幾種草本植物對面源微污染重金屬的凈化能力

陳冬霞 ，劉宏偉 ，梁 紅 ，2，沈海龍 ，高大文 ，2*

幾種草本植物對面源微污染重金屬的凈化能力

陳冬霞1，劉宏偉1，梁 紅1，2，沈海龍1，高大文1，2*

（1.東北林業(yè)大學林學院，哈爾濱 150040；2.哈爾濱工業(yè)大學環(huán)境學院，哈爾濱 150090）

為研究草本植物對城市面源污染重金屬的去除能力，選擇北方地區(qū)常見的3種草本植物紫花苜蓿（Medicago sativa）、早熟禾（Poapretensis）、黑麥草（Lolium perenne），通過水培實驗考察了3種草本植物對微污染重金屬Cu、Cd、Pb的凈化能力。研究結(jié)果表明，3種草本植物對微污染重金屬Cu、Cd、Pb均有一定的凈化效果。其中對Cu、Pb的去除率隨污染物濃度的升高而升高，對Cd的去除率隨Cd濃度的升高而下降。3種草本植物在不同生長期對面源微污染重金屬污染物Cu、Cd、Pb的凈化效果表現(xiàn)出不同特點：黑麥草在生長期去除率最高，分別為56.85%、63.72%、55.03%；紫花苜蓿幼苗期去除率最高，分別為41.98%、45.37%、68.41%；早熟禾生長期去除率最高，分別為51.25%、33.83%、26.55%。綜合分析，3種草本植物可以作為濱岸緩沖帶的備選植物。

草本植物；重金屬；微污染；凈化能力；濱岸緩沖帶

近年來，隨著我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，水環(huán)境污染日益嚴重，尤其是城市河流普遍污染嚴重[1]。面源污染涉及范圍廣、控制難度大，已成為影響河流水質(zhì)的主要原因[2]。其中重金屬污染具有難降解、隱蔽性強、毒性大等特點，對水體和土壤造成嚴重污染[3]。這些重金屬能夠通過食物鏈進入生物體內(nèi)，嚴重危害人類及其他生物的健康[4]。因此，重金屬污染成為如今亟待解決的突出環(huán)境問題。植物修復用于治理重金屬污染具有很好的發(fā)展前景[5]。植物修復技術(shù)利用植物對重金屬的過濾、吸收、富集等作用實現(xiàn)重金屬污染的修復，是一種成本低、效益高、吸附量大、操作簡單、不易造成二次污染的獨特的綠色修復方法[6-7]。

濱岸緩沖帶作為保護水資源的最佳管理措施之一，對防治非點源污染和防止水土流失具有重要的作用[8-9]。近年來，國內(nèi)普遍關(guān)注的是濱岸緩沖帶對農(nóng)業(yè)面源污染物氮、磷的去除，而對微污染重金屬研究較少[10-11]。植物具有富集和去除面源污染重金屬的作用，但由于自身特性不同，各物種對重金屬去除及富集能力也有差異[12]。目前，植物修復重金屬污染土壤和水生植物修復水體重金屬的研究較多[13-14]，但結(jié)合濱岸緩沖帶去除地表徑流中溶解態(tài)重金屬污染的研究較少。

本研究以黑麥草、紫花苜蓿、早熟禾3種草本植物為研究對象，通過水培實驗的方法探究植物對模擬污水中重金屬Cu、Cd、Pb的去除能力，篩選并探討對重金屬去除能力較佳的實驗植物，為構(gòu)建具有觀賞性和污染治理效果的內(nèi)河濱岸緩沖帶提供參考。水培試驗是一種快捷、有效的試驗方法，雖然其與濱岸緩沖帶試驗存在差異，但二者的結(jié)果仍具有一致性，可有效模擬植物對重金屬的去除能力[15]。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

根據(jù)東北地區(qū)地理特征、氣候條件、植物特性和濱岸緩沖帶特征，通過查閱文獻，選擇3種具有截污能力、水土保持能力、景觀價值的本土植物作為實驗植物，分別為紫花苜蓿（Medicagosativa）、早熟禾（Poapretensis）和黑麥草（Loliumperenne）。3種植物均為典型草坪植物，須根發(fā)達，對土壤要求不嚴格，耐瘠薄。培養(yǎng)過程中，植物的生長期分為三個階段：幼苗期（第1周）、生長期（第2周到第6周）、成熟期（第7周）。

1.2 實驗用水

實驗采用的人工配水，使用氯化銨（NH4Cl）、磷酸二氫鉀（KH2PO4）、硝酸鈉（NaNO3）、氯化鎘（CdCl2·1/2 H2O）、硝酸鉛[Pb（NO3）2]、硫酸銅（CuSO4·5H2O）（分析純）進行配制。重金屬濃度根據(jù)測定的哈爾濱市地表徑流中溶解態(tài)重金屬濃度確定。配水水質(zhì)見表1。

表1 實驗用水水質(zhì)Table 1 Water quality of experimental water

另配制重金屬 Cu、Cd、Pb 低濃度（0.05 mg·L-1）和高濃度（0.08 mg·L－1）的培養(yǎng)液，考察不同濃度下植物對重金屬的去除。

1.3 研究方法

本研究采用水培法。設(shè)置4個處理（黑麥草、紫花苜蓿、早熟禾、無植物空白），每個處理3次重復，各處理隨機排放。將黑麥草、紫花苜蓿、早熟禾種植在用錫箔紙包好的150 mL三角瓶中，錐形瓶中放置210 mL的人工配制的污水。實驗共進行7個周期，每隔7 d徹底換水，在第 1、3、5、7周的第 5 d取樣，并在 24 h內(nèi)測定水中殘留重金屬濃度。另設(shè)置0.05、0.08 mg·L-1的重金屬濃度處理，每個處理3次重復，培養(yǎng)5 d后取樣測定殘留重金屬濃度。由于本實驗采用的裝置較小，為減少水分蒸發(fā)和植物蒸騰對濃度的影響，每天添加去離子水，保持水的體積不變。重金屬去除率按公式（1）計算。

式中：C0為初始質(zhì)量濃度；Ci為第i d的質(zhì)量濃度。

1.4 分析方法

水樣中Cu、Pb、Cd采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-MS）法測定。在α=0.05水平下，應(yīng)用SPSS軟件通過方差分析對數(shù)據(jù)進行顯著性檢驗，P＜0.05時差異顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同植物對重金屬的去除效果

不同植物對3種重金屬均有不同的凈化效果，整個實驗過程的平均去除率如圖1所示。通過單因素方差分析，不同草本植物對重金屬Cu、Cd的去除率無顯著差異，對Pb的去除率顯著差異。

圖1 不同植物對Cu、Cd、Pb污染的去除Figure 1 Removal of Cu，Cd and Pb pollution by different plants

由圖1可知，在Cu平均濃度為0.055 mg·L-1條件下，早熟禾凈化效果最好，平均去除率為44.03%。而黑麥草和紫花苜蓿對Cu的去除率略低于早熟禾，分別為41.72%、35.55%。但對Cd的去除率差別較大。Cd平均濃度為0.058 mg·L-1時，去除率最高為黑麥草42.41%，紫花苜蓿和早熟禾分別為28.14%、20.63%。Pb平均濃度為0.056 mg·L－1，3種草本植物對Pb的去除率由高到低分別為紫花苜蓿（45.77%）＞黑麥草（37.72%）＞早熟禾（20.52%）。植物作為濱岸緩沖帶的重要組成部分，在處理面源污染重金屬的過程中具有非常重要的作用。一方面，植物可以直接吸收和積累離子態(tài)的重金屬，另一方面，可以通過植物吸附作用和根際分泌物來去除面源污染中的重金屬[16－17]。

2.2 不同濃度下植物對重金屬的去除效果

2.2.1 對Cu的去除效果

隨著Cu濃度的變化，3種草本植物對Cu的去除率也有變化。圖2為不同濃度下，3種草本植物對重金屬Cu污染的去除率，不同Cu濃度下植物對重金屬Cu去除率無顯著差異（P＞0.05）。

圖2 不同濃度下植物對Cu去除率Figure 2 Removal rate of Cu from plants under different concentrations

由圖2可知，3種草本植物對Cu有較好的凈化效果，且隨著Cu濃度的增加，去除率逐漸增加，且去除率明顯比空白高。當Cu污染濃度為0.05 mg·L－1時，黑麥草的去除率最高為43.75%，紫花苜蓿和早熟禾分別為36.25%、26.91%。當Cu濃度為0.08 mg·L－1時，3種草本植物去除率差別不大，早熟禾的最高，為48.02%。

Cu是植物生長發(fā)育所必需的微量營養(yǎng)元素，它是多酚氧化酶、細胞色素氧化酶及抗壞血酸氧化酶等多種酶類的組成成分之一，因此低濃度的Cu對植物生長是有益的[18]。在本實驗濃度范圍內(nèi)，Cu的濃度越高，3種草本植物對Cu的去除率越高[19]。

2.2.2 對Cd的去除效果

不同濃度下3種草本植物對Cd的去除率變化如圖3所示，不同Cd濃度下植物對Cd去除率有顯著差異（P＜0.05）。由圖3可知，3種草本植物對Cd的去除率明顯比空白高，且隨著Cd濃度的增加，去除率降低。當Cd濃度為0.05 mg·L－1時，3種草本植物對Cd的去除率表現(xiàn)出一定的差異性，黑麥草對Cd的凈化效果最好，去除率為47.01%。當Cd濃度為0.08 mg·L－1時，黑麥草、紫花苜蓿、早熟禾對 Cd的去除率分別為35.00%、23.71%、25.35%，黑麥草去除率最高。

Cd的濃度越高時，3種草本植物對Cd污染物的去除率就越低，Cd的濃度低時，去除率相對較高。植物對Cd存在一個耐受范圍，在該范圍內(nèi)，植物對Cd的去除率隨Cd濃度的升高而升高，而超過了耐受范圍時，去除率隨Cd濃度的升高而降低[20]。本研究結(jié)果可能就是由于Cd濃度超過了3種草本植物的耐受范圍所導致的。在低濃度的Cd溶液中，草本植物可以正常生長并富集Cd，但是當Cd濃度超過草本植物的耐受范圍時，植物各種功能器官會受到脅迫，從而導致去除率下降。

2.2.3 對Pb的去除效果

圖3 不同濃度下植物對Cd的去除率Figure 3 Removal rate of Cd from plants under different concentrations

植物對重金屬Pb污染也有一定的去除效果，且Pb污染濃度不同，去除效果也不同。不同濃度下植物對Pb的去除結(jié)果如圖4所示，不同Pb濃度下植物對重金屬Pb去除率無顯著差異（P＞0.05）。

由圖4可知，隨著Pb濃度增加，3種草本植物對Pb的去除率也增加，且明顯比空白高。當Pb污染濃度為0.05 mg·L－1時，3種草本植物對Pb的去除率相差不大，由高到低分別為黑麥草（38.98%）＞紫花苜蓿（32.45%）＞早熟禾（26.68%）。當Pb污染濃度為0.08 mg·L－1時，紫花苜蓿去除效果最好，去除率為65.03%。

林芳芳等[21]研究發(fā)現(xiàn)Pb培養(yǎng)液濃度越大，植物體富集的Pb量越大，本研究結(jié)果與其觀點一致，Pb的濃度高時，3種草本植物對Pb污染物的去除率就高，Pb濃度低時，去除率相對也低。

圖4 不同濃度下植物對Pb的去除率Figure 4 Removal rate of Pb from plants under different concentrations

2.3 不同植物生長期對重金屬的去除效果

2.3.1 黑麥草不同生長期對重金屬的去除效果

植物在不同的生長期，由于植物植株大小、根系等情況不同，對重金屬污染的去除結(jié)果也不同[22－23]。

黑麥草在各生長期對重金屬Cu、Cd、Pb均有一定的去除效果，且隨著培養(yǎng)時間延長，黑麥草對3種重金屬的去除率呈先上升后下降趨勢（圖5）。黑麥草在生長期第5周時對Cu的去除效果最好，去除率為56.85%，生長期第3周時對Cd、Pb的去除率最高，分別為63.72%、55.03%。在實驗的前幾周，黑麥草對重金屬的去除率呈上升趨勢，這是由于水培黑麥草幼苗期根系迅速增長，為重金屬提供了足夠的吸附位點。進入生長期植物生長迅速，生物量增大，能夠有效吸收富集水體中的重金屬。但隨著黑麥草培養(yǎng)時間增加，黑麥草對重金屬去除率降低，由于吸附位點有限，植物根系的吸附趨于飽和，此時，黑麥草對水中重金屬的去除以吸收為主，且去除率降低[24]。

圖5 黑麥草不同生長期對重金屬Cu、Cd、Pb的去除率Figure 5 Removal rate of heavy metals Cu，Cd and Pb at different growth stages of Lolium perenne

2.3.2 紫花苜蓿不同生長期對重金屬的去除效果

紫花苜蓿在各生長期對3種重金屬均有一定的去除效果，且隨著培養(yǎng)時間增加，去除率呈下降趨勢（圖6）。紫花苜蓿生長期第5周時對Cu的去除率最高，為41.98%，幼苗期第1周期時紫花苜蓿對Cd和Pb的去除效果比其他生長期的效果好，去除率分別為45.37%、68.41%。整個試驗階段，紫花苜蓿對重金屬去除率總體呈下降趨勢。一方面由于紫花苜蓿對環(huán)境的要求高，水培條件下生長較弱，另一方面是由于重金屬對紫花苜蓿的生理代謝有一定的傷害[25]。

2.3.3 早熟禾不同生長期對重金屬的去除效果

早熟禾在各生長期對3種重金屬均有一定的去除效果，且去除率隨時間的增加呈先上升后下降趨勢（圖7）。早熟禾在生長期第3周時對Cu、Cd、Pb的去除效果最好，去除率分別為51.25%、33.83%、26.55%。

圖6 紫花苜蓿不同生長期對Cu、Cd、Pb的去除率Figure 6 Removal rate of Cu，Cd and Pb at different growth stages of Medicago sativa

圖7 早熟禾不同生長期對Cu、Cd、Pb的去除率Figure 7 Removal rate of heavy metals Cu，Cd and Pb at different growth stages of Poapretensis

整個試驗階段，早熟禾對重金屬Cu、Cd、Pb的去除率呈先上升后下降趨勢。這一現(xiàn)象可能與植物的生長習性和生物量有關(guān)，在實驗前幾周早熟禾的生物量隨時間的增加而不斷增長。但早熟禾不耐水濕，后期生長狀況不良，導致去除率下降。

2.3.4 植物不同生長期對重金屬的去除

水培條件下植物對重金屬的去除主要通過植物吸收、植物富集、植物吸附及根系微生物活動[26]。植物與重金屬作用時，植物根系首先接觸重金屬，并對重金屬進行吸收，根細胞中存在大量的交換位點，能對重金屬進行吸收和固定，另一方面，直接影響根際酸化、沉淀、螯合作用及氧化還原反應(yīng)，進而影響重金屬離子的溶解度和生物可利用性[27-28]；牛之欣等[29]研究發(fā)現(xiàn)生物量大的植物對重金屬污染有更好的修復作用。

植物的生長過程中，伴隨著一系列的生理生態(tài)過程，包括植株高度、根系增長、根際活動增強、生物量積累等。黑麥草和早熟禾在幼苗期時，根系迅速擴展，表面積增大，提供了充足的吸附位點，有助于植物對重金屬的吸收；生長期時，植物保持在旺盛生長狀態(tài)，生物量增大，植物根系擴張；植物成熟期時，生物量以及根系趨于穩(wěn)定，且由于在水中培養(yǎng)時間較長，根部出現(xiàn)腐爛現(xiàn)象，植物生長狀況不佳，從而導致去除率下降。紫花苜蓿對重金屬的去除呈下降趨勢，是由于紫花苜蓿在水培條件下生長不好，隨著水培時間的增加，植物出現(xiàn)根系腐爛、葉片枯黃現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）不同草本植物對3種重金屬的去除效果不同。水培條件下，3種草本植物黑麥草、紫花苜蓿、早熟禾對重金屬Cu、Cd、Pb均有較好的去除效果，可以作為濱岸緩沖帶的備選植物。

（2）重金屬濃度不同時，3種草本植物對重金屬的去除率也不同。因此，在實際構(gòu)建緩沖帶時可根據(jù)不同地區(qū)的污染物種類及濃度選擇最適植物。

（3）3種草本植物在不同生長期由于植物根系、生物量等不同，對重金屬Cu、Cd、Pb污染的去除效果不同。

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Ability of herbaceous plants to remove heavy metals from non-point sources of pollution in riparian buffer zones

CHEN Dong-xia1,LIU Hong-wei1,LIANG Hong1,2,SHEN Hai-long1,GAO Da-wen1,2*
（1.School of Forestry,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China;2.School of Environment,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China）

To study the ability of herbaceous plants to remove heavy metal micropollutants in the northeastern region of China,Medicago sativa,Poapretensis,and Lolium perenne were selected.The ability of these three species to remove Cu,Cd,and Pb was studied using hydroponic experiments.The results showed that each of these three herbs displayed the ability to remove Cu,Cd and Pb.The removal rate of Cu and Pb increased with increasing exposure levels,while the removal rate of Cd decreased with increasing exposure levels for all three herbs.The removal efficiencies of Cu,Cd and Pb from synthetic rainwater were different for different stages of growth.Lolium perenne had a highest removal rates at the growth stage,with a removal efficiency of Cu,Cd and Pb up to 56.85%,63.72%,and 55.03%,respectively.Medicago sativa had the highest removal rate at the seedling stage,with a removal efficiency of Cu,Cd and Pb up to 41.98%,45.37%,and 68.41%,respectively.Poapretensis also had the highest removal rate in the growth stage,with a removal efficiency of Cu,Cd and Pb up to 51.25%,33.83%,and 26.55%,respectively.These results demonstrate that these three species may be used as alternative herbaceous plants for riparian buffer zones.

herbs;heavy metals;micropollutants;purification ability;riparian buffer zone

X52

A

1672-2043（2017）12-2500-06

10.11654/jaes.2017-0790

陳冬霞，劉宏偉，梁 紅，等.幾種草本植物對面源微污染重金屬的凈化能力[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2017,36（12）：2500-2505.

CHEN Dong-xia,LIU Hong-wei,LIANG Hong,et al.Ability of herbaceous plants to remove heavy metals from non-point sources of pollution in riparian buffer zones[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（12）：2500-2505.

2017-04-15 錄用日期：2017-08-15

陳冬霞（1992—），女，碩士研究生，從事水生態(tài)環(huán)境修復研究。E-mail：2450896930@qq.com

*通信作者：高大文 E-mail：dawengao@gmail.com

科技部“十三五”科技支撐計劃項目（2015BAD07B06）

Project supported：The Ministry of Science and Technology Support Project"13th Five-Year"（2015BAD07B06）