利用荷花与睡莲对沉积物中重金属的修复研究

宋 力，黄勤超，黄民生*

1.环境材料与修复技术重庆市重点实验室，重庆文理学院，重庆 402160 2.华东师范大学资源与环境学院，上海 200062

利用荷花与睡莲对沉积物中重金属的修复研究

宋 力1,2，黄勤超2，黄民生2*

1.环境材料与修复技术重庆市重点实验室，重庆文理学院，重庆 402160 2.华东师范大学资源与环境学院，上海 200062

选取水景植物荷花、睡莲对黑臭河道沉积物中重金属进行修复，用ICP-AES全谱直读电感耦合等离子发射光谱法测定沉积物、植物中重金属镉、铬、铜、镍、铅的总量与形态的量，重金属在植物中分布。结果表明：荷花对沉积物中重金属平均去除率为20.42%，睡莲为18.23%；睡莲、荷花种植后沉积物重金属形态的量呈减小趋势，经植物修复后沉积物中铬、铅、镍的主要形态为残渣态，镉、铜的主要形态为弱酸溶解态。铜、镍在睡莲中的分布特征为茎<叶<根，镉和铅为叶<茎<根，铬为茎<根<叶。铬、镍在荷花中分布为根<叶<茎, 铜为叶<根<茎，镉、铅主要积累在荷花的叶部组织。

荷花；睡莲；沉积物；重金属；修复研究

引 言

河道沉积物中重金属元素以不同形态在水-沉积物-生物之间迁移转化，不断发生分散和富集作用，部分重金属粒子在微生物作用下被降解[1]。在自然因素和人为活动等外界条件作用下，沉积物中重金属离子会释放进入自然水体，形成二次污染，对水生生物形成潜在危害，并可通过食物链影响人体健康。水生植物，特别是景观水生植物对河道重金属修复可以在不改变河道现状条件下达到治理污染和提升景观[2]。研究证实，重金属元素通过根系进入植物组织后，将在其根、茎、叶、果实等组织中发生累积，对重金属具有累积特性的植物常被用作土壤或沉积物污染的重要指示生物[3]。

植物对重金属的去除主要是通过植物吸收并将其转运到植物上部组织，植物通过酶和分泌物与沉积物中的重金属发生物化作用将其固定在沉积物中，暂时缓解重金属对植物和环境造成的危害，以及通过提高根系微生物的活性和数量来促进重金属的吸收和固定[2]。用植物修复沉积物中重金属主要受植物生物量的大小，植物对沉积物中重金属的吸收、积累能力以及植物自身的耐污能力，沉积物的理化性质，重金属存在的形态，其中植物对沉积物重金属的吸收、积累能力以及对重金属毒害的忍耐能力是植物去除底泥中重金属的主要影响因素[4]。

本研究利用景观水生植物荷花与睡莲对城市黑臭河道沉积物重金属Cd，Cr，Cu，Ni和Pb进行修复研究，在植物种植后沉积物中重金属的变化，在植物中的分布特征，为原位沉积物中重金属污染修复提供理论依据[5-8]。

1 实验部分

1.1 实验设计

植物种植：睡莲、荷花；种植时间：2011年4月22日；采样：根据植物生长情况每月/1次，采取水箱箱中心沉积物，采样深度为0～5 cm。沉积物采自上海市普陀区工业河。实验植物：睡莲(Nymphae Acutiloba DC)、荷花(Nymphaea nelumbo)；栽种箱：上部长宽1 240 mm×620 mm，下部长宽1 150 mm×550 mm，深760 mm，沉积物厚度为栽种箱深度的400 mm左右，植物长势稳定后，向栽种箱中适时补充自来水。

1.2 样品的预处理

沉积物经真空冷冻干燥后，剔除杂质，用石英钵研磨细，过160目尼龙筛。植物样品在105 ℃条件下杀青30 min，75 ℃烘24 h至恒重，采用植物粉碎机粉碎，沉积物与植物均采用三酸消解。

1.3 实验分析与数据处理

重金属Cd，Pb，Cr，Cu，Ni元素采用VARIAN公司生产的全谱直读电感耦合等离子发射光谱仪ICP-OES测定，采用QA/QC程序保证测试的准确性，采用沉积物标准物质GBW07309(GSD-9) GBW07406(GSS-6)加标回收实验，以便检验和控制分析数据准确性，其相对标准偏差(RSD)低于7.5%。在实验过程所用HCLO4，HNO3，HF均为MOS级，实验用水为超纯水。

本实验数据计算与分析采用excel2.0和originpro8.1分析处理。

2 结果与讨论

2.1 两种植物修复处理沉积物中重金属的比较分析

两种植物种植后不同时间段沉积物中重金属含量比较如图1所示。

图1 植物处理沉积物中Cd，Pb，Cr，Cu，Ni比较

由图1可知：Cd，Cr，Cu，Ni和Pb在沉积物中均有检出，Cd，Cr，Cu和Ni含量未超过农用污泥重金属污染的控制标准，Pb含量高于农用污泥污染物控制标准1 000 mg·kg-1(GB4284—84)，沉积物在种植睡莲、荷花后，重金属的去除受植物对重金属的吸收和富集、转移等因素的影响，经过一季修复后，在睡莲栽种箱中沉积物Pb的初始含量由1 113.38 mg·kg-1降致902.74 mg·kg-1，有效去除量为211.06 mg·kg-1；荷花箱箱沉积物Pb初始含量由795.06 mg·kg-1降致636 mg·kg-1，有效去除量为159.06 mg·kg-1。植物对沉积物中重金属去除效果为睡莲对Cd的去除率最高为36.74%，对Ni的去除率最差为12.39%，对Cu的去除率为19.47%，对Pb的去除率为18.92%，对Cr的去除率为14.52%。荷花对沉积物中Cd的去除率最高为31.4%，对Ni和Pb的去除率最低，分别为20.1%和20.01%，对Cr和Cu两种重金属的去除率分别为22.13%和20.93%。

在睡莲生长最旺盛的6月，沉积物中Cd，Cr，Ni和Pb被去除率达到最高，分别为Cd(13.33%)，Pb(6.49%)，Ni(6.05%)和Cr(5.95%)，而Cu在睡莲枝叶最茂盛的8月去除率最高为8.45%，其中对Cd去除效果最好。荷花在6月份对Pb，Ni和Cu的去除率最高，分别为9.49%，8.35%和8.03%，在7月份Cd的去除率最高为10.18%，在10月份对Cr的去除率最高为10.61%。荷花与睡莲去除沉积物重金属主要是由根系吸收，通过物质转移至茎、叶，由于在植物在不同生长期，根系覆盖吸收区域大小不一，导致去除重金属的区域存在差异，荷花的根系主要是块茎，须根欠发达，睡莲须根发达、量大、覆盖区域大，两种植物在7月、8月、9月修复去除沉积物中重金属受根系影响。利用植物修复去除沉积物中重金属的影响因子是植物量大小、植物生长时间、组织器官构成，也与植物组织器官相关。

2.2 重金属在植物种植前后形态变化分析

沉积物中重金属根据存在形态分为四种，既是可交换态及碳酸盐结合态(弱酸溶解态)、Fe/Mn氧化物结合态(可还原态)、有机物及硫化物结合态(可氧化态)和残渣态，残渣态在自然环境中较稳定，对生物不具有毒性和危害[7-8]。在睡莲、荷花种植前后沉积物中重金属Cd，Cr，Cu，Ni和Pb形态变化如图2。

图2 植物种植前后沉积物中重金属形态含量(单位：mg·kg-1)

由图2可知，睡莲、荷花种植后，种植植物改变沉积物微环境因子，如根系分泌物、空气条件、微生物等，以及植物本身对重金属的吸收和转化，重金属形态量与总量均减少。在睡莲栽种箱沉积物中Cd弱酸溶解态量由0.44 mg·kg-1升高至0.52 mg·kg-1，可氧化态量由0.42 mg·kg-1升高至0.45 mg·kg-1；Cu弱酸态量由5.72 mg·kg-1升高至10.16 mg·kg-1，可氧化态量由0.89 mg·kg-1升高至2.87 mg·kg-1。在荷花栽种箱中沉积物重金属四种形态含量经植物修复后均呈降低趋势。导致睡莲栽种箱沉积物中重金属Cu和Cd的弱酸态、可氧化态含量升高原因是睡莲根系吸收及根际微生物对沉积物中重金属形态产生了影响。睡莲、荷花种植后沉积物重金属的残渣态均减少，表明沉积物在荷花、睡莲的影响下部分不被生物利用的重金属形态被转化，在植物-微生物、自然条件的变化被去除[2]。种植睡莲、荷花后两箱沉积物中重金属Cr，Ni和Pb主要以残渣态存在，约为重金属量的50%，残渣态重金属的主要赋存在矿物晶格中不易释放，残渣态不被生物所利用[2, 7]。沉积物中Cd和Cu主要以可提取态形式存在，可被生物利用的有效性高，较易被植物吸收，睡莲、荷花对沉积物Cd和Cu的去除率相对较高。

2.3 重金属在睡莲、荷花不同组织中的含量和分布特征

植物的生长过程一些重金属元素属于植物生长因子，植物对重金属的耐受性影响重金属在植物体内的富集与转运，表现在植物体内各功能器官所吸收和积累重金属的种类和数量，以及重金属在植物各器官分布，部分植物对某一元素的富集，主要体现在其植物具有多种防御机制[2]。睡莲、荷花不同器官中重金属的含量如表1。

由表1可知，Cd，Cr，Cu，Ni和Pb在睡莲、荷花各器官、组织均有检出，但器官、组织对重金属的吸收、富集、分布的种类和量不同，其对重金属的富集大小顺序是Cu>Cr>Ni>Pb>Cd。在植物体富集量最高的Cu，Cu在睡莲、荷花各器官组织的含量大小分别为根(6.21 mg·kg-1)>叶(3.30 mg·kg-1)>茎(2.61 mg·kg-1)，茎(11.69 mg·kg-1)>根(9.14 mg·kg-1)>叶(8.05 mg·kg-1)。Cd，Cu，Ni和Pb在睡莲根中的积累量大于茎和叶，Cr在植物体积累量根<叶，Cu和Ni在睡莲各器官组织的量为根>叶>茎，Cd和Pb在睡莲各器官组织的量为根>茎>叶，Cr在睡莲各器官组织的量为叶>根>茎。Cr，Cu和Ni在荷花茎中的含量明显高于根和叶，由于荷花的茎在生长和成熟期，植物的新陈代谢加快，从土壤中吸收营养物质时吸收的重金属含量提高[3]，同时荷花根中的营养物质也会输送到茎，在此过程中Cr，Cu和Ni也随之迁移到茎，Cr和Ni在荷花的器官组织含量为茎>叶>根，Cu为茎>根>叶。Cd和Pb对植物产生毒害，主要分布于荷花叶。在荷花可食用的部分莲藕重金属的含量顺序是：Cu(11.69 mg·kg-1)>Cr (8.3 mg·kg-1)>Ni(5.42 mg·kg-1)>Pb(1.88 mg·kg-1)>Cd(0.02 mg·kg-1)。

表1 睡莲荷花根、茎、叶中各重金属含量

Table 1 The accumulation of heavy metals in Nymphaea Tetragona Georgi and Nelumbo Nucifera different tissues (mg·kg-1)

CdCrCuNiPb睡莲根0.044.036.213.022.06睡莲茎0.033.852.601.382.01睡莲叶0.034.033.302.801.96荷花根0.033.219.142.151.51荷花茎0.028.3011.695.421.88荷花叶0.085.258.054.913.94

3 结 论

(1)睡莲、荷花对沉积物中重金属具有去除能力，荷花对沉积物中Cd，Cr，Cu，Ni和Pb去除能力优于睡莲。沉积物中Cd易被睡莲、荷花去除，去除率分别高达36.7%和31.4%，沉积物中Ni被睡莲去除率最差为12.4%，沉积物中Ni和Pb被荷花去除率最差为20.1%和20.01%。睡莲去除沉积物中Cd能力强于荷花，去除Cr，Cu，Ni和Pb能力弱于荷花。

(2)经过睡莲、荷花的种植修复处理的沉积物，重金属的形态含量与总量均呈减小趋势，各重金属形态的比未呈显著变化。在种植睡莲、荷花后Cd和Cu的弱酸溶态量增加。经过植物修复处理，沉积物中Pb，Cr和Ni主要形态为残渣态，Cd和Cu的主要形态为可弱酸解态。

(3)睡莲、荷花在修复处理沉积物中重金属均具有富集能力，其富集量大小顺序为Cu>Cr>Ni>Pb>Cd。睡莲、荷花的器官组织对重金属的吸收、积累种类、数量不同。重金属在植物的器官组织的分布特征是Cu和Ni在睡莲中分布特征为茎<叶<根，Cd和Pb分布特征为叶<茎<根，Cr分布特征为茎<根<叶。Cr和Ni在荷花中的分布特征一致，为根<叶<茎，Cu分布特征为叶<根<茎，Cd和Pb主要分布在叶部，荷花对重金属累积量和富集能力大于睡莲。

[1] HU Xue-nan，LU Tao，LÜ Jun-peng，et al(胡雪南，陆 涛，吕俊鹏，等).Journal of Guangdong Chemical Industry(广东化工)，2015，8：26.

[2] HUANG Qin-chao(黄勤超).Study on Removal of PAHs and Heavy Metals in Malodorous River Sediment Using Nymphaea Tetragona Georgi and Nelumbo Nucifera(利用睡莲、荷花对黑臭河道底泥中PAHs和重金属的修复研究).Shanghai: Degree Paper of Master Candidate of East China Normal University (华东师范大学硕士论文)，2013，41.

[3] BI Chun-juan，CHEN Zhen-lou，XU Shi-yuan(毕春娟，陈振楼，许世远).Marine Environ.Sci.，2003，2: 6.

[4] Barman S C，Kisku G C，Bhargava S K.Journal of Environmental Biology，1999，20：1.

[5] Prasad M N V，Freitas H.Environmental Pollution，2000，110: 277.

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[8] JIAN Min- fei，GONG Xiao-feng，YOU Hai，et al(简敏菲，弓晓峰，游 海，等).Journal of Nanchang University·Engineering & Technology(南昌大学学报·工科版)，2004，1：85.

(Received Oct.16, 2014; accepted May 6, 2015)

*Corresponding author

Research on Remediation of Heavy Metals in Sediment with Lotus and Water Lily

SONG Li1, 2, HUANG Qin-chao2, HUANG Min-sheng2*

1.Chongqing Environmental Materials and Repair Technology Key Laboratory, Chongqing University of Arts Sciences, Chongqing 402160, China 2.College of Resources and Environment, East China Normal University, Shanghai 200062, China

The aquatic landscape plants lotus and water lily were selected to repair the heavy metal in black odorous river sediments.With ICP-AES inductively coupled full spectrum of direct reading plasma emission spectrometry, the total and forms of content of heavy metals Cd, Cr, Cu, Ni, Pb in sediment and plants, the distribution of heavy metals in plants to were determined .The results showed that the average removal rate of the lotus in terms of the removal of heavy metals in the sediments was 20.42% while that of water lily was 18.23%; after lotus and water lilies were planted, the forms of content of heavy metals in sediments were decreased, the phytoremediation of main forms of Cr, Pb, Ni in sediments were theresidual state; the main forms of Cd, Cu were extractable.The distribution of Cu, Ni among the water lilies was stem

Lotus; Water lily; Sediment; Heavy metal; Research on remediation

2014-10-16，

2015-05-06

国家自然科学基金项目(51409030)，国家科技重大水专项(2009ZX07317-006)，重庆市教委项目(KJ121207)和重庆文理学院重大培育项目资助

宋 力，1979年生，重庆文理学院讲师 e-mail: songlicq@163.com *通讯联系人 e-mail: mshuan@des.ecnu.edu.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)09-2884-05