几种红树植物模拟湿地系统对污水中重金属的净化效应

陈思敏, 唐以杰, 罗丽芬, 张京京, 宋乾峰, 陈晓芬, 黄慧娟, 孙婷琪, 林晓纯

广东第二师范学院生物与食品工程学院, 广州 510303

几种红树植物模拟湿地系统对污水中重金属的净化效应

陈思敏, 唐以杰*, 罗丽芬, 张京京, 宋乾峰, 陈晓芬, 黄慧娟, 孙婷琪, 林晓纯

广东第二师范学院生物与食品工程学院, 广州 510303

在温室中建立无瓣海桑(Sonneratia apetala)、桐花树(Aegiceras corniculatum)、木榄(Bruguiera gymnorrhiza)、秋茄(Kandelia candel)、无瓣海桑+木榄(S.apetala+B.gymnorrhiza)、无瓣海桑+秋茄(S.apetala+K.candel)、无瓣海桑+桐花树(S.apetala+A.corniculatum)等 7种模拟湿地系统, 用正常浓度污水(SW)、5倍浓度污水(FW)和 10倍浓度污水(TW)3种人工配制的生活污水分别对7种模拟湿地系统进行污灌6个月。结果发现: 7种人工模拟湿地生态系统对污水中重金属的净化率与红树植物种类以及污水中重金属浓度有关。当灌正常浓度污水时, 7种人工模拟湿地生态系统对Pb和 Mn的总净化率以无瓣海桑+秋茄最大, 对 Cu的总净化率以桐花树最大, 对 Zn和 Cd的总净化率以无瓣海桑+桐花树最大。当灌5倍浓度污水时, 7种人工模拟湿地生态系统对Pb总净化率以无瓣海桑+桐花树最大, 对Cu和Cd总净化率以无瓣海桑+秋茄最大, 对Zn和Mn总净化率以无瓣海桑+木榄最大。当灌10倍浓度污水时, 7种人工模拟湿地生态系统对Pb、Mn的总净化率以无瓣海桑+秋茄最大, 对Cu的总净化率以秋茄最大, 对 Zn的总净化率以无瓣海桑+木榄最大, 对Cd总净化率以无瓣海桑最大。重金属有95%以上是积累在土壤中, 表明土壤子系统是人工模拟湿地系统净化的主体。

红树植物; 模拟湿地系统; 重金属; 净化效应

1 前言

红树林湿地系统可通过物理、化学及生物作用对污水中的重金属加以吸收、积累而起到净化作用[1–7], 利用红树林湿地系统处理污水中重金属具有投资少、能耗低、操作和维护简单、处理效率高等优点[8], 因此日益受到重视。国内不少学者通过构建人工红树林湿地系统研究其对人工污水的净化效应, 研究发现红树林模拟湿地系统对污水中Cd、Ni、Pb、Zn等重金属污染物有较高的净化效率, 且重金属有 95%以上是被土壤所积累, 因此土壤子系统是模拟系统净化的主体[9]。随着沿海地区城市化的发展和各种产业的兴起, 大量污水、废物源源不断地排放入海, 筛选出重金属净化效果最佳的红树植物及搭配方式以改善生态环境, 已成为目前重要研究领域之一[10]。无瓣海桑(Sonneratia apetala)从 1985年自孟加拉引种我国海南岛,90年代从海南引种到广东、广西、福建等地。由于该树种适应性强、生长迅速, 近年已成为我国华南沿海滩涂红树林造林的重要树种, 在生产中被大面积推广[11]。但其对城市生活污水中的重金属的净化效果, 是否优于乡土红树植物？未见报道。另外, 为了改善无瓣海桑人工纯林生物多样性低、生态系统稳定性差、易发生病虫害等弊端, 有学者建议逐步对现有无瓣海桑纯林进行改造, 修枝后在林下种植适宜的乡土树种形成混交结构, 这些混交林对污水的净化效果是否优于无瓣海桑或乡土红树植物纯林？这些问题迄今也未见报道。本项目通过建立无瓣海桑、乡土红树植物、无瓣海桑+乡土红树植物等不同模拟湿地系统, 分别研究它们对人工合成生活污水的净化效应, 为筛选适用于河口海湾的湿地净化植物以及合理利用无瓣海桑提供依据。

2 材料与方法

2.1 实验材料与仪器

实验用植物材料为长势相同的外来红树植物无瓣海桑、乡土红树植物秋茄、木榄和桐花树的1 a生幼苗; 实验用底泥取自珠海市淇澳岛红树林湿地; 实验海水用天然海盐加自来水配制而成(盐度为15)。

使用的大型仪器有 AAS火焰原子吸收分光光度计(型号: 原子吸收分光光度仪, 公司: 日本日立公司), 微波消解萃取系统(型号: MARS, 仪器编号:MD2023, 制造商: CEM)。

2.2 实验方法

2.2.1 实验装置

试验所用人工湿地装置用 PVC 材料制成。每个人工湿地试验装置大小为0.84 m×0.65 m×0.32 m, 并将其分割成3部分: 进水区(0.15 m×0.65 m×0.32 m),处理区(0.59 m×0.65 m×0.32 m)和出水区(0.10 m×0.65 m×0.32 m)。进水区和出水区填充直径为1.2—2.8 cm的砾石, 处理区用取自珠海市淇澳岛红树林湿地的底泥, 并填充参入少量细砂和粉煤灰作为植物生长的基质。试验中红树植物的种植密度为每个试验装置6株。

2.2.2 实验设计

实验共设无瓣海桑、秋茄、木榄、桐花树、无瓣海桑+秋茄、无瓣海桑+木榄和无瓣海桑+桐花树7种人工湿地系统, 每个系统分别进行不灌污水、灌正常浓度污水(SW)、灌 5倍浓度污水(FW)和灌 10倍浓度污水(TW)4种处理, 每种处理进行 3个平行试验。

试验开始阶段为适应性培养阶段, 将红树植物种植于人工湿地装置后, 每天用盐度为15的人工海水对其进行浇灌。持续1个月时间, 观察到红树植物长势良好后进入废水处理研究阶段, 人工合成污水的浇灌量为每盆10 L (刚浸没土表), 持续6个月时间, 为了使浇灌的污水能保持浸没土表, 期间根据需要我们进行了12次补充等量污水成分。经常用淡水补充因蒸发而失去的水分, 使盐度保持一致。为了排除温度、光照和其他变量对实验结果的干扰,将放置试验装置的玻璃网室按东西方向分为相等面积的三个区域, 再将每种人工湿地系统的每种处理的 3个平行试验装置分别放置到这三个区域中, 尽量使各个试验装置每天受到的阳光照射时间一致。

2.2.3 人工合成污水的配制

正常浓度的人工合成污水的配制, 具体成分参考“污水综合排放标准”(国家环境保护局污染管理司, 1991 年)和李玫等[12]。

2.2.4 样品采集和分析测试方法

实验前和实验结束时选择人工湿地试验装置对角线上的5个代表性位点分3层采集基质样品, 深度分别为距表面 0—5、10—15和20—25 cm, 混合后, 风干土样过100目筛。用HClO4-H2SO4消化法消化后, 使用火焰原子吸收分光光度计测样品中的Pb、Cu、Zn、Mn、Cd的浓度。植物样品清洗干净后, 分不同部位, 60 ℃烘干磨碎过 60目筛。其处理、消化和分析测试方法与土壤相同。

3 结果与分析

3.1 各土壤子系统对污水中重金属的净化效应

7种人工模拟湿地生态系统土壤子系统对污水中重金属的净化效率以6个月中土壤各重金属的增加量与污水和海水中重金属的总加入量之比表示,结果见表1。因未向对照组排放污水, 故未研究其净化效率。

表1 7种土壤子系统对污水的净化效率(%)Tab.1 Purification rate of seven kinds of soil subsystem on wastewater (%)

从表1可以看出, 同一模拟湿地生态系统土壤子系统对同一处理浓度污水中各种重金属的净化效应是不同的。比如灌正常浓度污水时, 无瓣海桑模拟湿地生态系统土壤子系统对重金属的净化率按大小排列为: Pb ＞ Cd＞ Mn ＞ Zn ＞ Cu, 这与李玫[12]和陈桂珠等[13]研究无瓣海桑和白骨壤模拟湿地系统对污水中重金属的净化结果相一致。从表1还可见, 同一模拟湿地生态系统土壤子系统对不同处理浓度污水中的同一种重金属的净化效应是不同的。比如无瓣海桑土壤子系统对Cd的净化率, 当灌正常浓度污水时为95.72%, 灌5倍浓度污水时为86.79%, 灌10倍浓度污水时为92.83%。这与其他学者研究秋茄、桐花树模拟湿地对污水中各种重金属的净化效应结果相一致[14–15]。王仁恩等[16]研究了无瓣海桑、海桑(Sonneratia caseolaris)、秋茄人工林区等不同红树林群落土壤吸附重金属情况, 得出土壤吸附重金属的含量与土壤受污染水平有关的结论。表1还显示, 不同模拟湿地生态系统土壤子系统对同一处理浓度污水中同一种重金属的净化效应是不同的。当灌正常浓度污水时, 7种人工模拟湿地生态系统土壤子系统对 Pb、Mn的净化率以无瓣海桑+秋茄最大, 对 Cu的净化率以桐花树最大, 对Zn、Cd的净化率以无瓣海桑最大。当灌5倍浓度污水时, 7种人工模拟湿地生态系统土壤子系统对 Pb的平均净化率以无瓣海桑+桐花树最大, 对Cu、Cd的平均净化率以秋茄最大, 对Zn、Mn的平均净化率均以无瓣海桑+木榄最大。当灌10倍浓度污水时, 7种人工模拟湿地生态系统土壤子系统对Pb平均净化率以无瓣海桑+秋茄最大, 对Cu、Mn平均净化率以秋茄最大, 对Zn平均净化率以无瓣海桑+木榄最大, 对Cd平均净化率均以无瓣海桑最大。综合上面实验结果, 可见为了达到最佳净化效果, 应根据污水中重金属种类和浓度来灵活选择湿地生态系统需要种植的红树植物类型。

3.2 各植物体子系统对污水中重金属的净化效应

将各种人工模拟湿地生态系统中每种红树植物根、茎、叶对某种重金属的净增量相加, 得出该种红树植物体对某种重金属的净增量。然后, 用植物体中各重金属元素净增量与污水和海水中重金属总加入量之比(不含凋落物), 计算出7种人工模拟湿地生态系统植物体子系统对污水所含重金属的净化效率, 结果见表2。

表2 7种植物体子系统对污水的净化效率(%)Tab.2 Purification rate of seven kinds of plant subsystem on wastewater (%)

随着污水处理浓度的升高, 7种植物体子系统对污水中重金属的净化率下降。这与李玫[12]、陈桂珠[13]、马骅[15]和缪绅裕[14]研究模拟湿地系统中无瓣海桑、白骨壤、桐花树和秋茄对污水中重金属净化效率随污水浓度上升而下降的结果相一致。

从表2还可见, 即便在同一浓度污水处理下,同一人工模拟湿地生态系统植物体对污水中不同重金属的净化率也是不同的。比如当灌5倍浓度污水时, 木榄模拟湿地生态系统植物体对污水中重金属净化率从大到小排列为: Cd＞Mn＞Zn＞ Cu ＞Pb。表2还显示, 同一人工模拟湿地生态系统植物体对不同浓度污水中同一种重金属的净化率是不同的。比如秋茄对Mn的净化率, 当灌正常浓度污水时为0.91%,灌5倍浓度污水时为0.84%, 灌10倍浓度污水时为0.66%。另外, 表2还显示, 即便在同一浓度污水处理下, 不同人工模拟湿地生态系统植物体对污水中相同重金属的净化率也是不同的。当灌正常浓度污水时, 7种人工模拟湿地生态系统植物子系统对Pb、Cu、Mn和 Cd净化率以无瓣海桑+桐花树最大, 对Zn净化率以无瓣海桑+木榄最大。当灌5倍浓度污水时, 7种人工模拟湿地生态系统植物子系统对 Pb和 Zn的净化率以无瓣海桑+木榄最大, 对 Cu、Mn和 Cd的净化率以无瓣海桑+桐花树最大。当灌 10倍浓度污水时, 7种人工模拟湿地生态系统土壤子系统对 Pb和 Zn的净化率以无瓣海桑+木榄最大, 对Cu和Mn的净化率以无瓣海桑+桐花树最大, 对Cd的净化率以无瓣海桑+秋茄最大。季一诺[17]研究了东寨港红树林湿地沉积物和秋茄中重金属的富集特征,认为红树植物秋茄体内的重金属与周围沉积物中重金属浓度关系密切。李翠等[1]研究了木榄、海莲(Bruguiera sexangula)、秋茄、角果木(Ceriops tagal)、桐花树, 结果表明不同的植物类型对重金属吸附功能具有明显差异。

可见, 要根据污水中所需净化重金属种类和浓度来选择种植的红树植物, 才可达到最佳净化效果。

3.3 7种人工模拟湿地生态系统的总净化效应

将表1中某种人工模拟湿地土壤子系统对污水的净化率和表2对应的植物体子系统对污水的净化率相加, 可以得出 7种人工模拟湿地生态系统对污水中重金属的总净化率 (表3)。由表3可见, 7种人工模拟湿地系统对污水中 5种重金属的净化率达71.28%以上, 说明用红树植物人工模拟湿地系统净化污水中的重金属是可行的。这与许多学者的研究结论相一致[3,12–15]。由表3还可见, 各人工模拟湿地生态系统对污水中重金属的总净化率与植物种类和污水中重金属种类、浓度有关。当灌正常浓度污水时, 7种人工模拟湿地生态系统对Pb和Mn的总净化率以无瓣海桑+秋茄最大, 对Cu的总净化率以桐花树最大, Zn和 Cd的总净化率以无瓣海桑+桐花树最大。当灌5倍浓度污水时, 7种人工模拟湿地生态系统对Pb总净化率以无瓣海桑+桐花树最大, 对Cu和Cd总净化率以无瓣海桑+秋茄最大, 对Zn和Mn总净化率以无瓣海桑+木榄最大。当灌10倍浓度污水时, 7种人工模拟湿地生态系统对Pb、Mn的总净化率以无瓣海桑+秋茄最大, 对Cu的总净化率以秋茄最大, 对 Zn的总净化率以无瓣海桑+木榄最大, 对Cd总净化率以无瓣海桑最大。可见, 要达到最佳的净化效果, 需根据所净化污水中重金属的种类和浓度, 再来选择种植的红树植物种类。

表3 7种人工模拟湿地生态系统对污水中重金属的净化效率(%)Tab.3 Purification rate of seven kinds of simulated wetland system (%)

3.4 7种植物体子系统和土壤子系统对总净化率的贡献

根据表1—3可分别算出各植物体子系统和土壤子系统占各自整个模拟湿地系统总净化率中所占比率 (表4)。

由表4可知, 不管是灌正常浓度污水、5倍浓度污水, 还是10倍浓度污水, 进入模拟湿地系统中的重金属有 95%以上存留在土壤中, 表明土壤子系统是积存重金属的主要地方。李玫等[18]和刘金苓等[19]分别研究了Cd和Pb在无瓣海桑模拟湿地系统中的分布迁移及净化效应, 陈桂珠等[20]和陈桂葵等[21–24]研究了白骨壤模拟湿地系统中 Pb、Ni、Cd、Zn的分布、迁移及其净化效应, 结果均发现加入系统中的重金属主要存留于土壤子系统中, 很少迁移到植物体和凋落物中。这些说明土壤子系统是各种模拟系统净化的主体。

表4 植物体和土壤子系统在模拟湿地系统净化率中所占比例(%)Tab.4 Percentage of plant and soil subsystem purification rate in the simulated wetland system (%)

4 小结

7种人工模拟湿地系统对污水中Pb、Cu、Zn、Mn、Cd的净化率达 71.28%以上, 说明用红树植物人工模拟湿地系统净化污水中的重金属是可行的。土壤子系统是各种人工模拟湿地系统中净化的主体,进入该系统的重金属大部分(95%)被截留在土壤中。

7种人工模拟湿地生态系统对污水中重金属的总净化率与红树植物种类和污水中重金属浓度有关。当灌正常浓度污水时, 7种人工模拟湿地生态系统对 Pb和 Mn的总净化率以无瓣海桑+秋茄最大,对Cu的总净化率以桐花树最大, Zn和 Cd的总净化率以无瓣海桑+桐花树最大。当灌5倍浓度污水时, 7种人工模拟湿地生态系统对 Pb总净化率以无瓣海桑+桐花树最大, 对Cu和Cd总净化率以无瓣海桑+秋茄最大, 对Zn和Mn总净化率以无瓣海桑+木榄最大。当灌10 倍浓度污水时, 7种人工模拟湿地生态系统对Pb、Mn的总净化率以无瓣海桑+秋茄最大,对Cu的总净化率以秋茄最大, 对Zn的总净化率以无瓣海桑+木榄最大, 对Cd总净化率以无瓣海桑最大。

因此, 为较好地净化污水中的重金属, 必须根据污水中重金属种类和浓度来选择红树植物种类。当然, 由于本实验是人工模拟湿地系统, 而且仅SW、FW、TW三种浓度污水处理, 故还需野外试验以验证室内模拟试验, 为筛选适用于河口海湾的湿地净化植物提供依据。

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Purification effects of simulation wetland system of several kinds of mangrove plants on heavy metals in wastewater

CHEN Simin, TANG Yijie*, LUO Lifen, ZHANG Jingjing, SONG Qianfeng, CHEN Xiaofen, HUANG Huijuan, SUN Tingqi,LIN Xiaochun
School of Biotechnology and Food engineering,Guangdong University of Education,Guangzhou510303,China

Seven kinds of simulation wetland systems were established in the greenhouse.They areSonneratia apetala,Aegiceras corniculatum, Bruguiera gymnorrhiza, Kandelia candel, S.apetala+ B.gymnorrhiza, S.apetala+ K.candel, andS.apetala+A.corniculatum, which were watered regularly and quantitatively with normal artificially formulated water and that of five times or ten times.The results indicated that the purification rate of heavy metals in wastewater was related to the mangrove species of simulated wetland ecosystems and the heavy metal concentrations in wastewater.The results showed that when we poured the normal concentration of wastewater in the seven kinds of simulation wetland systems, the total purification rate of Pb and Mn of theS.apetala+K.candelwetland ecosystem was the highest, the total purification rate of Cu of theA.corniculatumwetland ecosystem was the highest, and the total purification rate of Zn and Cd of theS.apetala+A.corniculatumwetland ecosystem was the highest.The results also showed that when we poured the FW concentration of wastewater in the seven kinds of simulation wetland systems, the total purification rate of Pb of theS.apetala+A.corniculatumwetland ecosystem was the highest, the total purification rate of Cu , Cd of theS.apetala+ K.candelwetland ecosystem was the highest, and the total purification rate of Zn , Mn of theS.apetala+B.gymnorrhizawetland ecosystem was the highest.However, when we poured the TW concentration of wastewater in the seven kinds of simulation wetland systems,the total purification rate of Pb ,Mn of theS.apetala+K.candelwetland ecosystem was the highest, the total purification rate of Cu of theKandelia candelwetland ecosystem was the highest, the total purification rate of Zn of theS.apetala+B.gymnorrhizawetland ecosystem was the highest, and the total purification rate of Cd of theSonneratia apetalawetland ecosystem was the highest.The results also revealed that more than 95% of heavy metal was accumulated in the soil which indicated that the soil subsystem was the main purification body of artificial wetland system.

mangrove plants; simulation wetland system; heavy metals; purification effect

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.05.004

X173

A

1008-8873(2017)05-027-07

陈思敏, 唐以杰, 罗丽芬, 等.几种红树植物模拟湿地系统对污水中重金属的净化效应[J].生态科学, 2017, 36(5): 27-33.

CHEN Simin, TANG Yijie, LUO Lifen, et al.Purification effects of simulation wetland system of several kinds of mangrove plants on heavy metals in wastewater[J].Ecological Science, 2017, 36(5): 27-33.

2016-10-19;

2016-11-22

国家自然科学基金(31570525); 广东省自然科学基金(2014A030313750); 广东省科技计划项目(2015A030302096); 广东大学生科技创新培育专项资金项目(pdjh2015a0394); 大学生创新创业训练项目(201614278078)资助

陈思敏(1994—), 女, 广东台山人, 主要从事红树林生态学研究, E-mail: suky2min@126.com.

*通信作者:唐以杰, 男, 博士, 教授, 主要从事红树林生态学研究, E-mail: tyj@gdei.edu.cn