水生植物对电镀废水中重金属的修复研究

张志敏，朱 祥，丁新泉，王 锐

(1. 铜仁学院，贵州 铜仁 554300；2.铜仁市创建国家环境保护模范城市办公室，贵州 铜仁 554300；3.杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100)

水生植物对电镀废水中重金属的修复研究

张志敏1,2，朱 祥3，丁新泉1，王 锐1,2

(1. 铜仁学院，贵州 铜仁 554300；2.铜仁市创建国家环境保护模范城市办公室，贵州 铜仁 554300；3.杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100)

以菖蒲、石菖蒲、黄花鸢尾、香蒲、水芹5种水生植物为对象，对电镀废水进行绿色修复研究。在电镀废水中植物生长第20d对植物的生物量、生理特性、净化效果进行测定。结果表明：5种水生植物在重金属废水中均受到不同程度的生长胁迫，不同植物的生物量、根系活力、SOD活性、MDA含量、重金属的去除率差异明显；重金属对黄花鸢尾的胁迫不大，生长抑制率为4.72%，其耐性强，根系活力、SOD活性最大，对重金属(Cr、Zn、Mn)的净化效果最好；水芹的植物生物量不受重金属的影响，生长抑制率为-3.39%，耐性强，重金属的净化效果比较好；石菖蒲对Cr、Mn的净化效果仅次于黄花鸢尾。

水生植物；电镀废水处理；重金属去除；植物修复

电镀工业是近年来全球范围内公认的三大污染源之一，在生产过程中大量的重金属溶液、强碱、强酸、氰化物、氟化物等有毒有害化学物质被使用[1.2.3]。排放出的废水，流入水环境，会引起水体重金属污染；进入食物链，会危害人类的健康及生命[1-4]。水体重金属污染具有三个非常明显的特点：不可逆性；长期性；隐蔽性[5-7]。

因市场需要，电镀工业的规模越来越大，排放的电镀废水量也逐年增加。如何有效处理污染水体中的有毒有害金属物质一直是国内外专家研究的重要方向。在实践中，水体重金属污染修复方法主要从两条途径考虑：①将重金属物质从受污染水体中彻底清除；②降低受污染水体中的重金属的迁移能力及生物的可利用性[8.9]。植物修复水体重金属污染就是一项低成本、绿色环保的修复方法，它利用一些能积累或超量积累重金属的水生植物，将水体中的重金属富集到植物体内，以收割植物的方式，将重金属从水体中清理出去[10-11]。

目前，国内外学者在水生植物对重金属的吸收及净化方面研究较多，对污染水体中植物的耐性和抗性研究较少。因此，本研究通过水培试验的方法，以菖蒲、石菖蒲、黄花鸢尾、香蒲、水芹5种水生植物为试验材料，探讨这5种水生植物在电镀水中的生理抗性及净化效果，以期为电镀废水修复工程中筛选生理抗性强、净化效果好、富集能力强的水生植物提供一定的借鉴及参考。

1 材料与方法

1.1 材料

在对贵州省铜仁市水生植物资源、气候特征进行详细调查的基础上，结合植物的观赏及经济价值，选取以下5种水生植物为试验材料：菖蒲(Acoruscalamus)、石菖蒲(Acorusgramineus)、黄花鸢尾(Irispseudacorus)、香蒲(Acoruscalamus)、水芹(Oenanthejavanica)。供试植物材料来自铜仁市水生植物基地及贵阳水生植物公司。

电镀水采自铜仁市某电镀加工厂，电镀废水经预处理后，将其浓度稀释一倍，以备试验使用。

表1 电镀水中重金属的原始浓度 (mg/L)

1.2 试验设计

在试验前将植物幼苗移入自来水中驯养4d，使移栽过程中受损的根系得以恢复。4d后选取生长健壮、无枯叶、长势基本一致、苗高在40cm左右的植物，用去离子水冲洗干净幼苗根系后，放置于直径为25cm、高为27cm的特制黑色塑料桶内。每桶铺10cm厚基质(粗砂)，基质经盐酸浸泡16h，再用超离子水漂洗4次，然后铺于桶中，用打孔塑料板将基质和桶底隔开。

试验设为对照组、实验组、CK组(不种植植物，加入4L重金属污水，进行自然修复)，对照组和实验组植株分别用4L的自来水和供试电镀废水处理，每桶种植4株，3次重复。在试验期间每天保持桶中水位，试验20d时对植物和污水进行采样。

1.3 测定方法

植物总干重等于地上部干重与地下部干重之和，水样及植物中重金属元素含量(Cr、Zn、Mn)使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP)测定，根系活力采用TTC法[12]测定，超氧化物歧化酶(SOD)活力采用氮兰四唑(NBT)[13]测定，MDA含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法[14]测定。

1.4 数据统计与分析

植物生长抑制率(%)=(对照生物量-重金属处理生物量)/对照生物量×100；金属的净化效果用去除率表示，计算公式为：

W(%)=(A0-A1)/A0×100

式中：W表示重金属的去除率，A0为电镀水中的初始重金属含量，A1为采样测定的重金属含量。

试验数据采用SAS软件GML过程进行方差分析，图表使用Origin8.5绘制。

2 结果与分析

2.1 电镀废水胁迫对水生植物生物量的影响

从表2可以分析出，水生植物在电镀水中生长20d后，除水芹外均受到不同程度的生理胁迫。水芹的生长抑制率为-3.39%，并且对照和处理之间的地上干重、地下干重、总干重、R∶S的值等指标无明显的差别。电镀废水对黄花鸢尾生长胁迫影响不大，其生长抑制率为4.72%，对照和处理之间除地上干重有明显的差别之外，其他的生理指标无明显的差别，特别是衡量环境胁迫对植物生长影响的R∶S值，对照和处理之间差值为0.01，无差别。石菖蒲的生长抑制率为15.41%，表明石菖蒲在电镀水中的生长受到一定程度的胁迫，其表现为对照和处理之间的地上干重、总干重、R∶S值有明显的差别。香蒲和菖蒲植物严重受到电镀废水的胁迫，其对照和处理之间各生理指标差异显著，尤其是菖蒲，在试验的5种植物中生长抑制率最高，为48.62%。

表2 电镀废水对水生植物生物量的影响

注：每个数值以平均值±标准差表示，同种植物不同处理间不同字母表示在0.05水平下差异显著。

2.2 电镀废水胁迫对水生植物生理的影响

2.2.1 根系活力的变化

根的活力水平直接影响地上部的营养状况，在一定环境胁迫下根系活力增加，这可能是根系通过提高呼吸作用以适应、抵抗胁迫环境，维持植物的正常生长的结果[15.16]。图1反映了5种水生植物在重金属废水中根系活力的情况，除菖蒲外，其它4中植物处理组的根系活力都高于对照组，这表明重金属严重影响了菖蒲的根系活力，其适应性差。黄花鸢尾、香蒲、水芹3种植物的根系活力，对照组和处理组之间存在明显的差异，说明这3种植物在电镀废水中适应强、能抵抗重金属的胁迫。尤其是黄花鸢尾，处理组比对照组的根系活力高21μg. g-1.FW。

2.2.2 超氧化物歧化酶(SOD)活性的变化

SOD是植物体内清除活性氧的重要防御酶，具有抗自由基的作用，能防止细胞受自由基的伤害，提高植物的抗逆性[17.18]。5种水生植物在电镀废水中SOD活性与对照组相比有一定的升高，这符合植物在逆境胁迫下的表现，当胁迫环境发生后，植物机体内会发生各种变化，以适应不良环境[18]。除水芹外，其它4种水生植物的SOD活性，对照组与处理组之间存在明显的差别，特别是黄花鸢尾，SOD活性比对照组高出51.1%，其次是菖蒲和香蒲，比对照组分别高出37%、27.9%。

2.2.3 丙二醛(MDA)含量的变化

MDA含量通常作为细胞膜脂过氧化的指标，表示过氧化程度以及植物对逆境胁迫适应性的强弱[19]。图3表示5种水生植物在重金属污水中生长20d后MDA含量变化。黄花鸢尾、香蒲、水芹的MDA含量比对照组低，分别低30%、38.9%、25%，说明这3种植物能有效地缓解细胞膜的过氧化，积极地调节活性氧代谢，几乎不受重金属的影响或很少受到影响，耐性强。菖蒲和石菖蒲处理组植物体内的MDA含量高于对照组，分别高出19%、6.7%，表明细胞膜过氧化相对比较严重，其植物在环境胁迫时耐性较弱。

2.3 水生植物对重金属的净化效果

从图4中可以分析出，5种水生植物在重金属污水中生长20d后，对3种重金属都有一定的净化效果，但不同水生植物的去除效果之间以及不同重金属的去除率之间仍存在明显的差异。5种水生植物中，黄花鸢尾对Cr、Zn、Mn的去除效果最好，比CK组分别高42%、24.4%、32.6%，去除能力Cr>Mn>Zn。石菖蒲和水芹对这3种重金属去除效果也比较显著，石菖蒲对Cr、Mn的去除效果仅次于黄花鸢尾，对Zn的去除效果，在5种植物中最差。另外，菖蒲对Cr、Zn也表现出较好的去除效果，而香蒲对Zn、Mn的去除效果较好。

3 结论

(1)对电镀废水进行绿色修复研究发现，5种水生植物在重金属废水中均受到不同程度的生长胁迫，不同植物之间的生物量、根系活力、SOD活性、MDA含量、重金属的去除率差异明显。水芹的生长抑制率为-3.39%，黄花鸢尾为4.72%，水芹和黄花鸢尾的根系活力、SOD活性、MDA含量等指标处理组与对照组差异比较大，这说明生理指标与植物的生物量有显著的相关性。并且，这两种水生植物对重金属(Cr、Zn、Mn)的净化效果突出。

(2)重金属胁迫下，为适应环境的变化，维持植物的正常生长，植物表现为根系活力增强，SOD活性增大，MDA含量减少，黄花鸢尾表现最为明显，处理组与对照组差异显著，根系活力增高39.6%、SOD活性增大51.1%、MDA含量降低30%。这说明水生植物具有自我调节能力，能在一定的金属胁迫下生长。

(3) 5种水生植物对3种重金属(Cr、Zn、Mn)的净化效果差异明显，黄花鸢尾对Cr、Zn、Mn的去除效果最好，去除能力Cr>Mn>Zn，石菖蒲和水芹对3种重金属去除效果也比较好，石菖蒲对Cr、Mn的去除效果仅次于黄花鸢尾，对Zn的去除效果在5种植物中最差。

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Study on Phytoremediation of Heavy Metals in Electroplate Wastewater by Hydrophyte

ZHANG Zhi-min1,2, ZHU Xiang3, DING Xin-quan1, WANG Rui1,2

(1.Tongren University，Tongren Guizhou 554300 ,China)

Thestudy on the green restoration of electroplating wastewater was conducted usingAcoruscalamus,Acorusgramineus,Irispseudacorus,Acoruscalamus,Oenanthejavanica. The biomass, physiological characteristics, and purification effect of plants were tested after electroplating wastewater for 20 days. The results suggested that these 5 kinds of hydrophytes were subjected to different degrees of growth stress in the heavy metal water. The biomass, root activity, SOD activity, MDA content, and the removal rate of heavy metals were significantly different among different hydrophytes. The stress on heavy metals toIrispseudacoruswassmall. Its growth inhibition rate was 4.72%, the tolerance was strong, the root activity and SOD activity were the biggest, and its purification effect on heavy metals (Cr, Zn, Mn) was the best. Plant biomass of cress was not affected by heavy metals. Its growth inhibition rate was -3.39% with strong tolerance and good purification effects. The purification effect ofAcorusgramineuson Cr and Mn was next only to that ofIrispseudacorus.

hydrophyte; electroplate wastewater; removal of heavy metals; phytoremediation

2016-09-01

铜仁市环保局专项(TRCMB16-3)，贵州省教育厅特色重点实验室项目(黔教合KY字[2011]005)。

张志敏(1981-)，女，河南周口人，博士研究生，副教授，主要从事植物生理、栽培及育种研究。

X703

A

1673-9655(2017)01-0006-05