黄菖蒲与美人蕉对水体中双酚A 的去除效果研究

庞云天 仇玉萍 邓志华 贾继维 孙仕仙

( 1. 西南林业大学国家高原湿地研究中心/湿地学院，云南 昆明 650233；2. 西南林业大学化学工程学院，云南 昆明 650233；

3. 西南林业大学生态与环境学院，云南 昆明 650233)

双酚A（BPA，2，2-二（4-羟基苯基）丙烷），是一种重要的用于有机化学生产的化工原料，主要用作制造环氧树脂、酚类树脂、聚碳酸酯等[1-2]。在20 世纪末其年产量已经超过了500 万t，2005年统计为740 万t，而年需求量的增速为6%～10%[3-5]。由于BPA 产量高用途广，其排放及渗滤液污染大气、工业废水、污泥及垃圾填埋场的案例已有报告[6]。已经在全世界范围内的一些重要水体中检测到了BPA 的存在[7]。有研究表明BPA 会对动物的生长发育、神经和免疫系统以及生育能力产生毒害作用，同时能够引发组织或者器官增生和肿瘤，增加人类乳腺癌的发病率[8-10]。此外，因污水和污泥广泛用于灌溉施肥，导致BPA 在土壤中积累。尽管BPA 半衰期较短，但持续释放使其在环境中存在，并能经过微型生物的降解作用产生一系列具有潜在毒理效应的代谢产物，再通过食物链对食品安全和人类健康造成危害[11-15]。中国（哈尔滨、上海和广州）、印度、日本、韩国、科威特、马来西亚和越南7个亚洲国家296个人体尿液样本中BPA 检出率为94.3%[16]，BPA 污染已成为全球性环境问题[6]，造成的污染问题不可小觑。

国内外的许多学者都曾致力于BPA 的检测，发现BPA 在作为水源的许多湖泊、河流和水库等中不断被检测到。结合目前众多河流湖泊等周边建立了许多湿地公园的实际情况，湿地植物的选择十分关键，如何针对不同污染区域设置高效的、有针对性的富集植物对发挥湿地的净化功能显得尤为重要[17-19]。湿地植物不仅可以通过直接吸收带走污染物质，还可通过根系滞留，促进根际硝化与反硝化速率，改善通气条件，提高根际微生物的降解活性等交互作用来提高系统整体的净化能力，是一种植物修复技术。已有研究表明芦苇(Phragmites communis)、再 力 花 (Thalia dealbata)、香蒲 (Typha orientalis)适宜用作处理含BPA 的废水的湿地植物[20]。黄菖蒲（Iris pseudacorus）、美人蕉（Canna indica）是典型的景观湿地植物，属于多年生丛生草本植物，根系发达，具有很强的环境适应能力，其对有机和无机化学物质都有很高的亲和力，生物学特性有根系发达，适应能力强，生长繁殖快，既可以作为景观植物，又对各种废水具有净化潜力，如对最常见的城镇污水中氮磷的去除，铅、镉、铜、污染废水的净化，水产养殖废水其中的恩诺沙星、磺胺甲恶唑和氟甲砜霉素，有机污染物、氮具有很好的净化效果。本试验能够为水溶液中BPA 的去除提供科学依据，为湿地植物的选择和配置提供实践指导。

1 材料与方法

1.1 植物培养与仪器试剂

1）植物培养。植物采用不透光的培养桶培养，培养桶用蒸馏水洗净晾干，将黄菖蒲和美人蕉2 种植物将根系清理干净，用清水培养24 h 后取出，将根系放入0.1%的高锰酸钾溶液中消毒10～15 min，消毒后再用蒸馏水冲洗干净；称取生长条件接近的植物，每株约为200 g 编号后放入培养桶中，在实验前先加入培养液培养7 d。营养液配方使用改良霍格兰氏配方：四水硝酸钙945 mg/L，硝酸钾506 mg/L，硝酸铵80 mg/L，磷酸二氢钾136 mg/L，硫酸镁493 mg/L，铁盐溶液2.5 mL/L，微量元素液5 mL/L，pH=6.0[16]。

2）仪器试剂。液相色谱仪（赛默飞世尔Ulti-Mate 3 000），三重四级杆质谱仪（赛默飞世尔TSQ Endura），旋转蒸发器（IKA RV 8），隔膜真空泵（德国wiggens C610），循环水真空抽滤装置（德国wiggensVE-11+VF6），超声波清洗仪，超纯水机，叶绿素仪，pH 酸度计，1.5 mL 棕色进样瓶。BPA（化学纯），甲醇（色谱纯），乙腈（色谱纯），乙酸乙酯（分析纯），正己烷（色谱纯），超纯水（自制），无水硫酸钠。

1.2 实验方法

1.2.1 实验设计

共设6个实验组，其中1、2、3 组为空白组，4，5 组为实验组，每组4个重复。1 组只加入BPA 不加植物，2 组和3 组在只加入2 种植物，不加BPA。4 组和5 组加入植物并加入BPA。

1.2.2 测定方法

1）采集样品。实验在加入BPA 的第1 天，第3 天，第5 天分别取样。每次取样前用质量差法测定蒸腾消耗水量然后再用营养液补充到2 L。同时进行水样pH 和电导率测定。水样用脱脂棉过滤后待提取，选取长势良好，健康的黄菖蒲和美人蕉，分别取其根和叶带回待测。植物叶片进行叶绿素含量测定，水样进行pH 及电导率测定。

2）样品提取。将水样通过等体积甲醇萃取2 次后，经无水硫酸钠过滤至旋转蒸发瓶，在40 ℃水浴蒸发锅中旋转蒸干，用3 mL 正己烷溶解，通过0.45 μm 有机相滤膜过滤，取1.5 mL 装入棕色进样瓶中并待测。

称取2 g 植物样品（精确度0.01 g），转移到100 mL 具塞锥形瓶中，加入40 mL 甲醇，超声震动提取30 min，之后滤入100 mL 平底烧瓶中，再用20 mL 甲醇重复萃取1 次，合并提取液，再将其置于40 ℃水浴蒸发锅中旋转蒸干，用3.0 mL正己烷溶解，过0.22 μm 有机相滤膜过滤，取1.5 mL装入棕色进样瓶中待测。

3）标注曲线制作。取BPA 标准品溶解得到1 000 mg/L 的BPA 标准物质储备液，-5 ℃条件下储存。取一定体积的上述标准物质储备液，用正己烷稀释成浓度分别为4、10、20、40、60、80、100 μg/L 的标准使用液，避光保存。分别吸取不同浓度的标准溶液进行分析，每个浓度平行检测分析3 次，取平均值。

4）添加回收率测定。为了确保实验方法的准确性，进行添加回收率实验。在植物样与水样中添加不同浓度的标准溶液，添加水平为2.0、2.5、3.0 μg/L，每个添加水平进行3个重复。

1.2.3 色谱质谱条件设置

色谱柱：HYPERSIL GOLD C18色谱柱（2.1 μm×100 mm×1.9 μm）。高效液相色谱条件：柱温30 ℃，流速0.2 mL/min，进样量5 μL，流动相：A 为甲醇（色谱纯），B 为0.05%的氨水；梯度洗脱程序： 0～0.5 min， 90%A， 10%B； 6～8 min，10%A，90%B；9～12 min，90%A，10%B。质谱条件：电喷雾电离源（H－ESI）；离子源温度550 ℃；离子传输管温度300 ℃；电喷雾电压4 500 V；鞘气压力28 Arb；辅助气压力10 Arb；采用SRM（选择反应检测扫描）模式采集，具体的离子采集参数见表1。

表1 离子参数采集表Table 1 Ion parameter collection

2 结果与分析

2.1 标准曲线绘制

以响应值（峰面积）y对标准溶液浓度x进行线性回归分析，得到线性回归方程：y= 1 446.2x+1 834.9，相关系数R2= 0.999，如图1 所示。

图1 BPA 标准曲线Fig. 1 Standard curve of bisphenol A

2.2 添加回收率测定

按照实验条件进行分析处理，得到表2。可以看出植物样中BPA 的添加回收率在88%～100%之间，精准度（RSD）为3.4%～9.5%；水样中BPA 的添加回收率在84%～89%之间，RSD 为2.2%～4.8%。

表2 添加回收率与精密度Table 2 Recovery and RSD for the determination of compounds

2.3 水溶液与植物相关指标测定

通过测量pH 和电导率（反应营养液离子浓度）的指标，监测营养液浓度变化情况，保证植物的正常生长状况，结果见表3。

表3 溶液及植物生长状况Table 3 Solution and plant growth status

叶绿素含量直接反映了植物光合作用的强弱。植物在有污染物的条件下，会使叶绿体超微结构变形导致叶绿素合成受阻，电子传递受阻，气孔关闭，从而致使植物光合速率下降，光合作用能力降低，植物生长受限[21-23]。由表3 可知，在BPA 胁迫下，黄菖蒲在第3 天叶绿素减少，到第5 天得到恢复。结果表明BPA 胁迫对光合作用影响不显著（P＞0.05），并不影响植物正常生长。

电导率反映了水中矿质离子的浓度，从表3 可以看出有植物的溶液中电导率随着实验天数的增加，下降的更快，说明植物生长状况良好。而pH则是影响植物对矿质元素吸收的主要影响因素，极大影响了矿质元素的有效性。每种植物都有其生长最适pH 值范围。由于植物的生长，pH 值略有下降，但影响并不显著（P＞0.05）。

2.4 溶液中BPA 的残留动态

2.4.1 溶液中BPA 的去除率

种植挺水植物黄菖蒲或美人蕉均显著促进了溶液中BPA 的去除（P＜0.05）（表4），种植黄菖蒲的第3 天和第5 天，BPA 去除率分别为74.40%和93.00%，比对照提高了57.96%和41.65%。种植美人蕉在第3 天和第5 天，溶液中BPA 的去除率分别为63.60%和81.15%，2 种植物相比，种植菖蒲对BPA 的去除效果又显著高于种植美人蕉处理（P＜0.05）。处理的第5 天时，种植2 种植物处理对BPA 的去除率都达到80%以上。尤其是黄菖蒲处理组在第5 天时去除率达到了93%。

2.4.2 溶液中BPA 的去除动力学方程

通过一级动力学方程拟合，溶液中BPA 的去除均符合一级动力学方程（表5）。种植黄菖蒲和美人蕉处理后，BPA 的降解速率常数均显著提高，分别是对照的3.7 倍和2.3 倍。种植2 种植物后，BPA 的降解半衰期（T1/2）分别比对照缩短了56%（黄菖蒲）和44%（美人蕉）。初始浓度BPA 的99%去除时间（T0.99）从对照的26 d 缩分别短到了8 d（黄菖蒲）和12 d（美人蕉）。表明种植2 种挺水植物能显著促进水体中BPA 的去除（P＜0.05），而种植黄菖蒲对BPA 的去除速率又显著高于种植美人蕉处理（P＜0.05）。

表4 溶液中残留的BPA 浓度及去除率Table 4 Concentration and removal rate of residual bisphenol A in solution

表5 溶液中BPA 的去除动力学方程及其相关指标Table 5 Removal kinetic equation and its related indexes of bisphenol A in solution

2.5 植物体内BPA 质量浓度动态分析

2.5.1 根中动态分析

2 种植物根中BPA 的浓度都成先增加后减少的趋势（图2）。实验第3 天黄菖蒲根中的浓度为2.66 μg/kg，第5 天黄菖蒲根中浓度为1.82 μg/kg，下降了31.6%。美人蕉根中BPA 的浓度极显著低于黄菖蒲根中的浓度。第3 天美人蕉根中的浓度为0.07 μg/kg，第5 天美人蕉根中浓度为0.065 μg/kg。根中BPA 浓度表明，黄菖蒲能快速通过根系吸收BPA，对溶液中BPA 的去除率也一直显著高于美人蕉（表4）。

2.5.2 叶中动态分析

黄菖蒲和美人蕉叶中的BPA 浓度分别呈现了不同的变化趋势（图3）。黄菖蒲在实验第3 天和第5 天时，叶中BPA 的浓度分别为0.08 μg/kg和0.02 μg/kg，相比根中而言，转移到叶片中的BPA 含量极低；美人蕉叶中的BPA 从第3 天到第5 天，极显著上升，高达1.73 μg/kg，说明美人蕉通过根系吸收BPA 后，BPA 被迅速转移到了叶片中。在美人蕉茎叶部分更容易富集BPA。

图2 2 种植物根系中BPA 的浓度变化Fig. 2 Changes in the concentration of bisphenol A in the roots of 2 plants

图3 2 种植物茎叶中BPA 的浓度变化Fig. 3 Changes in the concentration of bisphenol A in the stems and leaves of 2 plants

3 结论与讨论

对比其他实验结果[24-26]可知，黑麦草（Lolium perenne）、胡萝卜（Daucus carotavar.sativa）、番茄（Solanum lycopersicum）、莴苣（Lactuca sativa）对BPA 的去除率均可达到80%以上，尤其是Saiyood 等人[27]研究了红树植物木榄（Bruguiera gymnorhiza）对 BPA 的去除效果发现处理51 d 后，BPA 去除率可以达到96%以上。根据隋春晓等的研究[28]，在人工湿地实际应用中，香蒲床湿地对BPA 的去除率74%～96%之间，芦苇床湿地对BPA 的去除率基本维持在70%～83%。但是以上几种植物不能像黄菖蒲和美人蕉这样在5 天内BPA 去除率达到80%甚至90%以上。

从本实验结果汇总可以得出，黄菖蒲和美人蕉与无植物条件下相比，去除效率有显著的提高（P＜0.05）。其中，黄菖蒲条件下BPA 降解速率最快，去除速率常数为0.665，去除率达到90%以上，是3 种条件下最高的。而美人蕉的去除速率常数为0.417，去除率为82%。2 种植物的去除速率常数相差1.5 倍。上述数据表明，在相同的条件下黄菖蒲比美人蕉降解效果好可能是因为黄菖蒲在胁迫下分泌特定的分泌物对水体中的pH值及水体中的相关微生物产生影响。BPA 的植物修复过程中，植物根际酶的氧化与羟基化等作用是植物修复的主要途径[29-30]，通过酶的催化作用使得酚羟基被氧化成酮，醌等能够与糖类、氨基酸等物质反应生成分子量不等的有机质，或醌类自聚成不溶于水的高分子聚合物沉淀而被去除[31]。有研究表明，植物体内修复机理主要是糖基化修饰效应。将植物体内的外源性物质经糖基化后降低毒性，减缓其对植物体的影响[32]。Hamada 等研究发现[33-35]，植物可以直接吸收废水中的BPA，经过糖基化反应后，将BPA 转化为低毒或者无毒性的中间产物来降低BPA 毒性。以上研究很好地印证了本文的判断。

通过温室水培实验证明黄菖蒲和美人蕉能显著促进水体中BPA 的去除，黄菖蒲吸收速率快，能够快速将环境中的BPA 转移到植物体内，而美人蕉能对根系中吸收的BPA 快速转移到茎叶部分，而两种植物对BPA 的吸收转移途径与转移效率差异产生的原因，植物体内BPA 是否被完全降解还需进一步研究。通过温室模拟实验室，对黄菖蒲和美人蕉2 种湿地植物对水体中的吸收和去除动态进行研究，结论如下：

1）黄菖蒲和美人蕉在0.166 mg/L 的BPA 浓度水平下生长良好，两种景观湿地植物对双酚A 胁迫有一定的耐受性，并可以通过根系吸收并转移大植物茎叶中。

2）通过植物对BPA 的吸收动力学方程和去除率表明黄菖蒲和美人蕉可以显著提高BPA 在水中的去除效率。在5 d 内，黄菖蒲和美人蕉的BPA 去除率分别达到了93%和81%。

3）对比黄菖蒲和美人蕉两种植物对溶液中BPA 的吸收累积情况，黄菖蒲将BPA 吸收并富集在根部，而美人蕉通过根系吸收BPA 后迅速转移到茎叶部分。