吊蘭和蝴蝶梅對(duì)污泥中重金屬的去除效果

冉建平

(忠縣環(huán)境保護(hù)局，重慶忠縣404300)

1 前言

現(xiàn)在污泥的處置主要包括農(nóng)用、填埋、焚燒、排海等方法.而污泥農(nóng)用是最古老、最經(jīng)濟(jì)、最主要的處置方法，污泥中的有機(jī)腐殖質(zhì)是良好的土壤改良劑.但是它施用于土壤的最大障礙就是其中的重金屬含量問題.目前，去除城市污泥重金屬的主要方法有物理修復(fù)法、化學(xué)修復(fù)法、生物修復(fù)法[1]、植物修復(fù)法.

物理修復(fù)法是發(fā)展使較早，主要有電動(dòng)修復(fù)方法、玻璃化技術(shù)等.其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于污染嚴(yán)重而且污染土壤面積小，其效果較好.利用換土方法或熱解析的冶本手段，適用范圍廣，并且最容易造成重復(fù)污染，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)破壞性，并且土地肥力也會(huì)下降，不能大面積使用.

化學(xué)修復(fù)法主要采取向土壤中摻入固化劑、化學(xué)物質(zhì)的成份或天然礦物等手段，從而使土壤原有成份發(fā)生質(zhì)變，經(jīng)氧化還原、沉淀、吸附，從而達(dá)到降低重金屬的生物屬性.其方法簡單，較容易操作.缺點(diǎn)是不能永久修復(fù)，它僅僅改變了土壤中所含重金屬的形態(tài)或結(jié)構(gòu)，但不能從根本上消除重金屬原成份，并且在經(jīng)歷一段時(shí)期后，重金屬可能再次復(fù)現(xiàn).

生物修復(fù)法是采用微生物或植物的生長過程中新陳代謝，從而吸附土壤中的重金屬，從而改變了金屬在土壤中的原有存在結(jié)構(gòu)或形態(tài)，重金屬由此發(fā)生固定或解化，降低了重金屬在土壤中的移種和生物再循環(huán).這種方法對(duì)土壤重金屬修復(fù)的成本低，并且易于操作實(shí)施，并且不會(huì)產(chǎn)生重復(fù)污染.但微生物的物種及生物利用度會(huì)隨時(shí)間發(fā)生改變[2].

植物修復(fù)法用來消除有毒有害源，可以美化環(huán)境，最容易被人接受的環(huán)保修復(fù)方法.植物修復(fù)土壤中重金屬，主要是利用某些植物先天基因成份，大面積種植用來吸收土壤中重金屬的富集功能，而將土壤或環(huán)境空氣中富含金屬的成份吸入到植物體內(nèi)，從而達(dá)到修復(fù)土壤的效果或剔除污染造成的生態(tài)破壞，達(dá)到修復(fù)原有生態(tài)平衡的目的.[3]許多科研結(jié)果表明，一些植物天生具有吸附金屬的功能，有許多礦源都是根據(jù)地面植物種類來確定地下含某種金屬成份，二者相互依附生成，并且植物自身并不會(huì)受到影響.[4]在所有植物與金屬相互依賴品種中，一些花卉植物具有較明顯的結(jié)果，并且可金屬的影響.

圖1 吊蘭在泥土0∶3和3∶0中的生物量變化情況Fig.1 Chlorophytum 0∶3 and 3∶0 in the soil biomass changes in

2.3 吊蘭、蝴蝶梅的葉綠素變化情況

如圖3所示，吊蘭在四種泥土配比中的葉綠素含量動(dòng)態(tài)變化，從整體情況來看，吊蘭均呈上升趨勢，中間也有的時(shí)間段有升有降，泥土3∶0與空白組0∶3的規(guī)律相似，且3∶0中吊蘭的葉綠素比0∶3中的大很多，說明3∶0的污泥中有能夠促進(jìn)吊蘭生長的營養(yǎng)物質(zhì)，也因?yàn)槲勰嗔孔畲笫怪盏闹亟饘俚牧恳沧畲螅沧畲笙薅鹊伢w現(xiàn)了吊蘭對(duì)重金屬的耐性.在這兩種配比中，在第50天以后均有明顯的上升趨勢，充分說明了吊蘭對(duì)重金屬的耐性.泥以達(dá)到綠化環(huán)境一舉兩得的結(jié)果.由于花卉植物比較容易種植，種類繁多，易于推廣，市場廣闊，前景較好.并且許多能只吸收重金屬的花卉不影響人體健康，反而對(duì)周圍環(huán)境有所改變，對(duì)污染土壤重金屬也較能很好吸附清除，對(duì)植物生態(tài)鏈也不會(huì)造成損害，甚至一些花卉還會(huì)對(duì)人體形成免疫能力，有的還成為制作食品的調(diào)料或原料.只要在花卉選育、栽培及病蟲害防治上采取相應(yīng)措施，對(duì)于篩選花卉修復(fù)植物是完全可行的.[5-6]

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及研究內(nèi)容

研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及研究內(nèi)容等見表1所示:

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一覽表Tab.1 List of experimental design

2.1 吊蘭、蝴蝶梅生長情況變化規(guī)律

植物根系的吸收周圍土壤面積、根系生長深淺等因素直接影響著對(duì)污染物質(zhì)的吸收、除解及根生長圈微生物區(qū)系的繁殖生長.所以，根系表面積、根系分布方式及根分泌特性等根部性狀作為選擇花卉的主要參考指數(shù).而植物的莖部主要用來物質(zhì)運(yùn)輸和水分傳遞的功能，并且用來支撐整株植物成長的重要部位，對(duì)于防范風(fēng)雨等自然因素影響起著重要作用，也是能否有利于植物成長關(guān)鍵組成部分.植物的葉作為揮發(fā)和排泄功能外，還有光合作用，較大面積的葉子有利于植物的蒸騰和水土保持作用和生物量的增加，所以葉面積指數(shù)和功能葉片壽命長短也是重要的指標(biāo).對(duì)于提取植物來說，生物量越大，越能提高修復(fù)效果，而生物量通常與株高成正比，所以株高也是重要的選擇依據(jù)[7].

2.2 吊蘭、蝴蝶梅的生物量變化情況

從圖1可見，吊蘭在全泥3∶0中的生物量變化與空白組全土相比，沒有明顯的差異，吊蘭的根和莖葉的鮮重、株高以及根長都有不同程度的上升趨勢，說明生長狀況良好.

如圖2所示，與泥土0∶3的相比，蝴蝶梅在泥土3∶0中的莖葉和根的鮮重變化規(guī)律與0∶3中的相似，而株高和根長在第20天、第35天和第50天出現(xiàn)了異常情況，說明蝴蝶梅的株高和根長受到了重土1∶2和2∶1中，吊蘭的葉綠素含量變化規(guī)律基本一致，在每個(gè)階段的變化都比3∶0和0∶3都提前了，到35天時(shí)葉綠素的變化從下降變?yōu)樯?，是由于吊蘭的生物量積累達(dá)到了一定程度，能對(duì)重金屬產(chǎn)生耐性，到50天時(shí)，葉綠素又開始下降，這是由于吊蘭吸收的重金屬含量超過了其生物量的負(fù)荷量，所以對(duì)其生長和光合作用造成了脅迫效應(yīng).而蝴蝶梅在四種配比中的變化規(guī)律基本一致，與空白組0∶3對(duì)照來看，3∶0的與之最接近，1∶2和2∶1的變化較一致，在此圖中，蝴蝶梅的葉綠素總體呈下降趨勢，這是因?yàn)楹犯挡话l(fā)達(dá)，生物量積累量也不大，因此對(duì)重金屬的吸收效果不高，耐性不強(qiáng)，容易受重金屬脅迫影響.

實(shí)驗(yàn)表明，重金屬在低濃度短期內(nèi)對(duì)葉綠素合成有刺激作用，而超過一定濃度后才對(duì)葉綠素起破壞作用.重金屬對(duì)光合作用的效應(yīng)，不論是增大或者減少，都是重金屬作用于光合作用中酶活性的結(jié)果.在重金屬脅迫下，植物光合作用紊亂，植物正常生命活動(dòng)的能量也會(huì)減少，還會(huì)讓部分能量從正常代謝和生長過程轉(zhuǎn)移到對(duì)重金屬脅迫的適應(yīng)過程上，如損傷的修復(fù)和合成一些重金屬絡(luò)合物等，相應(yīng)地植物的生長發(fā)育就會(huì)被抑制.

圖4 各種配比中吊蘭和蝴蝶梅的根活力變化情況Fig.4 Spider plants and butterflies in various proportions plum root activity changes

2.4 吊蘭、蝴蝶梅的根系活力變化情況

如圖4所示，吊蘭在各種配比中根活力變化規(guī)律很相似，其中泥土1∶2 和2∶1 接近，0∶3 和 3∶0 較接近，正如前文所述，吊蘭在每種配比中都有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，其根活力都較大.但如果外界脅迫超過植物忍受范圍的話，植物水份和營養(yǎng)通道的根系必將遭到破壞，吊蘭的根活力最終都比最初都有所下降，說明重金屬對(duì)吊蘭的根系活力在一定程度上產(chǎn)生了影響.蝴蝶梅在各種配比中的根系活力變化情況差異較大，泥土0∶3呈緩慢的上升趨勢，原因是全土中重金屬含量很少，不會(huì)對(duì)其根系活力造成影響.而1∶2中只有兩次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，雖然有上升趨勢，但后面的變化情況不能隨便下結(jié)論.在2∶1中，隨著重金屬濃度的升高，蝴蝶梅的根活力有所下降.在3∶0中，蝴蝶梅先急速下降后又有所回升，但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最初的根活力值.這是因?yàn)楹犯坎话l(fā)達(dá)，生物量較小，使其容易受重金屬的影響.

3 吊蘭和蝴蝶梅對(duì)污泥中重金屬的去除情況

3.1 吊蘭和蝴蝶梅對(duì)各種配比中重金屬的去除率

去除率=種植前后的污泥中重金屬含量之差/種植前的污泥中重金屬含量(%)

種植吊蘭和蝴蝶梅的各種配比的泥土中重金屬含量和去除率變化如表1和表2所示:用EDTA提取，以獲得種植花卉的污泥中根系對(duì)重金屬的活化率.因?yàn)橹亟饘俦恢参镂街氨仨毾缺桓祷罨曰罨实拇笮?biāo)志著重金屬的活化程度，其值越大，表示活化程度大，表示越容易被吸收.

表2 吊蘭對(duì)各種配比中重金屬的去除率Tab.2 Chlorophytum removal of heavy metals in various proportions

活化率=種植后污泥中EDTA提取態(tài)重金屬含量/種植前污泥中EDTA提取態(tài)重金屬含量

表4 吊蘭對(duì)各種配比中重金屬的活化率Tab.4 Chlorophytum heavy metals in various proportions activation rate

表3 蝴蝶梅對(duì)各種配比中重金屬的去除率Tab.3 Butterflies plum on removal of heavy metals in various proportions

如表2所示，吊蘭對(duì)四種配比的泥土中重金屬去除率大部分在30% ～50%之間，從橫向比較來看，吊蘭對(duì)Cu的去除效率在四種配比中差別不是很大，均相對(duì)較高;對(duì)Cr的去除效率不甚穩(wěn)定，泥土3∶0中的Cr去除效果最好.從縱向看，泥土1∶2中的Cd和Pb，3∶0中的Cd均有較強(qiáng)的去除效果，都在70%以上，而對(duì)1∶2和2∶1中的Cr去除效率最低，不到10%，說明吊蘭對(duì)Cr的吸附效果最差，對(duì)Cd的吸附效果最好.另外，泥土3∶0的Cd和Cr的去除效率最高，說明污泥含量最大時(shí)，內(nèi)含的營養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)了吊蘭的生物量積累，從而促進(jìn)了吊蘭對(duì)重金屬的吸收.

由表3可看出，蝴蝶梅對(duì)Cd的去除效率均很高，說明其吸附效果好，整體看來，蝴蝶梅對(duì)Zn的去除效率相對(duì)較低，對(duì)泥土0∶3中的Pb去除效率最高，達(dá)到了90%以上，對(duì)Cd和Pb的平均去除效果最好，且蝴蝶梅對(duì)泥土3∶0中Cd的去除效率也是最高的.同時(shí)也可以看出，蝴蝶梅在泥土3∶0中對(duì)除Cd以外的其他金屬去除效果都不是很好，對(duì)Cr甚至只有1%，說明蝴蝶梅并不像吊蘭那樣對(duì)很多重金屬都有較強(qiáng)的耐性，也不像吊蘭那樣對(duì)這四種配比都有很強(qiáng)的適應(yīng)性，一旦它吸附的重金屬過多，超過了自身根和生物量的負(fù)荷程度，就會(huì)對(duì)自身造成一定程度的損害，這時(shí)就達(dá)不到理想的吸附和去除效果.

3.2 吊蘭和蝴蝶梅根系對(duì)各種配比中重金屬的活化情況

目前有很多試驗(yàn)是關(guān)于向被重金屬污染的土壤中加入EDTA等誘導(dǎo)劑以使重金屬能被更好地吸附，而此次試驗(yàn)中主要是植物取樣后，將其根系旁的污泥

表5 蝴蝶梅對(duì)各種配比中重金屬的活化率Tab.5 plum butterfly on a variety of heavy metals in the activation rate ratio

由表4可見吊蘭根系對(duì)Cu、Pb、Cr的活化效果較好，對(duì)Cd的活化效果較差.

由表5可見蝴蝶梅的根系對(duì)Pb和Cr的活化效果較明顯，對(duì)Cd的活化效果較差.

圖5 污泥中吊蘭、蝴蝶梅體內(nèi)Cu含量分布Fig.5 Sludge spider，butterfly plum in vivo distribution of Cu content

4 吊蘭和蝴蝶梅對(duì)污泥中重金屬的富集情況

由此可見，各重金屬在吊蘭和蝴蝶梅中均表現(xiàn)為根系中含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于莖葉中重金屬含量.各種配比中重金屬在根系中的變化速度和變化量均比莖葉中的大很多.植物對(duì)重金屬的吸收與重金屬濃度、植物的生物量積累情況和植物根系的發(fā)達(dá)情況有著直接的聯(lián)系.

圖9 污泥中吊蘭、蝴蝶梅體內(nèi)Cr含量分布Fig.9 Sludge spider，butterfly plum in vivo distribution of Cr content

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié) 論

(1)整個(gè)試驗(yàn)階段，吊蘭沒有出現(xiàn)生死亡毒害等癥狀且長勢良好，說明它們對(duì)五種重金屬都具有一定的抗性.這還表現(xiàn)為吊蘭根活力和葉綠素對(duì)重金屬的適應(yīng)性.蝴蝶梅在第35天左右出現(xiàn)了嚴(yán)重的生長異常，生物量不穩(wěn)定，說明對(duì)重金屬耐性較低.還表現(xiàn)為其根系活力和葉綠素的持續(xù)下降.

(2)不同花卉植物以及同一花卉植物的不同器官對(duì)重金屬的吸收效果有明顯的區(qū)別，吊蘭和蝴蝶梅體內(nèi)的重金屬主要積累于根部，莖葉部分含量相對(duì)較低.

(3)吊蘭對(duì)污泥中重金屬的富集能力大小順序?yàn)?Cr＞Cd＞Zn＞Pb＞Cu，說明其對(duì)Cr和Cd的富集效果最好，對(duì)Cu和Pb的富集效果最差.蝴蝶梅對(duì)污泥中重金屬的富集能力大小順序?yàn)?Zn＞Cd＞Cr＞Pb＞Cu，說明其對(duì)Zn和Cd的富集能力最強(qiáng)，對(duì)Cu和Pb的富集能力最差.

(4)吊蘭是生物量大，根系發(fā)達(dá)，葉綠素高，生物量積累迅速的多年生草本植物，且對(duì)這幾種重金屬耐性都較好，有很大潛力成為某種或某幾種重金屬的超積累植物.蝴蝶梅由于根系不發(fā)達(dá)，生物量小，葉綠素和根活力易受重金屬影響等原因而不適于植物修復(fù)重金屬污染.

5.2 建 議

(1)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)吊蘭和蝴蝶梅的富集系數(shù)在某個(gè)特定的生長期是大于1的，滿足了超積累植物的條件，如果試驗(yàn)條件滿足，可對(duì)其作更深入更全面的研究.

(2)選擇修復(fù)重金屬污染的花卉植物尤其要注意對(duì)它們的根系進(jìn)行選擇，應(yīng)選擇根系發(fā)達(dá)的，根活力較大且須根較少的花卉植物.

(3)用其它危害較大的污染物對(duì)花卉植物進(jìn)行毒理學(xué)試驗(yàn)，篩選以某種污染物為主的具有特異耐性與除污能力的物種.

[1] 何益波，李立清，曾清如.重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)的進(jìn)展.廣州環(huán)境科學(xué).2006，21(4):26-31.

[2] 周東美，鄧昌芬.重金屬污染土壤的電動(dòng)修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào).2003，22(4):505-508.

[3] 蔡信德，仇榮亮.微生物在鎳污染土城修復(fù)中的作用.云南地理環(huán)境研究.2005，17(3):912.

[4] Zhang D Y，Li Y Q，Sun Y K.Feasibility study on biological processing technology of metal material.Science in china(Series C).1997，27(5):410-414.

[5] 劉家女，周啟星，孫 挺，王曉飛.花卉植物應(yīng)用于土壤修復(fù)的可行性研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，1(7):17-23.

[6] 魏樹和，周啟星，王 新.一種新發(fā)現(xiàn)的鎘超積累植物龍葵[J].科學(xué)通報(bào)，2005，50(1):33-38.

[7] 劉家女，周啟星，孫 挺.Cd-Pb復(fù)合污染條件下3種花卉植物的生長反應(yīng)及超積累特性研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26(12):39-44.