化规律很相似，其中泥土1∶2 和2∶1 接近，0∶3 和 3∶0 较接近，正如前文所述，吊兰在每种配比中都有很强的适应能力，其根活力都较大.但如果外界胁迫超过植物忍受范围的话，植物水份和营养通道的根系必将遭到破坏，吊兰的根活力最终都比最初都有所下降，说明重金属对吊兰的根系活力在一定程度上产生了影响.蝴蝶梅在各种配比中的根系活力变化情况差异较大，泥土0∶3呈缓慢的上升趋势，原因是全土中重金属含量很少，不会对其根系活力造成影响.而1∶2中只有两次的实验数据，虽然有上升趋势，但后面的变化情况不能随便下结论.在2∶1中，随着重金属浓度的升高，蝴蝶梅的根活力有所下降.在3∶0中，蝴蝶梅先急速下降后又有所回升，但仍然远远低于最初的根活力值.这是因为蝴蝶梅根部不发达，生物量较小，使其容易受重金属的影响.

3 吊兰和蝴蝶梅对污泥中重金属的去除情况

3.1 吊兰和蝴蝶梅对各种配比中重金属的去除率

去除率=种植前后的污泥中重金属含量之差/种植前的污泥中重金属含量(%)

种植吊兰和蝴蝶梅的各种配比的泥土中重金属含量和去除率变化如表1和表2所示:用EDTA提取，以获得种植花卉的污泥中根系对重金属的活化率.因为重金属被植物吸附之前必须先被根系活化，所以活化率的大小标志着重金属的活化程度，其值越大，表示活化程度大，表示越容易被吸收.

表2 吊兰对各种配比中重金属的去除率Tab.2 Chlorophytum removal of heavy metals in various proportions

活化率=种植后污泥中EDTA提取态重金属含量/种植前污泥中EDTA提取态重金属含量

表4 吊兰对各种配比中重金属的活化率Tab.4 Chlorophytum heavy metals in various proportions activation rate

表3 蝴蝶梅对各种配比中重金属的去除率Tab.3 Butterflies plum on removal of heavy metals in various proportions

如表2所示，吊兰对四种配比的泥土中重金属去除率大部分在30% ～50%之间，从横向比较来看，吊兰对Cu的去除效率在四种配比中差别不是很大，均相对较高;对Cr的去除效率不甚稳定，泥土3∶0中的Cr去除效果最好.从纵向看，泥土1∶2中的Cd和Pb，3∶0中的Cd均有较强的去除效果，都在70%以上，而对1∶2和2∶1中的Cr去除效率最低，不到10%，说明吊兰对Cr的吸附效果最差，对Cd的吸附效果最好.另外，泥土3∶0的Cd和Cr的去除效率最高，说明污泥含量最大时，内含的营养物质促进了吊兰的生物量积累，从而促进了吊兰对重金属的吸收.

由表3可看出，蝴蝶梅对Cd的去除效率均很高，说明其吸附效果好，整体看来，蝴蝶梅对Zn的去除效率相对较低，对泥土0∶3中的Pb去除效率最高，达到了90%以上，对Cd和Pb的平均去除效果最好，且蝴蝶梅对泥土3∶0中Cd的去除效率也是最高的.同时也可以看出，蝴蝶梅在泥土3∶0中对除Cd以外的其他金属去除效果都不是很好，对Cr甚至只有1%，说明蝴蝶梅并不像吊兰那样对很多重金属都有较强的耐性，也不像吊兰那样对这四种配比都有很强的适应性，一旦它吸附的重金属过多，超过了自身根和生物量的负荷程度，就会对自身造成一定程度的损害，这时就达不到理想的吸附和去除效果.

3.2 吊兰和蝴蝶梅根系对各种配比中重金属的活化情况

目前有很多试验是关于向被重金属污染的土壤中加入EDTA等诱导剂以使重金属能被更好地吸附，而此次试验中主要是植物取样后，将其根系旁的污泥

表5 蝴蝶梅对各种配比中重金属的活化率Tab.5 plum butterfly on a variety of heavy metals in the activation rate ratio

由表4可见吊兰根系对Cu、Pb、Cr的活化效果较好，对Cd的活化效果较差.

由表5可见蝴蝶梅的根系对Pb和Cr的活化效果较明显，对Cd的活化效果较差.

图5 污泥中吊兰、蝴蝶梅体内Cu含量分布Fig.5 Sludge spider，butterfly plum in vivo distribution of Cu content

4 吊兰和蝴蝶梅对污泥中重金属的富集情况

由此可见，各重金属在吊兰和蝴蝶梅中均表现为根系中含量远远大于茎叶中重金属含量.各种配比中重金属在根系中的变化速度和变化量均比茎叶中的大很多.植物对重金属的吸收与重金属浓度、植物的生物量积累情况和植物根系的发达情况有着直接的联系.

图9 污泥中吊兰、蝴蝶梅体内Cr含量分布Fig.9 Sludge spider，butterfly plum in vivo distribution of Cr content

5 结论与建议

5.1 结 论

(1)整个试验阶段，吊兰没有出现生死亡毒害等症状且长势良好，说明它们对五种重金属都具有一定的抗性.这还表现为吊兰根活力和叶绿素对重金属的适应性.蝴蝶梅在第35天左右出现了严重的生长异常，生物量不稳定，说明对重金属耐性较低.还表现为其根系活力和叶绿素的持续下降.

(2)不同花卉植物以及同一花卉植物的不同器官对重金属的吸收效果有明显的区别，吊兰和蝴蝶梅体内的重金属主要积累于根部，茎叶部分含量相对较低.

(3)吊兰对污泥中重金属的富集能力大小顺序为:Cr＞Cd＞Zn＞Pb＞Cu，说明其对Cr和Cd的富集效果最好，对Cu和Pb的富集效果最差.蝴蝶梅对污泥中重金属的富集能力大小顺序为:Zn＞Cd＞Cr＞Pb＞Cu，说明其对Zn和Cd的富集能力最强，对Cu和Pb的富集能力最差.

(4)吊兰是生物量大，根系发达，叶绿素高，生物量积累迅速的多年生草本植物，且对这几种重金属耐性都较好，有很大潜力成为某种或某几种重金属的超积累植物.蝴蝶梅由于根系不发达，生物量小，叶绿素和根活力易受重金属影响等原因而不适于植物修复重金属污染.

5.2 建 议

(1)试验中发现吊兰和蝴蝶梅的富集系数在某个特定的生长期是大于1的，满足了超积累植物的条件，如果试验条件满足，可对其作更深入更全面的研究.

(2)选择修复重金属污染的花卉植物尤其要注意对它们的根系进行选择，应选择根系发达的，根活力较大且须根较少的花卉植物.

(3)用其它危害较大的污染物对花卉植物进行毒理学试验，筛选以某种污染物为主的具有特异耐性与除污能力的物种.

[1] 何益波，李立清，曾清如.重金属污染土壤修复技术的进展.广州环境科学.2006，21(4):26-31.

[2] 周东美，邓昌芬.重金属污染土壤的电动修复技术研究进展.农业环境科学学报.2003，22(4):505-508.

[3] 蔡信德，仇荣亮.微生物在镍污染土城修复中的作用.云南地理环境研究.2005，17(3):912.

[4] Zhang D Y，Li Y Q，Sun Y K.Feasibility study on biological processing technology of metal material.Science in china(Series C).1997，27(5):410-414.

[5] 刘家女，周启星，孙 挺，王晓飞.花卉植物应用于土壤修复的可行性研究[J].应用生态学报，2007，1(7):17-23.

[6] 魏树和，周启星，王 新.一种新发现的镉超积累植物龙葵[J].科学通报，2005，50(1):33-38.

[7] 刘家女，周启星，孙 挺.Cd-Pb复合污染条件下3种花卉植物的生长反应及超积累特性研究[J].环境科学学报，2006，26(12):39-44.