修复白洋淀镉污染水体的沉水植物筛选试验

王晓美 高培培 孙旭淏 孙迪 刘文菊 廖文华 薛培英

摘 要：為了筛选出适宜修复白洋淀镉（Cd）污染水体的沉水植物，该研究通过室内模拟试验，分析了四种沉水植物黑藻、狐尾藻、金鱼藻和菹草对Cd的耐受性及对底泥Cd的富集和迁移能力。结果表明：（1）通过毒性测试研究，Cd对黑藻、狐尾藻、金鱼藻及菹草的4 d-EC50（半数抑制浓度）分别为0.51、0.81、0.03、0.12 mg·L-1，狐尾藻对Cd的耐性最强，黑藻次之，金鱼藻对Cd的耐性最低;四种沉水植物对Cd的最大富集量分别为27.89、15.28、22.54、32.74 g·kg-1，菹草对Cd的富集能力最强，黑藻次之，狐尾藻对Cd的富集能力最低。（2）通过Cd污染底泥修复研究，黑藻、狐尾藻和菹草体内Cd富集量整体表现为根>叶片和茎（P<0.05）;地上部、根对Cd的富集能力分别表现为黑藻>菹草>狐尾藻，菹草>黑藻>狐尾藻;三种沉水植物对Cd的迁移能力则表现为黑藻>狐尾藻>菹草。总之，黑藻对底泥中Cd富集和迁移能力均较强，且耐性较高，是最适合修复白洋淀Cd污染水体的沉水植物。

关键词：白洋淀，沉水植物，镉，筛选，耐性，富集能力

中图分类号：Q948，X824

文献标识码：A

文章编号：1000-3142（2018）10-1382-09

Abstract：In order to screen the suitable submerged macrophytes for phytoremediation of cadmium（Cd）-contaminated water in Baiyangdian Lake，which is the largest freshwater lake in North China，indoor simulation experiments were conducted to investigate the tolerance of Cd，and accumulation and transportation of Cd from contaminated sediment by four kinds of submerged macrophytes which were Hydrilla verticillata，Myriophyllum verticillatum，Ceratophyllum demersum and Potamogeton crispus. The results were as follows：（1） Results of the toxicity test showed that 4 d-EC50 of Cd for Hydrilla verticillata，Myriophyllum verticillatum，Ceratophyllum demersum and Potamogeton crispus were 0.51，0.81，0.03 and 0.12 mg·L-1，respectively. The tolerance for Cd from high to low was Myriophyllum verticillatum，Hydrilla verticillata，Potamogeton crispus and Ceratophyllum demersum. Myriophyllum verticillatum showed the strongest tolerance for Cd. In addition，the maximal concentrations of Cd for Hydrilla verticillata，Myriophyllum verticillatum，Ceratophyllum demersum and Potamogeton crispus were 27.89，15.28，22.54 and 32.74 g·kg-1，respectively. Potamogeton crispus had the strongest accumulation capability of Cd，followed by Hydrilla verticillata，and Myriophyllum verticillatum had the lowest.（2） The results of remediation Cd-contaminated sediment by Hydrilla verticillata，Myriophyllum verticillatum and Potamogeton crispus indicated that accumulation of Cd in roots was significantly higher than that in leaves and stems（P<0.05）. Furthermore，concentrations of Cd in shoots of submerged plants decreased in order of Hydrilla verticillata > Potamogeton crispus > Myriophyllum verticillatum，while contents of Cd in roots decreased in order of Potamogeton crispus > Hydrilla verticillata > Myriophyllum verticillatum. Moreover，the transportation capability of Cd from Cd-contaminated sediment to plants in the pattern of Hydrilla verticillata > Myriophyllum verticillatum > Potamogeton crispus. In summary，due to the higher tolerance，accumulation and transportation ability of Cd，Hydrilla verticillata is the most suitable submerged macrophyte for remediation of Cd-contaminated water in Baiyangdian Lake.

Key words：Baiyangdian Lake，submerged macrophytes，cadmium，screening，tolerance，accumulation capability

湖泊具有调节区域水量、繁衍水生动植物等自然功能，也具备灌溉、运输等社会功能，对人类的生存和发展意义重大。但是，随着工业的发展和人类活动的加剧，重金属污染成为湖泊污染的关键问题（曲久辉，2000）。白洋淀被誉为华北明珠，是华北地区最大的淡水湖，具有缓洪滞沥、调节雨量、净化水体以及维持生物多样性等生态功能。近年来，由于入淀污水的增多，农业面源污染的加剧，以及淀区养殖业和旅游业的迅速发展，白洋淀水体重金属污染日益严重。张笑归等（2006）研究表明，白洋淀的烧车淀、王家寨等多个淀区的水体中镉（Cd）含量普遍高于其它重金属。白洋淀湖泊底泥均遭受Cd、砷（As）、铅（Pb）、铜（Cu）、锌（Zn）等重金属不同程度的污染，其中Cd超标程度最高（5～10 mg·kg-1），达到重度污染（杨卓等，2005;白军红等，2013）。Cd是毒性最高的金属元素之一，污染水体后很容易向食物链传递（Li H et al，2017; Li LZ et al，2017）。因此，解决白洋淀水体特别是底泥中Cd污染问题迫在眉睫。

沉水植物由于整株处于水体中，其根和茎、叶均具有吸收功能，可以分别从底泥和水中吸收营养物质包括污染物。沉水植物对重金属有较强的富集能力，其富集能力高于其它大型水生植物（Demirezen & Akso，2004;Mazej & Germ，2009;潘義宏等，2010）。Xing et al（2013）对中国中部和东部24个湖泊的沉水植物进行调查，结果表明沉水植物对重金属有很强的富集能力，其中一些沉水植物可以作为重金属超富集植物，如大茨藻（Najas marina）可以作为As、Cd的超富集植物，金鱼藻（Ceratophyllum demersum）可以作为钴（Co）、铬（Cr）和铁（Fe）的超富集植物。此外，应用沉水植物修复污染水体与其他物理、化学及其工程的方法相比，具有成本低、能耗小、易操作、效果好、污染小的优点，有利于生态环境的整体改善（任文君等，2011）。对于包括我国在内的发展中国家，环境污染和生态破坏严重，加上环保投入有限，在这种情况下，沉水植物的净化技术提供了一种高效、低廉的治理手段，因此具有广阔的市场和应用前景。然而，目前沉水植物修复重金属污染水体研究尚不深入，大多仅限于沉水植物对水体重金属的富集效果研究（Bunluesin et al，2007;陈国梁和林清，2009;Sivaci et al，2008），物种筛选研究也大多针对南方湖泊（Peng et al，2008;黄亮等，2002;乔云蕾等，2016），而对白洋淀乃至北方湖泊沉水植物重金属修复研究较少（朱阳春等，2011;潘保原等，2015）。此外，由于沉水植物同时处于底泥和水两相系统中，其富集的重金属可以通过体内迁移进而向外释放而影响重金属在整个水体系统中的循环。因此，在明确沉水植物对重金属的耐受和富集能力基础上研究其对重金属的迁移、释放能力尤为重要。

本研究针对白洋淀水体Cd污染问题，首先通过毒性测试，明确白洋淀常见的四种沉水植物黑藻（Hydrilla verticillata）、狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）、金鱼藻及菹草（Potamogeton crispus）对Cd的耐受性;其次通过对黑藻、狐尾藻、菹草三种有根沉水植物对底泥中Cd富集，迁移和释放能力的研究;最后筛选出适宜白洋淀乃至华北地区淡水湖泊Cd污染修复的沉水植物，为应用沉水植物净化重金属污染水体提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 镉对沉水植物的毒性研究

1.1.1 植物材料与培养 黑藻、狐尾藻、金鱼藻及菹草取自白洋淀寨南村。取回后用自来水清洗干净，选取10 cm左右顶枝栽种于塑料桶中（直径55.5 cm，高57.5 cm，含9 cm土层和0.5 cm石英砂），加入自来水，于实验室中培养。在对植物进行处理前，取生长一致的顶枝于人工淡水中驯化7 d，人工淡水配方参见Xue & Yan（2011）。植物驯化在人工气候培养箱（BIC-400型）中进行，温度为（20±2）℃，光照为12 h，光照强度为115 μmol·m-2·s-1。

1.1.2 试验方法 Cd对四种沉水植物的毒性测试参照Markich et al（2006）的方法。将生长一致的健康顶枝（约3.5 cm）转移到聚乙烯塑料瓶（直径9 cm，深9 cm）中，进行一系列Cd浓度处理，依次为0、0.05、0.5、1.0、2.0、4.0、8.0 mg·L-1，每处理3个重复，Cd2+从CdCl2中提供。每个塑料瓶用尼龙网隔成4个室，每室置1个顶枝，每瓶4个，以防止植物间竞争抑制生长。每2 d更换1次溶液，每天按称重法补充蒸发损失的溶液保持体积为450 mL，并随机更换塑料瓶位置。培养4 d后取样，用超纯水冲洗植物，拭干后测其茎伸长，70 ℃烘干至恒重，消煮后测定植物体内Cd含量。

1.2 沉水植物对底泥镉修复研究

1.2.1 植物材料与培养 沉水植物取样和培养方法同1.1.1。底泥取自白洋淀入淀口河道，取样深度为 0～20 cm，取回后风干去杂过2 mm筛，备用于培养沉水植物。供底底泥基本化学性质：pH7.97，总氮1 800 mg·kg-1，总磷690  mg·kg-1，有机质45 450 mg·kg-1，速效磷19.62 mg·kg-1，速效钾32.8 mg·kg-1，镉23.82 mg·kg-1。底泥pH用酸度计测定，TN用混合催化剂消化-凯氏定氮仪蒸馏-标准硫酸滴定法测定，TP用HClO4-H2SO4消化-钼锑抗比色法测定，有机质用重铬酸钾外加热法测定，速效磷用钼锑抗比色法测定，速效钾用火焰光度计测定，Cd用原子吸收光谱仪（AASZEEnit700P）测定。具体分析测定方法参考《环境科学与工程实验教程》（钟文辉，2013）和《土壤农化分析》（鲍士旦，2000）。

1.2.2 试验方法 先将每种沉水植物3株置于塑料杯中（直径7 cm，高9.5 cm，含9 cm底泥和0.5 cm石英砂），再将其至于塑料桶中（直径55.5 cm，高57.5 cm），每桶12个塑料杯，自来水培养。每种植物种植1桶，另设1桶不种植物作为对照，共4桶。每隔2 d补充自来水保持水面距离植物顶端约10 cm（以长势最高的植物为准补充水以保证所有处理水体积一致）。随机取3株植物分别于第0天、第4天、第7天、第14天、第30天测量植物伸长（精确到0.1 cm），并用取水器采集地表水（水面下20 cm）和上覆水（水和底泥交界面）。30 d后取植物样（地上部和根），另将一部分植物地上部从中间剪断分为上叶、下叶、上茎、下茎以考察Cd在茎叶不同部位的富集情况。将植物样品用超纯水清洗干净后分别装入牛皮纸袋，于70 ℃烘干至恒重，消煮后测定植物中Cd含量。

1.3 样品消煮及测定

准确称取植物样品（精确至0.000 1 g）置于聚四氟乙烯内胆中，加入硝酸3 mL放置过夜，次日加入双氧水1.5 mL，盖上内盖放入不锈钢外套中，旋紧密封，置于烘箱中，于140 ℃消化4 h，冷至室温后取出，于电热板上赶酸至1 mL后转移置10 mL比色管中，用超纯水定容即为消解原液。空白和标准样品同样操作。

消煮液和水溶液中Cd均采用ICP-MS（Agilent7700X）测定，并以国家一级标准物质（GBW 07604）进行准确度和精密度监控，回收率为80%～90%，同时做标准曲线及空白。按比例随机抽查进行样品分析质量监控，以重复采样、重复分析来评定采样和分析误差。

1.4 数据分析

采用Sigmaplot10.0、Microsoft Excel 2010和SPSS19.0进行数据处理及差异显著性检验。

1.4.1 EC50 EC50是指能引起50%最大效应的浓度。本文指能抑制沉水植物半数生长的外部Cd浓度。毒性测试中，选取茎伸长作为毒性测试终点指标，以茎伸长占对照的百分比（%）作为生长率，将外部Cd浓度-生长率数据拟合log-logistic方程，得到生长EC50。EC50值越大，说明沉水植物对Cd的耐受性越强。

1.4.2 富集系数 植物对重金属富集能力的大小一般采用富集系数（bioconcentration factor，BCF）来评价。富集系数指某种化学物质在生物体内积累达到平衡时的浓度与生物所处环境介质中该物质浓度的比值，是一个无量纲的数值（廖启林等，2013）。本文涉及的富集系数为沉水植物地上部、根对底泥中Cd的富集系数。富集系数的数值越高表示地上部、根对底泥中Cd吸收积累能力越大。

1.4.3 迁移系数 迁移系数（TF）为地上部Cd含量与根中Cd含量的比值（Turgut et al，2004）。

2 结果与分析

2.1 镉对沉水植物的毒性研究

2.1.1 镉对沉水植物的毒性 Cd对四种沉水植物的毒性试验发现，金鱼藻在0.05 mg·L-1溶液中暴露4 d后，叶片均脱落且呈黄绿色，生长受到明显抑制。菹草在0.5 mg·L-1溶液中暴露4 d后，叶片腐烂发黑，生长受到明显抑制。黑藻在1 mg·L-1溶液中暴露4 d后，黑藻顶枝绿色，下枝呈黄色，叶片上出现明显黑点，生长受到明显抑制。狐尾藻在1 mg·L-1溶液中暴露4 d后，叶片、茎颜色开始发黄，且出现叶脱落现象，生长受到明显抑制。

Cd对四种沉水植物的毒性-剂量效应曲线如图1所示。为了拟合log-logistic方程，对照Cd浓度由0变更为0.001 mg·L-1，以便进行log换算。图1显示，四种沉水植物随着Cd浓度的增加，生长率（为茎伸长量占对照的百分比）均呈現先缓慢降低后急剧下降的趋势。毒性-剂量效应数据通过拟合log-logistic方程得到半数生长抑制浓度（EC50），结果如表1所示，Cd对四种沉水植物的4d-EC50值大小为狐尾藻>黑藻>菹草>金鱼藻，即狐尾藻对Cd的耐性最强，金鱼藻对Cd的耐性最差，且对Cd耐性最强的狐尾藻4d-EC50值约是耐性最弱的金鱼藻4d-EC50值的27倍。

2.1.2 沉水植物对镉的富集 四种沉水植物对Cd的富集量均随外界Cd浓度的增加而迅速增加（图2）。当外界Cd浓度为0.05 mg·L-1时，黑藻、狐尾藻、金鱼藻和菹草对Cd的富集量分别为1.07、0.49、0.12、0.72 g·kg-1 DW（干物重），均高于Cd超富集植物的临界含量值0.1 g·kg-1（Baker & Whiting，2002），且除金鱼藻外，黑藻、狐尾藻和菹草生长均未受到明显抑制，说明这三种沉水植物具备Cd超富集植物的潜力。四种植物相比，菹草体内Cd富集量最高，比其它植物高17.39%～114.27%，其次为黑藻和金鱼藻，狐尾藻对Cd的富集量最低。当置于8.0 mg·L-1 Cd溶液处理4 d后，四种植物体内Cd富集量均达到最高，表现为菹草>黑藻>金鱼藻>狐尾藻。

在四种沉水植物对Cd的毒性测试中，狐尾藻对Cd的耐性最强，但体内对Cd的富集量最低，说明狐尾藻可能通过抑制Cd的吸收富集来增加对Cd的耐性，同时观测到狐尾藻在低浓度时叶片脱落，推测它可能通过合成脱落酸等物质将叶片脱掉以降低Cd吸收面积来解毒;金鱼藻对Cd耐受能力最低，其对Cd富集能力也较低;菹草和黑藻对溶液中Cd的富集能力均很强。

2.2 沉水植物对镉污染底泥修复研究

由于金鱼藻无根，且以上毒性测试结果表明金鱼藻对Cd的耐性最小，所以，选取其中三种对Cd耐性较强且有根的常见沉水植物进行Cd污染底泥修复研究。上覆水和地表水中Cd浓度测定结果表明，对照的地表水和上覆水中Cd均未检出，说明无扰动情况下，底泥中Cd不存在向水体释放现象。三种沉水植物处理30 d后，地表水和上覆水中的Cd也均未检出，说明三种沉水植物均未将体内富集的Cd释放到外界水环境中。因此，在无外界扰动情况下，沉水植物不影响Cd由底泥向水体的迁移。

2.2.1 沉水植物生长情况 由图3可知，黑藻第0天到第14天生长较为缓慢，第14天到第30天生长率（生长率为茎伸长量占0 d时茎长的百分比）迅速增加。狐尾藻30 d内一直表现出较高的生长率，而菹草则30 d内一直平缓生长。30 d后，黑藻、狐尾藻和菹草的生长率分别为75.96%、116.94%、15.75%。在植株整个生长过程中，生长率表现为狐尾藻>黑藻>菹草，说明狐尾藻对Cd的耐受能力最强，其次为黑藻，这与毒性测试研究结果一致。

2.2.2 沉水植物不同部位对镉的富集 从图4可以看出，在Cd污染底泥培养30 d后，三种沉水植物的Cd均主要分布在根，其次为叶片和茎，其中狐尾藻和菹草根部对Cd的富集量显著高于叶片和茎（P<0.05）。除狐尾藻下叶Cd富集量显著高于茎之外，其它植物叶片和茎中Cd富集量差异均不显著（P>0.05），同种植物上叶与下叶、上茎与下茎之间Cd富集量差异也不显著（P>0.05）。

三种沉水植物相比，根部对Cd的富集量表现为菹草>黑藻>狐尾藻，其中菹草根部对Cd的富集量显著高于黑藻和狐尾藻（P<0.05），菹草根中Cd富集量是狐尾藻的7.44倍;地上部对Cd的富集量表现为黑藻>菹草>狐尾藻，其中黑藻地上部对Cd的富集量显著高于菹草和狐尾藻（P<0.05），黑藻的叶片和茎对Cd的富集量分别比狐尾藻和菹草高3.04%～84.09%和19.46%～94.13%。

2.2.3 沉水植物镉富集系数和迁移系数 由表2可知，三种沉水植物地上部对底泥中Cd的富集能力分别表现为黑藻>菹草>狐尾藻，其中黑藻地上部对Cd的富集系数是狐尾藻的6.6倍。三种沉水植物根部对底泥中Cd的富集能力分别表现为菹草>黑藻>狐尾藻，其中菹草根对Cd的富集系数是狐尾藻根的7.21倍。三种沉水植物对Cd由底泥向地上部的迁移能力则表现为黑藻>狐尾藻>菹草，其中黑藻对Cd的迁移系数（TF）为0.79，接近Cd超富集植物的临界迁移系数标准（TF=1）（Bernadette et al，2011），且对Cd迁移系数最高的黑藻是对Cd迁移系数最低的菹草的3.76倍。

3 讨论

本研究毒性测试结果表明，Cd对四种沉水植物的4d-EC50值（0.03～0.81 mg·L-1）均超过了《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》V类水Cd标准限值0.01 mg·L-1，也超过了白洋淀水环境中Cd浓度（0.18～0.91 μg·L-1）（齐丽艳，2011;温春辉，2009）。这说明四种沉水植物均具有修复白洋淀乃至我国大部分Cd污染水体的潜力。四种沉水植物相比，黑藻对Cd的耐性较强，同时对Cd的富集量也较高，是最适宜修复Cd污染水体的物种。Min et al（2016）研究同样表明，黑藻对Cd有很强的富集能力。这可能是由于植物对逆境的生理响应与体内保护酶系统的活性密切相关（刘鹏和杨玉爱，2000），保护酶体系SOD、POD、CAT是抗氧化酶防御系统中的重要保护酶，Cd2+胁迫下，黑藻可能通过提高SOD、CAT、APX活性，增加可溶性蛋白和脯氨酸含量，降低O2-·的产生速率，从而对重金属Cd2+产生一定的抗性（焦轶男和朱宏，2014）。颜昌宙等（2006）研究表明黑藻体内的粗纤维素占干物质的比重很大（约为25.26%），而粗纤维素主要由多糖构成，多糖的-OH和-CONH2可以与金属离子进行络合作用而促进细胞壁对Cd的吸附。菹草对Cd的富集量最高，但对Cd的耐性较差，本研究中观测到菹草在低浓度（0.5 mg·L-1）时叶片出现腐烂发黑现象，说明该植物不适用于修复高浓度Cd污染水体，但对于浓度小于0.5 mg·L-1的Cd污染水体则具有很强的修复能力。

本研究三种沉水植物对Cd污染底泥修复结果表明，不同部位相比，三种沉水植物的Cd均主要富集在根，其次为叶片和茎，这与其他研究结果一致。Cardwell et al（2002）对澳大利亚昆士兰州污染河流的15种不同类型植物（包括沉水植物）调查结果显示，植物体根系对Cd、Zn、Cu、Pb的富集能力高于地上部;Demirezen & Akso（2004）对Sultan湿地中的眼子菜进行调查研究，结果同样表明龙须眼子菜根中富集的镍（Ni）、Pb高于叶片和茎;Mazej & Germ（2009）对人工湖中的沉水植物调查结果显示，大茨藻和光叶眼子菜的根系对As、Cr、Pb、Ni的富集能力均高于叶片和茎。Jorge et al（2016）研究也表明将狐尾藻置于不同浓度Cu、Zn、Pb、Hg混合溶液中7 d，狐尾藻根部对重金属的富集量均高于地上部。本研究中狐尾藻、黑藻体内Cd含量是潘义宏等（2010）研究结果的5.81～18.96倍，这可能是由于本研究底泥中Cd的含量（23.82 mg·kg-1）高于他们研究中底泥Cd含量（0.05 mg·kg-1）。此外，本研究中三种沉水植物茎叶不同部位对Cd的富集情况相同，说明Cd由根系向地上部幼嫩组织和衰老组织的迁移不存在差异性。三种沉水植物对Cd富集能力相比，虽然黑藻根部Cd富集量比富集量最高的菹草低43.37%～64.37%，但是黑藻对Cd具有很强的向上迁移能力，其TF为0.79接近于1，而1为超富集植物的衡量标准（Bernadette et al，2011），导致黑藻地上部Cd富集能力最强，因此可以通过“植物提取”的方法，将底泥中的Cd富集在地上部，并通过收获地上部来净化Cd污染水体。Bunluesin et al（2004）和Lafabrie et al（2013）研究表明黑藻具有很强的Cd修复潜力。高海荣等（2016）通过郑州河段的沉水植物进行野外调查也发现黑藻对多种重金属均有较强的富集能力，可作为复合重金属污染水体修复的优选物种。菹草对Cd的耐受能力最低，30 d生长率为15.75%，且地上部对Cd的富集系数也较低，其BCF为0.21，而根部对Cd的富集系数为1.01，大于1，说明菹草根部对Cd有很强的富集能力，可以通过“植物固定”来修复Cd污染底泥。狐尾藻虽然对Cd耐受能力最强，但是其对Cd富集能力最低，且迁移能力也较低（TF=0.34），因此不适用于修复该Cd污染底泥。本研究结果表明三种沉水植物均不会向水环境释放Cd，不影响Cd由底泥向水体的迁移。

综合毒性测试和Cd污染底泥修复研究结果，黑藻对白洋淀污染底泥中Cd富集和迁移能力均较强，且对Cd耐性较高，因此是最适合修复白洋淀Cd污染水体的沉水植物。需要注意的是，沉水植物需要及时刈割来达到修复水体污染的目的，否则会因为腐烂造成水体二次污染（雷婷文等，2015;谢佩君等，2016）。

4 结论

（1）四种沉水植物对Cd的耐受能力表现为狐尾藻>黑藻>菹草>金鱼藻，对水中Cd的富集能力表现为菹草>黑藻>金鱼藻>狐尾藻。（2）沉水植物对Cd污染底泥的修复研究表明，三种沉水植物体内的Cd均主要分布在根，其次为叶片和茎;沉水植物地上部和根对底泥中Cd的富集能力分别表现为黑藻>菹草>狐尾藻，菹草>黑藻>狐尾藻;Cd由根系向地上部的迁移能力则表现为黑藻>狐尾藻>菹草。三种沉水植物均不影响Cd由底泥向水的释放。总之，黑藻對底泥中Cd富集能力和迁移能力均较强，且耐性较高，是最适合修复白洋淀Cd污染水体的沉水植物。