煤矸石浸出液中桐花树根的重金属富集特性的研究

2014-02-07刁俊明曾宪录钟福生

嘉应学院学报 2014年5期

刁俊明,曾宪录,钟福生

(嘉应学院生命科学学院，广东梅州 514015)

煤矿的开发不仅直接造成大规模的山体和土壤破坏，而且煤矸石在风吹、日晒、雨水的冲刷淋滤及人为作用下，部分重金属发生化学变化并被溶出，随流水渗入地下或流入地面水体、土壤和含水层中，从而降低土壤功能、污染水质，造成严重的重金属污染[1].重金属污染现已成为危害最大的水污染问题之一.由于重金属具有难降解、易积累、毒性大等特点，还能被生物吸收进入食物链危害人体健康[2]，因此在水环境中重金属污染尤其受到人们关注.水污染是导致水资源可利用性降低、水域生态系统退化的重要因素之一[3].随着工业的迅猛发展，各种工业(如冶炼、电镀、采矿等)废水和固体废物渗滤液直接排入水体，致使河涌水体中重金属含量日益升高[4].进入水体的重金属不能自然降解或被微生物分解，往往在水中或沉积到水域底部，又或被水生生物吸收，并通过食物链积累而损害动物和人类健康[5].

修复重金属污染环境的方法有很多(如物理、化学和生物方法)，但因植物修复( phytoremediation)技术具有经济有效、环境友好和操作简便等优点而备受关注[6].利用植物修复技术修复重金属污染的关键是找到适合的重金属超富集植物或耐性植物[7]，并且应具有分布范围广、地上部生物量高、生命周期短、繁殖速率高等特点[8～9].目前，全球已发现500余种重金属超富集植物.研究表明植物对金属的适应机制中，植物或是通过根部一定的结构或生理特性限制有害重金属离子从根部向地上部分转移，保持地上部分较低的重金属含量，使植物地上部分具有较高的生理活性，或是采取将有害重金属积累到容易脱落部分，通过这些部分的脱落，使有害重金属离开植物体，这种耐性机制与植物在长期的进化过程中产生了多种抵抗重金属毒害的防御机制有关[10].

在粤东地区，由于开采煤矿造成废渣(特别是矸石)的大量堆积形成废弃地，较多的矿区又没有采取相应措施治理，同时粤东多江河，季节性降水量较多，矸石浸出液易污染水源[11-12].因此，研究对重金属具有高富集能力的植物对于煤矸石浸出液污染水体的净化具有重大意义.目前有研究表明桐花树(AegicerasCorniculatum)具有较强的重金属富集能力[13～14].但其对煤矸石水浸液的耐性能力未见报道.本试验以水和煤矸石土相混合，配制成不同浓度的煤矸石浸出液进行桐花树栽培试验，对煤矸石浸出液以及桐花树植物根部的3种重金属含量进行测定，以了解煤矸石浸出液重金属污染程度和桐花树根系对重金属的富集特性.旨在为利用桐花树治理煤矸石浸出液污染水体采取一定针对性的措施，降低重金属对水体的污染提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

煤矸石采集于梅州市明山煤矿，该矿地处粤东梅县境内的丘陵地带，地理坐标为东经116o18'、北纬24o15'，属亚热带季风湿润气候.年均气温21.3℃，年均降水量1 480 mm，75%以上的降雨集中在4月～9月，无霜期309d.该矿地处一条山冲中，三面环山，海拔500～600m，面积20 hm2，共有4个矸石堆积场，废弃时间10～20 a.使用25kg容量编织袋采集煤矸石10袋以备试验用.选取嘉应学院红树植物科研试验基地淡水湿地栽培的株高27～30 cm，生长健壮、无病虫害、长势基本一致的1 a龄桐花树苗为试验材料.

1.2 试验方法

把取自尾矿的煤矸石粉末分别称重5 kg、10 kg、20 kg、30 kg放置在标明A、B、C、D的培养箱中，分别与完全营养液[15]配成30 L的培养液(标记培养液的液面位置)，用来模拟自然环境的水体被煤矸石污染的程度.放置20 d，期间加适量水以补充蒸发的水，使煤矸石浸出液的重金属含量析出最大且稳定.在标明CK的培养箱中加入30 L完全营养液作为试验对照组.把1 a龄桐花树苗分别种植于A、B、C、D、CK培养液中(用泡沫浮板固定)，每箱种植6株，将培养箱置于阳光瓦试验大棚下，连续培养120 d，每7 d在培养箱内加入适量水以补充蒸发的水；每40 d更换1次各自的培养液，以保证桐花树的正常生长.培养时间为2012年7月至11月.在培养过程中，每40 d分别采取桐花树的根样品用于测定重金属含量.

1.3 指标测定方法

1.3.1 根长和根数的测定

用直尺测量每株桐花树的根长(cm)，统计每株桐花树的根数(按直径≥0.10 cm以上计).

1.3.2 浸出液和根的重金属含量测定

采集A、B、C、D浸出液，分别用试管储存备用，将采集的浸出液用滤膜进行过滤，除去其他杂质，放置在50 ml容量瓶内待测.

将采集的各处理桐花树部分根待测样品先用自来水洗干净，再用超纯水清洗2次，于烘箱内先用105℃杀青1 h，再用80℃烘干48 h至恒重，用研钵粉碎磨细，置于干燥器中保存.然后取干燥的植物粉末0.200 g置于消化罐中，加浓硝酸7 mL，过氧化氢3 mL，于xt-9900微波消解仪进行消解，消解完于容量瓶中用超纯水定容至50 mL.

重金属的测定采用AA-400型原子吸收分光光度计分别测定处理好的溶液样本与根样品，得出数据.

1.4 煤矸石浸出液重金属污染评价标准

煤矸石水浸液重金属污染的评价水平按国家环境总局发布的地表水环境质量标准评定(表1).

表1 地表水环境质量标准基本项目标准限值(mg/L)

1.5 数据统计分析

运用SPSS17.0汉化版软件对组间数据进行独立样本T检验分析.采取sig双侧检验，p<0.05，为差异显著；反之，则差异不显著.p<0.01，为差异极显著.

2 结果与分析

2.1 煤矸石浸出液重金属含量分析

由表2可知，A、B、C、D浸出液所含的各种重金属浓度不同.Zn、Cu均超过I类水质标准[16]，而未超过II类水质标准；Mn除了在A浸出液外，其他梯度均超过II类水质标准，在B、C、D浸出液分别超过II类水质标准的1.07、1.81、4.83倍.总体来说，在同一个梯度内，Mn浓度最大，Zn次之，Cu最小，重金属浓度高低顺序为Mn>Zn>Cu.可见，在A、B、C、D煤矸石浸出液中，煤矸石浓度比例增大，各种重金属的含量也相对增加.

表2 煤矸石浸出液重金属浓度(mg/L)

注：表内数据为平均值±标准差.同列处理间相同的小写字母表示差异不显著(p>0.05)，反之则差异显著(p<0.05).下同.

2.2 桐花树根部的重金属生物积累量

从表3可知，桐花树根部重金属含量的变化趋势是Mn含量较高，Zn含量次之，而Cu含量较低.且桐花树根部的Mn、Zn含量随着煤矸石浸出液浓度的增大而升高.随着培养时间延长，Zn含量先降低后升高，在A和B较低浓度中，Zn含量先降低后上升，上升量明显超过下降量，在C和D较高浓度中，先下降后上升，上升量未超过下降量，说明在低浓度中，桐花树对Zn的吸收效果较好；在CK组中，Zn含量也是先降后升，上升量未超过下降量，说明桐花树能够吸收Zn；Mn含量在不同浓度的浸出液中变化趋势不同，在A组较低浓度的浸出中Mn呈含量先降后升的趋势，上升量未超过下降量，而在其它浓度均表现出下降趋势，但下降的速率均逐渐变缓，说明低浓度浸出液中桐花树对Mn的吸收效果较好；Cu含量在植株的根中无显著差异，且在不同月份也无显著变化.

表3 桐花树根的重金属含量(mg/kg)

2.3 煤矸石浸出液对桐花树根的生长影响

从表4可知，随着煤矸石浸出液浓度的增加，在CK、A、B、C组中桐花树的根数和根长均没有显著差异，但在D组中有显著差异，且D组的根数和根长显著大于其他组.可见，D组高浓度浸出液对桐花树根的生长有显著的促进作用.由表4还可看出，随着培养时间的延长，在CK、A组中，桐花树的根数和根长均无明显变化；在B和C组中，桐花树的根数和根长均有所增加，但差异不显著；而在D组中，桐花树的根数和根长均显著增加.总体表明桐花树对煤矸石浸出液具有较强的耐性.

表4 煤矸石水浸液对桐花树根的生长影响

3 讨论

3.1 不同重金属生物积累量的差异

由重金属的生物积累量分析可知，在煤矸石浸出液中重金属Mn、Zn、Cu三种含量较高，表现为Mn >Zn >Cu.重金属含量在四种煤矸石培养溶液中呈现梯度性，溶液内煤矸石含量越多，三种重金属含量越高，推测煤矸石浸出液内煤矸石含量会影响到浸出液中重金属的含量[16].本试验表明在桐花树根部的重金属含量为Mn>Zn>Cu.且其对不同重金属的积累量有一定的差异，其体内的重金属含量与溶液中的重金属含量有一定关系.培养溶液中重金属含量高，桐花树体内的重金属含量也高，但不是完全的正比例关系，这可能与桐花树本身对不同重金属吸收积累差异有关.影响植物重金属吸收的因素有温度、ph值、溶液浓度、植物种类和生长期等[2]，各种因素对植物的影响有所不同，同时不同植物对不同元素的吸收也有所不同.其中温度作为重要的非生物因子能够对植物生长造成直接影响，而植物的生长状况也关系到其对重金属元素的吸收.毕春娟等[18]发现，植物体对水体重金属元素的吸收表现出了典型的季节特征，春夏季含量最高，秋季稳步下降.而本次采样的时间为7、9、11月，植物的代谢较为旺盛，对重金属元素的吸收能力也较强.因此，为了更好的了解植物对重金属元素的吸收富集季节规律，我们还应当对不同季节条件下的植物重金属元素吸收富集特征进行深入研究.本试验主要是研究溶液重金属浓度对桐花树的生长影响，同时应该排除其他的干扰因素.在培养过程中发现，桐花树在煤矸石浸出液内生长状况良好，而在不含煤矸石的对照组培养液中其生长状况差，叶片枯黄，根系不发达，主要原因是缺少植物必须元素.而试验组A、B、C、D中，桐花树的生长状况良好，如图1所示.推测煤矸石中有植物所需的大量元素.同时也有可能培养液中的重金属浓度还没有超过桐花树忍耐的临界范围内，所以对其生长没有发生太大影响[19].

本试验表明，桐花树对不同重金属的富集特点是Zn>Mn>Cu.其中Mn、Zn、Cu是植物所需的微量元素，对植物本身有一定的作用，但超过一定量时则对植物有害[20].桐花树对三种元素的吸收量不同，且Zn的富集效果比较好，其对Mn、Zn富集作用明显，而对Cu的富集作用不是很明显.Cu是植物所需微量元素，但Cu的富集效果还是比较差的[17].这样的原因可能与植物对重金属的特殊适应机制有关，根系是植物吸收矿物元素的主要通道，并且通过根系压力和叶片的蒸腾作用，将所吸收的矿物元素以及营养物质转运到植物各部分，同时根系还能够有效阻隔水体中的有毒物质进入到植物的茎叶部分，使植物茎叶部分保持较低的重金属含量，减轻重金属对植物有机体的毒害[20].

3.2 煤矸石水浸液对桐花树根生长的影响

在煤矸石浸出液中，桐花树的根数在CK、A、B组中并没有显著的增加，而在高浓度的C组和D组中，根数和根长却有所增加，表明桐花树能够在C组和D组的重金属浓度中生长.且根的长度跟煤矸石浸出液的浓度梯度表现出有一定的正相关，当浓度越高时，根长就越长(图1).

图1 桐花树在不同浓度水浸液中的长势比较(11月份)

由图1可见，桐花树对重金属具有一定的吸收与累积功能，而且在其耐性范围内的重金属胁迫下，可以促进其植株生长.高浓度的重金属胁迫下，桐花树的细胞膜透性增大，膜脂过氧化作用增强，但其在一定范围内可以启动自我保护系统，即通过保护酶体系的增强进行防御.建议今后在重金属污染湿地区，可进一步扩大桐花树的种植力度[13].

综上所述，桐花树根系在煤矸石浸出液中能够正常生长发育，表明其对煤矸石浸出液的耐性较强.本试验表明桐花树对Mn、Zn是富集植物，可以考虑其作为净化污水的植物.

[1] 路畅,王英辉,杨进文.广西铅锌矿区土壤重金属污染及优势植物筛选[J].土壤通报,2010,41(6):1471-1475.

[2] 简敏菲,弓晓峰,游海.水生植物对铜、铅、锌等重金属元素富集作用的评价研究[J].南昌大学学报:工科版,2004,26(1):85-88.

[3] 马宏宇,张忠强.水污染与水域生态系统的保护[J].中国环境管理,2009,3(9):16-19.

[4] 徐龙君,刘成伦,潘宏清.煤矸石酸雨淋滤特征的研究[J].四川环境,2000,19(3):34-37.

[5] 李仲华.试述土壤污染对人类健康的侵害[J].环境科学与管理,2009(7):192-194.

[6] 唐世荣,黄昌勇,朱祖详.利用植物修复重金属污染土壤[J].环境科学进展,1996,4(12):10-15.

[7] 秦天才,吴玉树,王焕校.镉、铅及其相互作用对小白菜根系生理生态效应的研究[J].生态学报,1998,18(3):320-325.

[8] 周启星,宋玉芳.污染土壤修复原理与方法[M].北京:科学出版社,2004.

[9] 沈振国,刘友良.重金属超量积累植物研究进展[J].植物生理学通迅,1998,34(2):133-139.

[10] 王红旗,李华,陆泗进.羽叶鬼针草对Pb的吸收特性及修复潜力[J].环境科学,2005,26(6):143-147.

[11] 廖富林,杨期和,颜幼平,等.广东梅州明山煤矿废弃地的自然定居植物[J].华南农业大学学报:自然科学版,2006(2):71-75.