三种水生植物对重金属的富集及净化能力研究

周佳栋，马丹丹，刘 敏，洪小慧，傅嘉辉，蒋璐蔓， 吕丹丹，方佳琪，曹 勇，李伟东

(1. 杭州师范大学钱江学院，浙江 杭州 310018；2. 浙江天川环保科技有限公司，浙江 杭州 310015； 3. 浙江水美环保工程有限公司，浙江 杭州 310036；4. 浙江瑞启环境检测有限公司，浙江 杭州 310021)

随着现代工业的发展，水污染问题普遍存在.典型的重金属污染物如铜、锰、镉(Cu、Mn、Cd)等，在世界各地很多水体中被检出[1-2].开展重金属污染水体的治理修复技术研究工作已刻不容缓.传统的物化法，相对治理费用高，存在二次污染风险，不能被广泛应用.水生植物修复法因其绿色环保等原因在重金属污染水体的治理上备受关注[3].国外研究表明，水芙蓉(Pistiastratiotes)[4]、车前草(Plantagomajor)[5]可有效吸收水体中铜和汞等重金属离子.千屈菜(Lythrumsalicaria)可以快速降低镍离子浓度[6].金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)可以用于镉和铅污染水体的生态修复[7].浮萍(Lemnaminor)[8]能去除锌、铜和镉等重金属离子.凤眼莲(Eichhorniacrassipes)[9]和绿萝(Epipremnumaureum)[10]等对铜、镉和铅等都有较好的去除效果.国内就绿萝[11-12]、水芙蓉[13]、凤眼莲[14]、眼子菜(Potamogetondistinctus)[15]、空心莲子草(Gynuracrepidioides)[16]、籽粒苋(Amaranthushypochondriacus)[17]、水鳖(Hydrocharisdubia)[18]、浮萍[19]、菹草(Potamogetoncrispus)[20]等水生植物对重金属污染水体的修复研究也表明，水生植物法具有较好的应用价值，是一种极具发展潜力的绿色生态修复技术.

目前的研究大多以单一水生植物对单一重金属离子处理为主，对其他共存重金属的耐受性和水生态系统的植物多样复合型研究普遍不足，对植物净化重金属的机制及抗性机理研究不够深入，难以治理复合(多种)重金属污染的水体.因此，如何筛选出能有效富集和净化水体重金属复合污染的植物是水生植物修复技术的关键所在.水芙蓉、凤眼莲和绿萝作为常见的水生植物，其本身繁殖能力强，能在短时间内形成较大规模的种群，同时，对典型重金属具有较好的富集净化能力.因此，本研究以水芙蓉、凤眼莲和绿萝为试验对象，开展不同水生植物对水体中Cu、Mn、Cd的富集及净化试验，旨在阐明合适的植物组合提高对水体重金属净化能力的机理，为重金属污染水体的治理提供借鉴.

1 材料和方法

1.1 供试材料

1.1.1 水样采集与配制

先期采集受典型重金属Cu、Mn、Cd 等污染的河道水体，按照确定的检测分析方法，测定水体理化性质(表1)，作为人工模拟废水的配制指标.同时，为尽可能地模拟自然水体水质，试验中模拟水样用水采自杭州某高校校园内种植水生植物的无污染景观地表水体.取水后测定水质和重金属本底含量，并按表1所列典型重金属污染水体的水质，配制人工模拟重金属污染废水用于水生植物富集重金属和净化水体试验.

表1 污染河道水体的理化性质指标Tab.1 Physical and chemical properties of polluted river water

1.1.2 试验植物选取与准备

实验用水芙蓉、凤眼莲和绿萝幼苗购自杭州市花卉市场，要求为生长状况相似的同一产地的同一品种，并挑选大小、发育较一致的株体，去除腐烂枝叶后，用去离子水冲洗干净，经自然晾干叶面水分后备用.

此外，实验中其他材料等均依照生物学相关检测实验要求进行，所用化学试剂均为分析纯试剂.

1.2 试验设计

采用人工模拟废水试验，分为单一因素的污染水体净化试验(A组)和多因素组合污染水体净化试验(B组).

1.2.1 单一因素的污染水体净化试验

单一处理试验阶段采用玻璃箱在室内人工环境下模拟进行，设置4个处理：A1，空白组，玻璃箱内只放入模拟污水；A2，放入水芙蓉和模拟污水；A3，放入凤眼莲和模拟污水；A4，放入绿萝和模拟污水.实验中，试验箱按组分别放置水芙蓉、凤眼莲和绿萝 200 g，试验水体中净化植物的生物量为1.67 g/L，水草覆盖面积占试验箱面积的20%左右.采用复合添加的方法，将含Cu2+、Mn2+、Cd2+的化合物分别充分溶解后加入每个箱中，之后每2 d 采样一次测定相关指标，历时21 d.

1.2.2 多因素组合污染水体净化试验

在单一因素污染水体富集净化试验的基础上，结合实际污染水体的重金属污染浓度特征，进行多因素组合污染水体的重金属富集和净化试验.随机生成4个多因素组合污染组和一个空白对照组(B1—B5)，采样测定时间与单一因素试验相同.

1.3 测定方法

1.3.1 水体中重金属浓度测定

Mn、Cd和Cu的测定分别采用GB/T 11906—1989水质锰的测定高碘酸钾分光光度法、GB/T 7471—1987水质镉的测定双硫腙分光光度法和GB/T 7475—1987水质铜的测定原子吸收分光光度法.

1.3.2 常规水质参数的测定

按照《水和废水监测分析方法》采集和测定常规水质参数.其中水温、pH用 YSI556MPS 多参数水质仪测定，COD采用快速消解分光光度法测定，NH3-N 采用纳氏试剂分光光度法测定.

1.3.3 抗氧化酶活力与丙二醛含量测定

超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)与过氧化氢酶(CAT)活力分别采用氮蓝四唑(NBT)光化还原法、愈创木酚法和H2O2减量法测定，丙二醛(MDA)含量测定采用硫代巴比妥酸(TBA)法测定.

1.4 计算公式及数据处理

实验中富集系数K和去除率q分别按下列公式计算：

K=N/M，q=(C0-C)/C0×100%.

式中：N—植物体中重金属离子质量分数，mg·kg-1(以干质量计)；M—水体中重金属离子初始质量浓度，mg·L-1；C0—吸附前溶液中重金属离子质量浓度，mg·L-1；C—吸附后溶液中剩余重金属离子质量浓度，mg·L-1.

采用Excel和SPSS 18.0进行数据处理和统计分析.

2 结果与分析

2.1 水生植物对重金属的富集能力

表2 不同植物对重金属的富集能力Tab.2 Accumulation ability of heavy metals with different plants

表2为不同单一水生植物对重金属的富集能力.由表2可知凤眼莲、绿萝和水芙蓉3种水生植物对重金属的富集能力有着较大差异：对Cu2+的富集系数表现为绿萝>水芙蓉>凤眼莲，对Cd2+的富集系数表现为凤眼莲>水芙蓉>绿萝，对Mn2+的富集系数表现为水芙蓉>绿萝>凤眼莲；Cu2+、Cd2+和Mn2+的最高富集系数分别为4.02、6.82和6.32.

2.2 植物对水中重金属的去除能力

图1为不同植物对水中重金属的最大去除率.由图1可知3种水生植物对水中重金属的去除能力也存在较大差异：对Cu2+的去除率表现为绿萝>水芙蓉>凤眼莲，对Cd2+的去除率表现为凤眼莲>水芙蓉>绿萝，对Mn2+的去除率表现为水芙蓉>绿萝>凤眼莲；对Cu2+、Mn2+和Cd2+的最高去除率分别为57.59%、52.25%和84.21%.

图1 不同植物对水中重金属的最大去除率Fig.1 Maximum removal rate of heavy metals from water by different plants图2 多种植物组合对水中重金属的去除率Fig.2 Removal rate of heavy metals in water by multiple plant combinations

图2为多种植物组合对水中重金属的去除率.与图1相比，由于多因素组合中单种植物生物量减少，导致水体中各重金属的去除率发生较大改变，整体上单位质量的混合植株对水体中重金属的去除率高于单位质量的单一植株.B3组(水芙蓉+绿萝)对水体中Cu、Mn、Cd的去除率均高于B4(凤眼莲+绿萝)、B5组(水芙蓉+凤眼莲+绿萝)，对Cu的去除率高于B2组(水芙蓉+凤眼莲)，对Mn、Cd的去除率则低于B2组.总的来说，B2组在处理以Cd污染为主的重金属污染中更有优势，而B3组在处理以Cu污染为主的重金属污染中更有优势.图3为不同组合下，植物对水体污染物达到最大去除率的时间.由图3可知，3种水生植物对3种典型重金属复合污染中的重金属去除表现出一定的规律性：1)在实验所设置的重金属浓度条件下，凤眼莲、水芙蓉和绿萝比较适用的净化周期为14 d左右，即14 d左右可以更换植株(捞出植株进行集中无害化处理)，同时进行下一周期的净化处理.2)多种水生植物的组合体系对重金属复合污染达到最大去除率的时间呈缩短趋势(净化周期从14 d下降到11 d以内)，说明水生植物间的协同增益作用能加快植物对重金属离子的吸附及对污染水体的净化.

图3 各组中植物达到最大去除率的时间Fig.3 Time required for the maximum removal rate with different group plants

2.3 重金属对植株丙二醛含量及抗氧化系统相关酶的影响

表3为不同植株在重金属污染水体作用下，植株叶片中丙二醛(MDA)的含量及抗氧化系统相关酶的浓度.

表3 重金属对单一植株抗氧化系统的影响

由表3可知，与空白对照组相比，重金属处理后水芙蓉、凤眼莲和绿萝叶片中的MDA含量显著提高，提高幅度分别为202.9%、214.6%、261.2%.重金属作用下3种植物叶片中的SOD活性显著上升，POD和CAT活性却显著下降，这表明重金属胁迫显著抑制了植物的POD及CAT活性.

表4为不同组合在重金属污染水体作用下，植株叶片中MDA含量及抗氧化系统相关酶浓度的分布.由表4可知，多因素组合中植株叶片中的MDA含量较单一因素组明显下降，多种植物的协同作用显著减轻了重金属胁迫对POD及CAT活性的抑制.SOD活性的降低，不仅可以提高植物对重金属的抗性，还能增强耐抗植物对重金属污染水体的治理效果.

表4 重金属对不同组合植株抗氧化系统的影响Tab.4 Effects of antioxidant systems to different combinations of plants by heavy metal

续表4

3 讨论

3.1 水生植物净化重金属污染水体的机制

水生植物生长过程中需要从周围环境中吸收营养物质，重金属如Cu、Mn等也是植物生长所必需的元素.这些元素通过膜表面的转运蛋白运输进入植物细胞[3-4].非必需元素如Cd等进入植物体可能是由于它们能与体内的羰基糖醛酸结合[5-8].植物可通过区域化作用把吸收的重金属隔离在其体内特定部位从而降低重金属的毒害.重金属一旦进入植物细胞中，就被液泡吸收，从而从细胞液中去除，减轻了重金属对植物的直接毒害和胁迫作用.因此液泡是植物体内重金属贮存和降低重金属对植物危害的重要场所[21].

3.2 重金属对水生植物的影响

环境中的重金属对生物体有多重功能.低浓度的Cu、Mn等是植物进行正常生理代谢所必需的，但当浓度过高时对植物体有害.而非必需元素如Cd等即使在低浓度下对生物体也有毒害作用[22].MDA是膜脂过氧化的最终产物，其含量高低与植物的氧化伤害呈正相关[23].在本试验的重金属浓度条件下植株叶片MDA的含量显著增加，表明重金属离子对植株产生了氧化伤害.重金属胁迫抑制了水芙蓉等植物体内CAT和POD的活性，这可能是造成植株叶片氧化伤害的原因[4,24]，降低水中重金属浓度能有效降低重金属胁迫对生物酶的抑制.因此治理复合重金属污染水体时，可先用富集系数高并且耐受能力强的植物处理其中的一部分重金属[5,25]，再进行后续处理.

3.3 富集重金属植物的后续处理

在试验中发现，水中的重金属达到最大去除率之后，其含量在接下来的一段时间不断上升，这可能是由于部分植株腐烂后释放其富集的重金属所致.因此植株在治理水域达到其生长周期后，应进行回收处理.对回收的植物目前常采用焚烧、压缩填埋、灰化等方法进行处理[26]，但这些方法都存在造成二次污染的风险.因此可采用焚烧后进行湿法提取与净化的方法从植株中回收重金属[27]，这在一定程度上符合可持续发展的思想.

4 结论

1)水芙蓉、凤眼莲和绿萝对Cu、Mn、Cd等重金属的富集能力不同.其中对Cu的富集能力以绿萝为最高，对Cd以凤眼莲为最高，对Mn以水芙蓉为最高.最高的富集K值分别为4.02、6.82和6.32.

2)3种水生植物对Cu、Mn、Cd等重金属的去除率各不相同，绿萝对Cu2+的最高去除率为57.59%，水芙蓉对Mn2+的最高去除率为52.25%，凤眼莲对Cd2+的最高去除率为84.21%.

3)适当的植物组合能够提高对污染水体中重金属的去除效果.其中B2(水芙蓉+凤眼莲)组合对以Cd污染为主的重金属污染更有优势，B3(水芙蓉+绿萝)组合对以Cu污染为主的重金属污染水体效果更好.

4)适当的植物组合相比单一植物处理，能缩短净化处理的周期.其中B5组(水芙蓉+凤眼莲+绿萝)对复合重金属污染水体的最佳净化周期从单植物的14 d缩短到11 d以内.

5)多因素组合中植株叶片的MDA含量较单一因素组明显下降，多种植物的协同作用显著减轻了重金属胁迫对POD及CAT活性的抑制，SOD活性降低.这不仅减轻了重金属胁迫对植物的影响，还可以提高植物对重金属的抗性和耐受性，增强耐抗植物对重金属污染水体的治理效果.