用观赏植物水培法修复含Cr(Ⅵ)污水①

邵明国 瞿长波 付美春 高小茵

(玉溪师范学院 环境科学系,云南 玉溪 653100)

用观赏植物水培法修复含Cr(Ⅵ)污水①

邵明国 瞿长波 付美春 高小茵②

(玉溪师范学院 环境科学系,云南 玉溪 653100)

植物修复;铬污染;污水处理;旱伞草;尖尾芋;富贵竹

采用水培法,对旱伞草、尖尾芋和富贵竹三种观赏植物在不同浓度的含Cr(Ⅵ)污水中的生长情况及其对废水中Cr(Ⅵ)的去除效果进行实验研究.结果表明:为期两周,在Cr(Ⅵ)浓度为0.1～10 mg·L-1时,旱伞草对Cr(Ⅵ)表现出较好的适应能力和耐受性,其生物量增长率最高可达47.4%,且对Cr(Ⅵ)的修复去除效果最好,Cr(Ⅵ)的去除率均大于90%,达到了车间排放标准,说明旱伞草用于Cr(Ⅵ)污染水体的修复具有较好的效果和较大的潜力.

铬是重要的环境污染物,铬的化合物主要以六价铬(Cr O2-4,Cr2O2-7)和三价铬(Cr3+;Cr(OH)3)的形式存在于环境中[1],Cr(Ⅵ)的毒性比Cr(Ⅲ)大100倍,Cr(Ⅵ)化合物水溶性强,易通过食物链形成生物放大效应[2],对人体构成潜在威胁,甚至引发“三致”作用[1].因此,目前在整个世界范围内对含铬废物的排放都进行了限制.我国《工业“三废”排放试行标准》(GB21900-2008)规定Cr(Ⅵ)车间或车间处理设备排出口最高容许限度为0.5 mg·L-1;《生活饮用水卫生标准》(GB5749-85)中规定生活饮用水中的Cr(Ⅵ)含量不得超过0.05 mg·L-1.《中华人民共和国国家标准农田灌溉水质标准》(GB5084-92)规定农田灌溉用水的Cr(Ⅵ)含量不得超过0.1 mg·L-1[3].

目前,含铬废水的处理方法主要有三类:化学还原沉淀法、物理化学方法、生物修复技术[4].其中生物法中的植物修复技术是新近发展起来的生物修复技术的一个分支,是近年来治理水体及土壤重金属污染的重要方法,利用植物忍耐和超量积累某些污染物来对污染环境进行治理,具有成本低、效果好、应用广、纯自然等优点.但目前国内外见诸报道的对Cr(Ⅵ)具有耐受性和超积累的植物仅有三种,在津巴布韦发现的Dicoma niccoliferaWild和Suterafodina Wild[5]及我国的张学洪等发现的李氏禾(Leersia hexan draSwartz)[6].李氏禾属于禾本科湿生植物,适合于修复铬污染湿地.其余两种虽然铬富集能力很强,但由于生物量较小、生长缓慢,大面积栽培困难,若作为重金属植物修复材料,缺乏实际操作可行性,适于铬污染环境修复的植物至今未见报道.

由于Cr(Ⅵ)易溶于水,因此其容易随着水流而迁移到土壤及水体中,进而通过食物链对人类造成危害.针对六价铬的性质特点,如能实施源头控制,采用水培的植物修复方法,将Cr(Ⅵ)从污水中直接转移至水生植物中,避免其随着水进入土壤及其他环境中,则其对环境及人类的危害必将大大减少.因此筛选并找到适宜的对铬具有耐受性及超累积累性的水生植物,是利用植物修复铬污染环境的核心及关键所在.

在本研究中,笔者以旱伞草、尖尾芋和富贵竹三种观赏性水陆两生植物为研究对象,以筛选适宜的Cr(Ⅵ)修复植物为目的,在水培条件下研究了旱伞草、尖尾芋和富贵竹三种植物在Cr(Ⅵ)废水中的生长状况及其对Cr(Ⅵ)的去除效果,通过比较,筛选出生长良好且修复效果较好的物种,为Cr(Ⅵ)污染水体的修复提供依据.

1 实验方法

主要仪器和试剂722S可见光分光光度计,铬标准贮备液(100 mg·L-1),二苯碳酰二肼,丙酮,硝酸,(1+1)磷酸,(1+1)硫酸.

试验材料①旱伞草(Cyperus alternifolius)别名伞草、风车草等,属于莎草科莎草属;②尖尾芋(Alocasia cucullata)别名番芋、台湾姑婆芋等,属于天南星科海芋属;③富贵竹(Dracaena san deriana)属于龙舌兰科龙血树属[7].上述三种植物都属于水陆均可生长的观赏性植物.

实验方法从土壤中移出生长良好的旱伞草和尖尾芋若干株,洗净泥土;富贵竹直接从市场上购买.将上述植株在普通自来水中适应性培养1周后,称取各植株的初始生物量.随后将其分别放入浓度为0.10、0.30、0.50、1.00、5.00、8.00、10.00 mg·L-1,体积为1L的模拟Cr(Ⅵ)废水中培养,培养期间注意补充自来水,保持培养液的体积基本不变.培养时间两周.培养过程中每周称量一次各植株的生物量,最后用二苯碳酰二肼分光光度法[8]测定培养液中剩余的Cr(Ⅵ)的浓度,根据实验结果求出生物增长率、富集量进行综合比较分析,筛选出修复效果最好的物种.

2 实验结果及讨论

2.1 三种植物在不同浓度Cr(Ⅵ)溶液中的生物量增长情况

第一周和第二周结束时,分别称量三种植物在各浓度培养液中的各植株的生物量(湿重),根据生物量计算出各植株的增长率,结果见表1、表2、表3.

表1 旱伞草的生物量及增长率变化情况(湿重)

表2 富贵竹的生物量及增长率变化情况(湿重)

表3 尖尾芋的生物量及增长率变化情况(湿重)

从表中数据可以看出,尖尾芋和富贵竹的生物量增长率均随Cr(Ⅵ)浓度的升高而降低.当Cr(Ⅵ)的浓度为5.0 mg·L-1时,尖尾芋的增长率为零,超过此浓度后植株就开始出现叶片发黄的病理现象;当Cr(Ⅵ)的浓度超过8.0 mg·L-1后,富贵竹增长率为零.鉴于此,本研究对尖尾芋的后续研究浓度仅只是做到了5.0 mg·L-1.

三种植物在含铬污水中的总增长率变化趋势见图1.从图1看,在整个浓度范围内,旱伞草的生物量都在增加,且其生物量的增长率与Cr(Ⅵ)浓度具有很好的相关性.在Cr(Ⅵ)浓度为0.1～0.5 mg·L-1时,其增长率随着Cr(Ⅵ)浓度的增加而逐渐升高,随后增长率随着Cr(Ⅵ)浓度的增加而逐渐降低.出现上述现象,可能是由于Cr(Ⅵ)在低浓度时对某些植物有促进生长的作用,而在高浓度时则抑制植物的生长有关[9].

图1 三种植物在含铬污水中的总增长率变化趋势

Cr(Ⅵ)浓度为10.0 mg·L-1时,旱伞草的生物量增长率出现异常,这可能是由于该植株的初始生物量较大,单位质量的生物量所分担的Cr(Ⅵ)质量反而比8.0 mg·L-1培养液中的植株少,所以其生物量反而增加的更多.由此也启示我们,在讨论植物修复的耐受性及生物量增长率时,不能只考虑污染物浓度,还因考虑植株的初始生物量及污染物的体积等因素.

在相同条件下,旱伞草的生长状况始终是最好的,实验中所有的旱伞草也无任何病症出现.在Cr(Ⅵ)浓度大于5.0 mg·L-1时,尖尾芋在第二周结束后其老叶就出现坏死斑,且几乎不长.Cr(Ⅵ)浓度为8.0 mg·L-1和10.0 mg·L-1时,富贵竹虽无病症出现,但生物量几乎不增长,说明尖尾芋和富贵竹对Cr(Ⅵ)的耐受性较差.

三者相比,旱伞草的增长率最高,富贵竹的增长率最低.旱伞草的生长状况受环境中Cr(Ⅵ)的影响最小,旱伞草本身对Cr(Ⅵ)污染环境的适应能力最强.且总体看,三种植物第二周的增长率都比第一周增长率低;说明Cr(Ⅵ)对三者的抑制作用与作用时间有关,作用时间越长,抑制作用就越强.

2.2 修复效果及其影响分析

培养两周后,分别取经各植物修复后的水样测定经修复后剩余的Cr(Ⅵ)的浓度,结果如表4.

表4 植物修复后培养液中剩余Cr(Ⅵ)的浓度(mg·L-1)及去除率

从表4看,旱伞草对Cr(Ⅵ)的修复效果最好,经过两周的培养,污水中的Cr(Ⅵ)浓度均达到了车间排放标准,初始浓度为5.0 mg·L-1以下的污水经修复后达到了农田灌溉标准.浓度为8.0 mg·L-1培养液的剩余铬浓度比浓度为10.0 mg·L-1的培养液中的高,原因依然是与其初始生物量有关.

旱伞草对培养液中的Cr(Ⅵ)去除率均在90%以上.旱伞草对浓度10.0 mg·L-1的培养液中Cr(Ⅵ)的去除率较8.0 mg·L-1的培养液中高,原因还是与其初始生物量较大有关.

富贵竹和尖尾芋均对水中低浓度的Cr(Ⅵ)有去除作用,但浓度超过0.5 mg·L-1后,二者对Cr(Ⅵ)的去除效果及去除率即开始下降.

2.3 各植株中铬的富集量

根据培养液中剩余铬的浓度及各植株的最后生物量,计算铬在各植株中的生物富集量(湿重)并作图2.从图2看,三种植物体中的铬富集量与培养液中Cr(Ⅵ)的浓度呈正相关,其富集量都随浓度的增大而增大.在低浓度时,尖尾芋的富集量最大,但由于其生物量增长较慢,因此没有太大的实际应用价值.旱伞草的富集量一直都随着培养液的浓度的增大而增大,且其生物量也一直都在增大,表明其对铬有较强的吸收和较好的耐受性.

图2 三种植株富集量比较

此外,植株中铬的富集量还与植株的初始生物量有关,Cr(Ⅵ)浓度为8.0 mg·L-1培养液中的植株富集量比10.0 mg·L-1中所培养植株的大,主要是由于后者的初始生物量较大,单位质量的植株所分担的Cr(Ⅵ)的质量反而比前者小的结果.因此在进行植物的耐受性研究的时候,在考虑污染物的浓度影响的同时,还应该考虑植株的初始生物量的影响.

3 结果与讨论

通过以上实验研究表明,在研究浓度范围内,无论从生物量增长率、Cr(Ⅵ)去除效果、Cr(Ⅵ)去除率还是富集量考虑,旱伞草都是最佳用于修复Cr(Ⅵ)污水的植物,比用水葫芦修复[10]的效果要好得多.

富贵竹从增长率、Cr(Ⅵ)去除率、富集量都较旱伞草和尖尾芋低,因此不适合用于含Cr(Ⅵ)污水的修复.尖尾芋在低浓度范围内的富集量相对较大,但在高浓度时其生物量增长率较小或是增长率为零且长势不好,所以也不适合用于Cr(Ⅵ)污水的修复.

通过实验研究,我们也得到了一些启示:在筛选植物修复含铬污水的植物时,除了考虑植物的耐受浓度及富集量外,还应该综合考虑植物的生物量增长率、污染物的去除效果、污染物去除率等因素.此外在衡量植物的耐受性的时候不能只考虑污染物的浓度一个因素,还应考虑所使用的污染物的总质量与植株的初始生物量之间的关系,通常植株的初始生物量越大,所能耐受的污染物的量也越大.

[1]李东伟,尹光志.重金属污染土壤(渣场)环境危害及综合防治技术[M].北京:科学出版社,2012:28-32.

[2]戴树桂.环境化学[M].北京:高等教育出版社,2006:311-312.

[3]中华人民共和国国家标准,污水综合排放标准[S].GB8978-1996.

[4]马前,张小龙.国内外重金属废水处理新技术的研究进展[J].环境工程学报,2007(7):10.

[5]韦朝阳,陈同斌.重金属超富集植物及植物修复技术研究进展[J].生态学报,2001,21(7):1196-1203.

[6]张学洪,罗亚平,一种新发现的湿生铬超积累植物——李氏禾(Leersia hexan draSwartz)[J].生态学报,2006,26 (3):950-953.

[7]蒋青海.家庭养花大全:第二版[M].江苏:江苏科学技术出版社,2002:3-103.

[8]水质《六价铬的测定》(二苯碳酰二肼分光光度法)[S].GB/T 7467-1987.

[9]朱定祥,倪守斌.铬的生物地球化学及生物效应[J].广东微量元素科学,2004,11(4):1-10.

[10]潘春龙,何谨.水生植物在含Cr废水处理中的作用[J].云南环境科学,2006,25(3):34-35.

Phytoremediation of Wastewater Containing Cr(VI) by Ornamental Hydrophytes Plants

SHAO Mingguo QU Changbo FU Meichun GAO Xiaoyin
(Department of Environmental Science,Yu Xi Normal University,Yu Xi,Yunnan 653100,China)

Phytoremediation;Chromium pollution;Wastewater treatment;Cyperus alternifolius;Alocasia cucullata; Dracaena sanderiana

Three ornamental hydrophytes plants:Cyperus alternifolius,Alocasia cucullata and Dracaena sanderiana are planted in Wastewater Containing different levels of Cr(VI)by hydroponics experiments.In order to study their tolerance to Cr(Ⅵ).The biomass,the growth rate,the removal ratio of Cr(VI)and enrichment quality were studied.The results show that within the range of 0.1～10 mg·L-1of Cr(VI)initial concentrations and over a two-week growing period,Cyperus alternifolius shows better adaptation and tolerance to Cr(VI),The highest growth rate of Cyperus alternifolius attains to 47. 3%;Cyperus alternifolius also shows good efficiency of the Cr(VI)removal,and the removal ratio of 90%Cr(VI)is obtained in all levels of Cr(VI)concentrations.

X52

A

1009-9506(2014)08-0032-05

2014年5月9日

邵明国,研究方向:植物修复与污水处理.

①玉溪师范学院大学生创新计划项目,编号:2013B02.

②通信作者:高小茵,教授,硕士,E-mail:gxy@yxnu.net.