武汉东湖水生植物重金属分布现状研究

孙宇婷，王海云，张　婷，许继军，殷大聪

(1.三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌　443002；2.长江科学院 水资源综合利用研究所， 武汉　430010)

武汉东湖水生植物重金属分布现状研究

孙宇婷1，王海云1，张婷1，许继军2，殷大聪2

(1.三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌443002；2.长江科学院 水资源综合利用研究所， 武汉430010)

摘要：在武汉东湖采集9种水生植物及其对应水样、根区沉积物样，采用微波消解—ICP-MS(Inductively coupled plasma mass spectrometry，电感耦合等离子体质谱)测定其重金属(Cd ，Zn， As，Cu ，Co ，Pb， Mn， Cr， Ni)的含量，分析了9种重金属在植物体内的分布现状及各部位对重金属的富集能力。结果表明：水生植物对各种重金属的吸收状况呈Mn>Zn>Pb>Cu>Ni>Cr>As>Co>Cd的一致性，不同植物各部位对重金属的富集能力表现为根>茎>叶。水生植物对重金属的富集能力表现为沉水植物>浮水植物>挺水植物。金鱼藻、青萍和水葫芦对重金属富集系数较大，可作为水体修复植物，净化被重金属Mn，Zn，Cd复合污染的水体。

关键词：东湖；水生植物；重金属；富集系数；水样；根区沉积物样；微波消解

1研究背景

重金属元素作为污染物，具有难降解、易积累、毒性大的特点[1]，不仅会对湖泊生态环境造成长期影响[2]，而且会通过食物链积累而损害水生生物和人类健康[3]。近年来，大量含重金属污水进入湖泊，生长在湖泊中的水生植物对重金属具有积累作用，其富集程度可指示水环境中重金属水平[4]。

诸多学者对武汉东湖重金属的来源、分布特征以及潜在生态效应评价等作了较多的研究[5]，但就东湖水生植物体内的重金属含量、分布及其积累特征缺乏深入研究[6]。本研究中检测武汉东湖9种水生植物重金属的含量，揭示它们不同部位对重金属的积累特征及富集能力。研究成果可为重金属污染湖泊生态修复提供科学依据。

2材料与方法

2.1采样点布设

在对东湖水生植物种类、群落结构、盖度以及生物量调查的基础上，按照文献[7]标准布设采样点位，设置了水生植物长势较好、生物量较大的4处采样点，其地理位置见图1。

图1　 东湖水生植物采样点位图Fig.1　Location of sampling points of hydrophytes in the East Lake

2.2样品采集

2014年10月在东湖采集沉水植物金鱼藻、狐尾藻，浮水植物青萍、水鳖、水葫芦、菱，挺水植物荇菜、荷花、茭白，共9种水生植物及其对应水样、沉积物样品。采集挺水、沉水、浮水植物样品，分别采用水下镰刀、带网铁铗、捞网采集，样品洗净后风干，放入自封袋中。水样及沉积物样分别采用有机玻璃采水器、活塞式柱状采泥器采集，装入采样瓶和自封袋，于4 ℃低温实验室保存[8]。

2.3样品预处理

将样品用自来水洗净，再用超纯水冲洗3次，在室内自然晾干。挺水和浮水植物分为根、茎、叶，沉水植物作整株处理。将样品置于烘箱中，于105 ℃下烘30 min杀青，调节温度至70 ℃，烘12～24 h，至样品被烘干，全部变为灰白色，将干样粉碎，过80目筛，装袋后置于干燥箱备用；沉积物样品在烘箱105 ℃下烘干，磨碎后过200目筛。分别称取0.2 g植物样、0.1 g沉积物样，加入6 mL HNO3、2 mL H2O2和1 mL HF，置于微波消解仪进行消化、赶酸、定容和保存。水样用5 mL HNO3消化，然后赶酸、定容、和保存[9]。植物样、沉积物样、水样分别按上述的消解方法做空白样。

表1　水样、沉积物样中重金属含量

表2　各采样点水生植物中重金属含量

2.4样品测定

2.4.1仪器与试剂

因电感耦合等离子体质谱仪(简称ICP-MS)，有检测限低、线性范围宽、干扰少、精密度高等特点[10]，实验采用Thermo Xseries Ⅱ型ICP-MS测定上述样品中含Cr，Mn，Co，Ni，Cu ，Zn，As，Cd ，Pb(每种重金属的浓度均为 100 ng/mL)的重金属混合标准溶液。

2.4.2实验方法

量取一定量的重金属标准溶液，配成5，10，20，50，100 μg/L等浓度梯度的多元素混标液，用ICP-MS测定并绘制标准曲线。以标准曲线为基础，测定样品中Cr，Mn，Co，Ni，Cu，Zn，As，Cd，Pb的含量。

3结果与讨论

3.1水生植物重金属含量与环境重金属含量关系

从表1、表2看出，沉积物中重金属含量越大，各水生植物吸收重金属的含量越大。一体系中植物同时吸收多种重金属与单独吸收某种重金属的能力相近。

3.2不同水生植物重金属吸收量分析

从表2得出，不同植物对同一重金属吸收量差异较大，如金鱼藻、狐尾藻、荷叶等对Cr的吸收量相差甚远。同种植物不同部位对重金属的吸收量也不同，不同部位对重金属吸收能力一般为根>茎>叶。不同采样点、不同植物对各重金属元素的吸收状况具有相对一致性，即Mn>Zn>Pb>Cu>Ni>Cr>As>Co>Cd。

表3　武汉东湖水生植物对重金属的平均富集系数

3.3不同水生植物对重金属的富集能力比较

为掌握不同水生植物对重金属的富集能力，采用富集系数(bioaccumulation coefficient，BCF)指标衡量水生植物积累重金属能力，其值越大表明植物富集能力越强[11]。富集系数计算公式为

(1)

式中：Ci为受检生物体内某种重金属元素的残留量(μg/g)；Cei为受检生物所在环境中重金属的实测浓度(μg/g)。

经公式(1)计算，东湖各样点不同水生植物对不同重金属的平均富集系数见表3。

由表3得出，沉水植物金鱼藻对Cr，Mn，Co，Ni，Cu ，Zn，As，Cd ，Pb的平均富集系数最大，浮叶植物水葫芦次之，茭白最小。总体上，水生植物对重金属的富集能力为：沉水植物>浮叶植物>挺水植物。Cd在这几种水生植物体内的含量很低，但富集系数较大，表明Cd容易被植物吸收；Cr，Ni，Pb等元素在植物体内含量低且富集系数小，表明难以被植物吸收；Mn，Zn等作为植物正常生长的营养元素，在植物体内含量很高，但只有少数几种植物对它的富集系数大。上述结果都表明水生植物对重金属是有选择吸收的，这与黄亮甘[12]的研究结论相一致。金鱼藻对Mn，Zn，Cd的富集系数，水葫芦对Mn的富集系数，青萍和水葫芦对Cd的富集系数均>1，由此可知，金鱼藻、青萍和水葫芦可作为水体修复植物，净化被重金属Mn，Zn，Cd复合污染的水体。

3.4重金属在水生植物不同部位的分布特征

从3号点采集的荇菜、茭白、水葫芦样品测定结果得出，重金属在水生植物不同部位含量具有明显差异，其各部位分布百分比见图2、图3和图4。武汉东湖水生植物不同部位对重金属的富集能力与杂草富集能力基本一致[13]，即水生植物各部位富集能力一般为根>茎>叶[14]。

图3　茭白不同部位重金属含量分布Fig.3　Heavy metal contents in different parts of water bamboo

图4　水葫芦不同部位重金属含量分布Fig.4　Heavy metal contents in different parts of water hyacinth

由于根部通过质外体吸收重金属元素，因此，重金属向地上部分转移主要受到内皮层细胞凯氏的限制[15]。同时植物在重金属的压迫下，会合成植物螯合肽，可以强烈地螯合重金属离子或作为一种运输工具把过多的重金属离子从细胞质运送到液泡中去，从而保护植物的新陈代谢功能和减少重金属向地上部分转移。但也有某些特例，如荇菜茎部对Mn的富集能力大于根部，茭白茎部对Mn，Cu的富集能力最小。总体上，As主要集中在根部，其他部位含量极少。对于挺水植物荇菜、茭白， Co，Zn，Cd，Pb在各部位的含量基本相同，Cr，Mn，Ni，Cu 在各部位分布差异较大。而对于浮叶植物水葫芦，重金属大都富集在根部。

4结论

通过野外采样和室内分析实验，得出武汉东湖水生植物中重金属含量。根据所得数据分析讨论得出以下结论：

(1) 武汉东湖中水生植物对各种重金属具有一定的吸收积累能力，植物对重金属的吸收量与环境中重金属浓度呈正相关，而且对各重金属元素的吸收状况排序为Mn>Zn>Pb>Cu>Ni>Cr>As>Co>Cd。

(2) 武汉东湖中金鱼藻、水葫芦对这9种重金属的富集系数较大。总体上，水生植物对重金属的富集能力为沉水植物>浮叶植物>挺水植物。

(3) 武汉东湖水生植物体内各部位重金属的含量呈根>茎>叶的规律。

(4) 金鱼藻、青萍、水葫芦对这9种重金属富集系数较大，可作为水体修复植物净化被重金属Mn，Zn，Cd复合污染的水体。

(5) 武汉东湖水生植物将湖泊环境中的重金属吸收入体内, 实际为重金属的富集作用。这种富集, 使环境中重金属含量有所降低。利用水生植物这一特点降低湖泊中重金属含量，具有成本低、环境友好和操作简便等优点。故种植水生植物对修复湖泊环境中重金属含量、修复湖泊生态环境有一定的意义。

参考文献：

[1]简敏菲,游海,倪才英. 鄱阳湖饶河段重金属污染水平与迁移特性[J]. 湖泊科学, 2006,18(2):127-133.

[2] IKEM A,EGIEBOR N O,NYAVOR K.Trace Elements in Water,Fish and Sediment from Tuskegee Lake,Southeastern USA[J].Water, Air, and Soil Pollution, 2003,149(1): 51-75.

[3] 潘义宏,王宏镔,谷兆萍，等. 大型水生植物对重金属的富集与转移[J].生态学报, 2010,30(23):6430-6441.

[4] 李先会,龙瑞,成小英，等. 大型水生植物对重金属的富集能力研究[J].安徽农学通报, 2014,20(12):32-34.

[5] 唐阵武,程家丽,岳 勇，等. 武汉典型湖泊沉积物中重金属累积特征及其环境风险[J].湖泊科学,2009,21(1):61-68.

[6] 王金瑾,鲍建国,李立青. 东湖沉积物重金属来源与人类活动相关性分析[J].环境科学与技术, 2010,33(4):84-90.

[7]奚旦立,孙裕生,刘秀英.环境监测[M]. 北京:高等教育出版社,2004.

[8]国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M]. 第4版.北京:中国环境科学出版社,2002.

[9]刘珠丽,李洁,杨永强. 微波消解—ICP-AES/ICP-MS测定沉积物中23种元素的方法研究及应用[J].环境化学，2013,32(12):2370-2377.

[10]王晓晖,张玉玲,刘 娜,等. 微波消解—ICP-MS测定土壤样品中的重金属离子[J].光谱实验室,2008,25(6):1183-1187.

[11]黄亮,李伟,吴 莹,等. 长江中游若干湖泊中水生植物体内重金属分布[J].环境科学研究,2002,15(6):1-4.

[12]黄朝表,郭水良,陈旭敏,等.金华地区11种杂草对4种重金属的吸收与富集作用研究[J].农业环境保护,2001, 20(4):225-228.

[13]魏树和,周启星,王新. 18种杂草对重金属的超积累特性研究[J].应用基础与工程科学学报, 2003, 11(2):152-160.

[14]简敏菲,游海,弓晓峰,等. 鄱阳湖典型区域重金属污染的水生植物监测与评价[J]. 土壤通报, 2007, 38(2): 329-333.

[15]GRILL E, WINNACKER E L, ZENK M H. Phytochelating: The Principal Heavy Metal Complexing Peptides of Higher Plants[J]. Science,1985, 230(4274): 674-676.

(编辑：刘运飞)

SUN Yu-ting1，WANG Hai-yun1，ZHANG Ting1， XU Ji-jun2，YIN Da-cong2

(1.College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges University,Yichang443002,China;

2. Water Resources Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China)

①CHAUDHURI M, SAPARI N. Removal of Iron from Groundwater by Direct Filtration through Coal and Carbonaceous Shale. 2008.

Distribution of Heavy Metals in Hydrophytesfrom the East Lake of Wuhan

Abstract:Nine kinds of hydrophyte and the corresponding water samples and sediments from the East Lake of Wuhan were collected, and the concentrations of heavy metals (Cd, Zn, As, Cu, Co, Pb, Mn, Cr, Ni) in these samples were measured by microwave digestion-ICP-MS (Inductively coupled plasma mass spectrometry). Results indicate that the nine hydrophytes have some coherence in adsorbing heavy metals, and the order of these metals is Mn>Zn>Pb>Cu>Ni>Cr>As>Co>Cd. As for different parts of the hydrophytes, the adsorptive ability of root is the largest, followed by stem and leaf, and as for different kinds of hydrophytes, the adsorptive ability of submerged plant is the largest, followed by floating-leaved plant and emerged plant. The bioaccumulation factors of ceratophyllum demersum, duckweed and water hyacinth are large, so they can be used as remediation plant to purify the water contaminated by Mn, Zn, and Cd.

Key words:East Lake; hydrophyte; heavy metal; bioaccumulation factor; water sample; sediment sample in root area; microwave digestion

收稿日期：2015-06-24；修回日期：2015-07-23

基金项目：三峡大学2015硕士学位论文培优基金资助项目(2015PY009)

作者简介：孙宇婷(1990-)，女，湖北汉川人，硕士研究生，主要从事水污染控制研究，(电话)15090863382(电子信箱)942882346@qq.com。 通讯作者：王海云(1956-)，男，河南林州人，教授，博士，主要从事水污染控制与水环境保护的研究,(电话)13972027886(电子信箱)wanghaiyun@ctgu.edu.cn。

doi:10.11988/ckyyb.20150528

中图分类号：X524

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)06-0008-04

2016,33(06):8-11，17