湘江水生植物對(duì)三種重金屬的吸收研究

馬明英，曾 杭，徐麗思，伍檢寶，尹建雄，陳 莉

(1.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410114)

湖南是全球極具盛名的“有色金屬之鄉(xiāng)”，湘江流域創(chuàng)造了湖南省75%的生產(chǎn)總值，大部分大、中型企業(yè)，尤其是有色金屬和稀有金屬礦藏的開采、冶煉企業(yè)在湘江流域齊聚，湘江重金屬污染與地方產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，形成的采選冶煉污染中心區(qū)[1]，是導(dǎo)致湘江重金屬污染的最主要原因。

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展以及相關(guān)污染的處理設(shè)施投入的落后，重金屬帶來的污染問題越來越不容忽視，也已成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一。由于重金屬元素具有難降解、易積累、毒性大等特點(diǎn)，還易于被植物富集吸收從而進(jìn)入食物鏈，進(jìn)而危害到人類及各種動(dòng)物的生命健康，因此當(dāng)湘江的水污染問題日益嚴(yán)重時(shí)，如何預(yù)防和治理湘江的水污染問題是本論文研究的重要問題。傳統(tǒng)的水污染處理方法有生化法、換水法等，缺點(diǎn)是不夠環(huán)保，且不夠經(jīng)濟(jì)。由于常規(guī)水處理方法有投資大、成本高、工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，以及重金屬污染物在水中濃度低等特點(diǎn)，因此國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)而研究一種有效、低廉且簡(jiǎn)便易行的水質(zhì)凈化方法--生物處理法[2]。生物處理法是利用水生植物對(duì)重金屬元素的吸附作用進(jìn)行污水處理的方法。水生植物不僅能在凈化污水方面有很顯著的效果，而且不會(huì)造成二次污染，利用水生植物凈化重金屬水污染是一種綠色環(huán)保的凈化方式。

本論文以重金屬水體污染較嚴(yán)重的湘江長沙河段為研究背景，采集當(dāng)?shù)胤N植的水生物種如蓼和水葫蘆，研究水生植物對(duì)重金屬元素的吸收降解程度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 采樣及培育過程

在湖南長沙市湘江一橋左、右兩岸分別設(shè)置五個(gè)采樣點(diǎn)[3]，每隔十米設(shè)置一個(gè)采樣點(diǎn)，根據(jù)采樣點(diǎn)附近水生植物的種類、位置和密度生長面積，以及當(dāng)?shù)厮莘N類，本論文選取水葫蘆和蓼兩種水生植物作為研究對(duì)象。采樣基本完整的水生植物100株，為修復(fù)在運(yùn)移過程中受損的根系，需在清洗后移入清水中培養(yǎng)3天。將修復(fù)完整的水生植物移入標(biāo)準(zhǔn)營養(yǎng)液中進(jìn)行為期一周的適應(yīng)性培養(yǎng)，用于試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前植物樣品先用3%的稀鹽酸和2%的漂白粉浸洗1～2min，以確保沒有殘留物和微生物的存在，然后用去離子水沖洗3次。

1.2 試劑和儀器

試劑：使用純?cè)噭〤u(NO3)2、Zn(NO3)2、Pb(N03)2配制成濃度為4 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

儀器：火焰原子吸收光譜儀(AA-6800)、電子分析天平、容量瓶、量筒、燒杯、移液管、吸管、試管等。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地：考慮光、風(fēng)雨等自然條件對(duì)植物吸收的影響，本實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)光線充足的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行[4]。培養(yǎng)器皿使用3L的紅色塑料桶[5]。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置3組重復(fù)實(shí)驗(yàn)組A、B、C，以實(shí)驗(yàn)組A為例，針對(duì)蓼和水葫蘆兩種水生植物，分別標(biāo)注為A1組(蓼)和A2組(水葫蘆)，實(shí)驗(yàn)組A共設(shè)置8個(gè)3 L的紅色塑料桶，其中6桶均盛裝含霍格蘭營養(yǎng)液、濃度為2～5 mg/L的重金屬離子溶液的2L水樣。其中2桶只含污染物重金屬離子Cu，分別標(biāo)注為A11和A21；2桶只含污染物重金屬離子Zn，分別標(biāo)注為A12和A22；2桶只含污染物重金屬離子Pb，分別標(biāo)注為A13和A23；余下2桶為空白對(duì)照組，盛裝的是含霍格蘭營養(yǎng)液的2L水樣(目的為對(duì)比有重金屬離子的條件下，植物的生長狀況)，不含任何重金屬污染元素，分別標(biāo)注為A14和A24。因此，以A11為例，其中第一個(gè)字母A表示實(shí)驗(yàn)組分類(A組)，第二個(gè)數(shù)字1表示研究的水生植物種類(蓼)，第三個(gè)數(shù)字1表示研究的重金屬離子水樣類別(Cu)。

重復(fù)實(shí)驗(yàn)組B和C，以實(shí)驗(yàn)組A一樣的方式進(jìn)行命名展開實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)組列表見表1。

表1 3組重復(fù)實(shí)驗(yàn)列表

盡量保證各組處理的塑料桶在實(shí)驗(yàn)室的安放位置一致，保證采光、通風(fēng)條件的大體一致性。自植物移入實(shí)驗(yàn)組和空白組的小桶當(dāng)中起，培養(yǎng)過程中每隔2日補(bǔ)充一定量的蒸餾水以彌補(bǔ)蒸發(fā)水分，保證各桶內(nèi)的水位(水位線在注水時(shí)已經(jīng)提前用馬克筆標(biāo)記)[6]，保證水生植物的生長環(huán)境。每隔一日檢查是否有死亡枯萎的植物，若有，及時(shí)將死亡枯萎的植物移出水面，盡量減少二次污染。

1.4 測(cè)定

1.4.1 植物生理指標(biāo)測(cè)定

水生植物的株高、根長、根數(shù)、鮮重、干重等生長指標(biāo)，用米尺測(cè)量長度，電子天平秤測(cè)質(zhì)量，確保生理指標(biāo)一致。

1.4.2 溶液中重金屬含量的測(cè)定

水樣經(jīng)過濾、稀釋，按《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》用火焰原子吸收光譜儀(AA-6800)測(cè)定Cu、Zn、Pb重金屬離子含量。測(cè)定原始重金屬離子含量，并每隔5日、8日后測(cè)定重金屬離子含量。

1.4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

針對(duì)A、B、C組實(shí)驗(yàn)，記錄每組實(shí)驗(yàn)的每個(gè)器皿相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，測(cè)量相應(yīng)組數(shù)據(jù)。根據(jù)這三組實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)，利用Microsoft excel進(jìn)行分析，計(jì)算每一種重金屬被同一種水生植物吸收降解的程度。

2 結(jié)果與討論

2.1 水生植物對(duì)重金屬離子的吸收率

A組實(shí)驗(yàn)，其測(cè)定的重金屬離子含量見表2。

表2 A組實(shí)驗(yàn)重金屬離子含量結(jié)果

注：植物培育適應(yīng)過程中，其實(shí)驗(yàn)鮮重相差正負(fù)3 g，在實(shí)驗(yàn)合理范圍內(nèi)。

以A組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，分析過程如圖1。圖1為蓼和水葫蘆降解后重金屬離子濃度變化折線圖。

圖1 A組實(shí)驗(yàn)蓼和水葫蘆對(duì)重金屬元素吸收變化圖

由圖1表明，經(jīng)蓼和水葫蘆兩種水生植物降解吸收后重金屬離子濃度直線下降，水生植物對(duì)高濃度的重金屬溶液吸收效果十分顯著，但是當(dāng)濃度低到一定程度時(shí)，重金屬離子濃度卻有上升趨勢(shì)，即吸收效果開始有一定的下降。根據(jù)圖中，可以看出在蓼對(duì)Cu和Pb以及水葫蘆對(duì)Cu和Zn的吸收過程當(dāng)中出現(xiàn)了第二次測(cè)量結(jié)果高于第一次測(cè)量的結(jié)果的現(xiàn)象，由于在試驗(yàn)過程當(dāng)中嚴(yán)格控制各實(shí)驗(yàn)組當(dāng)中的外來物(主要是重金屬元素)的混入，植物對(duì)此溶液中的重金屬吸收達(dá)到極限，出現(xiàn)析出現(xiàn)象。

保持各重金屬濃度和水生植物鮮重的比值不變，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，分別為B組、C組，其測(cè)定的重金屬離子含量分別見表3、表4。

表3 B組實(shí)驗(yàn)重金屬離子含量結(jié)果

表4 C組實(shí)驗(yàn)重金屬離子含量結(jié)果

分析方法同A組實(shí)驗(yàn)分析一致，經(jīng)分析B、C重復(fù)實(shí)驗(yàn)組和A組重復(fù)實(shí)驗(yàn)組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)大體一致，表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果合理且實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)性。

將A、B、C三組重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值，圖2為蓼和水葫蘆降解后重金屬離子濃度變化折線圖。

(a)蓼對(duì)重金屬元素吸收變化 (b)水葫蘆對(duì)重金屬元素吸收變化

圖2 蓼和水葫蘆對(duì)重金屬元素吸收變化趨勢(shì)(三組實(shí)驗(yàn)取平均值)

基于表2～4，圖3為兩種水生植物對(duì)三種重金屬元素的吸收率對(duì)比圖(吸收率以A、B、C三組5日后測(cè)得的濃度的平均值作為吸收最低點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算)，分析蓼和水葫蘆對(duì)三種重金屬元素的吸收率。蓼對(duì)重金屬元素吸收效果：蓼對(duì)銅的去除率達(dá)98%以上，對(duì)鉛的去除率為99%，表明蓼對(duì)銅和鉛的吸收效果非常顯著，能有效去除污水中絕大多數(shù)的銅和鉛，而對(duì)鋅的去除率最高為83%，可見蓼對(duì)鋅污水的凈化效果稍微減弱。水葫蘆對(duì)重金屬元素吸收效果：同一實(shí)驗(yàn)條件下，用水葫蘆進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，水葫蘆對(duì)銅和鉛的去除率分別可達(dá)94%和98%以上，因此水葫蘆可對(duì)這兩種重金屬污水有較好的凈化效果。和蓼一樣，水葫蘆吸收鋅的能力較弱，去除率最高不到75%。

圖3 蓼、水葫蘆對(duì)不同重金屬元素的平均吸收率

由圖3可得：在銅和鉛中，蓼和水葫蘆對(duì)鉛的凈化效果最為顯著。在實(shí)驗(yàn)組中，水葫蘆對(duì)銅的去除率最高只有94%，所以蓼對(duì)銅的凈化強(qiáng)于水葫蘆。由于在蓼對(duì)鋅凈化的三個(gè)實(shí)驗(yàn)組中，凈化效果最差的去除率也高于83%，故而對(duì)鋅的凈化效果也比水葫蘆好。雖然蓼和水葫蘆對(duì)鉛的去除率均很高，普遍為98%左右，但在蓼凈化效果最好的實(shí)驗(yàn)組中，凈化率高達(dá)99.4%，故可認(rèn)為蓼對(duì)鉛的吸收能力高于水葫蘆。

以上蓼、水葫蘆兩種水生植物對(duì)不同重金屬元素的富集作用實(shí)例，測(cè)量結(jié)果表明，所測(cè)植物對(duì)不同重金屬元素的富集作用都不盡相同，說明植物對(duì)重金屬元素的富集作用具有不同的選擇性。所以在重金屬污染段可以根據(jù)所含有的重金屬元素的種類及含量選取相應(yīng)的水生植物配合種植，輔助治理污染河段。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程影響分析

重金屬在天然水體中的含量是很低的，一般在0.03 mg/L左右但由于冶金、電鍍、機(jī)器制造、金屬加工、油漆顏料及紡織工業(yè)等廢水中重金屬Cu、Zn、Pb含量很高，而又未處理或輕度處理就排入水體之中，因此，水體中的重金屬含量增加。基于測(cè)量湘江長沙河段的原水體重金屬濃度，故實(shí)驗(yàn)濃度采用接近原水體重金屬濃度(介于重金屬濃度最大值和最小值之間)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置的重金屬濃度為2～5 mg/L，比實(shí)際污染河段重金屬含量擴(kuò)大的10倍左右。在實(shí)驗(yàn)過程中，河段水生植物吸收降解重金屬污染，若本身自然死亡不及時(shí)進(jìn)行清理，河段水體依然存在相應(yīng)的重金屬污染。故清理腐爛的水生植物，能有效防止重金屬再次污染水體[7]。

一般情況下，河段環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)主要通過水質(zhì)的衛(wèi)生指標(biāo)和污染物指標(biāo)來體現(xiàn)。然而，由于水特有的流動(dòng)性和稀釋擴(kuò)散能力，水體中污染物(包括重金屬)的含量測(cè)量受測(cè)量地點(diǎn)、測(cè)量時(shí)間和工業(yè)排放能力等各種因素的影響，采集數(shù)據(jù)有很大的不確定性。相比水生植物，其固定的生長地點(diǎn)，在一定程度上提供短時(shí)間或稍長時(shí)間的客觀檢測(cè)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論與展望

本論文水生植物對(duì)重金屬吸附能力的實(shí)驗(yàn)研究表明，水葫蘆和蓼兩種水生植物對(duì)銅、鋅、鉛三種重金屬元素均有不同程度較好的吸附能力，表明湘江長沙河段水生植物對(duì)重金屬水體污染有較好的凈化作用，也可為其他河流或河段重金屬污染提供科學(xué)合理的污染處理方式。并且在重金屬污染段可以根據(jù)所含有的重金屬元素的種類及含量選取相應(yīng)的水生植物配合種植，輔助治理該河段，以達(dá)到減少水污染的目的。

不同種類的水生植物差異、同種水生植物不同植株的差異，采樣時(shí)間、植株培養(yǎng)環(huán)境條件的微小差異，在一定程度上可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不可控的客觀條件影響[8]。此次實(shí)驗(yàn)針對(duì)整體性水生植物凈化重金屬污染的考察，為湘江重金屬污染生物處理工作提供一定的科學(xué)參考和依據(jù)，但針對(duì)某一特性的研究有待進(jìn)一步的觀察研究。

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(本文文獻(xiàn)格式：馬明英，曾杭，徐麗思，等.湘江水生植物對(duì)三種重金屬的吸收研究[J].山東化工,2018,47(7):161-164.)