4种园林植物修复河道疏浚底泥中重金属污染的试验研究

2018-03-27杨丹，刘燕，刘勇

江苏农业科学 2018年4期

杨丹，刘燕，刘勇

(贵阳学院生物与环境工程学院，贵州贵阳 550002)

随着城市化进程的加快及工业的迅猛发展，河流、湖泊等受到了不同程度的污染，污染物沉积在底泥中，当环境条件发生变化时又重新释放到水体中。环保疏浚是减少水环境污染和改善水质的重要途径[1]。但疏浚和清淤产生的疏浚底泥中含有一定量的重金属、有机物等污染物质，传统的脱水、堆置等处理方法可能造成土壤和地下水污染，因此疏浚底泥的合理处置显得尤为重要[2]。底泥重金属污染已成为世界性问题[3-4]。目前国内外河道及湖库底泥的重金属污染治理有物理修复、化学修复、生物修复以及3种技术联合，其中物理和化学修复方法日渐成熟，但由于物理修复经济成本较高，化学修复易带来二次污染等问题，其应用仍受到一定限制[5-6]。植物修复是利用植物通过吸收、沉淀、富集等作用降低底泥中的重金属含量，相比处理成本昂贵的物理、化学修复技术，植物修复技术可以通过吸收、提取、迁移等过程将污染物从底泥中转移，是处理疏浚底泥中重金属污染的新兴技术[7-8]。

南明河属乌江水系，全长118 km，横贯贵州省贵阳市城区，从20世纪90年代开始因受生活污水和工业废水排污影响，水环境恶化，污泥淤积严重[9]，从2001年开始治理，主要采用环保疏浚清除水底淤泥，削减水体内源性污染物的释放量[10]。有研究表明，南明河河道疏浚出的底泥存在不同程度的重金属污染[11]，目前底泥是经脱水、干化后送至填埋场处理[12]，尚无针对南明河河道疏浚底泥重金属污染的植物修复相关研究报道。因此，为研究植物修复重金属污染河道疏浚底泥的潜力，选取4种生长适应性强、生长速度快、生物量大、养护成本低、具有景观效果的园林植物为研究对象，对河道疏浚底泥中重金属的吸收、分布及修复效率进行分析，为重金属污染河道疏浚底泥的植物修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试底泥为贵州省贵阳市南明河水口寺河段河道疏浚底泥，pH值为7.6，全Cu含量179.64 mg/kg，全Zn含量 219.03 mg/kg，全Cd含量7.15 mg/kg，全Pb含量 58.28 mg/kg。供试植物为绿萝 (Epipremnumaureum)、吊兰

(Chlorophytumcomosum)、吊竹梅(ZebrinapendulaSchnizl)、花叶万年青(DieffenbachiapictaLodd.)，均为生长1年的植株，购自贵阳市花鸟市场。

1.2 试验方法

本试验为盆栽试验，试验地点为贵阳学院实验温棚。河道疏浚底泥自然风干过2 mm筛，装入高20 cm、内径15 cm的塑料花盆，每盆装泥2.5 kg，用去离子水调至70%左右持水率，每盆移栽5株植株，每种植物3次重复，种植时间60 d。

1.3 底泥和植物样品测定

底泥样品处理：种植植物前，取自然风干底泥磨碎，测定pH值时过1 mm筛，电位法测定[13]；测定重金属含量时过 0.15 mm 筛，用HNO3-HF消解后采用AA-7000原子吸收分光光度法测定全量Cu、Zn、Cd、Pb含量[13]。植物收获后花盆中底泥上、下层土壤混匀后自然风干，用四分法取约100 g磨碎，过0.15 mm筛，HNO3-HF消解后采用AA-7000原子吸收分光光度法测定种植植物后底泥中上述4种重金属含量。

植物样品处理：植物生长60 d后收获，用自来水冲洗，根部土壤洗净后再用去离子水清洗，滤干水分后将地上部分与地下部分分开，105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒质量。植物样品烘干研磨后过0.20 mm筛，HNO3-HCl O4消解后采用AA-7000原子吸收分光光度法测定后植物中Cu、Zn、Cd、Pb含量[13]。

1.4 数据分析

数据经Microsoft Excel 2010统计分析后，采用OriginPro 8.5制图。

2 结果与分析

2.1 河道疏浚底泥中重金属含量

由表1可知，南明河水口寺河段河道疏浚底泥中全量Cu、Zn、Cd、Pb等重金属含量均高于贵阳市土壤背景值；与GB 15618—1995《土壤环境质量标准》中自然背景值相比，底泥中全量Cu超标4.13倍，全Zn超标1.19倍，全Cd超标34.75倍，全Pb超标0.67倍。可见，河道疏浚底泥中Cu、Zn、Cd、Pb等重金属均存在不同程度的污染，其中Cd污染最严重。

表1 河道疏浚底泥及土壤环境中重金属含量

2.2 植物体内重金属含量分布

由图1可见，重金属含量在4种植物中的分布状况各不相同。植物体内Cu积累总量最高的是绿萝，达到 147.60 mg/kg，积累含量最低的是吊竹梅，为59.52 mg/kg；Zn积累总量最高的也是绿萝，为176.81 mg/kg，最低的是花叶万年青，为86.09 mg/kg。Cd在4种植物体内的积累含量差异不大，为2.80～4.52 mg/kg，积累含量最高的是绿萝，最低的是花叶万年青和吊竹梅，分别为2.80、2.93 mg/kg；吊竹梅中积累的Pb含量最高，达31.92 mg/kg，绿萝积累的最低，为24.83 mg/kg。一般植物体内积累的Cu含量为0.4～45.8 mg/kg，Zn含量为1.0～160.0 mg/kg，Cd含量为0.2～3.0 mg/kg，Pb含量为0.1～41.7 mg/kg[16]，可见4种植物对于重金属Cu的积累能力均高于一般植物；另外，绿萝对于重金属Zn和Cd的积累能力、吊兰对于Cd的积累能力也高于一般植物。

从重金属Cu、Zn、Cd、Pb在4种植物体内的分布来看，绿萝地上部分Cu和Zn的积累量都大于地下部分，吊兰地上部分Cd的积累量都大于地下部分，其余均为地下部分重金属的积累量高于地上部分，可见大部分植物根系对重金属的吸收和积累能力较强[17-18]。4种植物对Pb的积累都集中在根部，这与棕竹、宛田红花油茶、地瓜榕，以及剑麻、波斯菊、鸢尾等园林植物积累Pb 主要在根部的研究结果类似[19-22]。

2.3 植物对重金属的富集和转移特征

富集系数(bioacuumulation factor，BCF)是反映植物将重金属吸收到体内植物中的能力的指标[8]，通常是指植物体内地上部分积累的元素含量与底泥中该元素含量的比值。虽然不同植物对重金属Cu、Zn、Cd、Pb的富集系数均小于1(表2)，说明绿萝、吊兰、吊竹梅、花叶万年青等4种植物都不满足重金属富集植物特征，但4种植物对各种重金属均表现出了一定的富集效果。绿萝对Zn的富集系数大于0.5，对于修复Zn污染是一种潜在的优势植物。

重金属在植物体内的积累与分布还跟植物对重金属的耐性机制有关，转移系数(translocation factor，TF)定义为植物地上部分某种重金属含量与其地下部分该重金属含量的比值，是间接衡量植物对重金属耐性的指标，反映了重金属在植物体内的分配比例，以及植物向地上部分迁移重金属的能力[23]。4种植物对各种重金属均表现出了一定的转运效果。由表2可知，不同植物对重金属Cu、Zn、Cd、Pb的耐性差异较大。绿萝对Cu和Zn的转移系数，以及吊兰对Cd的转移系数均大于1，说明绿萝能较容易地从地下部分向地上部分迁移Cu和Zn，对Cu和Zn表现出较强的耐性，具有提取Cu和Zn的潜力；吊兰对于Cd具有较强的耐性，对Cd具有植物提取的潜力。其余植物对重金属Cu、Zn、Cd、Pb的转移系数均小于1，可能是由于植物的自身排斥机制，阻止重金属元素由根部向地上部分运输[18]。

2.4 植物对重金属的修复效率

植物对重金属的修复效率是指种植植物前后河道疏浚底泥中重金属含量的变化与种植植物前底泥中重金属含量的比值。由表3可知，种植绿萝、吊兰、吊竹梅和花叶万年青后，底泥中Cu、Zn、Cd、Pb含量均有不同程度的降低。4种植物对河道疏浚底泥中Cu的修复效率为22.1%～55.3%，其中绿萝的修复效率最高，达到55.3%；4种植物对底泥中Zn的修复效率为26.9%～45.0%，绿萝的修复效率最高，为45.0%；4种植物对底泥中Cd的修复效率为12.7%～23.5%，对Pb的修复效率差异不大，为25.4%～27.9%。

表2 不同植物对河道疏浚底泥中重金属的富集系数和转移系数

表3 不同植物对河道疏浚底泥污染的重金属修复效率

注：“浓度”指的是种植植物后测得底泥中的重金属浓度。

3 讨论与结论

本研究结果表明，南明河水口寺河段河道疏浚底泥存在不同程度的Cu、Zn、Cd、Pb等重金属污染，谢辉等对贵阳市南明河城区底泥中重金属含量特征的研究[11]也得到相同结论。绿萝、吊兰、吊竹梅和花叶万年青移栽到重金属污染底泥中后均能正常生长，说明这4种植物对重金属Cu、Zn、Cd、Pb具有一定的耐受性。有研究表明，吊兰对Cu、Zn、Cd、Pb等重金属具有较强耐受性[24-25]。从植物对重金属的吸收方面来看，4种植物中，绿萝对Cu、Zn和Cd的吸收能力最强，但对Pb的吸收能力较弱；吊竹梅的对Cu的吸收能力、花叶万年青对Zn的吸收能力较弱，且这2种植物对Cd的吸收能力差异不大，均相对较弱；吊竹梅对Pb的吸收能力较强；另外，吊兰对Cd也具有较强的吸收能力，这与王友保等的研究结论[26]一致。从重金属在植物体内的分布来看，绿萝吸收的Cu和Zn，以及吊兰吸收的Cd主要分布在地上部分，说明绿萝对Cu和Zn表现出较强的耐性，吊兰对于Cd具有较强的耐性，Cu和Zn能较容易地从绿萝的地下部分向地上部分迁移，Cd能较容易地从吊兰的根系向茎叶迁移，吴丹等的研究也发现吊兰对Cd的耐受性较强[27]。其余植物吸收的其他重金属主要分布在根系中，可能是由于植物根系启动了适应重金属的忍耐机制，将重金属元素滞留在根系，避免向上运输，毒害植物地上部分的生长[18]。

冉建平研究植物对污泥中重金属的修复，结果表明，吊兰对重金属的富集能力大小为Cd>Zn>Pb>Cu[24]，本研究中吊兰对上述重金属的富集系数结论与之相一致。从4种植物对Cu、Zn和Cd的富集系数来看，绿萝、吊兰、吊竹梅和花叶万年青都不具备富集植物特征，但绿萝对于Zn的富集系数超过了0.5，且绿萝根系发达，生长适应性较好，繁殖较快，短时间内能积累较高的生物量，是值得关注的Zn污染修复优势植物。绿萝、吊兰、吊竹梅和花叶万年青对重金属的转移能力也各不相同，其中绿萝对Cu和Zn的转移系数、吊兰对Cd的转移系数均大于1，说明绿萝和吊兰具有通过收获其地上部分将底泥中重金属Cu、Zn和Cd转移的潜力。

种植绿萝、吊兰、吊竹梅和花叶万年青后，河道疏浚底泥中重金属Cu、Zn、Cd、Pb的含量均有不同程度的降低，说明4种植物对河道疏浚底泥的重金属污染具有一定的修复作用；其中，绿萝对Cu和Zn、吊竹梅对Zn的修复效率相对较高，说明绿萝对Cu和Zn污染具有较强的修复潜力，吊竹梅对Zn污染具有较强的修复潜力。

综上所述，南明河水口寺河段河道疏浚底泥存在一定程度的Cu、Zn、Cd、Pb重金属污染，绿萝、吊兰、吊竹梅和花叶万年青在试验期内生长正常，未呈现重金属污染毒害作用，说明4种植物对重金属污染河道疏浚底泥具有较好的耐性。其中，绿萝对Cu、Zn和Cd的积累总量最高，吊竹梅中积累的Pb含量最高；绿萝中积累的Cu和Zn、吊兰中积累的Cd主要分布在茎叶中，其余植物积累的重金属主要分布在根系中。绿萝、吊兰、吊竹梅和花叶万年青虽然未达到重金属富集植物标准，但对各种重金属均表现出了一定的富集效果和转运效果，绿萝对Cu和Zn的富集效果和转运效果最好，吊兰对Cd的转运效果最好，具有通过收获其地上部分将底泥中重金属Cu、Zn和Cd转移的潜力。

因此，4种植物对河道疏浚底泥的重金属污染均表现出一定的修复作用，其中绿萝对Cu和Zn的修复效率较高，吊竹梅对Zn的修复效率较高。综合4种园林植物对重金属的耐性、吸收总量、富集和转运特征，以及修复效率，除花叶万年青外，绿萝、吊兰和吊竹梅对重金属污染河道疏浚底泥的修复具有一定的修复潜力，为河道疏浚底泥的植物修复提供了一定参考。

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