和睦湿地水生植物重金属富集能力的分析

崔　君, 王嘉慧, 张　栋, 张晓勤, 吴玉环, 薛大伟

(杭州师范大学生命与环境科学学院,浙江 杭州 310036)



和睦湿地水生植物重金属富集能力的分析

崔君, 王嘉慧, 张栋, 张晓勤, 吴玉环, 薛大伟

(杭州师范大学生命与环境科学学院,浙江 杭州 310036)

当前对和睦湿地重金属蓄积植物研究的较少,本研究以马兰(Kalimerisindica)、菱角(Trapabicornis)、白茅(Imperatacylindrica.)、飞蓬(Erigeronspeciosus)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、贯众(Dryopterissetosa)、空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)、水鳖(Hydrocharisdubia)等8种典型的和睦湿地水生植物为研究对象,对其重金属Cd、Cu、Pb、As、Zn的富集能力进行了分析.结果表明:飞蓬和水鳖对重金属Cd的富集能力较强;对Pb富集效果较好的植物有蒲公英和马兰;马兰和水鳖表现出对As较强的富集能力;马兰和白茅分别对重金属Cu和Zn污染有较强的净化能力.这5种植物可以有选择性种植用以修复和睦湿地重金属污染.

和睦湿地;重金属;积累植物;修复

近年来,我国工业、城市化及农业的发展加重了重金属在土壤中的累积,土壤重金属污染已经成为我国当前面临的主要问题之一.重金属易在生物体内积累,当达到了一定程度,可能会导致生物体发生致畸或引起突变,甚至会引起生物体死亡[1].湿地处于陆生和水生生态系统之间的过渡性地带,有其独特的生态系统特征,在维持全球生态平衡中扮演重要角色,被称为“地球之肾”.湿地具有多功能性和丰富的生物多样性[2],可为人类供应水源,补充地下水,保留营养物质,蓄洪防旱,更是许多珍稀动植物的栖息地,对保持物种的多样性等有重要作用.因此,探讨湿地重金属污染以及重金属在湿地植物中的累积效应,对于生态环境保护具有重要意义.

研究发现,鄱阳湖、洞庭湖等湿地生态系统中的重金属含量远高于正常值,其土壤特有的吸附、降解、沉积等功能,伴随着重金属污染的加剧,原有的湿地生态系统遭到严重破坏,同时波及到农产品的安全问题[3-8].采用植物修复技术,不会破坏湿地原有的生态结构和功能,不会产生二次污染,而对于重金属污染修复最关键是选择正确的超富集植物[9-14].已有研究显示,湿地植物在湿地重金属污染修复中具有重要作用,某些植物具有极强的重金属富集能力,能将土壤中的重金属吸收并积累于体内[15].若将这类植物种于环境污染区一定时间后回收处理,即可达到修复环境的效果.韩志萍等[16]通过对不同生态型芦竹的研究表明芦竹对镉、铅有较好的吸附能力,但对铜的吸收能力较弱.因此选用植物修复技术治理重金属污染要选择合适的植物.

杭州和睦湿地是西溪湿地的延伸带,地处余杭、仓前、闲林、五常等四大片区的中心地带.作为新开发的城市湿地,和睦湿地的用地主要是由河港、池塘、农田等多种要素组成.当前,随着杭州城市化进程的加快,人类活动的频繁介入,天然湿地已逐步转化为次生湿地,土壤重金属污染也越来越严重.和睦湿地有大面积的植物资源,为采取生态修复提供了有利的条件.本研究以本土优势植物为研究对象,分析研究不同的水生植物对重金属铜(Cu)、铅(Pb)、砷(As)、镉(Cd)、锌(Zn)的富集能力,筛选出适于本土生长的重金属富集植物,为和睦湿地重金属修复提供参考依据.

图1　和睦湿地采样点分布图(九曲桥、幸福桥、西墩船闸、厌云桥)Fig. 1　Sampling sites of Hemu Wetland

1　材料与方法

1.1供试材料

本研究选取和睦湿地4个采样点:九曲桥、幸福桥、西墩船闸和厌云桥(见图1).每个地点采集8种水生植物,分别为马兰、菱角、白茅、飞蓬、蒲公英、贯众、凤眼莲、水鳖,同一个采样地点每种植物各取3株作为实验材料.将植物样品分别装入对应标记的聚乙烯采集袋中保存,做好记录并带回实验室.植物样品见表1.

表1　和睦湿地植物样品科属名称

1.2测定方法

将取回的植物样品用自来水进行冲洗,去除表面泥土,再用去离子水冲洗3遍,放在培养皿中并晾干.将晾干后的植物样品放入烘箱中,在105 ℃ 下杀青30 min,后于70 ℃ 下烘干至恒质量,记录干重,并将样品粉碎后保存备用.植物样品采用李鸣[6]植物消解法处理.

重金属标准曲线制备:称取经稀酸清洗并干燥后的金属0.5000 g,用优级纯硝酸完全溶解,用水稀释定容至500.0 mL.此溶液每毫升含1.00 mg.然后用硝酸(V(HN03)∶V(H20)=1∶499)溶液稀释.含金属量分别是0、5、10、20和40 mg/L.用原子吸收光谱仪测定吸光度[17].

1.3统计分析

统计各采样点所测定各重金属含量的最大值、最小值和平均值,绘制频率分布柱状图,并对数据进行差异显著性检验.

2　结果与分析

2.1植物重金属含量测定结果

2.1.1植物重金属Cd的含量分析

由图2可知,8种本土植物对Cd的富集能力存在显著差异,其中水鳖在4个采样点对金属Cd的富集最强,含量在1.045～2.343 mg/kg之间,均值是1.503 mg/kg,是8种植物中均值最高的植物.飞蓬在采样点西墩船闸的Cd富集量最高，为2.87 mg/kg,但在其他采样点的富集能力较低,4个采样点的金属富集均值为1.122 mg/kg,略低于水鳖.而蕨类在幸福桥和厌云桥两处达到最高富集量，分别为1.494、1.968 mg/kg.其他植物马兰、菱角、白茅、水花生、蒲公英对Cd的富集含量相对处于较低水平.

图2　各采样点植物中Cd的积累量Fig. 2　The accumulation of Cd in plants of each sampling point

图3　各采样点植物中Pb的积累量Fig. 3　The accumulation of Pb in plants of each sampling point

2.1.2植物重金属Pb的含量分析

由图3可知,蒲公英和马兰对金属Pb的富集能力较强,平均值分别为30.877、26.084 mg/kg.其中蒲公英在幸福桥、西墩船闸采样点有最高的金属吸收量分别为5.591、8.467 mg/kg,马兰在九曲桥有最高的金属富集量为23.620 mg/kg.8种植物中在厌云桥对金属Pb富集量最大的是飞蓬为9.332 mg/kg.菱角、白茅、飞蓬、水花生、水鳖、蕨类的平均富集量相对较低，在1.522～4.856 mg/kg之间.

2.1.3植物重金属Cu的含量分析

由图4可知,Cu在所研究植物中的富集量是5种测试金属中最高的,在各植物中的含量在20.075～82.045 mg/kg之间,其中马兰表现出明显的Cu富集能力优势,在4个采样点马兰都有最高的Cu富集含量,分别为110.100、66.550、87.210、64.320 mg/kg,均值为82.045 mg/kg.除马兰以外,蒲公英也表现出较好的Cu富集能力,平均值为51.750 mg/kg.其余6种植物富集能力均相对较低,金属Cu的富集量平均值都低于33.208 mg/kg(水鳖).

图4　各采样点植物中Cu的积累量Fig. 4　The accumulation of Cu in plants of each sampling point

图5　各采样点植物中As的积累量Fig. 5　The accumulation of As in plants of each sampling point

2.1.4植物重金属As的含量分析

由图5可知,4个采样点中As的富集量平均值马兰最高，为3.815 mg/kg,水鳖对其富集量第二，为2.562 mg/kg.马兰在采样点九曲桥和厌云桥的8种植物中的最高富集量分别为9.697、2.552 mg/kg.水花生在西墩船闸以2.715 mg/kg的As含量居于最高,而蒲公英在幸福桥有最高富集量为2.795 mg/kg.水鳖虽然平均富集量位于第二,但是在4个采样点的8种植物中均未出现最高值.

2.1.5植物重金属Zn的含量分析

图6　各采样点植物中Zn的积累量Fig. 6　The accumulation of Zn in plants of each sampling point

由图6可知,8种植物中白茅对金属Zn的富集最为明显,平均值为1.506 mg/kg.飞蓬富集能力也相对较强平均值为1.234 mg/kg.4个采样地点富集金属Zn最多的金属分别是马兰、飞蓬、白茅和蕨类.

2.2比较分析

飞蓬和水鳖对Cd蓄积的含量相对较高,植物体内Cd含量均值分别为1.122 mg/kg和1.503 mg/kg,其中水鳖积累最明显.马兰为和睦湿地富集Cu的本土植物,在4个采集点都出现最高积累量,其植物体内Cu含量均值高达82.045 mg/kg,明显高于其余的本土水生植物.蒲公英和马兰对重金属Pb有一定的富集能力,植物体内金属含量均值分别为7.719 mg/kg和6.521 mg/kg.马兰和水鳖对As的富集效果明显,均值分别为3.815 mg/kg和2.562 mg/kg.白茅对As的吸收能力强,植物体内金属含量均值为1.506 mg/kg.和睦湿地8种本土优势植物中菱角、空心莲子草和蕨类对金属Cd、Cu、Pb、As、Zn都没有体现出相对的金属积累优势,在这8种植物中处于中间水平.

就同一种植物而言,由于各个采样点的具体环境不尽相同,其多种因素会导致该植物在不同的环境中即使对相同重金属的富集能力也有一定的差别,况且各种植物对环境的适应性不同会导致这种差别存在于不同的植物之间.比如飞蓬是重金属Cd的富集优势植物,而它在4个采样点的最高富集含量为2.870 mg/kg,最低富集含量为0.049 mg/kg,相差2.821 mg/kg.与此相反，马兰的相差较小，为0.793 mg/kg,表现出较为稳定的富集能力.

3　讨论

目前,自然生态系统受到人为的破坏较严重,包括生活垃圾、工业垃圾以及化肥农药残留等造成的环境污染.重金属的污染在近年来越来越被重视.重金属大量存在于大气、土壤、水体、生物体中,并积于底泥.重金属属于难降解污染物,会经食物链由食用鱼类或贝类影响人类,随着重金属含量的积累,食物链顶端人类摄入的重金属最多,直接威胁自身的健康,导致多种疾病.重金属污染一般在短时间内的修复不易实现,常受各种各样因素制约,效果不佳,且花销大[18].恢复生态系统既需要合理的人工治理,也需要生态系统的自我修复能力.随着研究的不断深入发现，植物修复技术是当前最为清洁的治理方式,不会破坏当地的土壤结构,且处理开销低[19].植物修复技术是利用特定的植物针对环境中的某种重金属,吸收、降解或转移的一种太阳能动力的治污方式,以降低环境中该重金属的含量,达到环境修复的目的[20].选择的特定植物多是针对特定重金属的超富集植物,这类植物的认定一般满足以下3个条件:1)对重金属的吸收能力强,其地上部分富集能力要达到一定的临界值,在重金属含量较低的环境中也有较高的吸收率；2)有较强的转运能力,地上部分的重金属积累量要高于地下部分,高达百倍；3)有较强的耐重金属毒害能力,并不表现出明显的病症.魏树和等[21]研究三叶鬼针草等7种植物对重金属的超富集能力,发现重金属镉处理下,三叶鬼针草的净化能力最强,且显示出超富集植物基本特征;华建峰等[22]分析3种水生植物富集水体中重金属锰的能力,显示水浮莲对重金属Mn的汇集转运能力最佳等.因此,植物修复技术对重金属污染的治理方式已受到广泛的关注,并针对具体重金属污染处理提供有效的实验数据.

本实验研究表明,针对不同重金属的污染治理可以种植不同的湿地水生植物修复,可为重金属污染的治理提供参考依据.例如在重金属Cd含量高的区域可多种植飞蓬或水鳖,这2种植物是在研究的8种植物中对Cd的富集量较高的，对Pb可选择种植蒲公英或马兰等等,这样有针对性地种植可更好地对湿地环境进行修复.

[1] 邵学新,吴明,蒋科毅.西溪湿地土壤重金属分布特征及其生态风险评价[J].湿地科学,2007,5(3):253-259.

[2] 沈琪,刘珂,李世玉,等.杭州西溪湿地植物组成及其与水位光照的关系[J].植物生态学报,2008,32(1):114-122.

[3] 吴结春.鄱阳湖湿地重金属形态分析及重金属积累植物的筛选[D].南昌:南昌大学,2007.

[4] 董萌,赵运林,库文珍,等.洞庭湖湿地8种优势植物对镉的富集特征[J].生态学杂志,2011,30(12):2783-2789.

[5] 杨倩.三种湿地植物对污染水体中重金属离子的积累能力研究[D].兰州:兰州交通大学,2009.

[6] 李鸣,吴结春,李丽琴.鄱阳湖湿地22种植物重金属富集能力分析[J].农业环境科学学报,2008,27(6):2413-2418.

[7] 高清,李淑英,顾优丽,等.杭州市和睦湿地农田蔬菜中 Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni污染评价及富集特性研究[J].杭州师范大学学报(自然科学版),2014,13(4):386-390.

[8] 陈如海,詹良通,陈云敏,等.西溪湿地底泥重金属竖向分布规律[J].浙江大学学报(农业与生命科学版),2010,36(5):578-584.

[9] 王建龙,陈灿.生物吸附法去除重金属离子的研究进展[J].环境科学学报,2010,30(4):673-701.

[10] 魏树和,周启星.重金属污染土壤植物修复基本原理及强化措施探讨[J].生态学杂志,2004,23(1):65-72.

[11] 常青山.重金属超富集植物的筛选与螯合吸附研究[D].福州:福建农林大学,2005.

[12] 蔡海洋.闽江口湿地沉积物重金属及其评价[D].福州:福建师范大学,2011.

[13] LIU J G, DONG Y, XU H, et al. Accumulation of Cd, Pb and Zn by 19 wetland plant species in constructed wetland[J]. Journal of Hazardous Materials,2007,147(3):947-953.

[14] LIU J G, LI G H, SHAO W C, et al. Variations in uptake and translocation of copper， chromium and nickel among nineteen wetland plant species[J]. Pedosphere,2010,20(1):96-103.

[15] 鲁敏,赵洁,李雪蕾,等.污染水体的湿地植物修复技术研究与应用[J].山东建筑大学学报,2012,27(6):603-607.

[16] 韩志萍,王趁义.不同生态型芦竹对Cd、Hg、Pb、Cu的富集与分布[J].生态环境,2007,16(4):1092-1097.

[17] XUE D, CHEN M C, ZHANG G P. Mapping of QTLs associated with Cadmium tolerance and accumulation during seedling stage in rice (OryzasativaL.)[J]. Euphytica,2008,165(3):587-596.

[18] 佟洪金,涂仕华,赵秀兰.土壤重金属污染的治理措施[J].西南农业学报,2003,16(S1):33-37.

[19] 顾继光,林秋奇,胡韧,等.土壤一植物系统中重金属污染的治理途径及其研究展望[J].土壤通报,2005,36(1):128-133.

[20] 高文谦,陈玉福.铅污染土壤修复技术研究进展及发展趋势[J].有色金属,2011,63(1):131-136.

[21] 魏树和,杨传杰,周启星.三叶鬼针草等7种常见菊科杂草植物对重金属的超富集特征[J].环境科学,2008,29(10):2912-2918.

[22] 华建峰,胡李娟,张垂胜,等.3种水生植物对锰污染水体修复作用的研究[J].生态环境学报,2010,19(9):2160-2165.

Absorption and Accumulation of Heavy Metals by Aquatic Plants in Hemu Wetland

CUI Jun, WANG Jiahui, ZHANG Dong, ZHANG Xiaoqin, WU Yuhuan, XUE Dawei

(College of Life and Environmental Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

The paper aims at the collection capacity of heavy metals Cd, Cu, Pb, As and Zn by the 8 aquatic plant species (Kalimerisindica,Trapabicornis,Imperatacylindrica,Erigeronspeciosus,Taraxacummongolicum,Dryopterissetosa,AlternantheraphiloxeroidesandHydrocharisdubia) in Hemu Wetland, due to the current less of study on plant accumulation of heavy metals. The results display thatE.acerandH.dubiahave more sufficient ability of absorbing and accumulating on Cd;H.TaraxaciandK.indicacan enrich Pb much more efficiently than the others,K.indicaandH.dubiahave stronger ability of accumulation on As.K.indicaandI.cylindricahave stronger purification ability of the pollution with Cu and Zn respectively. The five kinds of plants can be selectively planted to improve the environment problem of heavy metal pollution in Hemu Wetland.

Hemu Wetland; heavy metals; accumulation plant; improvement

2015-10-11

杭州师范大学教学改革项目;杭州师范大学研究性实验教学项目(YJ201307).

薛大伟(1978—),男,副教授,博士,主要从事植物逆境分子生物学研究. E-mail: dwxue@hznu.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-232X.2016.05.008

Q94

A

1674-232X(2016)05-0490-05