典型草本植物对Cd-Zn-Cu污染河道底泥的修复

沈佳怡,高铭晶,刘 钰,黄 洵,郭 浩,张新颖

(1.上海大学环境与化学工程学院,上海 200444;2.中国石油大庆石化公司质量检验中心,黑龙江 大庆 163714)

由于工业化和城市化的快速发展,大量含有氮磷营养盐、有机质、重金属等的污水被排入城市河流,造成城市内河黑臭污染[1-2].截至2017年10月,全国地级及以上城市建成区黑臭水体共计2 100个,对城市居民的正常生活产生了严重的影响[3].据统计,超过99%的重金属在进入水生生态系统后通过溶解、吸附、沉淀等复杂的物理化学过程储存在河道底泥中,最终可能导致底泥中的重金属浓度高于上覆水几个数量级[4].底泥不仅是重金属的汇,也是重金属污染的潜在来源[5].当水体发生扰动或者其他环境条件变化时,底泥中蓄积的重金属很有可能会再次释放至上覆水中,引起水体的二次污染,对动植物及人类健康造成威胁[6].

底泥疏浚是一种普遍采用的清除重金属污染沉积物的方法[7].但是,简单堆放的疏浚底泥会使重金属再次转移至环境中.此外,疏浚底泥与土壤结构性质相似,并含有丰富的养分,因此也可以采取有效措施去除底泥中的重金属,对底泥进行资源化利用.植物修复技术具有经济、绿色、对环境扰动较小的特点,可以通过超富集植物的吸收、转运和积累从土壤、沉积物或者水体中提取重金属,从而达到修复污染的目的[8].目前已有报道的超富集植物有700多种,但这些植物通常具有生物量低、生长缓慢、富集重金属专一的缺点,限制了植物修复技术的大规模应用[9].同时,由于疏浚底泥脱水后孔隙度低,干燥后易龟裂,且常为多种重金属的复合污染,因此修复植物能否在疏浚底泥中正常生长,是否对重金属复合污染底泥具有良好的修复效果,仍需要进行实验研究.

草本植物具有适应性强、生长速度快、生物量大且易于管理的优点,是备受关注的典型植物[10].白三叶(Trifolium repensL.)、高羊茅(Festuca arundinacea)、黑麦草(Lolium perenneL.)、披碱草(Elymus dahuricusTurcz.)、籽粒苋(Amaranthus hypochondriacusL.)和紫花苜蓿(Medicago sativaL.)是常见的草本植物,且对重金属污染有一定的修复效果.本研究选择上述6种典型草本植物对Cd-Zn-Cu复合污染的上海市某典型黑臭河道底泥开展了植物修复实验.通过对比6种实验植物的生长状况、修复潜力和修复效果,筛选出修复能力较强的植物,为实际开展植物修复重金属复合污染河道底泥提供技术支持.

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 实验底泥及处理

实验底泥取自上海市某典型城市黑臭河道沉积物,pH=7.02,重金属Cd、Zn、Cu的初始含量分别为1.77、489.45、186.55 mg/kg.由于底泥中含有一定的营养物质,并且其结构性质也与土壤相似,具有资源化利用的可能,因此,以GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的要求进行修复.根据该标准,当6.5＜pH≤7.5且农用地类型为其他时,重金属Cd、Zn、Cu的风险筛选值分别为0.3、250、100 mg/kg.由此可见,该典型黑臭河道底泥中的重金属Cd、Zn、Cu均存在不同程度的污染,需要采取措施进行修复.将实验底泥除去石块和其他杂物后,破碎、混匀、风干并装入0.7 m×0.5 m×0.6 m的PVC实验箱内.在装底泥时沿着箱体宽边插入0.5 m×0.4 m×0.02 m的塑料片,将实验箱分为2个0.35 m×0.5 m×0.6 m的种植区域.实验箱置于上海大学宝山校区室外.该区域主要为典型的亚热带季风气候,四季分明、日照充分、雨水充足.

1.1.2 实验所用植物

在本实验中,选择了白三叶、高羊茅、黑麦草、披碱草、籽粒苋和紫花苜蓿共6种典型草本植物作为实验植物,其中高羊茅、黑麦草、披碱草、籽粒苋和紫花苜蓿的种子均为常见草本品种,白三叶幼苗采自上海大学宝山校区内.

1.2 实验设计

在种植实验植物前,将表层底泥充分翻耕.将颗粒饱满、大小基本一致的高羊茅、黑麦草、披碱草、籽粒苋、紫花苜蓿种子均匀撒在种植区域内,随后覆盖厚约1 cm的底泥.将每10株为一簇的白三叶均匀移植至实验箱内.实验植物生长前40 d,在白天日照强烈时进行遮阳.在实验过程中,按照实验植物的生长习性给予适当养护.

1.3 实验植物样品的采集与处理

在播种或移植100 d后收获实验植物.实验植物样品用自来水冲洗干净后,再用去离子水冲洗3次.吸干残留的水分,将实验植物各个组织部位剪开,于105°C杀青30 min,再于70°C烘干至恒重并记录数据.分别将实验植物的地上及地下部分粉碎、研磨,过100目尼龙筛后备用.

1.4 实验植物样品的测定与分析

实验植物地上和地下部分的重金属Cd、Zn、Cu含量测定方法如下:准确称取0.100 0 g实验植物样品,加入8 mL HNO3浸泡过夜后,加入4 mL HClO4,微微振荡至黄烟冒尽,置于150°C石墨炉中加盖回流消解;当液体体积约为2 mL时再添加4 mL HClO4继续消解,总消解时间为2 h;随后开始赶酸,直到消解液体积约为1 mL或白烟冒尽;自然降温后再用去离子水定容至10 mL,并过0.45μm滤膜;最后用电感耦合等离子体质谱仪测定重金属浓度.

1.5 数据分析

采用Excel、Origin 8.0软件对数据进行统计和绘图.通过计算实验植物对底泥中重金属的富集系数(bioaccumulation factor,BCF)、转运系数(translocation factor,TF)、提取量和提取效率[11-12]来进行比较和分析,其中底泥总量按照耕层厚度为20 cm进行计算,具体计算公式如下:

2 结果与分析

2.1 实验植物的生长情况及生物量

以本实验数据为依据,按照大田实验的种植密度进行修正,6种实验植物的生物量(干重)如图1所示.

图1 实验植物的生物量(干重)Fig.1 Biomass of the experimental plants(dry weight)

植物的生物量在一定程度上会影响植物的修复效果[13].在实验过程中,这6种植物的生物量特征为紫花苜蓿＞籽粒苋＞高羊茅＞黑麦草＞披碱草＞白三叶.紫花苜蓿与籽粒苋的生长情况较好,其生物量均大于100 t/hm2,分别可达134.82、117.76 t/hm2.谢开云等[14]的调查发现,2013年北方主产区新疆的紫花苜蓿的第一茬平均产量高于10 000 kg/hm2,低于本实验中收获的紫花苜蓿地上部分的生物量.这个差异可能是由于播种密度、生长基质和环境条件等因素引起[15-16].高羊茅、黑麦草和披碱草的生长速度较快,但在生长中后期均出现倒伏,收获时的平均株高为70～80 cm,根长约为25 cm,其生物量依次减小,分别为97.82、80.25、72.35 t/hm2.部分白三叶移植后出现叶片溃烂、死亡的情况,生长情况较差,生物量不足30 t/hm2,其原因可能是移植密度较高而导致白三叶的死亡率增加[17].除此之外,韦新东等[18]的研究结果也表明,Cd会抑制白三叶幼苗的正常生长.

2.2 实验植物对重金属的吸收特征

6种实验植物对底泥中Cd、Zn、Cu的积累特征(含量)和分布情况分别如图2～4所示.可以看出:在6种实验植物中,黑麦草体内Cd与Zn的含量最高,分别为3.36、707.69 mg/kg;白三叶体内Cd的含量最低,为1.00 mg/kg,仅为黑麦草的30%;Zn含量最低的是披碱草,为62.49 mg/kg,仅为黑麦草的9%;披碱草体内Cu的含量最高,可达115.73 mg/kg;籽粒苋体内Cu的含量最低,为21.06 mg/kg,仅为披碱草的18%.实验植物体内重金属含量的差异可能与植物以及重金属的种类有关[19].分析这6种实验植物体内重金属的分布情况可知,除紫花苜蓿地上部分对Zn的积累量接近于地下部分外,其余实验植物地下部分对重金属的积累量均高于地上部分,即重金属主要被吸收积累在植物的地下部分,从而固化了底泥中的重金属.

图2 实验植物体内Cd的含量与分布Fig.2 Concentrations and distributions of Cd in the experimental plants

图3 实验植物体内Zn的含量与分布Fig.3 Concentrations and distributions of Zn in the experimental plants

图4 实验植物体内Cu的含量与分布Fig.4 Concentrations and distributions of Cu in the experimental plants

2.3 实验植物对底泥中重金属的富集和转运特性

为进一步研究6种实验植物对底泥中重金属的富集和转运能力,本实验计算了植物对底泥中Cd、Zn、Cu的富集系数和转运系数,结果如表1所示.

表1 实验植物对Cd、Zn、Cu的富集系数和转运系数Table 1 BCF and TF of Cd,Zn and Cu in the experimental plants

富集系数(BCF)是指植物体内重金属含量与环境中重金属含量的比值,是评价植物对重金属吸收和富集能力的重要指标[20].由表1可知:在本实验中,高羊茅、黑麦草、披碱草和籽粒苋对Cd的富集系数均大于1,说明其对Cd有较强的富集能力;高羊茅和黑麦草对Zn的富集系数均大于1,说明其对Zn有较强的富集能力;所有实验植物对Cu的富集系数均小于1,其中仅披碱草对Cu的富集系数大于0.5;白三叶、紫花苜蓿对3种重金属的富集系数均小于1,说明其富集能力相对较弱.刘新蕾[21]的研究结果表明,经两茬收割后的黑麦草和披碱草对长江流域航道Cd污染疏浚底泥中Cd的富集系数均大于1,与本实验结果相同.谷雨等[22]对湖南省某典型重金属Cd污染区的田间实验发现,籽粒苋对Cd的富集系数可高达7.37,说明其对Cd具有较强的富集能力.谷超[23]的研究结果表明,黑麦草、高羊茅和紫花苜蓿对红枫湖疏浚底泥中Cd的富集系数均大于1,而对底泥中Zn、Cu、Pb、Ni、Cr的富集系数均小于1,与本实验结果略有不同.

转运系数(TF)是指植物地上部分重金属含量与植物地下部分重金属含量的比值,是评价植物对重金属转运能力的重要指标[20].由表1可知:仅紫花苜蓿对Zn的转运系数接近于1,为0.97,说明其对Zn具有较好的植物提取潜力,可以较为容易地将Zn从地下部分转运至地上部分;其余植物的转运能力则相对较差.谷超[23]的研究发现,紫花苜蓿对红枫湖疏浚底泥中Cd的转运系数为0.97,对Zn的转运系数为0.63,与本实验结果较为接近.李玉双等[24]的研究结果显示,紫花苜蓿对Cd的转运系数仅为0.26,与本实验结果相差较大.这可能是由于实验底泥中多种重金属之间相互影响,以及紫花苜蓿品种不同所导致的[25-26].

2.4 实验植物对底泥中重金属的修复效果

以本实验数据为基准,结合上海市气候条件,6种实验植物对底泥中Cd、Zn、Cu的提取量与提取效率分别如图5～7所示.

由图5～7可知:6种实验植物对底泥中Cd的修复效果表现为籽粒苋＞黑麦草＞高羊茅＞披碱草＞紫花苜蓿＞白三叶;尽管黑麦草体内的Cd含量可达3.36 mg/kg,但由于籽粒苋体内的Cd含量也较高,且籽粒苋的生物量为黑麦草的1.20倍,因此综合分析可知籽粒苋对Cd的修复效果最好,其对Cd的提取量为340.58 g/hm2,提取效率可达10.63%;黑麦草、高羊茅和披碱草对Cd的修复效果相对较好,对Cd的提取量分别为269.33、238.77、226.90 g/hm2,提取效率分别为8.41%、7.45%、7.08%.

图5 实验植物对Cd的提取量及提取效率(干重)Fig.5 Extraction amounts and efficiency of Cd by the experimental plants(dry weight)

图6 实验植物对Zn的提取量及提取效率(干重)Fig.6 Extraction amounts and efficiency of Zn by the experimental plants(dry weight)

图7 实验植物对Cu的提取量及提取效率(干重)Fig.7 Extraction amounts and efficiency of Cu by the experimental plants(dry weight)

6种实验植物对底泥中Zn的修复效果表现为高羊茅＞黑麦草＞籽粒苋＞紫花苜蓿＞白三叶＞披碱草,其中仅有高羊茅和黑麦草对Zn的提取效率高于5%,分别为6.71%和6.41%,对应的提取量分别为59 407.19和56 795.05 g/hm2.披碱草对Zn的提取效率最低,不足1%,主要原因是其对底泥中Zn的积累量最少.

与Cd、Zn相比,6种实验植物对底泥中Cu的修复效果相对较差,其中披碱草对Cu的提取效率最高,为2.48%,提取量为8 372.87 g/hm2.在6种实验植物中:白三叶的生物量最低,并且对底泥中Cd、Zn、Cu的富集能力均较弱,导致其对底泥中3种重金属的修复效果均较差,提取效率均低于1%;高羊茅和黑麦草对底泥中的Cd、Zn、Cu均有较好的修复效果,可修复约30 cm深的污染底泥.谷超等[27]的研究结果也表明,高羊茅和黑麦草对红枫湖重金属污染疏浚底泥具有较强的修复潜力.

3 结论

针对Cd-Zn-Cu复合污染的黑臭河道底泥,本研究选择了6种典型草本植物进行植物修复实验.通过分析实验植物在底泥中的生长情况、体内重金属积累量、富集系数与转运系数以及对重金属的提取量和提取效率等特征,得到以下主要结论.

(1)研究表明,除白三叶外的其余5种实验植物生长情况良好,说明其对重金属污染底泥的适应能力较强,具有一定的重金属耐受性.

(2)在6种实验植物中:黑麦草对底泥中Cd和Zn的吸收能力最强,主要积累在地下部分,其体内Zn含量高达707.69 mg/kg;披碱草对底泥中Cu的吸收能力最强,主要积累在地下部分;白三叶对Cd、披碱草对Zn以及籽粒苋对Cu的吸收能力差.

(3)由富集系数可知,黑麦草、高羊茅对底泥中Cd、Zn的富集系数均大于1,说明其从底泥中富集Cd、Zn的能力较强.由转运系数可知,6种实验植物均不具备超积累特性,仅紫花苜蓿对底泥中Zn的转运系数接近于1,说明其对Zn的转运能力较强.

(4)6种实验植物对底泥中Cd、Zn、Cu的修复效果存在一定差异.综合分析,高羊茅和黑麦草对底泥中Cd、Zn、Cu 3种重金属的提取效率分别超过7%、6%、2%,说明其对修复Cd-Zn-Cu复合污染河道底泥具有较大的潜力.可以考虑将高羊茅和黑麦草应用于该类复合污染黑臭河道底泥的实际修复中,并可采用刈割的方式增加植物的生物量,从而提高植物的修复效率.