沉水植物菹草对含铬废水的修复实验设计

王爱丽, 王 芳, 商书波, 李春辉, 王文强, 张存兰

(德州学院 化学化工学院, 山东 德州 253023)

实验教学是环境工程专业教学中十分重要的一个环节,通过理论和实践的结合、知识和能力的结合,有效提升学生的实践能力和创新意识[1-3]。在实验教学中引入学科前沿,可以引导学生更加有效地学习和运用基础知识,感受学以致用的乐趣,激发创新思维,培养创新能力[4-5]。

近年来,利用水生植物净化水体的湿地研究得到了人们的重视,菹草是一种特殊的冬春季生活型水生植物,一般在4—5月开始繁殖,形成无性繁殖器官(石芽),6月起本体逐渐衰退腐烂。由于菹草茎叶发达,生物质比表面积较大,菹草的存在能有效去除水中的重金属和有机污染物[6-9]。了解水生植物修复受污染水体的方法,有利于环境工程专业学生认识学科发展前沿、提升科研创新能力。

1 实验材料与方法

1.1 材料

实验所用沉水植物菹草采自德州市岔河,将采集到的菹草带回实验室用水冲净,于采集的河水中培养。

1.2 实验设计

实验选用容积4 L的玻璃培养缸进行菹草的培养,向玻璃培养缸中分别加入4 L质量浓度分别为0.1、0.2、0.5、1.0 mg/L的Cr(Ⅵ)水溶液,平行做4份,每个玻璃培养缸中分别投放菹草鲜重为0、4、8、16 g,使菹草的浓度分别为0、1、2、4 g/L,不放菹草的作为空白对照。实验在自然环境下进行,实验过程中及时添加蒸馏水，补充由于蒸发损失的水分。实验共7 d,实验结束后测定各项指标,包括水中Cr(Ⅵ)浓度、菹草生物量及菹草中Cr(Ⅵ)浓度,并计算植物富集系数。

1.3 测定方法

水中Cr(Ⅵ)的测定采用二苯碳酰二肼分光光度法[10]。待测菹草样品用去离子水洗净，在烘箱中65 ℃烘干至恒重；将样品粉碎后,60目的筛子过筛,置5 mL浓硝酸中过液,然后经200 ℃加热10 min,冷却；再加入浓硝酸和高氯酸的混合酸(体积比3∶1)10 mL,加热置浓白烟产生后再蒸干；冷却后用0.1 mol/L的硝酸溶解并定容至10 mL[11]。Cr(Ⅵ)的测定与水中Cr(Ⅵ)的测定方法相同。

菹草生物量的测定采用称重法,以湿重计。

2 结果讨论

2.1 菹草对Cr(Ⅵ)的去除

为了研究菹草对不同的Cr(Ⅵ)浓度的去除率,选取了4个Cr(Ⅵ)质量浓度进行实验,同时还做了菹草的添加量对Cr(Ⅵ)去除的影响,实验结束后,测得的Cr(Ⅵ)质量浓度和去除率见图1。

图1 菹草对Cr(Ⅵ)的去除

由图1可知：在Cr(Ⅵ)质量浓度相同的条件下,随着菹草添加量的增加,菹草对水中Cr(Ⅵ)的吸附和吸收增加；水中Cr(Ⅵ)的质量浓度降低,菹草对Cr(Ⅵ)的去除率增加,在Cr(Ⅵ)质量浓度为0.1 mg/L、菹草投加量为16 g时,菹草对Cr(Ⅵ)的去除率为67%；但Cr(Ⅵ)质量浓度不同,菹草添加量相同时,随着Cr(Ⅵ)质量浓度的增大,菹草对Cr(Ⅵ)去除率减小；在Cr(Ⅵ)质量浓度为1.0 mg/L、菹草投加量为4 g时,菹草对Cr(Ⅵ)的去除率为9.9%,菹草投加量为16 g时,菹草对Cr(Ⅵ)的去除率为22.5%。

2.2 菹草生物量的变化

实验结束后取出菹草用吸水纸吸干后称重,记录菹草的湿重数据,在不同质量浓度的Cr(Ⅵ)溶液中菹草生物量的变化见图2。由图2可知,在不同Cr(Ⅵ)质量浓度中添加相同量的菹草后,菹草的生物量随Cr(Ⅵ)质量浓度的增加先升高后降低；在0.2 mg/L的Cr(Ⅵ)溶液中菹草的生物量达到最大,这可能是因为在低浓度Cr(Ⅵ)溶液中,Cr(Ⅵ)的存在可能会刺激菹草的生长,使得菹草的生物量增加。在高浓度的Cr(Ⅵ)溶液(如Cr(Ⅵ)浓度为1.0 mg/L)中,高浓度的Cr(Ⅵ)会对菹草造成伤害,使得菹草的生长受到阻碍,最终导致菹草的生物量降低。

图2 菹草生物量

2.3 菹草内Cr(Ⅵ)含量的变化

不同初始浓度的Cr(Ⅵ)溶液中菹草体内Cr(Ⅵ)含量变化见图3。由图3可知：随水中初始Cr(Ⅵ)质量浓度的升高,菹草中Cr(Ⅵ)的含量逐渐增大；水中Cr(Ⅵ)初始质量浓度相同时,随着菹草投加量的增大,水中Cr(Ⅵ)的质量浓度降低(见图1),说明菹草对Cr(Ⅵ)的吸收增大,但菹草的投加量增大,每克菹草内Cr(Ⅵ)的含量减小。

图3 菹草内Cr(Ⅵ)的含量

2.4 菹草对Cr(Ⅵ)的富集

常用植物富集系数(plant concentration factor,PCF)来反映植物对污染物的富集能力,PCF值越大,富集作用越强。PCF为植物中的污染物浓度(湿重)除以水中污染物浓度。菹草对Cr(Ⅵ)的富集系数见图4。由图4可知：随着Cr(Ⅵ)质量浓度的增加,相同菹草添加量的处理中,菹草对Cr(Ⅵ)的富集系数减小；Cr(Ⅵ)初始质量浓度相同时,随着菹草添加量的增加,菹草对Cr(Ⅵ)的富集系数降低。

Cr(Ⅵ)不是植物生长的必需元素,而且是危害植物生长的一种重金属元素,低浓度时即可对植物造成伤害。受重金属毒害的植物其光合系统、保护酶系统、细胞超微结构等已受到严重损伤[12]。重金属去除的多少主要决定于菹草对重金属吸附能力的大小。当Cr(Ⅵ)初始质量浓度为0.1 mg/L时,受伤害较轻的菹草富集大量Cr(Ⅵ)；当Cr(Ⅵ)的质量浓度达到0.5 mg/L时,菹草的受害程度加重,对Cr(Ⅵ)的富集能力减弱,表现为水体Cr(Ⅵ)的去除率降低；当Cr(Ⅵ)的初始质量浓度进一步增大时,菹草受害严重,主动吸收减弱。

图4 菹草对Cr(Ⅵ)的富集系数变化

实验完成后学生以科技论文的形式上交实验报告。本实验让学生充分了解科学研究中从调研、实验 开展、结果讨论到形成科技报告的基本流程,为学生今后从事创新性科研工作提供基础。

3 实验教学效果

通过本实验,使学生了解含铬废水的来源及主要的处理方法,了解水生植物的分类及沉水植物菹草的形态、生活习性,掌握水中铬的测定方法,掌握植物中铬的提取与测定方法,掌握模拟菹草修复水污染的实验方法。在具体实施过程中,菹草的叶片颜色发生变化,含铬废水的颜色也发生了变化,引起了学生的兴趣和热烈讨论。前沿研究中的新方法的引入提升了实验的新颖性,提高了学生对自身专业的认同感。教学实践表明,本实验在提升学生的创新意识和创新能力方面都有良好的效果。 学生还可以通过自主调研设计,将这种水生植物应用到其他水体,如有机物污染的水体。

4 结语

本实验通过水生植物对受污染水体的修复,实验设计兼顾学生基本实验技能训练和前沿研究引入。实验内容上采用学生熟悉的铬的测定, 操作简单、易于完成,缩小了学生与前沿研究的距离,增强了学生参与科学研究的自信心。实验中加入了植物中金属元素的提取测定和植物对金属的富集系数,内容丰富,结果讨论深入,提高了学生综合分析问题的能力。教学实践表明,这种研究型实验较受学生喜爱,不仅巩固了学生的专业基础知识,而且提高了学生的科研素养。