水生植物对铜污染废水的净化能力

沈 瑾，王三反，孙连鹏

（1.兰州交通大学环境与市政工程学院寒旱地区水资源综合利用教育部工程研究中心，甘肃兰州 730070；2.中山大学环境科学与工程学院，广东广州 510006）

铜是植物必需的营养元素之一，但过量的铜有明显的毒害作用。铜在天然水中含量很低，一般为0.003 mg/L[1]。随着工农业生产的发展，铜污染越来越严重，个别水体中Cu2+浓度高于天然水数十甚至数百倍[2-4]。

植物修复指通过植物系统移除、富集、挥发或稳定水体中的重金属污染物，或者降低重金属毒性，以达到清除污染、修复以及治理水体为目的的一种技术。目前可分为植物挥发技术、植物吸收技术、根系过滤技术、植物吸附技术和植物稳定技术[5,6]。

本文利用植物修复技术处理含重金属铜的模拟废水，选择几种对铜有富集作用的植物进行静态条件下的模拟研究，筛选出处理铜能力较强的种类。

1 材料与方法

1.1 供试植物

试验前期，通过相关资料的查阅和实地的调查研究，从净化能力、生长条件、抗逆性和综合利用价值等方面综合评价，选用美人蕉、茭白、菖蒲、香蒲和慈姑五种植物进行除铜效果的研究和比较，该五种植物皆有易适应水生环境、除铜效果好等特点。

1.2 植物除铜效果及比较试验

图1 植物对水中铜的去除效果Fig.1 Effect of Plants on Copper Removal

美人蕉、茭白、菖蒲、香蒲及慈姑五种植物分别选出三株长势良好、个体及重量相似、根部形状及根系面积接近，叶片数目大小相似的植株，放入15个容积为2 L的容器中，采用CuSO4配置的模拟废水进行培植，Cu2+浓度为3.54 mg/L。植物放置于实验室内窗户旁边（保证光照）、广州4月份的自然环境下培育。10 d后将植物分根、茎和叶三部分，在105℃下杀青30 min，然后在80℃下烘干至恒重，粉碎，备用。

1.3 样品分析方法

样品经硝酸－高氯酸体系消解后,采用火焰原子吸收分光度法测定样品中铜含量。

2 结果与分析

2.1 植物对水中铜的去除效果及比较

图1为植物对水中铜的去除效果。

由图1可知在水体中Cu2+的去除主要集中于前两天，去除效果显著，而后剩余的Cu2+被逐步去除，去除速率渐趋缓慢。水体中Cu2+主要被植物通过如下三种作用从水体中去除：（1）通过螯合离子交换作用及选择性吸收等物理或化学过程吸收重金属离子；（2）为根际微生物提供了附着及形成菌落场所,促进微生物群落发育，重金属离子和根系的微生物细胞壁上活性基团发生了定量结合反应，通过物理吸附或者形成无机沉淀，在根系微生物的菌落表面沉积；（3）通过根部释放的分泌物作用,将重金属离子以沉淀物的形式沉降下来[7]。至周期结束，水体中90%以上的铜被移除，以种植慈姑的水体中铜的去除率为最高，而种植茭白的水体中铜的去除率略低，但相差不大。

Brooks早在1977年就提出了超富集植物的概念[8]，超富集植物指某些具有超强吸收重金属的能力并且将其运输至地上部分的植物[9]，重金属富集植物则指某些本身并不具有超量富集特性但可以通过特殊过程诱导出超量重金属的植物。本试验选用的五种植物均是在国内外植物修复技术中广泛应用的水处理植物，经试验证实了它们对铜有非常良好的去除能力，是铜的超富集或富集植物。因此，可利用其去除土壤或水体中的重金属。

2.2 植物根、茎、叶对铜的吸收

图2为植物根、茎、叶对水中铜的吸附量。

图2 植物根、茎、叶对铜的吸收量Fig.2 Absoption of Copper in Plants'Root,Stems and Leaves

由图2可知Cu2+在植株体内的分布情况随植物种类的不同而有所变化。植物吸收的大部分重金属都集中在根部，只有少部分被转移到了茎、叶等部位。Cu2+对植物叶片的毒害作用远远大于对根系的毒害作用。高浓度Cu2+使叶绿体酶的活性失调，叶绿体的分解加快。并且局部积累Cu2+过多，会与叶绿体蛋白质上－SH结合或者取代其中Fe2+、Zn2+、Mg2+，致使叶绿体蛋白中心粒子的组成发生变化失活[10]。植物本身不能吸收很多重金属，但是植物根系的分泌物，氨基酸、糖、酶等物质却可以促进根系周围土壤中的微生物的活性及生化反应，有利于重金属的释放以及微生物的吸收。根系分泌物同样也可以通过影响根际微生物种类、数量以及生理活性等间接增强根系来抵御Cu2+毒害[11,12]。因此，植物会基于自我保护的作用而把大量的Cu2+固定在根部，只将少部分Cu2+输送至叶片，有效地降低Cu2+对植物的毒害作用[13]。

各种植物根部和叶片Cu2+含量的比例范围为5.03～8.16。其中的香蒲根部/叶片比例为最小，只有5.03；比例最高的是茭白，其根部是叶片的8.16倍。根部/叶片比从高到低依次是茭白、菖蒲、慈姑、美人蕉、香蒲。比值的大小，反映了Cu2+从根部向叶片转移的难易程度，其值越大，表示重金属越不容易从根部转移到地上；比值越小，转移越易。

2.3 植物生物量的差异

图3为植物干重。

图3 植物干重Fig.3 Dry Weight of Plant

由图3可知这五种湿地植物间，植株干重的差异也很大。不同种类植物间差异幅度达到2.87倍（干重最大的植物比干重最小的植物高出的倍数）。植株干重最大的植物是茭白，达到每株15.60 g；干重最小的植物是是香蒲，每株只有5.47 g。

不同植物根部和叶片干物质量的比率也有很大的差异。香蒲根部/叶片比值排在最前面，为1.89；而茭白的则比较低，为0.772。从植物的可操作性方面分析，地上部分更容易通过传统的耕作方法收割，所以地上部分的干物质量占总干物质量越大的植物，通过收割其地上部分所去除吸收的重金属的量也就越大。因此，我们在选择合适的湿地植物时，植株的生物量也是一个重要参考因素，此外植株地上部分占总体干物质量的比例也是要考虑的因素之一。

2.4 植株对铜的积累

五种植物根系、茎部和叶片中的铜积累量与它们的生物量及其体内的浓度密切相关性如下：植物中铜的累积量=植株中铜的浓度×植株干重。

因此在选择合适的水生植物时，应尽量选择那些易生长、生物量大的品种，以提高植物修复工程的效率。供试植物，其根部茎部及叶片部分对Cu2+的积累量如图4所示。

图4 植株对铜的累积量Fig.4 Copper Accumulation in Plants

由图4可知五种植物的茎部和叶片Cu2+的积累量均低于根系，这与植株根茎叶中Cu2+浓度及根茎叶各部位干重整体趋势一致。另外，还可发现植物干重对植物体内Cu2+的积累量影响显著，图2中根茎叶的Cu2+吸收量都不是最好的茭白，由于其植物干重远远大于其它植物，浓度和干重相乘后，其根部、茎部和叶片的Cu2+的积累量均为五种植物中最好。从全株来看，同样由于其植物干重较大，茭白中Cu2+的积累量也是五种植物中积累量最大的，此外慈姑和菖蒲对Cu2+也有较好的积累能力。由此可见植物对Cu2+的积累量在整体上的差异也很大。

植株对Cu2+的积累是将水体中的Cu2+吸收至植物体内，使Cu2+从水体得以去除。比较被植物根系吸附或形成沉淀物从水体中移除的Cu2+，被植物吸收的Cu2+较为稳定，不易随水质、天气等环境的变化再次进入水体，环境隐患小。同时，植株对Cu2+的积累反映出植物对铜的吸收及植株干重的综合作用，因此可将植株对Cu2+的积累能力作为选择富集植物的主要指标。

3 结论及展望

水生植物都具有一定的吸收重金属离子的能力，本试验选用的美人蕉、慈姑、菖蒲、香蒲和茭白五种植物对铜均有一定的富集能力，对低浓度的铜污染废水有较好的处理效果。

（1）从铜的去除效果来看，水中90%以上的铜被去除，其中10%左右的Cu2+被植物吸收，80%左右的Cu2+被植物根系吸附或沉积，由于这部分Cu2+的存在形式不稳定，较易重新进入水体。因此，在选择重金属的富集植物时，应以植物对铜的积累能力为主要指标，以茭白为最好，慈姑其次。

（2）因为束缚在地下部分的Cu2+很难影响植物地上部分的生长，植物为避免Cu2+毒害，60%～70%集中于根部，叶片中仅含10%左右的Cu2+。可见Cu2+在植物体内各部位分布差异较大。

（3）植物干重对植物体内铜的积累影响显著，植物对铜的积累能力由植物对铜的吸收能力和植物自身干重共同决定。选择适宜的重金属修复植物不仅要考虑植物在重金属污染水体中的生长情况，还要以植物对铜的吸收能力和植物的生物量为指标。

综合以上结论，本次研究发现净化重金属铜污染的废水的效果以茭白和慈姑为好，茭白直立高大，慈姑矮小散生。如果将这2种水生植物用于植物修复,不但对废水中铜的吸收净化能力强,而且能充分利用生长空间,从而形成一个旺盛生长的植物群落,进一步提高对废水中铜的净化效果。

但当植物去污能力达到了饱和或到凋亡季节，为了避免Cu2+随落叶腐化重新进入环境，清除植物体也是费时费力的工程。因此，植物修复技术虽已广泛应用于治理包括铜污染废水在内的重金属污染废水，但如何更有效的应用于工程实践，还有待进一步研究。

［1］颜素珠,梁冬,彭秀娟.8种水生植物对污水中重金属—铜的抗性及净化能力的探讨[J].中国环境科学,1990,10(3):166－171.

［2］彭人勇,程宝珍.Fe/C微电解－絮凝沉淀法处理电镀废水中铜的研究[J].环境工程学报,2012,2(6):501－504.

［3］王文国,王煊军,蒋大勇,等.高铁酸氧化处理络合铜废水的试验[J].净水技术,2011,30(2):23－27.

［4］安瑜,常青,于明泉.高分子絮凝剂去除废水中铜及浊度的研究[J].净水技术,2004,23(6):4－6,20.

［5］范修远,陈玉成.重金属污染水域的植物修复[J].山区开发,2003,4(1):41－43.

［6］王校常.重金属的植物修复—绿色清洁的污染治理途径[J].核农学报,2000,14(5):315－320.

［7］罗凌江,于德浩,张平.植物修复技术在地表水污染控制中的应用[J].污染防治技术,2007,20(4):74－77.

［8］ Brooks RR,Lee J,Reeves RD,et al.Detection of nickeli－ferous roeks by analysis of herbarium specimens of indicator plants[J].Geochem Explor,1977,7:49－57.

［9］沈晴,解庆林,王敦球.三种处理重金属废水的生物方法[J].广西科学学报,2005,21(2):122－126.

［10］储玲,刘登义,王友保,等.铜污染对三野草幼苗生长及活性氧化代谢影响的研究[J].应用生态学报,2004,14(1):119－122.

［11］Maria Pletsech.Novel biotechnology approaches in environmental remediation research[J].Biotechnology approaches in environment research Biotechnology Advances,1999,17:679－687.

［12］常学秀,段昌群,王焕校.根分泌作用于植物对金属毒害的抗性[J].应用生态学报,2000,11(2):315－320.

［13］李波,青长乐,周正宾,等.肥料中氮磷和有机质对土壤重金属的影响及治污中的应用[J].重庆环境科学,2000,22(6):37－40.