植物對(duì)河道污染沉積物中重金屬的修復(fù)?

李紅霞,趙新華,馬偉芳

(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300072;2.天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司,天津 300381)

0 引 言

隨著電鍍、化工等工業(yè)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展,重金屬被廣泛地使用,作為各類(lèi)污染物的主要排入場(chǎng)所,城市河道積累了大量污染物,尤其是一些痕量重金屬的釋放,極大地危害了人類(lèi)健康.因此,有效去除或修復(fù)重金屬是當(dāng)前十分迫切的任務(wù),開(kāi)發(fā)新的污染治理和環(huán)境修復(fù)技術(shù)亦成為當(dāng)前環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-3].生物修復(fù)技術(shù)中的植物修復(fù)是利用植物及共存的微生物體系有效清除環(huán)境中的污染物,是解決受污染河道沉積物中重金屬問(wèn)題的較為經(jīng)濟(jì)有效的途徑[4-5].本文通過(guò)栽培試驗(yàn)研究了種植黑麥草以后,河道污染沉積物中 Ni,Cu,Cd等重金屬污染的修復(fù)情況,包括黑麥草對(duì)沉積物中重金屬的吸收和去除,沉積物中微生物的種類(lèi)和數(shù)量的變化,沉積物中酶活性的變化等.

1 材料和方法

1.1 材料

沉積物取自華北某市排污河,其部分基本理化性質(zhì)如下：陽(yáng)離子交換量 49.59 cmol(+)?kg-1;有機(jī)質(zhì) 160.4 g? kg-1;pH 7.24;全氮 50.33 g? kg-1;速效磷 65.09 mg? kg-1;礦物油 3.86%.重金屬總量和不同形態(tài)重金屬數(shù)量見(jiàn)表 1.

表1 重金屬總量和不同形態(tài)重金屬含量Tab.1 Heav y metals concentration and different forms in dredg ed sewage river sediment(mg?kg-1)

將過(guò) 2 mm篩的沉積物(風(fēng)干土)混和均勻后裝箱,每箱裝 75 kg,栽培裝置為長(zhǎng)方形 PVC箱(尺寸為 0.6 m× 0.5 m× 0.4 m),底部設(shè)通氣孔;將箱中沉積物用去離子水調(diào)至 50%～ 60% 持水率(W HC),溫室栽培,2 d后將黑麥草種子播入,生長(zhǎng)一周后間苗,每箱 60株,種植約 60 d(5月 31日～7月 31日)后收獲,沿土面剪取地上部分,并挖出根部,分別用去離子水洗凈,在 105℃下殺青 0.5 h,80℃烘干 2 h,稱(chēng)地上部和根的干重,每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè) 3個(gè)重復(fù),加一個(gè)對(duì)照.

1.2 方法

1.2.1 理化性質(zhì)測(cè)定

各項(xiàng)理化性質(zhì)的測(cè)定方法參照土壤理化分析[6].

1.2.2 重金屬總量測(cè)定

稱(chēng)取 0.2000～ 0.5000 g沉積物樣品置于 50 m L聚四氟乙烯坩堝中,用水潤(rùn)濕后加入 10 mL鹽酸(d=1.19 g/mL),在通風(fēng)櫥內(nèi)電熱板上低溫加熱,使沉積物初步分解,待蒸發(fā)至約 3 m L時(shí)取下稍冷;加入 5 mL硝酸(d=1.42 g/mL),5 mL氫氟酸(d=1.49 g/mL),3 mL高氯酸(d=1.68 g/mL),加蓋后電熱板上中溫加熱,定時(shí)攪拌防止沸騰,加熱至冒濃厚白煙,待坩堝內(nèi)壁黑色沉積物分解至樣品呈粘稠狀時(shí),取下稍冷;用蒸餾水沖洗坩堝蓋和內(nèi)壁,并加入 1 mL硝酸溶液,溫?zé)崛芙鈿堅(jiān)?將樣品轉(zhuǎn)移至50 m L容量瓶中,加入 5 mL硝酸鑭溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5%),冷卻后定容至 50 mL,搖勻備測(cè).

1.2.3 植物中重金屬測(cè)定

稱(chēng)取植物樣品約 0.3000 g置于 100 mL聚四氟乙烯坩堝中,加入 10 mL逆王水,冷消化一天,然后熱消化,使溶液接近 3 mL;再加入 5 mL HClO4(d=1.68 g/mL),冒白煙后加入適量 HNO3(d=1.42 g/mL),蒸餾水定容至 25 mL,搖勻備測(cè).

1.2.4 重金屬各形態(tài)測(cè)定

采用 Tessier[7]法測(cè)定重金屬的 5種不同形態(tài)：可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài).

1.2.5 重金屬元素的儀器測(cè)定

采用電感偶合等離子體原子發(fā)射光譜儀(日本島津公司).

2 結(jié)果與討論

2.1 植物對(duì)重金屬的吸收

圖1是黑麥草不同部位累積的重金屬數(shù)量.表 2是種植黑麥草后沉積物中重金屬總量和不同形態(tài)重金屬的含量.

表2 種植黑麥草以后(含對(duì)照)沉積物中重金屬總量和不同形態(tài)重金屬含量Tab.2 Heav y metals concentration and different forms in dredg ed sewage river sediment after planting(mg?kg-1)

黑麥草體內(nèi)各部位吸收和累積的重金屬種類(lèi)和數(shù)量不同,重金屬在植物體內(nèi)各部位的分布情況也有差異.植物積累的重金屬被植物根部吸收后運(yùn)送至地上,其運(yùn)送能力與多種因素有關(guān),且累積過(guò)程與多種防御機(jī)制有關(guān)[8],植物從土壤中累積的重金屬優(yōu)先貯存在葉表皮細(xì)胞中.

由圖 1可知,黑麥草地上部分積累的重金屬Ni,Cu和 Cd量均小于地下部分,其中Ni地上部分為 63.014 mg? kg-1,為沉積物中總量的 1/3;Cu地上部分為 92.356 mg? kg-1,約占 Cu總量的1/5;Cd地上部分為 1.449 mg? kg-1,占 Cd總量的 1/4.各處理之間無(wú)顯著性差異(P＞0.05).由表 2可以看出,重金屬總量在種植植物前后沒(méi)有改變,但不同形態(tài)重金屬數(shù)量產(chǎn)生了較大變化,可交換態(tài)的遷移性最強(qiáng),毒性也最強(qiáng);種植黑麥草以后,離子交換態(tài)的 Ni含量由種植前的 8.512 mg?kg-1變?yōu)?75.912 mg? kg-1,主要是因?yàn)樘妓猁}結(jié)合態(tài)不穩(wěn)定,易受 pH值變化的影響,在酸性條件下會(huì)向可交換態(tài)轉(zhuǎn)化. 的碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳結(jié)合態(tài)在種植之前含量較少,鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)都比較穩(wěn)定,但在一定氧化還原電位和 pH值條件下也會(huì)緩慢向可交換態(tài)轉(zhuǎn)化;種植黑麥草以后,Cu的兩種結(jié)合態(tài)的含量有所增加,種植之后檢測(cè)到少量以離子交換態(tài)形式存在的 Cd.殘?jiān)鼞B(tài)在環(huán)境中極為穩(wěn)定,一般不具有毒性和危害.

圖1 黑麥草不同部位累積的重金屬數(shù)量Fig.1 Amount of heavy metals accumulated in different parts of Lolium multiflorum Lam

2.2 根際微生物的變化

植物根際是根系影響下的一種特殊生態(tài)環(huán)境,直接影響著根際微生物的種類(lèi)和數(shù)量,為微生物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),根際微生物數(shù)量比非根際多[9].黑麥草根際的細(xì)菌為 1.5×106個(gè) /g,比非根際的細(xì)菌數(shù)低 2個(gè)數(shù)量級(jí),但都比種植前高 2個(gè)數(shù)量級(jí);種植后根際真菌為 5.4×105個(gè) /g,比根際低 2個(gè)數(shù)量級(jí),比種植前高出2個(gè)數(shù)量級(jí).根系分泌物包含的有機(jī)酸可以降低根際沉積物的 pH值,使碳酸鹽態(tài)的重金屬轉(zhuǎn)化為生物有效性強(qiáng)的離子交換態(tài)或水溶態(tài),促進(jìn)了重金屬在植物體內(nèi)的累積.

實(shí)驗(yàn) 15 d后,根際微生物主要是細(xì)菌、真菌、藻類(lèi)等低等生物,根系微生物對(duì)重金屬的活化提高了重金屬的生物有效性,對(duì)重金屬表現(xiàn)出較高的耐性,有利于重金屬向植物體內(nèi)轉(zhuǎn)移.實(shí)驗(yàn)進(jìn)行 45 d后,黑麥草根際出現(xiàn)了大量絲狀菌及其和細(xì)菌、真菌的團(tuán)聚體,它們通過(guò)吸附轉(zhuǎn)移、離子交換等累積機(jī)制將重金屬顆粒累積至植物體內(nèi),并通過(guò)吸收根際分泌物中的有效成分,與重金屬離子絡(luò)合解毒[10].

2.3 酶活性的變化

酶是土壤中一切生物過(guò)程的重要參與者,其來(lái)源于動(dòng)植物及其殘?bào)w以及微生物的分泌物;酶活性是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過(guò)程中最活躍的生物活性物質(zhì),它表征了土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度;土壤酶活性是土壤生產(chǎn)力和土壤環(huán)境質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[11].測(cè)定酶活性有助于判斷土壤中重金屬污染的程度以及對(duì)植物生長(zhǎng)的影響.

圖2為沉積物中多酚氧化酶和過(guò)氧化氫酶的活性隨著黑麥草生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)變化曲線(xiàn).由圖 2可知,多酚氧化酶活性隨著時(shí)間的推移整體呈現(xiàn)較穩(wěn)定的線(xiàn)性變化趨勢(shì),種植黑麥草之前沉積物中多酚氧化酶活性很低,由于部分有機(jī)物得到轉(zhuǎn)化,酶活性的上升速度較快,20 d以后曲線(xiàn)上升幅度增加,30～ 40 d之間變化趨勢(shì)有所減弱,60 d時(shí)呈現(xiàn)最大值,約為 0.10 mg/g土.多酚氧化酶可以將土壤中的多元酚氧化為醌,促進(jìn)土壤的腐殖化進(jìn)程.種植黑麥草前過(guò)氧化氫酶的活性為 4.85 mL/g土;0～20 d之間基本處于平穩(wěn)狀態(tài),變化幅度不超過(guò) 1.00 mL/g土;20 d以后多酚氧化酶活性開(kāi)始上升,并保持較穩(wěn)定的上升趨勢(shì),60 d時(shí)達(dá)到最大,為 9.78 mL/g土.過(guò)氧化氫酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)含量和微生物數(shù)量有關(guān),它既參與生物呼吸代謝,又可以分解代謝產(chǎn)生的對(duì)生物體有毒害作用的過(guò)氧化氫.黑麥草生物量的增加及其根際分泌物、微生物等的共同活化作用,加快了黑麥草修復(fù)受污染沉積物中重金屬等污染物的進(jìn)程.

圖2 酶活性的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Variations of enzyme activity

3 結(jié) 論

1)黑麥草對(duì)沉積物中不同重金屬均有累積效應(yīng),植物體內(nèi)積累的重金屬數(shù)量與離子交換態(tài)的重金屬數(shù)量有直接關(guān)系.

2)根際微生物數(shù)量在種植黑麥草前后變化較大.實(shí)驗(yàn)前期主要是一些低等微生物,實(shí)驗(yàn)后期觀察到一些較高等級(jí)的生物.

3)沉積物中多酚氧化酶活性和過(guò)氧化氫酶活性均有增加.

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