菖蒲对水中铅富集能力的试验研究

2017-11-09冼应男兰孟雅

四川建筑 2017年5期

关键词：含铅菖蒲废液

马晴，彭越，冼应男，兰孟雅

(西南民族大学化学与环境保护工程学院，四川成都 610041)

菖蒲对水中铅富集能力的试验研究

马晴，彭越，冼应男，兰孟雅

(西南民族大学化学与环境保护工程学院，四川成都 610041)

文章通过模拟不同浓度含铅废水与复合污染废水，研究菖蒲在不同污染条件下对水中铅的富集能力。分析菖蒲对水中Pb2+的富集能力以及Zn2+、EDTA对菖蒲富集Pb2+的影响，得到如下结论：菖蒲根的生长受Pb2+抑制，菖蒲适宜处理小于等于10 mg/L的低浓度含铅废水，Zn2+的存在可提高菖蒲对Pb2+的富集能力，EDTA的存在降低菖蒲对Pb2+的富集能力。以上结论可为菖蒲在水污染治理和环境修复中的应用提供参考。

菖蒲；铅污染；复合污染；植物修复

随着工业的快速发展，冶金、电镀、采矿等含重金属的工业废水和固体废弃物排放量日益增多，给水环境带来重金属污染。重金属毒性大，不能降解，通过食物链富集放大，危害人群健康[1]。治理重金属污染，修复水环境的方法主要有物理修复、化学修复和生物修复[2]。相较于物理修复与化学修复，生物修复具有费用省、无二次污染，环境风险小等特点，成为新兴的研究热点。植物修复属于生物修复的一种，自1983年美国科学家Chaney首先提出利用植物来消除重金属污染以来[2]，植物修复技术一直是治理环境重金属污染领域的研究热点。水生植物能够吸附和吸收水环境中的重金属污染物，具有改善水生生态环境，提供观赏和经济价值，在水污染治理和环境修复中得到广泛应用[3-5]。根据植物对污染物的吸收富集特性选择合适的植物品种是植物修复的关键，因此围绕不同湿地植物对重金属吸收富集能力的对比研究较多[6-8]。但不同废水重金属浓度各有差异，而且废水中往往是多种污染物共存。不同浓度的重金属废水对植物的毒害作用不同，影响植物生长发育以及对重金属的吸收富集；水中其他污染物的存在同样也影响植物对重金属的吸收富集，从而制约植物修复的效果。本文通过模拟实验，比较菖蒲在不同浓度的单一重金属铅污染、铅-锌复合污染与铅-EDTA(模拟环境中的络合物)复合污染废液中，生长情况以及对铅的吸收富集能力，研究适合菖蒲处理的重金属废水浓度以及复合污染对菖蒲吸收能力的影响，为菖蒲在水污染治理和环境修复中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选择南方常见的菖蒲属(Acorus L.)植物菖蒲(Acorus calamus L.)。活体植物采集于成都市郊区。

1.2 试验设计

试验前，先用自来水清洗菖蒲根部，然后置于暴晒过的自来水中饥饿处理一周，再选取长势一致的植株修剪整齐，待用。

(1)模拟不同浓度的单一含铅废液。用去离子水溶解Pb(NO3)2，配制成Pb2+浓度分别为0 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L的废液各1L，分别装入容积为1L的玻璃瓶中。

(2)模拟Pb2+-Zn2+复合污染废液。用去离子水溶解Pb(NO3)2与Zn(NO3)2，配置成Pb2+浓度为10 mg/L，Zn2+浓度分别为0 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L的5种混合废液各1L，分别装入容积为1L的玻璃瓶中。

(3)模拟Pb2+-EDTA复合污染废液。用EDTA二钠盐模拟环境中的络合物。去离子水溶解Pb(NO3)2与EDTA二钠盐，配置成Pb2+浓度为10 mg/L，EDTA二钠盐浓度分别为0 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L的5种混合废液各1L，分别装入容积为1L的玻璃瓶中。

在以上盛有废液的玻璃瓶中加入营养液5 mL，将处理好的菖蒲以3株为一组分别置于各玻璃瓶中培养。对植物的生长管理采用露天培养的方法，始终保持充足的光照和通风，温度保持在20～25℃之间。

1.3 测定方法

对植株的生长情况观察、记录。每隔7天取25 mL废液，过0.45 μm膜，用火焰原子吸收法测Pb2+与Zn2+浓度，同时将玻璃瓶中的废液添加至标记处。35天后，将植株用自来水冲洗干净，将植株上的水擦干，分为地上部分和地下部分用电子天平秤分别称其鲜重。放入烘箱中杀青1 h，将杀青后的植物样品在80℃下烘干至恒重。电子天平称量得到烘干样品地上与地下部分的重量。再用研钵将恒重的样品研磨成粉末状。四分法准确称取地上部分和地下部分各0.400 0±0.000 1 g，放入5 mL坩埚中，先在低温电炉上碳化粉末至不冒烟为止，将坩埚转入马弗炉中灰化。然后，加入1∶1的硝酸溶液10 mL并滴入1滴双氧水消解，过0.45 μm膜，用火焰原子吸收法测量Pb2+和Zn2+含量。

2 结果与分析

2.1 不同浓度的单一Pb2+污染

2.1.1 植物不同组织的受害情况

菖蒲通过吸收、富集水中的铅来净化受污染的含铅水体，但当水体中的铅达到一定浓度时对植物的不同组织产生一定程度的损伤[9]。

(1)将菖蒲放在不同浓度梯度的含铅废水中培养，在第3天叶片边缘处稍有发黄的迹象，在第10天叶片全部发黄。叶片黄化的原因可能是由于植物受到铅毒害后影响其叶绿素合成，叶绿素减少或者降解增多，改变植物中类胡萝卜素与叶绿素的比例，从而使叶片因缺乏叶绿素而黄化[10]。

(2)根部受铅毒害的情况，在培养第7天时根部开始有新芽长出，但在培养第30天时根部开始腐烂。

2.1.2 植物生长情况

在培养菖蒲的过程中，菖蒲植株的生物量、植株根长度以及植株高度均发生变化。由图1可见，在铅浓度小于等于10 mg/L环境中，生物量有所增加。对比图1与图3，在铅浓度为20 mg/L环境中，虽然植株高度增加，但生物量下降，可见低浓度含铅废液不但不影响菖蒲的生长代谢而且还起促进作用。由图2可见，铅离子浓度为0的废液中，植株的根长有明显增长，而含铅废液中的植株根长增长较小，说明含铅废液对植物根的生长有抑制作用。

图1 菖蒲植物生物量变化

图2 菖蒲植株根长变化

图3 菖蒲植株高度变化

2.1.3 植物的不同组织对Pb2+的富集情况

根据35天后测得的植物体内、地下部分与地上部分Pb2+含量、植物干重以及溶液中的Pb2+浓度，按照式(1)～式(3)计算，得到不同浓度的Pb2+废液中菖蒲对Pb2+的富集与转移情况(表1)。从表1中数据可以看出，植株的富集量随着铅浓度的增加而增加，两者呈正相关关系。植株根部的富集系数远远大于茎叶的富集系数，说明铅进入植物体后主要作用于植物的根部，转移系数都小于1，均在0.05～0.30之间，说明菖蒲植株不能有效地将根部的重金属转移到茎叶部分。

富集量(mg/kg)=植物对重金属吸收量/植物干重

(1)

富集系数=植物地上部(或根)重金属含量/溶液中该元素含量

(2)

转移系数=植物地上部分重金属含量/根部该元素含量

(3)

表1 不同浓度Pb2+废液中菖蒲对Pb2+的富集、转移情况

2.2 复合污染

2.2.1 Pb2+-Zn2+复合污染

图4 Pb2+浓度为10 mg/L的Pb2+-Zn2+复合污染废液中Pb2+浓度变化

2.2.2 Pb2+-EDTA复合污染

在含有Pb2+与EDTA的废液中培养菖蒲，第3天时植株的叶片边缘稍有发黄，第10天时部分叶片发黄。与单一Pb2+污染相比，菖蒲受毒害的症状有所缓解。EDTA与Pb2+对植物的联合毒性作用呈现拮抗效应。废液中Pb2+浓度变化情况如图5所示，呈现出EDTA浓度越高，水样中Pb2+浓度越高。28天后EDTA浓度为0的水样中Pb2+为0，而Pb2+-EDTA复合污染废液中Pb2+浓度大于3.5 mg/L，而且EDTA浓度越高废液中残留的Pb2+浓度越高，可见EDTA的存在抑制植物对Pb2+的吸收。

图5 在Pb2+浓度为10 mg/L的Pb2+-EDTA复合污染废液中Pb2+浓度变化

3 结论

通过菖蒲在单一污染和复合污染条件下对水中铅富集能力的试验研究，可以得到如下结论：

(1)虽然菖蒲对Pb2+的富集量与水环境中Pb2+浓度正相关，但水环境中Pb2+浓度越高，菖蒲生长越受影响。水中Pb2+被菖蒲吸收后主要存在于根部，而Pb2+对菖蒲根的生长有明显的抑制作用。因此，菖蒲对Pb2+的富集能力是有限的。水环境中Pb2+浓度小于10 mg/L时，对菖蒲的生长影响较小。菖蒲只适宜于处理小于10 mg/L的低浓度含Pb2+废水。

(2)在Pb2+-Zn2+复合污染的废水中，Zn2+的存在促进菖蒲对Pb2+的吸收，提高其对Pb2+富集能力。

(3)在Pb2+-EDTA复合污染的废水中，EDTA的存在抑制菖蒲对Pb2+的吸收，降低其对Pb2+的富集能力。

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