苦草對砷的富集作用

陳國梁,馮 濤,李志賢,陳 章,徐建明,王海華,向言詞,余光輝,朱佳文

1 湖南科技大學煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護湖南省重點實驗室, 湘潭 4112012 浙江大學環(huán)境與資源學院, 杭州 3100583 重金屬污染土壤生態(tài)修復與安全利用湖南省高校重點實驗室, 湘潭 4112014 湖南科技大學建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院, 湘潭 411201

苦草對砷的富集作用

陳國梁1,2,馮 濤1,李志賢1,陳 章1,徐建明2,*,王海華3,向言詞3,余光輝4,朱佳文4

1 湖南科技大學煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護湖南省重點實驗室, 湘潭 4112012 浙江大學環(huán)境與資源學院, 杭州 3100583 重金屬污染土壤生態(tài)修復與安全利用湖南省高校重點實驗室, 湘潭 4112014 湖南科技大學建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院, 湘潭 411201

為了探求合適的水體砷污染修復植物及砷在食物鏈中傳遞、累積的特點,以常見的沉水植物-苦草為研究對象,對受砷污染的水體進行修復,結果表明：苦草對水環(huán)境中砷的富集能在較短的時間內(3 d)達到一個較大值,到第14天,不同砷水平(< 2 mg/L)處理下的苦草對砷富集系數均超過200；苦草中砷濃度隨處理時間及外源砷濃度的增加而增加,且與外源砷濃度之間存在極顯著地正相關；苦草在不同濃度砷處理下都生長良好,對砷脅迫表現出較強的耐受性。因此,苦草對于水體的砷污染有著很好的去除效果,同時也能很好地反映出一個地區(qū)的砷污染水平。

植物修復；砷；水污染；沉水植物；苦草

砷(As)是一種常見的有毒環(huán)境污染元素,具有劇毒、致畸、致癌和致突變效應[1-2]。近些年來,由于自然釋放、采礦、冶金、燃煤、化工等工業(yè)產生的大量含砷“三廢”及農業(yè)生產中一些含砷產品的應用已經影響到土壤、水體和空氣的環(huán)境質量,使得水環(huán)境中砷的含量日趨升高。據估計,目前至少有22個國家和地區(qū)的數億人口受砷中毒威脅,其中多數為亞洲國家[3-4]。中國是受砷污染最為嚴重的國家之一,新疆、內蒙、湖南、云南、廣西、廣東等省區(qū)都是砷污染比較嚴重的地區(qū)[5- 8]。與其它重金屬類似,進入水體的砷不能自然降解或被微生物分解,往往在水中或沉積到水域底部。沉積物中的As作為一種潛在的污染源,可在一定條件下釋放進入間隙水中,再通過風浪擾動、擴散等物理作用迅速進入上覆水體,從而導致水體中As含量的急劇升高,使得底棲生物環(huán)境中As含量水平的增加,并通過食物鏈影響其他動物甚至人類的健康[9-10]。

水生植物作為水生態(tài)系統(tǒng)中最重要的初級生產者對水環(huán)境中的污染元素有較強的吸收作用,當污染元素進入水體后,很大一部分都會被水生植物所富集從而進入食物鏈中。一般而言,不同水生植物對水中污染元素的富集能力順序為：沉水植物>漂浮植物、浮葉植物>挺水植物[11-12]。潘義宏等[13]的研究表明,黑藻、金魚藻、小眼子菜、八藥水篩等沉水植物都對水體中的As、Zn、Cu、Cd、Pb具有較強的吸收和富集能力。Islam等[14]的研究結果顯示Micranthemumumbrosum對水體中的As和Cd具有較強的富集能力,水培7d后,其葉片中As和Cd的含量分別達到1219 mg/kg和799.40 mg/kg。Xue等[15]發(fā)現Hydrillaverticillata(L.f) Royle對As(V)、As(III)富集量超過700 mg/kg(干重)。沉水植物能有效的降低富營養(yǎng)水體或污水中的有機和無機污染物,其在污水凈化方面的潛力已經引起了廣泛的關注[16-17]。因此,本文在我們前期野外調查及實驗的基礎上[18],以常見的沉水植物——苦草(Vallisnerianatans(Lour.) Hara)為研究對象,探討其對砷的富集及去砷能力,以期為水體砷污染修復提供合適的植物材料,同時也為保障人及其它動物健康提供科學依據及技術支持。

1 材料與方法

1.1 供試植物

苦草(Vallisnerianatans(Lour.) Hara)又稱扁擔草、蓼萍草、水韭菜等,水鱉科苦草屬,為多年生無莖沉水草本,有匍匐莖,是典型的沉水植物,廣泛分布在中國的多個省區(qū),印度、中南半島、日本、馬來西亞和澳大利亞等地,具有生物量大,生長繁殖快的特點。試驗所需苦草采自于杭州西湖及周邊水域。將采回來的苦草剔除枯葉等雜物,經自來水洗凈后,選用生長狀態(tài)良好,性狀統(tǒng)一的成熟植株,移入塑料整理箱(73 cm×52 cm×45 cm)內,以小玻璃珠(Φ2—3 mm)作為固定基質,1/10的Hoagland營養(yǎng)液進行適應性培養(yǎng)2周。

1.2 實驗方法

選取預處理后的長勢良好、大小一致的等量苦草植株,移入敞口玻璃瓶(直徑15 cm,高40 cm)中,加入1/10 Hoagland培養(yǎng)液,進行水培試驗。在Hoagland營養(yǎng)液基礎上設0(對照)、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0 mg/L(以純砷計,As以Na3AsO4形式添加)6個濃度梯度的砷處理。每天用1 mg/L HCl或NaOH調節(jié)水體的pH為7.0并補充水,每個處理重復3次。在第3、7、14天的時候收獲植物,并測定植物中砷的含量。

1.2.1 砷處理的水培試驗

選取預處理后的長勢良好、大小一致的等量苦草植株,移入敞口玻璃瓶(直徑15 cm,高40 cm)中,加入1/10 Hoagland培養(yǎng)液,進行水培試驗。在Hoagland營養(yǎng)液基礎上設0(對照)、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0 mg/L(以純砷計,As以Na3AsO4形式添加)6個濃度梯度的砷處理。每天用1 mg/L HCl或NaOH調節(jié)水體的pH為7.0并補充水,每個處理重復3次。在第3、7、14天的時候收獲植物,并測定植物中砷的含量。

1.2.2 植物生物量的測定

采集的植物先用去離子水反復沖洗,然后再用吸水紙仔細吸去植物表面附著的水分,稱鮮重。

1.2.3 植物樣品中總砷的測定

將收獲的沉水植物先用自來水反復沖洗干凈后,再用0.01 mg/L EDTA(Ethylene diamine tetra acetic acid)沖洗,最后用去離子水淋洗2—3次,將表面水分吸干后測量鮮重,于105℃殺青30 min,然后在60 ℃下烘干至恒重,用不銹鋼植物粉碎機磨碎后過60目尼龍篩備用。植物樣品中總砷的含量采用微波消解、原子熒光光譜儀(AFS- 9100雙道原子熒光光度計,北京吉天儀器有限公司)進行測定。分析中所用試劑均為優(yōu)級純,同時采用國家標準參比物質(GBW10014)進行樣品分析的質量控制,分析誤差均控制在允許的誤差范圍。

1.3 數據處理

所有數據均采用Excel 2010、統(tǒng)計分析軟件SPSS 18.0(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)進行整理及分析,差異顯著性水平P< 0.05。

2 結果與分析

2.1 不同砷水平處理下苦草生物量隨時間的動態(tài)變化

不同砷水平(0、0.1、0.2、0.5、1.0 mg/L和2.0 mg/L)處理下,苦草生物量隨時間的變化如圖1所示。不同采樣時間的實驗結果表明：不同處理之間,苦草在0—14 d內的生長變化情況基本一致,其生物量隨時間增加有所增加。

2.2 不同砷水平處理下苦草對砷富集隨時間的動態(tài)變化

在不同砷水平(0、0.1、0.2、0.5、1.0 mg/L和2.0 mg/L)處理下,苦草對砷富集隨時間的變化如圖2所示。在不同砷水平處理下,苦草對砷的富集在較短時間內(3 d)就能達到一個較大值,隨時間的延長,苦草中砷的濃度有所增加,但是增加趨勢比較緩慢。到第14天,不同砷水平處理下,苦草對砷的富集系數均超過200。

富集系數計算：富集系數=植物中砷濃度(mg/kg,干重)/水體中砷濃度(mg/L)

圖1 不同砷水平(0.1—2.0 mg/L)處理下苦草生物量隨時間的變化Fig.1 Change of V. natans biomass with time at a treated rate of different As(V) concentrations (0.1—2.0 mg/L) 不同處理之間無顯著差異(P > 0.05)

圖2 不同砷處理水平(0.1—2.0 mg/L)下苦草中砷濃度隨時間的變化Fig.2 The variations of total As concentrations in V. natans with time exposed to different As(V) concentrations (0.1—2.0 mg/L)

圖3 在不同處理時間下苦草中砷濃度隨外源砷濃度的變化Fig.3 After different treatment time, the variations of total As concentrations in V. natans with As(V) in the solution (mg/L)

2.3 苦草中砷濃度與外源砷濃度之間的關系

外源砷濃度對苦草富集砷的影響如圖3所示。在不同的采樣時間(3、7、14 d),苦草中砷的濃度都隨外源砷濃度的升高而增加?？嗖葜猩闈舛扰c外源砷濃度之間的相關性分析結果表明,不同處理時期內兩者呈極顯著的正相關(表1)。

3 討論

3.1 砷對苦草生長的影響

生物量的大小是衡量植物修復潛力大小的一個重要指標,測量植物生物量在重金屬脅迫下的變化也能反應出植物對重金屬的耐性大小。砷不是植物生長所必需元素,但有研究表明,低濃度砷可以刺激植物的生長發(fā)育,高濃度的砷會對植物的生長發(fā)育產生嚴重的影響[19-22]。

砷對苦草生長的影響如圖1所示。在整個試驗時間內,不同砷水平(0—2.0 mg/L)處理下苦草生長的變化趨勢基本一致。顯著性差異分析結果表明,不同砷水平處理下苦草生物量隨時間的變化與不加砷的對照相比并沒有達到顯著的差異(P> 0.05),即使在最大砷濃度2.0 mg/L與對照之間,苦草的生長也沒有受到砷的抑制,這表明砷脅迫(< 2.0 mg/L)對苦草的生長并沒有造成嚴重的影響,苦草對砷表現出較強的耐受性。

3.2 處理時間及外源砷濃度對苦草富集砷的影響

植物對污染元素的富集量不僅與植物種類有關,而且還與污染元素在環(huán)境中的濃度、時間等因素有關。一些陸生超富集植物的研究表明,植物對重金屬的積累隨土壤中重金屬濃度升高而增加[23-24]。Santos等[25]研究表明,培養(yǎng)時間是影響蜈蚣草吸收砷的主要因素之一。Robinson等[26]通過室內水培試驗研究了狐尾藻(Myriophyllumpropinquum)、西洋菜(Rorippanasturtiumaquaticum)、金魚藻(CeratophyllumdemersumL.)3種水生植物對As的富集,結果表明,3種水生植物體內As含量隨水體中砷的濃度升高(0.01—3.9 mg/L)而不斷增加,在As處理濃度最高(3.9 mg/L)時金魚藻體內As含量超過1000 mg/kg。因此,植物對重金屬富集與環(huán)境中重金屬濃度高低及處理時間等因素有關。

表1 不同處理時期內苦草中砷濃度與外源砷濃度之間的相關性分析
Table 1 The correlation coefficients between As concentration in plant and As(V) treatment levels at different time

培養(yǎng)時間Time/d3714相關系數Correlationcoefficients0．900．940．97

不同砷水平處理下,苦草對砷的富集隨時間的動態(tài)變化如圖2。從圖中可以得知,苦草中砷濃度隨處理時間的增加而增加,到第14天,不同砷水平處理下的苦草對砷的富集系數均超過200,這表明苦草對水體中的砷污染有著很好的去除作用；從圖3中可以得知,苦草對砷的富集都隨外源砷濃度的升高而增加(圖3),不同處理時期苦草中砷濃度與外源砷濃度之間的相關性分析結果表明(表1),苦草中砷濃度與外源砷濃度之間存在極顯著地正相關(r> 0.9),這表明外源砷濃度也是影響苦草對砷富集的一個重要的因素。分析植物中污染物的濃度能更好地反應出一個地區(qū)的長期污染水平[27-28]。因此,對苦草中砷濃度進行分析也能很好地反映出某地區(qū)的長期砷污染水平。

4 小結

苦草對水體中的砷有著較好的去除作用,不同砷水平(<2.0 mg/L)處理14 d后,其對砷的富集系數均超過200；苦草對砷的吸收隨時間的增加而增加,時間和外源砷濃度是影響苦草砷濃度的兩個重要因素,苦草中砷濃度與外源砷濃度之間存在很好的相關性；不同砷水平處理下苦草生長良好,砷脅迫對其生長并沒有造成嚴重的影響,這表明苦草對砷有著很好的耐受性。因此,苦草在水體砷污染生態(tài)修復方面具有一定的潛在應用價值。

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Characterization of arsenic accumulation byVallisnerianatans

CHEN Guoliang1,2, FENG Tao1, LI Zhixian1, CHEN Zhang1, XU Jianming2,*, WANG Haihua3, XIANG Yanci3, YU Guanghui4, ZHU Jiawen4

1HunanProvinceKeyLaboratoryofCoalResourcesClean-utilizationandMineEnvironmentProtection,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201,China2CollegeofEnvironmental&ResourceScienceofZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China3KeyLaboratoryofEcologicalRemediationandSafeUtilizationofHeavyMetal-PollutedSoils,CollegeofHunanProvince,Xiangtan411201,China4SchoolofArchitectureandUrbanPlanning,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201,China

To identify suitable plant species for the phytoremediation of arsenic-contaminated water and ensure the safety of people and animals,Vallisnerianatans(Lour.) Hara was investigated for its ability to remove As from contaminated water. After 3 days of different As treatments (<2 mg/L), the As concentrations in the plants were high and the bioconcentration factor ofV.natansexceeded 200 at 14 days. The As concentrations in all plants increased with time and increasing As concentration in the environment. As accumulation in the plant was significantly correlated with that in the environment. After exposure to different As treatments,V.natansshowed good growth. This suggests thatV.natansis highly tolerant to As and stable against environmental changes. Therefore, phytoremediation of arsenic-contaminated water can be achieved usingV.natansand As accumulation in plants can reflect the level of As pollution in a region.

phytoremediation; arsenic; water pollution; submerged macrophytes;Vallisnerianatans(Lour.) Hara

國家自然科學青年基金項目(41501343)；國家自然科學青年基金項目(31400374)；湖南省重點實驗室開放基金項目(E21501)；湖南科技大學自然科學基金項目(E54005)；湖南省教育廳項目(15C0534)；湖南省教育廳項目(14B066)

2016- 03- 30; 網絡出版日期:2017- 03- 02

10.5846/stxb201603300579

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jmxu@zju.edu.cn

陳國梁,馮濤,李志賢,陳章,徐建明,王海華,向言詞,余光輝,朱佳文.苦草對砷的富集作用.生態(tài)學報,2017,37(14):4671- 4675.

Chen G L, Feng T, Li Z X, Chen Z, Xu J M, Wang H H, Xiang Y C, Yu G H, Zhu J W.Characterization of arsenic accumulation byVallisnerianatans.Acta Ecologica Sinica,2017,37(14):4671- 4675.