6种水生植物对Hg污染水体的净化研究

孙 翔，胡友彪，张治国，郑永红,，陈永春，余 婷武 琳，陈芳玲，肖观红

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2.煤炭开采国家工程技术研究院，安徽 淮南 232001)

重金属含量是影响水生态环境安全评价的重要因素[1]。水体重金属污染主要来自于蓄电池、化石燃料的燃烧、有色金属冶炼、矿山开发、金属电镀产业。重金属通过工业和生活废水、地表径流和大气沉降等多种方式进入水体[2-3]，其具有有毒性、持久性和生物富集性等特点[4]，会严重损害人体肝、肾、消化系统和神经系统等,对人体健康造成严重危害[5]。

Hg是一种剧毒重金属，且不能被降解或分解成无害的物质元素，一旦被排放到环境中后，便会持久的存在，并以不同形态循环于空气、水、土壤和生物圈之间[6]。Hg进入人体后会遍布全身各组织器官中，其最主要的危害是对神经系统造成不可逆损害，甚至还可以通过胎盘屏障影响到胎儿[7]。我国目前是Hg使用量大国，近几年我国工业排汞量在全球排放中的比重持续增大每年达到 600t左右[8-9]。

我国水体环境Hg污染应当引起重视，需要及时采取行动治理[10]。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[11]。文献[12]收集在本地广泛种植的13种水生植物，根据其在不同浓度Hg营养液中生物量的变化情况，探究不同浓度Hg对3种水生植物生理生化特征影响的规律，发现大花美人蕉和水慈姑耐汞能力相接近，而水生鸢尾耐汞能力较大，美人蕉和水慈姑较差。文献[13]以香蒲、菖蒲、睡莲、大薸、狐尾藻、黑藻六种不同生活型水生植物为研究对象，研究水生植物对不同浓度梯度的Hg污染的净化能力，发现菖蒲在各个处理浓度下，对Hg去除总量均最大。文献[14]对本地两种沉水植物沼生水马齿和篦齿眼子菜做Hg污染水体净化试验，结果表明篦齿眼子菜的对Hg的耐受性、净化能力强于沼生水马齿。文献[15]选用沉水植物穗花狐尾藻，轮叶黑藻以及浮叶植物菱,采用生物吸附法研究三种水生植物对Hg2+、Cu2+的吸附特性，三种水生植物吸附能力大小为轮叶黑藻>穗花狐尾藻>菱。文献[16]研究发现，羽毛草和水薄荷和匍匐草对水体中汞的去除率平均达到99.8%。文献[17]研究发现眼子菜对Hg有一定的净化能力。

目前关于水生植物对水体Hg污染的净化研究较少，已有研究表明将浮水，挺水，沉水植物通过合理组合配置，会具有更强的净化能力[18-22]。因此，本研究选用金鱼藻、美人蕉、黄菖蒲、水芙蓉、穗花狐尾藻、凤眼莲等六种水生植物，通过一定配置组合，探究不同处理下，水生植物对Hg污染水体的净化能力，为水体Hg污染植物修复提供有效依据。

2 试验

2.1 试验材料

1) 水生植物选择。选择水芙蓉(Pistia stratiotes)、凤眼莲(Eichhorniacrassipes)、美人蕉(Canna indica)、黄菖蒲(Irispseudacorus)、金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)和穗花狐尾藻(Myriophyllum spicatum)6种水生植物的幼苗作为供试植物。保证在每种植物组别下，不同浓度梯度的水生植物生物量接近、长势良好。用自来水反复清洗根部，并用去离子水进行漂洗。将水生植物在营养液中培养1周后进行实验。

2) 供试水体。在超纯水中加入磷酸二氢钾(总磷为5mg/L)、硝酸钾(总氮为20mg/L)配置营养液。同时加入一定量的汞标准溶液，配置成高、中、低三种不同浓度的Hg污染废水。参照《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》Ⅲ类水质，《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918-2002)》和《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》V类水质，配置如表1所示。

表1 试验水体初始浓度配比 ng·mL-1

2.2 试验设计

试验在容积为20L的PVC桶里进行，每个桶里加入15L供试水。三种浓度梯度下设置如表2所示处理组，每个处理组设置3个重复。其中水生植物的放置情况中单一为：金鱼藻(40g)、狐尾藻(19株)、美人蕉(3株)、黄菖蒲(3株)、水芙蓉(6株)、凤眼莲(6株)；组合为：金鱼藻(30g)、狐尾藻(6株)、美人蕉(2株)、黄菖蒲(2株)、水芙蓉(3株)、凤眼莲(3株)。

表2 水生植物的组合设计

水生植物培养试验于2019年6月7日开始，2019年8月30日结束，持续70d。每14d取样一次，期间对水体的pH，温度，Hg浓度进行测定，每次取水样20mL，并用去离子水补充桶内水位至刻度线。试验在室内进行，保证水生植物能够充分接受自然光照射，水温变化范围为19.2～30.8℃，pH变化范围为6.7～8.1。

2.3 样品预处理和测定方法

1) 样品预处理。取10mL水体样品经王水消解后，过滤保存备用[23]。

2) 测定方法。样品测定方法采用《水质汞、砷、硒、铋和锑的测定-原子荧光法(HJ694-2014)》[24-26]。 仪器使用奥罗拉AI3300原子荧光光度计， 该仪器测量Hg元素的工作参数中， 阴极灯的电流为40mA， 负高压为280V， 延迟时间为4.0s，载气流量设置在 400mL/min，屏蔽气的流量设置在 800mL/min。还原剂选择1%硼氢化钾-0.5%氢氧化钠溶液，载液为 5% 硝酸，所有试剂现用现配，当天使用。仪器用气为高纯氩气。采取的测量方法为标准曲线法，读数方式为峰面积。

3) 质量控制。本试验所用玻璃器皿使用前，均经10%硝酸浸泡24h，经超纯水洗净后备用，所用试剂均为优级纯试剂。仪器经过充分预热后，在最佳工作条件进行测定，采用标准物质(BWB2380-2016)配置标准曲线，每个样品平行测定三次，标准样品测定结果误差在允许范围内。

2.4 数据分析

采用Origin9.0绘制相关图形，运用SPSS24.0对数据进行分析。

3 结果与分析

3.1 单一水生植物去除效果分析

1) 单一水生植物去除率的时间动态。 随着时间的不断增加， 各实验组的Hg浓度均低于空白组(无水生植物)，说明不同水生植物对Hg均具有一定的净化能力。单一水生植物在高浓度处理时，在前14d，穗花狐尾藻净化能力明显强于另外5种水生植物。日平均去除率依次为：穗花狐尾藻(3.27%)>水芙蓉(2.57%)>金鱼藻(2.36%)>凤眼莲(2.2%)>美人蕉(1.76%)>黄菖蒲(1.37%)；在14d至42d时，黄菖蒲、金鱼藻与水芙蓉的净化能力接近，日平均净化率分别为黄菖蒲(1.33%)，金鱼藻(1.36%)，水芙蓉(1.35%)；在42d后，6种水生植物的净化能力开始降低，在56d后，6种水生植物的净化能力进一步降低；在70d时，总去除率依次为，穗花狐尾藻(94.85%)，水芙蓉(92.63%)，金鱼藻(90.75%)，凤眼莲(86.85%)，美人蕉(80.42%)，黄菖蒲(78.5%)。去除率最大的水生植物为穗花狐尾藻，如图1所示。

图1 单一水生植物在高浓度下试验水体Hg浓度变化

单一水生植物在中浓度处理时，在14d时,穗花狐尾藻的日平均去除率达到最大，日平均去除率依次为：穗花狐尾藻(3.4%)>金鱼藻(2.71%)>水芙蓉(2.65%)>凤眼莲(2.33%)>美人蕉(2.11%)>黄菖蒲(1.73%)，其中金鱼藻与水芙蓉净化能力接近；在14d至42d内，凤眼莲的净化能力高于另外5种水生植物，日平均去除率达到1.42%； 在42d至56d内， 凤眼莲的日平均去除率明显降低， 仅3.96%，其他五种水生植物日平均去除率均高于凤眼莲；在70d时，总去除率依次为，穗花狐尾藻(95.51%)>水芙蓉(92.46%)>金鱼藻(88.41%)>凤眼莲(88.1%)>美人蕉(81.9%)>黄菖蒲(79.56%)，如图2所示。

图2 单一水生植物在中浓度下试验水体Hg浓度变化

单一水生植物在低浓度处理时，在14d时,穗花狐尾藻的日平均去除率达到最大，日平均去除率依次为：穗花狐尾藻(3.57%)>金鱼藻(2.95%)>凤眼莲(2.91%)>水芙蓉(2.87%)>美人蕉(2.33%)>黄菖蒲(2.02%)，在前14d，穗花狐尾藻净化能力明显高于另外5种水生植物，其中金鱼藻与水芙蓉，凤眼莲净化能力接近；在14d至42d时，5种水生植物的净化能力均有一定下降，金鱼藻与水芙蓉，凤眼莲净化能力依然接近，日平均净化率分别为，金鱼藻(1.09%)，水芙蓉(1.19%)，凤眼莲(1.06%)；在70d时， 总去除率依次为，水芙蓉(94.88%)>穗花狐尾藻(93.96%)>金鱼藻(91.51%)>凤眼莲(90.72%)>美人蕉(83.59%)>黄菖蒲(78.55%)。在低浓度处理时，去除率最大的水生植物为水芙蓉，如图3所示。

图3 单一水生植物在低浓度下试验水体Hg浓度变化

2) 浓度和植物类型对单一水生植物去除效率影响分析。运用单因素方差分析研究水生植物种类、Hg浓度对去除率的影响，结果表明，即浓度类型对去除率的影响不显著(P>0.05)，水生植物种类对去除率的影响极显著(P<0.01)。对各水生植物种类之间，进行去除率多重比较，检验结果如表3所示，穗花狐尾藻的去除率和金鱼藻、凤眼莲、美人蕉、黄菖蒲差异极显著(P<0.01)；穗花狐尾藻的去除率与水芙蓉之间差异不显著(P>0.05)；金鱼藻与凤眼莲之间差异不显著(P>0.05)；金鱼藻与美人蕉、黄菖蒲之间差异极显著(P<0.01)；美人蕉与黄菖蒲之间差异显著(P<0.05)。

表3 不同单一水生植物去除率的差异性比较 %

3.2 组合水生植物去除效果分析

1) 组合水生植物去除率的时间动态。组合水生植物在Hg高浓度下，前14d，B1，B5,B7的日平均去除率接近，去除率分别为B1(2.68%)，B5(2.67%)，B7(2.65%)；14d至28d期间，8种组合水生植物的净化能力均下降，B1,B3,B4的净化能力趋于一致，日平均去除率分别为B1(1.29%)，B2(1.3%)，B4(1.31%)；在70d时，8个水生植物组合的水体浓度为B1(1.053 4ng/mL)，B2(0.871 4ng/mL)，B3(1.060 4ng/mL)，B4(1.133 6ng/mL)，B5(0.674 5ng/mL)，B6(0.744 8ng/mL)，B7(0.796 2ng/mL)，B8(0.853 6ng/mL)；8种水生植物组合的总去除率分别为，B1(89.46%)，B2(91.29%)，B3(89.4%)，B4(88.66%)，B5(93.26%)，B6(92.55%)，B7(92.04%)，B8(91.46%)。去除率最大的组合水生植物为B5，其次为B6，如图4所示。

图4 组合水生植物在高浓度下试验水体Hg浓度变化

在Hg中浓度组合水生植物水体中，在前14d，8种组合水生植物的日平均去除率达到最大，其中日平均去除率最大的是B5(3.2%)，最小的是B3(2.48%)；在14d之后，8种组合水生植物的净化能力明显下降。14d至56d期间，每种组合水生植物的净化能力下降缓慢；在56d至70d期间，8种组合水生植物的净化能力达到最低，日平均去除率最大为B6(0.6%)，最小为B2(0.32%)；在70d时，8个水生植物组合的水体浓度为B1(0.411 4ng/mL)，B2(0.513 3ng/mL)，B3(0.456 9ng/mL)，B4(0.531 1ng/mL)，B5(0.322 4ng/mL)，B6(0.402 5ng/mL)，B7(0.391 6ng/mL)，B8(0.417 3ng/mL)；8种组合水生植物的总去除率分别为，B1(91.77%)，B2(89.73%)，B3(90.86%)，B4(89.38%)，B5(93.55%)，B6(91.95%)，B7(92.17%)，B8(91.65%)。去除率最大的组合水生植物为B5，其次为B7，如图5所示。

图5 组合水生植物在中浓度下试验水体Hg浓度变化

在Hg低浓度组合水生植物水体中，在前14d，8种组合水生植物的净化能力达到最大，其中日平均去除率最大的是B5，达到3.44%，日平均去除率最低的是B4，为1.36%；在14d至28d之间，B4的日平均去除率变大，高于另外7种组合，日平均去除率达到2.69%；在70d时，8个组合水生植物的水体浓度为B1(0.011 5ng/mL)，B2(0.004 8ng/mL)，B3(0.009 1ng/mL)，B4(0.001 9ng/mL)，B5(0.002 8ng/mL)，B6(0.000 9ng/mL)，B7(0.000 4ng/mL)，B8(0.001 4ng/mL)；8种组合水生植物的总去除率分别为，B1(88.21%)，B2(93.49%)，B3(92.99%)，B4(91.41%)，B5(93.88%)，B6(94.18%)，B7(93.98%)，B8(91.79%)。去除率最大的组合水生植物为B6，其次为B7和B5，如图6所示。

图6 组合水生植物在低浓度下试验水体Hg浓度变化

2) 浓度和植物类型对组合水生植物去除效率影响分析。运用单因素方差分析研究水生植物种类、Hg浓度对去除率的影响，结果表明，浓度类型对去除率的影响不显著(P>0.05)，水生植物种类对去除率的影响显著(P<0.05)。对各水生植物种类之间，进行去除率多重比较，检验结果如表4所示，B5的去除率和B6、B7、B8、B2差异不显著(P>0.05)；B5与B1、B4之间差异极显著(P<0.01)；B5与B3之间差异显著(P<0.05)；B3与B6、B7、B8、B2、B4、B1之间差异不显著(P>0.05)。

表4 不同水生植物组合去除率的差异性比较 %

4 讨论

本试验对于单一水生植物净化Hg研究发现，随着时间增长，水生植物对Hg的去除能力不断加深。其中穗花狐尾藻对于Hg的平均去除率最大，达到94.77%，并且显著差异于金鱼藻、凤眼莲、黄菖蒲、美人蕉，说明沉水植物穗花狐尾藻相比于其它水生植物更具有优势。可能是由于穗花狐尾藻的根系退化，其主要依赖茎叶来吸收水分，吸收水体的面积增大；浮水植物水芙蓉也具有一定良好的净化效果，其平均去除率达到93.32%，并且显著差异于挺水植物黄菖蒲、美人蕉，这可能与水芙蓉发达的根系有关。在不同浓度梯度下，水生植物的去除率差异不显著。

不同类型植物组合在一起构成的串联系统既充分利用了空间，又能合理利用各种植物的优势，还能避免重金属耐性低一些的植物因直接接触高浓度重金属废水中毒死亡[27]，同时多种植物组合相较于单种植物具有更合理的物种多样性，能够保持生态系统的长期稳定性，其对污染水体的适应性，耐受性更强[28]，能够长久稳定的净化水体。本试验中，各组组合水生植物均具有一定良好的去除率，其中B5对于Hg的净化效果最好，平均去除率达到93.56%，并且显著差异于B4、B1。通过对6种单一水生植物和8种组合水生植物的去除率比较，组合水生植物的去除率整体优于单一水生植物，各组组合水生植物均显著优于挺水植物黄菖蒲、美人蕉(P<0.05)。但是，最优组合水生植物中B5与最优单一水生植物穗花狐尾藻的净化效果并无明显差异(P>0.05)。因此，对于筛选出净化能力显著强于穗花狐尾藻的水生植物组合，有待进一步的探讨和研究。

本试验空白对照组中，随着时间的增长，Hg的浓度略有下降。主要原因可能是由于溶解态Hg的化学性质较活泼，温度、pH的变化，以及阳光的辐射导致Hg的释放，同时部分Hg可能附着在桶壁[29-30]。本研究是在室内静水条件下通过对供试水体中Hg含量的检测了解各水生植物对Hg的去除效果，可能和自然条件下水生植物净化水质效果有所差异。因为自然条件下水体底泥吸附以及微生物降解等作用也会对水体中重金属去除起一定效果[31]。

5 结论

(1)单一水生植物中穗花狐尾藻净化效果最好，且具有极强的显著性，组合水生植物中B5(穗花狐尾藻+美人蕉+水芙蓉)的净化效果最好，具有一定的显著性。综合考虑水生植物的净化效果和富集系数，可以选择穗花狐尾藻作为修复水体Hg污染的优势物种。组合水生植物相较于单一水生植物具有更强的稳定性，未来可以穗花狐尾藻和B5组合为基础，进一步研究其组合水生植物的净化能力。

(2)本试验中重金属浓度参考城镇污水排放标准和地表水排放标准，这对以后城市河道重金属污染提供一定的参考，对水体生态治理有一定的实践意义。通过对6种水生植物及其组合的试验研究，为后续生态浮床、人工浮岛的设计及最优水生植物组合提供理论支撑，使生态浮床能够应用于水体Hg污染治理，实现该研究实际工程价值。