凤眼莲对练江水体重金属的去除效果和富集能力研究

2021-03-05田秀芳胡兆华邱家诚吴清岳郭正杰张鹏基

农业与技术 2021年3期

田秀芳胡兆华邱家诚吴清岳郭正杰张鹏基

(汕头职业技术学院自然科学系，广东汕头 515041 )

水体重金属污染问题已经成为全球性的环境问题，并且直接影响到了人类的生存和社会发展。练江，这条被誉为粤东“母亲河”的河流也不例外，其污染问题由来已久，污染程度十分严重，引起社会各界的高度关注[1]。为了还给老百姓一条干净的母亲河，寻求合适的水体重金属污染修复方法势在必行。

对于水体重金属污染问题，各国科学家们也进行了深入地研究，同时也提出了许多可行的方案。植物修复被认为是最具发展前途的一种生态绿色修复技术，具有投资小、效率高、环境生态效益好等优点，在土壤和水体重金属污染修复中已经引起国内外广泛关注[2-5]。如Chehregani[6]通过试验发现种植超富集植物(如反枝苋、雀苣属侧柏等)一段时间，底质中重金属含量明显下降，其中Pb含量下降幅度最大为98%；Fawzy[7]研究了尼罗河水系中金鱼藻、凤眼莲和香蒲中重金属含量，发现3种水生植物作为重金属污染监测生物所拥有的巨大潜力；陈文萍等[8]研究发现紫根水葫芦具有良好的水体修复和去除重金属能力。

1 材料与方法

1.1 水生植物

凤眼莲购置于杭州绿化水草供应站，饥饿7d，在水中自然生长7d，挑选大小、发育阶段一致的株体，去除糜烂枝叶，用去离子水冲洗干净，自然沥干水分备用。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

试验在塑料周转箱中进行，试验用水取自练江下游水体，每箱加练江原位水90L,每个试验箱按组分别放置凤眼莲各400g，试验水体中净化植物的生物量为4.4g·L-1，水草覆盖面积占试验箱面积的30%左右。以练江水体不同区域pH和N/P为依据，设置pH分别为5.0和7.0(原位水体)，N/P为20∶1、16∶1(原位水体)、12∶1，每个试验组设置3个重复，采样周期为4d、8d、15d、21d，采样后分别测定试验水体中各种离子(Hg、Pb、Zn、Cu、As)浓度、凤眼莲根际和茎叶对各种离子富集量以及污染水体对凤眼莲叶绿素a和超氧化物歧化酶(SOD)影响。每天添加去离子水以补充自然蒸发量，试验时间为5月份。

1.2.2 水体中各种重金属离子含量的测定

各指标分析方法参照《水和废水监测分析方法(第四版)》。汞采用GB/T 5750.6-2006(8.1)原子荧光法测定；铅、铜、锌、砷采用GB/T 5750.6-2006(1.4)电感耦合等离子体发射光谱法测定。

1.2.3 植物体内各种重金属含量测定

DHT11采用单总线数据格式，即使用一个IO口即可实现双向通信，其数据包由5Byte（40Bit）组成；该传感器采集将得到的数据为浮点型，可以将数据分为小数和整数部分，但都要经过相应处理；每次传输数据为40Bit，数据输出格式是高位在前。温湿度数据计算方式如图10所示。DHT11将数据通过IO传递给单片机，运算速度在4毫秒左右，所以在进行设计时，要考虑其反应时间，防止在死区时间里读取错误数据，建议时间间隔大于50 ms。

将所采集的植物样品先用自来水冲洗，再用去离子水淋洗2～3次，吸干表面水分后测量株高和鲜重，于105℃杀青30min，80℃烘干至恒重，磨碎后过60目筛。汞采用GB/T22105.1-2008原子荧光法测定；铅、铜、锌采用GB/T17141-1997火焰原子吸收分光光度法测定；砷采用GB/T22105.2-2008原子荧光法测定。

1.2.4 叶绿素a含量测定

采用分光光度法，参照HJ 897-2017测定叶片单位鲜重的叶绿素a含量。

1.2.5 超氧化物歧化酶(SOD)活性测定

利用中国南京建成生物工程研究所购买的试剂盒进行测定。

1.3 计算公式

去除率RE(%)=(c0-c)/c0×100%

式中，c0为吸附前水体中重金属离子的质量浓度，mg·L-1；c为吸附后水体中剩余重金属离子的质量浓度，mg·L-1。

富集系数(BFs)=N/M

式中，N为复合污染暴露下，植物体(干重)中重金属离子浓度，mg·kg-1；M为水体中重金属离子初始质量浓度，mg·L-1；本研究分别计算了大薸茎叶部分BFs(BAFs)和根际部分BFs(BCFs)。

转运系数TF=植物茎叶部分重金属浓度/植物根际重金属浓度。

2 结果与讨论

练江污染水体中Hg、Pb、Cu、Zn、As的初始浓度为8.571×10-4mg·L-1、0.053mg·L-1、0.182mg·L-1、1.718mg·L-1、0.053mg·L-1，参照《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)，水体中Hg、Pb、Cu、Zn、As分别达到地表水质的Ⅳ、Ⅴ、Ⅱ、Ⅴ、Ⅳ类标准。

2.1 不同pH及N/P条件下，凤眼莲对水体中重金属的去除效果

由图1可知，pH=5.0时，凤眼莲对水体中各种离子的RE变化均在15d时达到最大，不同N/P，最大去除率(REmax)顺序表现一致，为Zn>Cu>As>Pb>Hg，各离子间去除效果存在显著性差异(P<0.05)。不同N/P，凤眼莲对Zn、Cu、As、Pb、Hg的REmax依次为83.8%、86.3%、82.9%，73.5%、76.0%、73.6%，69.0%、73.2%、70.4%，63.3%、69.9%、66.8%，50.9%、62.7%、60.2%；15d时对Zn、As、Pb指标均降至II、I、III类标准，而Cu、Hg虽仍为原来标准，但离子含量较净化前大幅下降。此pH条件下，凤眼莲对5种离子的去除效果均是在N/P=16∶1时最佳，对Zn选择性最好。

图1 pH=5.0时凤眼莲对水体中重金属的去除效果

pH=7.0时，凤眼莲对5种离子的REmax顺序为Hg>Zn>Pb>Cu≈As(图2)，除Cu与As外，各离子之间的去除效果存在显著性差异(P<0.05)。此pH条件下，凤眼莲对Hg的选择性最好，有极强的耐汞毒能力。不同N/P，凤眼莲对Hg的RE8d时达到最高，REmax依次为90.0%、93.5%、99.1%，去除效果好，N/P=12∶1时去除效果最佳，8d时Hg指标降至III类标准；可能由于Hg在植物体内浓度达到饱和[9]，15d时凤眼莲对Hg的RE略有下降，但与其它金属相比，其对Hg的去除效果依然表现为强势。对Zn、Pb、Cu、As的去除效果均是15d达到最高，N/P=16∶1时去除效果最佳；Zn、PbREmax依次为84.5%、87.7%、83.2%，80.1%、82.2%、76.6%；15d时Zn指标均降至Ⅱ类标准；Pb指标N/P=16:1时降至I类标准，其它条件均降至II类标准。对Cu和As去除效果相近，REmax分别为72.0%、75.2%、70.2%，71.6%、74.7%、70.4%，15d时虽然Cu、As指标依然为III类标准，但离子含量较净化前大幅下降。

图2 pH=7.0时凤眼莲对水体中重金属的去除效果

从图1、2可以看出，在复合污染的练江水体中，凤眼莲对重金属的吸收具有选择性。pH=5.0时，Zn对其它金属具有一定的抑制性；pH=7.0时，Hg对其它金属具有一定的抑制性。此外，相同N/P，凤眼莲对Hg、Pb的去除效果受pH影响较为明显，去除效果均是在pH=7.0时优于pH=5.0；pH=7.0，尽管15d时Hg去除效果略有下降，但相应N/P去除效果仍是pH=5.0时的1.3～1.7倍，对Pb去除效果约是pH=5.0时的1.1～1.3倍；而Zn、Cu、As在不同pH去除效果相近，无显著性差异(P>0.05)，这意味着可通过调节pH的方式来影响凤眼莲对Hg、Pb的吸收。

2.2 不同pH及N/P条件下，凤眼莲对5种离子的富集和转运分析

不同pH及N/P，凤眼莲根际对5种离子的BCFsmax顺序表现一致，为Hg>Pb>Cu>As>Zn。pH=5.0时(表1)，不同N/P条件下凤眼莲根际对5种离子的富集能力15d时达到最强，此后随着时间推移，富集能力有一定的下降。pH=7.0时(表2)，凤眼莲根际对Hg的富集能力8d时达到最高，其余金属均是15d时达到最强。凤眼莲茎叶对5种离子的富集能力随着时间的推移逐渐增强，对5种离子的BAFsmax顺序为Hg>Pb>Zn>Cu>As(表3、4)。

表1 pH=5.0时凤眼莲根际对重金属的富集能力

表2 pH=7.0时凤眼莲根际对重金属的富集能力

表3 pH=5.0时凤眼莲茎叶对重金属的富集能力

表4 pH=7.0时凤眼莲茎叶对重金属的富集能力

续表 pH=7.0时凤眼莲茎叶对重金属的富集能力

对5种离子的转运能力如表5，培养周期内，凤眼莲对Hg、Pb的TF较高，均大于0.7，而对Cu、As的TF较低，说明凤眼莲茎叶富集Hg、Pb较多，而根部是富集Cu、As的主要组织。对于Hg、Zn、As3种金属的转运能力均是pH=5.0时优于pH=7.0，对Pb的转运能力是pH=7.0时优于pH=5.0，而pH对Cu的转运能力无显著影响。

表5 凤眼莲对重金属的转运系数

由表1至表5可知，凤眼莲对5种重金属BCFsmax和BAFsmax远大于1，且根际部分的富集系数远大于茎叶部分，表明该植物根际相对于茎叶可高效富集重金属，虽然TF均小于1，但整体对各种金属生物富集能力较高。其对Hg的富集能力受pH影响较大，pH=7.0条件下凤眼莲根际和茎叶对Hg的最大富集能力约是pH=5.0的3倍以上，可见此pH下，凤眼莲对Hg具有超强的富集能力和极强的耐汞毒能力；此外，茎叶对重金属的富集能力随着时间推移呈增长趋势，但根际对重金属的富集均是15d时达到最大，21d时下降(除pH=7.0时，Hg的富集能力在前8d达到最大)，这可能是由于水体氮磷比偏高，15d时凤眼莲根部有腐烂迹象，部分重金属再次释放于水体中，部分重金属转运至茎叶所致。

2.3 复合污染练江水体对凤眼莲叶绿素a与超氧化物歧化酶的影响

叶绿素含量可表征植物组织、器官的衰老状况[10]。本试验中(表6)，不同pH及N/P，空白水样中凤眼莲叶片叶绿素a含量在培养周期内略有上升，但在污染水体中，随着时间延长，叶绿素a含量均呈下降趋势，N/P由20∶1到12∶1，21d时下降幅度分别为35.0%、42.0%、38.0%(pH=5.0),46.2%、51.0%、49.4%(pH=7.0)；这说明水体中存在的污染物质抑制了凤眼莲叶片细胞叶绿体色素的合成[11]。此外，pH=7.0叶绿素a下降幅度明显强于pH=5.0，2种pH均是在N/P=16∶1时下降幅度较大，这应该与植物体内重金属富集程度有关。

超氧化物歧化酶(SOD)是一种普遍存在于动、植物体内残余分解超氧阴离子自由基的酶，其活性大小常作为植物抗逆性的生理指标[12]。由表6可知，不同pH及N/P，污染水体中，由于受到重金属影响，凤眼莲叶片中SOD虽小于空白水样中含量，但在培养周期内前8d叶片中SOD含量仍呈上升趋势，这说明凤眼莲对污染水体中重金属具有一定的耐受性。