利用荷花與睡蓮對(duì)沉積物中重金屬的修復(fù)研究

宋 力，黃勤超，黃民生*

1.環(huán)境材料與修復(fù)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶文理學(xué)院，重慶 402160 2.華東師范大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，上海 200062

利用荷花與睡蓮對(duì)沉積物中重金屬的修復(fù)研究

宋 力1,2，黃勤超2，黃民生2*

1.環(huán)境材料與修復(fù)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶文理學(xué)院，重慶 402160 2.華東師范大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，上海 200062

選取水景植物荷花、睡蓮對(duì)黑臭河道沉積物中重金屬進(jìn)行修復(fù)，用ICP-AES全譜直讀電感耦合等離子發(fā)射光譜法測(cè)定沉積物、植物中重金屬鎘、鉻、銅、鎳、鉛的總量與形態(tài)的量，重金屬在植物中分布。結(jié)果表明：荷花對(duì)沉積物中重金屬平均去除率為20.42%，睡蓮為18.23%；睡蓮、荷花種植后沉積物重金屬形態(tài)的量呈減小趨勢(shì)，經(jīng)植物修復(fù)后沉積物中鉻、鉛、鎳的主要形態(tài)為殘?jiān)鼞B(tài)，鎘、銅的主要形態(tài)為弱酸溶解態(tài)。銅、鎳在睡蓮中的分布特征為莖<葉<根，鎘和鉛為葉<莖<根，鉻為莖<根<葉。鉻、鎳在荷花中分布為根<葉<莖, 銅為葉<根<莖，鎘、鉛主要積累在荷花的葉部組織。

荷花；睡蓮；沉積物；重金屬；修復(fù)研究

引 言

河道沉積物中重金屬元素以不同形態(tài)在水-沉積物-生物之間遷移轉(zhuǎn)化，不斷發(fā)生分散和富集作用，部分重金屬粒子在微生物作用下被降解[1]。在自然因素和人為活動(dòng)等外界條件作用下，沉積物中重金屬離子會(huì)釋放進(jìn)入自然水體，形成二次污染，對(duì)水生生物形成潛在危害，并可通過食物鏈影響人體健康。水生植物，特別是景觀水生植物對(duì)河道重金屬修復(fù)可以在不改變河道現(xiàn)狀條件下達(dá)到治理污染和提升景觀[2]。研究證實(shí)，重金屬元素通過根系進(jìn)入植物組織后，將在其根、莖、葉、果實(shí)等組織中發(fā)生累積，對(duì)重金屬具有累積特性的植物常被用作土壤或沉積物污染的重要指示生物[3]。

植物對(duì)重金屬的去除主要是通過植物吸收并將其轉(zhuǎn)運(yùn)到植物上部組織，植物通過酶和分泌物與沉積物中的重金屬發(fā)生物化作用將其固定在沉積物中，暫時(shí)緩解重金屬對(duì)植物和環(huán)境造成的危害，以及通過提高根系微生物的活性和數(shù)量來促進(jìn)重金屬的吸收和固定[2]。用植物修復(fù)沉積物中重金屬主要受植物生物量的大小，植物對(duì)沉積物中重金屬的吸收、積累能力以及植物自身的耐污能力，沉積物的理化性質(zhì)，重金屬存在的形態(tài)，其中植物對(duì)沉積物重金屬的吸收、積累能力以及對(duì)重金屬毒害的忍耐能力是植物去除底泥中重金屬的主要影響因素[4]。

本研究利用景觀水生植物荷花與睡蓮對(duì)城市黑臭河道沉積物重金屬Cd，Cr，Cu，Ni和Pb進(jìn)行修復(fù)研究，在植物種植后沉積物中重金屬的變化，在植物中的分布特征，為原位沉積物中重金屬污染修復(fù)提供理論依據(jù)[5-8]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

植物種植：睡蓮、荷花；種植時(shí)間：2011年4月22日；采樣：根據(jù)植物生長情況每月/1次，采取水箱箱中心沉積物，采樣深度為0～5 cm。沉積物采自上海市普陀區(qū)工業(yè)河。實(shí)驗(yàn)植物：睡蓮(Nymphae Acutiloba DC)、荷花(Nymphaea nelumbo)；栽種箱：上部長寬1 240 mm×620 mm，下部長寬1 150 mm×550 mm，深760 mm，沉積物厚度為栽種箱深度的400 mm左右，植物長勢(shì)穩(wěn)定后，向栽種箱中適時(shí)補(bǔ)充自來水。

1.2 樣品的預(yù)處理

沉積物經(jīng)真空冷凍干燥后，剔除雜質(zhì)，用石英缽研磨細(xì)，過160目尼龍篩。植物樣品在105 ℃條件下殺青30 min，75 ℃烘24 h至恒重，采用植物粉碎機(jī)粉碎，沉積物與植物均采用三酸消解。

1.3 實(shí)驗(yàn)分析與數(shù)據(jù)處理

重金屬Cd，Pb，Cr，Cu，Ni元素采用VARIAN公司生產(chǎn)的全譜直讀電感耦合等離子發(fā)射光譜儀ICP-OES測(cè)定，采用QA/QC程序保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，采用沉積物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07309(GSD-9) GBW07406(GSS-6)加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，以便檢驗(yàn)和控制分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)低于7.5%。在實(shí)驗(yàn)過程所用HCLO4，HNO3，HF均為MOS級(jí)，實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算與分析采用excel2.0和originpro8.1分析處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩種植物修復(fù)處理沉積物中重金屬的比較分析

兩種植物種植后不同時(shí)間段沉積物中重金屬含量比較如圖1所示。

圖1 植物處理沉積物中Cd，Pb，Cr，Cu，Ni比較

由圖1可知：Cd，Cr，Cu，Ni和Pb在沉積物中均有檢出，Cd，Cr，Cu和Ni含量未超過農(nóng)用污泥重金屬污染的控制標(biāo)準(zhǔn)，Pb含量高于農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)1 000 mg·kg-1(GB4284—84)，沉積物在種植睡蓮、荷花后，重金屬的去除受植物對(duì)重金屬的吸收和富集、轉(zhuǎn)移等因素的影響，經(jīng)過一季修復(fù)后，在睡蓮栽種箱中沉積物Pb的初始含量由1 113.38 mg·kg-1降致902.74 mg·kg-1，有效去除量為211.06 mg·kg-1；荷花箱箱沉積物Pb初始含量由795.06 mg·kg-1降致636 mg·kg-1，有效去除量為159.06 mg·kg-1。植物對(duì)沉積物中重金屬去除效果為睡蓮對(duì)Cd的去除率最高為36.74%，對(duì)Ni的去除率最差為12.39%，對(duì)Cu的去除率為19.47%，對(duì)Pb的去除率為18.92%，對(duì)Cr的去除率為14.52%。荷花對(duì)沉積物中Cd的去除率最高為31.4%，對(duì)Ni和Pb的去除率最低，分別為20.1%和20.01%，對(duì)Cr和Cu兩種重金屬的去除率分別為22.13%和20.93%。

在睡蓮生長最旺盛的6月，沉積物中Cd，Cr，Ni和Pb被去除率達(dá)到最高，分別為Cd(13.33%)，Pb(6.49%)，Ni(6.05%)和Cr(5.95%)，而Cu在睡蓮枝葉最茂盛的8月去除率最高為8.45%，其中對(duì)Cd去除效果最好。荷花在6月份對(duì)Pb，Ni和Cu的去除率最高，分別為9.49%，8.35%和8.03%，在7月份Cd的去除率最高為10.18%，在10月份對(duì)Cr的去除率最高為10.61%。荷花與睡蓮去除沉積物重金屬主要是由根系吸收，通過物質(zhì)轉(zhuǎn)移至莖、葉，由于在植物在不同生長期，根系覆蓋吸收區(qū)域大小不一，導(dǎo)致去除重金屬的區(qū)域存在差異，荷花的根系主要是塊莖，須根欠發(fā)達(dá)，睡蓮須根發(fā)達(dá)、量大、覆蓋區(qū)域大，兩種植物在7月、8月、9月修復(fù)去除沉積物中重金屬受根系影響。利用植物修復(fù)去除沉積物中重金屬的影響因子是植物量大小、植物生長時(shí)間、組織器官構(gòu)成，也與植物組織器官相關(guān)。

2.2 重金屬在植物種植前后形態(tài)變化分析

沉積物中重金屬根據(jù)存在形態(tài)分為四種，既是可交換態(tài)及碳酸鹽結(jié)合態(tài)(弱酸溶解態(tài))、Fe/Mn氧化物結(jié)合態(tài)(可還原態(tài))、有機(jī)物及硫化物結(jié)合態(tài)(可氧化態(tài))和殘?jiān)鼞B(tài)，殘?jiān)鼞B(tài)在自然環(huán)境中較穩(wěn)定，對(duì)生物不具有毒性和危害[7-8]。在睡蓮、荷花種植前后沉積物中重金屬Cd，Cr，Cu，Ni和Pb形態(tài)變化如圖2。

圖2 植物種植前后沉積物中重金屬形態(tài)含量(單位：mg·kg-1)

由圖2可知，睡蓮、荷花種植后，種植植物改變沉積物微環(huán)境因子，如根系分泌物、空氣條件、微生物等，以及植物本身對(duì)重金屬的吸收和轉(zhuǎn)化，重金屬形態(tài)量與總量均減少。在睡蓮栽種箱沉積物中Cd弱酸溶解態(tài)量由0.44 mg·kg-1升高至0.52 mg·kg-1，可氧化態(tài)量由0.42 mg·kg-1升高至0.45 mg·kg-1；Cu弱酸態(tài)量由5.72 mg·kg-1升高至10.16 mg·kg-1，可氧化態(tài)量由0.89 mg·kg-1升高至2.87 mg·kg-1。在荷花栽種箱中沉積物重金屬四種形態(tài)含量經(jīng)植物修復(fù)后均呈降低趨勢(shì)。導(dǎo)致睡蓮栽種箱沉積物中重金屬Cu和Cd的弱酸態(tài)、可氧化態(tài)含量升高原因是睡蓮根系吸收及根際微生物對(duì)沉積物中重金屬形態(tài)產(chǎn)生了影響。睡蓮、荷花種植后沉積物重金屬的殘?jiān)鼞B(tài)均減少，表明沉積物在荷花、睡蓮的影響下部分不被生物利用的重金屬形態(tài)被轉(zhuǎn)化，在植物-微生物、自然條件的變化被去除[2]。種植睡蓮、荷花后兩箱沉積物中重金屬Cr，Ni和Pb主要以殘?jiān)鼞B(tài)存在，約為重金屬量的50%，殘?jiān)鼞B(tài)重金屬的主要賦存在礦物晶格中不易釋放，殘?jiān)鼞B(tài)不被生物所利用[2, 7]。沉積物中Cd和Cu主要以可提取態(tài)形式存在，可被生物利用的有效性高，較易被植物吸收，睡蓮、荷花對(duì)沉積物Cd和Cu的去除率相對(duì)較高。

2.3 重金屬在睡蓮、荷花不同組織中的含量和分布特征

植物的生長過程一些重金屬元素屬于植物生長因子，植物對(duì)重金屬的耐受性影響重金屬在植物體內(nèi)的富集與轉(zhuǎn)運(yùn)，表現(xiàn)在植物體內(nèi)各功能器官所吸收和積累重金屬的種類和數(shù)量，以及重金屬在植物各器官分布，部分植物對(duì)某一元素的富集，主要體現(xiàn)在其植物具有多種防御機(jī)制[2]。睡蓮、荷花不同器官中重金屬的含量如表1。

由表1可知，Cd，Cr，Cu，Ni和Pb在睡蓮、荷花各器官、組織均有檢出，但器官、組織對(duì)重金屬的吸收、富集、分布的種類和量不同，其對(duì)重金屬的富集大小順序是Cu>Cr>Ni>Pb>Cd。在植物體富集量最高的Cu，Cu在睡蓮、荷花各器官組織的含量大小分別為根(6.21 mg·kg-1)>葉(3.30 mg·kg-1)>莖(2.61 mg·kg-1)，莖(11.69 mg·kg-1)>根(9.14 mg·kg-1)>葉(8.05 mg·kg-1)。Cd，Cu，Ni和Pb在睡蓮根中的積累量大于莖和葉，Cr在植物體積累量根<葉，Cu和Ni在睡蓮各器官組織的量為根>葉>莖，Cd和Pb在睡蓮各器官組織的量為根>莖>葉，Cr在睡蓮各器官組織的量為葉>根>莖。Cr，Cu和Ni在荷花莖中的含量明顯高于根和葉，由于荷花的莖在生長和成熟期，植物的新陳代謝加快，從土壤中吸收營養(yǎng)物質(zhì)時(shí)吸收的重金屬含量提高[3]，同時(shí)荷花根中的營養(yǎng)物質(zhì)也會(huì)輸送到莖，在此過程中Cr，Cu和Ni也隨之遷移到莖，Cr和Ni在荷花的器官組織含量為莖>葉>根，Cu為莖>根>葉。Cd和Pb對(duì)植物產(chǎn)生毒害，主要分布于荷花葉。在荷花可食用的部分蓮藕重金屬的含量順序是：Cu(11.69 mg·kg-1)>Cr (8.3 mg·kg-1)>Ni(5.42 mg·kg-1)>Pb(1.88 mg·kg-1)>Cd(0.02 mg·kg-1)。

表1 睡蓮荷花根、莖、葉中各重金屬含量

Table 1 The accumulation of heavy metals in Nymphaea Tetragona Georgi and Nelumbo Nucifera different tissues (mg·kg-1)

CdCrCuNiPb睡蓮根0.044.036.213.022.06睡蓮莖0.033.852.601.382.01睡蓮葉0.034.033.302.801.96荷花根0.033.219.142.151.51荷花莖0.028.3011.695.421.88荷花葉0.085.258.054.913.94

3 結(jié) 論

(1)睡蓮、荷花對(duì)沉積物中重金屬具有去除能力，荷花對(duì)沉積物中Cd，Cr，Cu，Ni和Pb去除能力優(yōu)于睡蓮。沉積物中Cd易被睡蓮、荷花去除，去除率分別高達(dá)36.7%和31.4%，沉積物中Ni被睡蓮去除率最差為12.4%，沉積物中Ni和Pb被荷花去除率最差為20.1%和20.01%。睡蓮去除沉積物中Cd能力強(qiáng)于荷花，去除Cr，Cu，Ni和Pb能力弱于荷花。

(2)經(jīng)過睡蓮、荷花的種植修復(fù)處理的沉積物，重金屬的形態(tài)含量與總量均呈減小趨勢(shì)，各重金屬形態(tài)的比未呈顯著變化。在種植睡蓮、荷花后Cd和Cu的弱酸溶態(tài)量增加。經(jīng)過植物修復(fù)處理，沉積物中Pb，Cr和Ni主要形態(tài)為殘?jiān)鼞B(tài)，Cd和Cu的主要形態(tài)為可弱酸解態(tài)。

(3)睡蓮、荷花在修復(fù)處理沉積物中重金屬均具有富集能力，其富集量大小順序?yàn)镃u>Cr>Ni>Pb>Cd。睡蓮、荷花的器官組織對(duì)重金屬的吸收、積累種類、數(shù)量不同。重金屬在植物的器官組織的分布特征是Cu和Ni在睡蓮中分布特征為莖<葉<根，Cd和Pb分布特征為葉<莖<根，Cr分布特征為莖<根<葉。Cr和Ni在荷花中的分布特征一致，為根<葉<莖，Cu分布特征為葉<根<莖，Cd和Pb主要分布在葉部，荷花對(duì)重金屬累積量和富集能力大于睡蓮。

[1] HU Xue-nan，LU Tao，Lü Jun-peng，et al(胡雪南，陸 濤，呂俊鵬，等).Journal of Guangdong Chemical Industry(廣東化工)，2015，8：26.

[2] HUANG Qin-chao(黃勤超).Study on Removal of PAHs and Heavy Metals in Malodorous River Sediment Using Nymphaea Tetragona Georgi and Nelumbo Nucifera(利用睡蓮、荷花對(duì)黑臭河道底泥中PAHs和重金屬的修復(fù)研究).Shanghai: Degree Paper of Master Candidate of East China Normal University (華東師范大學(xué)碩士論文)，2013，41.

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(Received Oct.16, 2014; accepted May 6, 2015)

*Corresponding author

Research on Remediation of Heavy Metals in Sediment with Lotus and Water Lily

SONG Li1, 2, HUANG Qin-chao2, HUANG Min-sheng2*

1.Chongqing Environmental Materials and Repair Technology Key Laboratory, Chongqing University of Arts Sciences, Chongqing 402160, China 2.College of Resources and Environment, East China Normal University, Shanghai 200062, China

The aquatic landscape plants lotus and water lily were selected to repair the heavy metal in black odorous river sediments.With ICP-AES inductively coupled full spectrum of direct reading plasma emission spectrometry, the total and forms of content of heavy metals Cd, Cr, Cu, Ni, Pb in sediment and plants, the distribution of heavy metals in plants to were determined .The results showed that the average removal rate of the lotus in terms of the removal of heavy metals in the sediments was 20.42% while that of water lily was 18.23%; after lotus and water lilies were planted, the forms of content of heavy metals in sediments were decreased, the phytoremediation of main forms of Cr, Pb, Ni in sediments were theresidual state; the main forms of Cd, Cu were extractable.The distribution of Cu, Ni among the water lilies was stem

Lotus; Water lily; Sediment; Heavy metal; Research on remediation

2014-10-16，

2015-05-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51409030)，國家科技重大水專項(xiàng)(2009ZX07317-006)，重慶市教委項(xiàng)目(KJ121207)和重慶文理學(xué)院重大培育項(xiàng)目資助

宋 力，1979年生，重慶文理學(xué)院講師 e-mail: songlicq@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: mshuan@des.ecnu.edu.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)09-2884-05