幾種水生植物對砷、汞復(fù)合污染水體的富集特征研究

供稿|張彧，林海， ，董穎博，，李冰， / ZHANG Yu, LIN Hai, , DONG Ying-bo, , LI Bing,

作者單位：1. 北京科技大學(xué)環(huán)境工程系，北京 100083； 2. 工業(yè)典型污染物資源化處理北京市重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100083

水體重金屬污染日益嚴(yán)重，且因重金屬難降解，其在水體中的累積不僅會導(dǎo)致環(huán)境污染問題，而且可能通過食物鏈直接或間接地危害到人類的身體健康[1]。傳統(tǒng)的物理、化學(xué)治理方法存在成本高、易產(chǎn)生二次污染等缺點(diǎn)，利用水生植物處理重金屬污染水體的方法因具有經(jīng)濟(jì)有效、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)而成為近年來的研究熱點(diǎn)[2]。潘義宏等[3]主要研究了多種沉水植物對水體中砷的去除效果，施國新等[4-6]主要研究了浮水植物滿江紅、黑藻、狐尾藻對汞的去除效果。但是，同時針對挺水、浮水、沉水三種植物類型對砷、汞復(fù)合污染修復(fù)的研究甚少，且目前的研究多為大劑量實(shí)驗，而實(shí)際水環(huán)境多為低濃度污染。因此，本文針對湖北某地的水體砷、汞污染情況，通過前期調(diào)研并結(jié)合現(xiàn)場情況，選取挺水植物：香蒲、菖蒲；浮水植物：睡蓮、大薸；沉水植物：狐尾藻、黑藻進(jìn)行砷、汞復(fù)合重金屬富集實(shí)驗。研究水生植物在砷、汞脅迫下的生物量變化及富集重金屬能力，比較其對砷、汞復(fù)合污染的去除效果，確定修復(fù)優(yōu)勢物種以期為解決當(dāng)?shù)厮w污染提供重要依據(jù)。

材料與方法

實(shí)驗材料

實(shí)驗選取的水生植物香蒲、菖蒲、睡蓮、大薸、狐尾藻、黑藻均購自江蘇宿遷某苗圃基地。剔除實(shí)驗用水生植物的枯葉等雜物，經(jīng)自來水洗凈后，移入塑料整理箱(40 cm×30 cm×200 cm)，并加入1/5的Hoagland營養(yǎng)液(Hoagland營養(yǎng)液配制方法見表1)，進(jìn)行適應(yīng)性培養(yǎng)2周。

表1 Hoagland營養(yǎng)液配方

實(shí)驗方法

選取預(yù)處理后長勢良好、大小一致的植株，移入敞口玻璃瓶中，每瓶放入鮮重50 g左右的植物，加入1.8 L 1/10 Hoagland培養(yǎng)液，每種植物均設(shè)置三個不同濃度的處理組：HM1{80 mg/L As(V)，1 mg/L Hg(Ⅱ)}、HM5{400 mg/L As(V)，5 mg/L Hg(Ⅱ)}、HM10{800 mg/L As(V)，10 mg/L Hg(Ⅱ)}，并重復(fù)3次。同時設(shè)置不加As(V)、Hg(Ⅱ)的實(shí)驗組作為空白對照組。As(V)以NaH2AsO4形式添加，Hg(Ⅱ)以HgCl2形式添加。實(shí)驗周期30天，實(shí)驗結(jié)束后，將植物用去離子水沖洗3遍，置于80℃烘箱中烘干至恒重；另將敞口玻璃瓶中水樣混合均勻后用0.45 mm濾膜過濾并酸化保存。分別用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)和智能冷原子熒光測汞儀測定植株內(nèi)及水樣中的重金屬As(V)、 Hg(Ⅱ)含量。

結(jié)果與討論

不同濃度砷、汞對水生植物生物量的影響

多數(shù)水生植物的生物量大小與其對水體重金屬污染的去除效率直接相關(guān)[7]。若生物量適當(dāng)增加，凈化效率則會相應(yīng)提高。生物量的變化也可顯示出植物受重金屬脅迫的程度。

圖1 30天后三類水生植物在不同重金屬處理水平下的生物量

由圖1可以看出，三類水生植物的干重均隨重金屬處理濃度的升高而出現(xiàn)不同程度的降低。但在HM5處理下，菖蒲的生物量與其在HM1處理下的生物量相比并無減少，反而增加了0.05 g左右。實(shí)驗過程中沉水植物生物量的下降最為明顯。其中，黑藻在HM10處理下的生物量(2.85 g)與其在HM1處理下的生物量(7.69 g)相比下降幅度最大，減少了46%。狐尾藻在HM5處理下的生物量(5.05 g)與其在HM1處理下的生物量(8.70 g)相比，減少了42%。兩種浮水植物睡蓮和大薸在HM5處理下的生物量(7.06 g和6.07 g)與在HM1處理下的生物量(8.13 g和7.73 g)相比均降低了35%。此外，挺水植物香蒲和菖蒲在HM10處理下，其生物量(6.04 g和6.55 g)才出現(xiàn)了小幅度下降，與其在HM1處理下的生物量(7.59 g和7.39 g)相比，只下降了10%。

隨著重金屬濃度的升高，沉水植物狐尾藻、黑藻的生物量減少最多，浮水植物睡蓮、大薸生物量的減少次之。挺水植物香蒲、菖蒲的生物量并未隨重金屬濃度的升高而出現(xiàn)明顯的下降。高生物量是超富集植物應(yīng)具備的特征之一[8]，在砷汞復(fù)合污染暴露下，香蒲和菖蒲均顯示出較強(qiáng)的耐受性。

水生植物對水體中的物質(zhì)循環(huán)、水質(zhì)凈化等方面起重要作用[9]。研究水生植物對重金屬的富集能力不僅為篩選出的超富集植物提供依據(jù)，還能夠指示環(huán)境中的重金屬水平[10-11]。

由圖2可以看出，三類水生植物體內(nèi)的砷含量均隨重金屬處理濃度的升高而出現(xiàn)不同幅度的增大。其中，黑藻在HM10處理后其體內(nèi)的砷濃度達(dá)到最大，約為187 mg/kg。此外，黑藻在HM5處理后其體內(nèi)的砷濃度(73.94 mg/kg)與其在HM1處理后體內(nèi)的

水生植物在不同砷、汞濃度下對重金屬的富集能力

圖2 30天后三類水生植物在不同重金屬處理水平下植物體內(nèi)砷含量

砷濃度(13.30 mg/kg)相比漲幅最大，增加了80%。挺水植物香蒲和菖蒲在HM5處理后體內(nèi)的砷濃度(80.47 mg/kg和66.67 mg/kg)與其在HM1處理后體內(nèi)的砷濃度(17.43 mg/kg和15.92 mg/kg)相比，均有75%的增加。三類水生植物在HM10處理后體內(nèi)的砷濃度與HM5處理后體內(nèi)的砷濃度對比，也均有50%的增大。

由圖3可知，三類水生植物體內(nèi)的汞含量同樣隨著重金屬處理濃度的升高而出現(xiàn)不同幅度的增大。其中，大薸在HM5處理后其體內(nèi)的汞濃度(1.02 mg/kg)與其在HM1處理后體內(nèi)的汞濃度(0.12 mg/kg)相比增加的比例最大，有88%的增加。此外，挺水植物香蒲和菖蒲在HM5處理后體內(nèi)的汞濃度(0.78 mg/kg和1.08 mg/kg)與其在HM1處理后體內(nèi)的汞濃度(0.16 mg/kg和0.22 mg/kg)相比，也均有80%的增加。隨著重金屬處理濃度進(jìn)一步增大，HM10處理后水生植物體內(nèi)汞濃度與HM5處理后體內(nèi)的汞濃度相比，增加幅度減緩，但實(shí)驗所選的六種水生植物體內(nèi)的汞濃度均有16%~51%的增加。

圖3 30天后三類水生植物在不同重金屬處理水平下植物體內(nèi)汞含量

不同水生植物對重金屬的富集能力有很大差異[12]，實(shí)驗所選六種水生植物對砷、汞復(fù)合污染均展示出一定的耐性。避性和耐性是植物獲得對重金屬抗性的兩種途徑[13]。某些植物體內(nèi)具有的特定生理機(jī)制能使其生存于高含量的重金屬環(huán)境中而不受損害，此種途徑即為耐性。三類水生植物對水體中砷的富集能力差異并不顯著，大薸、香蒲、菖蒲這三種水生植物對汞的富集能力要明顯優(yōu)于其他實(shí)驗植物。Brankovic等[14]的研究也發(fā)現(xiàn)菖蒲對汞有很強(qiáng)的富集能力。

水生植物對不同濃度砷、汞污染的去除效果

根據(jù)各處理組中水生植物體內(nèi)的砷、汞濃度及其干重，分別計算三類水生植物在不同濃度的砷、汞復(fù)合污染下對重金屬的去除總量。

由圖4可知，隨著重金屬處理濃度的增加，三類水生植物對重金屬砷的去除總量均在逐漸變大。其中，香蒲在HM10處理下，其對砷的去除總量達(dá)到最大，約為1036 μg；在同樣處理條件下，香蒲對砷的去除總量比其他水生植物大20%~50%。此外，菖蒲在HM10處理下，其對砷的去除總量次之，達(dá)到843 μg。各類水生植物在HM1處理下，對砷的去除總量之間并無明顯差異。隨著重金屬濃度的增加，在HM5和HM10處理下挺水植物香蒲和菖蒲對砷的去除總量與另兩類植物對比，有明顯的優(yōu)勢；尤其香蒲在各個處理濃度下，對砷的去除總量均最大。

圖4 30天后三類水生植物在不同重金屬處理水平下對砷的去除總量

挺水植物香蒲和菖蒲與其他兩類水生植物相比，其體內(nèi)的砷濃度并無明顯優(yōu)勢。植物體內(nèi)砷濃度最高(187 mg/kg)的是HM10處理后的黑藻。但隨著處理組復(fù)合重金屬濃度的升高，沉水植物黑藻的生物量下降最多，下降了46%。而挺水植物香蒲、菖蒲的生物量只在HM10處理后下降了10%。所以在高濃度下，挺水植物香蒲、菖蒲的生物量優(yōu)勢使其對砷的去除總量達(dá)到最大。

由圖5可知，除了睡蓮隨著重金屬處理濃度的增加，其對汞的去除總量呈先增加后減小的趨勢，其余五種水生植物對重金屬汞的去除總量均有不同程度的增大。其中，菖蒲在HM10處理下，其對汞的去除總量達(dá)到最大，約為11.5 μg；在此條件下，其去除總量比其他水生植物大30%~80%不等。此外，大薸在HM10處理下，其對汞的去除總量次之，達(dá)到7.8 μg。在HM1處理下各類水生植物對汞的去除總量并無很大差別。隨著重金屬濃度的增加，在HM5和HM10處理下挺水植物香蒲和菖蒲以及浮水植物大薸對汞的去除總量與其他植物相比，均有明顯的優(yōu)勢；尤其菖蒲在各個處理濃度下，對汞的去除總量均最大。

圖5 30天后三類水生植物在不同重金屬處理水平下對汞的去除總量

HM10處理后的大薸植物體內(nèi)汞濃度最高(2 mg/kg)，挺水植物香蒲和菖蒲體內(nèi)的汞濃度(1.1 mg/kg和1.8 mg/kg)次之。隨著處理組復(fù)合重金屬濃度的升高，大薸的生物量減少了35%，而挺水植物香蒲、菖蒲的生物量并未大幅下降，故菖蒲對砷的去除總量達(dá)到最大。

一般認(rèn)為，不同生活型的水生植物富集重金屬的能力有差異，沉水植物要優(yōu)于浮水植物和挺水植物[15]，根系發(fā)達(dá)的優(yōu)于根系不發(fā)達(dá)的水生植物[16]。本研究中，香蒲和菖蒲在復(fù)合重金屬的脅迫下生物量并沒有明顯減少，同時具有根系發(fā)達(dá)的優(yōu)勢，因此對砷、汞復(fù)合污染的去除總量最大。

結(jié)論

(1) 隨著砷、汞濃度的升高，挺水植物香蒲和菖蒲的生長狀況優(yōu)于浮水植物睡蓮、大薸，沉水植物狐尾藻、黑藻。

(2) 實(shí)驗植物在不同濃度的砷、汞復(fù)合污染處理下，對砷、汞均具有一定的富集能力。其中，黑藻在HM10處理后其體內(nèi)的砷濃度達(dá)到最大，約為187 mg/kg；大薸在HM10處理后其體內(nèi)的汞濃度達(dá)到最大，約為2.1 mg/kg。

(3) 綜合考慮植物的生物量及其對重金屬的富集能力，挺水植物香蒲和菖蒲對復(fù)合重金屬的富集總量達(dá)到最大，更適于處理砷、汞復(fù)合污染水體。