湘江水生植物对三种重金属的吸收研究

马明英，曾 杭，徐丽思，伍检宝，尹建雄，陈 莉

(1.长沙理工大学 水利工程学院，湖南 长沙 410114；2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114)

湖南是全球极具盛名的“有色金属之乡”，湘江流域创造了湖南省75%的生产总值，大部分大、中型企业，尤其是有色金属和稀有金属矿藏的开采、冶炼企业在湘江流域齐聚，湘江重金属污染与地方产业结构直接相关，形成的采选冶炼污染中心区[1]，是导致湘江重金属污染的最主要原因。

随着工业的不断发展以及相关污染的处理设施投入的落后，重金属带来的污染问题越来越不容忽视，也已成为环境科学领域中的研究热点之一。由于重金属元素具有难降解、易积累、毒性大等特点，还易于被植物富集吸收从而进入食物链，进而危害到人类及各种动物的生命健康，因此当湘江的水污染问题日益严重时，如何预防和治理湘江的水污染问题是本论文研究的重要问题。传统的水污染处理方法有生化法、换水法等，缺点是不够环保，且不够经济。由于常规水处理方法有投资大、成本高、工艺复杂等缺点，以及重金属污染物在水中浓度低等特点，因此国内外学者进而研究一种有效、低廉且简便易行的水质净化方法--生物处理法[2]。生物处理法是利用水生植物对重金属元素的吸附作用进行污水处理的方法。水生植物不仅能在净化污水方面有很显著的效果，而且不会造成二次污染，利用水生植物净化重金属水污染是一种绿色环保的净化方式。

本论文以重金属水体污染较严重的湘江长沙河段为研究背景，采集当地种植的水生物种如蓼和水葫芦，研究水生植物对重金属元素的吸收降解程度。

1 实验

1.1 采样及培育过程

在湖南长沙市湘江一桥左、右两岸分别设置五个采样点[3]，每隔十米设置一个采样点，根据采样点附近水生植物的种类、位置和密度生长面积，以及当地水草种类，本论文选取水葫芦和蓼两种水生植物作为研究对象。采样基本完整的水生植物100株，为修复在运移过程中受损的根系，需在清洗后移入清水中培养3天。将修复完整的水生植物移入标准营养液中进行为期一周的适应性培养，用于试验。实验前植物样品先用3%的稀盐酸和2%的漂白粉浸洗1～2min，以确保没有残留物和微生物的存在，然后用去离子水冲洗3次。

1.2 试剂和仪器

试剂：使用纯试剂Cu(NO3)2、Zn(NO3)2、Pb(N03)2配制成浓度为4 mg/L的标准溶液。

仪器：火焰原子吸收光谱仪(AA-6800)、电子分析天平、容量瓶、量筒、烧杯、移液管、吸管、试管等。

1.3 实验步骤

实验场地：考虑光、风雨等自然条件对植物吸收的影响，本实验在室内光线充足的实验场地进行[4]。培养器皿使用3L的红色塑料桶[5]。本实验设置3组重复实验组A、B、C，以实验组A为例，针对蓼和水葫芦两种水生植物，分别标注为A1组(蓼)和A2组(水葫芦)，实验组A共设置8个3 L的红色塑料桶，其中6桶均盛装含霍格兰营养液、浓度为2～5 mg/L的重金属离子溶液的2L水样。其中2桶只含污染物重金属离子Cu，分别标注为A11和A21；2桶只含污染物重金属离子Zn，分别标注为A12和A22；2桶只含污染物重金属离子Pb，分别标注为A13和A23；余下2桶为空白对照组，盛装的是含霍格兰营养液的2L水样(目的为对比有重金属离子的条件下，植物的生长状况)，不含任何重金属污染元素，分别标注为A14和A24。因此，以A11为例，其中第一个字母A表示实验组分类(A组)，第二个数字1表示研究的水生植物种类(蓼)，第三个数字1表示研究的重金属离子水样类别(Cu)。

重复实验组B和C，以实验组A一样的方式进行命名展开实验。具体实验组列表见表1。

表1 3组重复实验列表

尽量保证各组处理的塑料桶在实验室的安放位置一致，保证采光、通风条件的大体一致性。自植物移入实验组和空白组的小桶当中起，培养过程中每隔2日补充一定量的蒸馏水以弥补蒸发水分，保证各桶内的水位(水位线在注水时已经提前用马克笔标记)[6]，保证水生植物的生长环境。每隔一日检查是否有死亡枯萎的植物，若有，及时将死亡枯萎的植物移出水面，尽量减少二次污染。

1.4 测定

1.4.1 植物生理指标测定

水生植物的株高、根长、根数、鲜重、干重等生长指标，用米尺测量长度，电子天平秤测质量，确保生理指标一致。

1.4.2 溶液中重金属含量的测定

水样经过滤、稀释，按《水和废水监测分析方法》用火焰原子吸收光谱仪(AA-6800)测定Cu、Zn、Pb重金属离子含量。测定原始重金属离子含量，并每隔5日、8日后测定重金属离子含量。

1.4.3 实验数据分析

针对A、B、C组实验，记录每组实验的每个器皿相对应的数据，测量相应组数据。根据这三组实验组数据，利用Microsoft excel进行分析，计算每一种重金属被同一种水生植物吸收降解的程度。

2 结果与讨论

2.1 水生植物对重金属离子的吸收率

A组实验，其测定的重金属离子含量见表2。

表2 A组实验重金属离子含量结果

注：植物培育适应过程中，其实验鲜重相差正负3 g，在实验合理范围内。

以A组实验数据为例，分析过程如图1。图1为蓼和水葫芦降解后重金属离子浓度变化折线图。

图1 A组实验蓼和水葫芦对重金属元素吸收变化图

由图1表明，经蓼和水葫芦两种水生植物降解吸收后重金属离子浓度直线下降，水生植物对高浓度的重金属溶液吸收效果十分显著，但是当浓度低到一定程度时，重金属离子浓度却有上升趋势，即吸收效果开始有一定的下降。根据图中，可以看出在蓼对Cu和Pb以及水葫芦对Cu和Zn的吸收过程当中出现了第二次测量结果高于第一次测量的结果的现象，由于在试验过程当中严格控制各实验组当中的外来物(主要是重金属元素)的混入，植物对此溶液中的重金属吸收达到极限，出现析出现象。

保持各重金属浓度和水生植物鲜重的比值不变，重复以上实验，分别为B组、C组，其测定的重金属离子含量分别见表3、表4。

表3 B组实验重金属离子含量结果

表4 C组实验重金属离子含量结果

分析方法同A组实验分析一致，经分析B、C重复实验组和A组重复实验组的实验结果趋势大体一致，表明实验结果合理且实验具有可重复性。

将A、B、C三组重复实验数据取平均值，图2为蓼和水葫芦降解后重金属离子浓度变化折线图。

(a)蓼对重金属元素吸收变化 (b)水葫芦对重金属元素吸收变化

图2 蓼和水葫芦对重金属元素吸收变化趋势(三组实验取平均值)

基于表2～4，图3为两种水生植物对三种重金属元素的吸收率对比图(吸收率以A、B、C三组5日后测得的浓度的平均值作为吸收最低点进行计算)，分析蓼和水葫芦对三种重金属元素的吸收率。蓼对重金属元素吸收效果：蓼对铜的去除率达98%以上，对铅的去除率为99%，表明蓼对铜和铅的吸收效果非常显著，能有效去除污水中绝大多数的铜和铅，而对锌的去除率最高为83%，可见蓼对锌污水的净化效果稍微减弱。水葫芦对重金属元素吸收效果：同一实验条件下，用水葫芦进行的实验数据中，水葫芦对铜和铅的去除率分别可达94%和98%以上，因此水葫芦可对这两种重金属污水有较好的净化效果。和蓼一样，水葫芦吸收锌的能力较弱，去除率最高不到75%。

图3 蓼、水葫芦对不同重金属元素的平均吸收率

由图3可得：在铜和铅中，蓼和水葫芦对铅的净化效果最为显著。在实验组中，水葫芦对铜的去除率最高只有94%，所以蓼对铜的净化强于水葫芦。由于在蓼对锌净化的三个实验组中，净化效果最差的去除率也高于83%，故而对锌的净化效果也比水葫芦好。虽然蓼和水葫芦对铅的去除率均很高，普遍为98%左右，但在蓼净化效果最好的实验组中，净化率高达99.4%，故可认为蓼对铅的吸收能力高于水葫芦。

以上蓼、水葫芦两种水生植物对不同重金属元素的富集作用实例，测量结果表明，所测植物对不同重金属元素的富集作用都不尽相同，说明植物对重金属元素的富集作用具有不同的选择性。所以在重金属污染段可以根据所含有的重金属元素的种类及含量选取相应的水生植物配合种植，辅助治理污染河段。

2.2 实验过程影响分析

重金属在天然水体中的含量是很低的，一般在0.03 mg/L左右但由于冶金、电镀、机器制造、金属加工、油漆颜料及纺织工业等废水中重金属Cu、Zn、Pb含量很高，而又未处理或轻度处理就排入水体之中，因此，水体中的重金属含量增加。基于测量湘江长沙河段的原水体重金属浓度，故实验浓度采用接近原水体重金属浓度(介于重金属浓度最大值和最小值之间)。实验设置的重金属浓度为2～5 mg/L，比实际污染河段重金属含量扩大的10倍左右。在实验过程中，河段水生植物吸收降解重金属污染，若本身自然死亡不及时进行清理，河段水体依然存在相应的重金属污染。故清理腐烂的水生植物，能有效防止重金属再次污染水体[7]。

一般情况下，河段环境质量评价主要通过水质的卫生指标和污染物指标来体现。然而，由于水特有的流动性和稀释扩散能力，水体中污染物(包括重金属)的含量测量受测量地点、测量时间和工业排放能力等各种因素的影响，采集数据有很大的不确定性。相比水生植物，其固定的生长地点，在一定程度上提供短时间或稍长时间的客观检测数据。

3 结论与展望

本论文水生植物对重金属吸附能力的实验研究表明，水葫芦和蓼两种水生植物对铜、锌、铅三种重金属元素均有不同程度较好的吸附能力，表明湘江长沙河段水生植物对重金属水体污染有较好的净化作用，也可为其他河流或河段重金属污染提供科学合理的污染处理方式。并且在重金属污染段可以根据所含有的重金属元素的种类及含量选取相应的水生植物配合种植，辅助治理该河段，以达到减少水污染的目的。

不同种类的水生植物差异、同种水生植物不同植株的差异，采样时间、植株培养环境条件的微小差异，在一定程度上可能对实验结果产生不可控的客观条件影响[8]。此次实验针对整体性水生植物净化重金属污染的考察，为湘江重金属污染生物处理工作提供一定的科学参考和依据，但针对某一特性的研究有待进一步的观察研究。

[1]黄敦利.湘潭市湘江流域重金属污染治理研究[D].南宁:广西师范大学,2017.

[2]黄 豫.水生植物在污水处理和水质改善中的应用分析[J].绿色科技,2017(8):76-77.

[3]李飞跃.湘江高等水生植物调查与分析[D].长沙:湖南农业大学,2010.

[4]史冬斌,张启盟,吴 翠,等.松花江湿地植物对重金属降解的实验研究[J].黑龙江科技信息,2013(4):20.

[5]邱树敏.水芹和菖蒲对Pb-Cd污染水体的净化与修复试验研究[D].赣州:江西理工大学,2010.

[6]张汉军.人工湿地水生植物污水处理方面的应用研究[J].现代园艺,2016(23):92-93.

[7]周 丽.人工湿地污水处理技术研究和应用现状[J].工业用水与废水,2016,47(5):8-12.

[8]范远红,崔理华,林运通,等.不同水生植物类型表面流人工湿地系统对污水厂尾水深度处理效果[J].环境工程学报,2016,10(6):2875-2880.

(本文文献格式：马明英，曾杭，徐丽思，等.湘江水生植物对三种重金属的吸收研究[J].山东化工,2018,47(7):161-164.)