雙穗雀稗等5種水草對(duì)汞的富集能力

許雙燕，胡琪悅，董慧蕓，汪 泉，丁 文，張 素，吳勝春,2，梁 鵬,2

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省土壤污染生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300）

汞（Hg）是具有強(qiáng)烈毒性的重金屬污染物之一,也是唯一一種主要以氣態(tài)形式存在于大氣中的重金屬污染物。所有的汞化合物對(duì)人類和動(dòng)物都具有極強(qiáng)的毒性，其中以有機(jī)汞化合物的毒性最大［1］。甲基汞（MeHg）能夠通過(guò)食物鏈以生物積累和生物放大作用在不同生物體中進(jìn)行富集，當(dāng)人們攝入甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的魚(yú)類或其他食物時(shí)，甲基汞會(huì)在人體內(nèi)積累，對(duì)人類健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害。汞在水生生態(tài)系統(tǒng)中具強(qiáng)生物富集特性，許多研究報(bào)道了汞在海洋或者湖泊等水系統(tǒng)中的分布、遷移以及形態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程［2－3］。近年來(lái)，陸地生態(tài)系統(tǒng)，特別是土壤中汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐年增高,并且此種污染是一個(gè)不可逆的過(guò)程［4］。2014年全國(guó)土壤污染調(diào)查公告顯示，中國(guó)已有1.6%農(nóng)田受汞污染［5］，土壤汞污染所帶來(lái)的問(wèn)題已經(jīng)對(duì)水體和農(nóng)作物造成了嚴(yán)重威脅［6－7］。對(duì)于受汞污染的土壤，傳統(tǒng)的治理方法包括固定法、淋洗法、客土法等物理化學(xué)方法，但是這些方法成本高，并且會(huì)造成二次污染［8］。植物修復(fù)是指將某種特定的植物種植在受污染的土壤中,利用植物特有的吸收、降解、揮發(fā)、根濾、穩(wěn)定等作用機(jī)制，從環(huán)境中富集或者吸收某種污染物,而維持正常的代謝活動(dòng),不對(duì)自身產(chǎn)生毒害作用［8］。近年來(lái),植物修復(fù)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，其費(fèi)用低廉、不破壞場(chǎng)地結(jié)構(gòu)、不會(huì)對(duì)地下水造成二次污染，而且能對(duì)環(huán)境起到美化作用。HORVAT等［9］報(bào)道顯示：酸模Rumex induratus和歐夏至草Marrubium vulgare對(duì)汞污染土壤的去除能力為12.9和27.6 g·hm－2；而大麥Hordeumspp.，多葉羽扇豆Lupinus culinaris，鷹嘴豆Cicer arietinum等對(duì)汞的去除量?jī)H分別為4.7，2.8和 0.4 g·hm－2。與全球汞污染土壤的平均富集度（100.0 kg·hm－2）相比，可忽略不計(jì)［10］。中國(guó)學(xué)者也對(duì)汞污染土壤修復(fù)進(jìn)行了研究。龍育堂等［11］嘗試將污染水稻田改種旱作苧麻Boehmeria nivea，雖然苧麻地上組織中的汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)不及水稻Oryza sativa高，但其土壤凈化的速度要比種植水稻快8.5倍，無(wú)法在水生環(huán)境修復(fù)中應(yīng)用。水稻植株可以從土壤中富集汞。水稻植株對(duì)汞的富集實(shí)際上是一個(gè) “根吸收-莖轉(zhuǎn)運(yùn)-葉賦存-子實(shí)累積”的動(dòng)態(tài)過(guò)程［2，12－13］。相比于在土壤中賦存時(shí)期較長(zhǎng)的“舊汞”，水稻更易于吸收從大氣中新沉降到土壤中的 “新汞”［2］。此外，其他一些對(duì)汞有較強(qiáng)富集能力的植物主要包括懸鉤子Rubusspp.和野嵩Artemisia argyi［14］， 乳漿大戟Euphorbia esula［15］和大米草瓜子Spartina anglica［16］等。硒（Se）是生物體內(nèi)必需的一種微量元素，ZHANG等［17］的研究證明了土壤中的硒可以抑制植物對(duì)汞的吸收，并且硒可以在一定程度上減少汞對(duì)生物體的毒害作用［18－19］。張華等［20］在中國(guó)萬(wàn)山汞礦區(qū)對(duì)水稻的研究結(jié)果進(jìn)一步表明：水稻根部土壤中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加可能會(huì)對(duì)水稻莖、葉和果實(shí)對(duì)根圍無(wú)機(jī)汞（IHg）和甲基汞的富集產(chǎn)生拮抗作用。節(jié)能燈生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)使用大量的汞，從而造成當(dāng)?shù)丨h(huán)境汞污染?，F(xiàn)有研究表明：節(jié)能燈生產(chǎn)地區(qū)水稻中汞的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于當(dāng)?shù)厥惺燮渌麃?lái)源水稻中汞的質(zhì)量分?jǐn)?shù)［21］。因此，本研究選取浙江省杭州市臨安區(qū)高虹鎮(zhèn)典型節(jié)能燈生產(chǎn)聚集區(qū)2條河道內(nèi)主要水生植物為研究對(duì)象，在研究區(qū)域內(nèi)共采集了16個(gè)點(diǎn)的不同水草樣品并對(duì)水草不同部位的無(wú)機(jī)汞、甲基汞和硒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了測(cè)定。通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)，比較不同水草富集無(wú)機(jī)汞和甲基汞的能力差異，并尋找對(duì)汞富集能力較強(qiáng)的水草種類，同時(shí)分析水草中硒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)水草富集汞的影響，觀察植物體內(nèi)硒的存在是否對(duì)汞的富集起到了抑制作用。

1 研究流程與方法

1.1 樣品采集及處理

根據(jù)高虹鎮(zhèn)當(dāng)?shù)氐牡匦魏蜌夂蚯闆r、產(chǎn)業(yè)分布特征和節(jié)能燈生產(chǎn)區(qū)的密集程度，以流經(jīng)境內(nèi)的仇溪和猷溪2條支流進(jìn)行布點(diǎn)采樣。采樣時(shí)間為2016年5月。選取16個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)1，2，3，4，5，6，11，12，13等因周圍沒(méi)有節(jié)能燈廠作為非污染對(duì)照點(diǎn)，采樣點(diǎn)7，8，9，10和采樣點(diǎn)14，15，16等因周圍節(jié)能燈廠相對(duì)密集作為污染點(diǎn)，采樣點(diǎn)10周圍有污水處理廠（具體布樣點(diǎn)見(jiàn)圖1）。水草樣品選取當(dāng)?shù)刂饕锓N，包括空心蓮子草Alternanthera philoxeroides，雙穗雀稗Paspalum paspaloides，一點(diǎn)紅Emilia sonchifolia，石菖蒲Acorus tatarinowii和稗草Echinochloa crusgalli等5個(gè)種。在各個(gè)采樣點(diǎn)，采集植株3～5株·種－1。采集時(shí)將水草連根拔起，整株放入無(wú)色透明的聚乙烯塑料袋中，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。用自來(lái)水和超純水先后將樣品沖洗干凈，特別是將根表面的底泥沉積物洗凈，并對(duì)水草的根、莖、葉各部分分袋裝好，再放入冰箱冷凍保存。同時(shí)，在植物生長(zhǎng)區(qū)周圍采集沉積物，也裝入聚乙烯袋中，放入冰箱保存。植物與沉積物都用Freezone冷凍干燥機(jī)（美國(guó)Labconco公司）對(duì)樣品進(jìn)行干燥處理，將已凍干的樣品磨成粉過(guò)100目篩，然后放入無(wú)色透明的聚乙烯塑料袋密封保存待測(cè)。

圖1 水草采樣點(diǎn)分布圖Figure 1 Sampling sites for all of aquatic plants

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 甲基汞的測(cè)定 樣品甲基汞測(cè)定根據(jù)USEPA［22］和MENG等［2］建立的方法，準(zhǔn)確稱取樣品0.1～0.2 g（精確到萬(wàn)分位）置于50.0 mL離心管中，加入5.0 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%氫氧化鉀溶液。將離心管放入水浴鍋內(nèi)消解3.0 h以上（消解溫度為75～80℃），至完全溶解，取出離心管冷卻至室溫，緩緩滴加濃鹽酸3.0～5.0 mL，以pH試紙測(cè)試溶液呈酸性。再加入10.0 mL二氯甲烷，稱量，密封后充分振蕩30 min。離心分離（3 000 r·min－1）25 min，抽掉上部廢液，轉(zhuǎn)移萃取液到50.0 mL離心管內(nèi)，稱量，加入適量超純水（45.0 mL）。置水浴鍋內(nèi)，水浴升溫50℃，氣化二氯甲烷，以竹簽去氣泡，待氣泡消失時(shí)，升溫至不超過(guò)80℃，吹入氮?dú)?，約8 min。定容至50.0 mL，搖勻待測(cè)。

1.2.2 無(wú)機(jī)汞的測(cè)定 樣品中無(wú)機(jī)汞測(cè)定采用差減法，即使用樣品總汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)減去甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)。樣品總汞測(cè)定方法根據(jù)馮新斌等［1］和 USEPA［23］建立的方法。用電子天平準(zhǔn)確稱取樣品0.1～0.2 g（精確到萬(wàn)分位）于25.0 mL之酸凈化過(guò)的比色管中，向比色管中加入5.0 mL工藝超純硝酸，在95℃水浴鍋消解6.0 h以上。待樣品完全消解后，加入少許超純水，再向比色管中加入體積分?jǐn)?shù)為0.5%氯化溴。用超純水準(zhǔn)確定容至25.0 mL，搖勻，放置過(guò)夜待測(cè)。總汞的測(cè)定采用冷原子熒光光譜法，儀器采用ModelⅢ（美國(guó)Brooks Rand公司）。

1.2.3 硒的測(cè)定 準(zhǔn)確稱取樣品0.2 g（精確到千分位）于25.0 mL經(jīng)凈化處理的比色管中，向比色管中加入現(xiàn)配的王水10.0 mL，并在比色管口放上經(jīng)處理的小漏斗，過(guò)夜。將比色管放入消解器進(jìn)行消解，消解溫度約130℃，消解約8.0 h，待樣品完全消解后，向比色管中加入體積分?jǐn)?shù)為1%的硝酸溶液定容至25.0 mL，搖勻。過(guò)濾至無(wú)色50.0 mL離心管中，再轉(zhuǎn)移10.0 mL溶液于15.0 mL離心管內(nèi)待測(cè)。硒元素的測(cè)定采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（Prodigy 7,美國(guó)Leeman公司）。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析與質(zhì)量控制 采用生物樣品標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)Tort-3（加拿大NRCC公司）、方法空白、樣品平行和加標(biāo)回收率等方法進(jìn)行質(zhì)量控制。總汞測(cè)定方法的最低檢出限為0.006 ng·g－1，甲基汞測(cè)定方法的最低檢出限為0.002 ng·g-1?？偣c甲基汞的樣品平行誤差率分別為10.1%和12.9%，總汞與甲基汞的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)回收率分別為84.2%～102.0%和95.1%～109.0%。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 每種植物的根、莖、葉為各個(gè)指標(biāo)需要測(cè)定的樣品，每種樣品的值為選取的3個(gè)平行樣品的平均值。文中數(shù)據(jù)用軟件Excel 2013進(jìn)行整理，采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖表制作采用 SigmaPlot 12.5和 Excel 2013。

1.3 生物富集系數(shù)的計(jì)算

植物對(duì)汞富集的程度可用生物富集系數(shù)反映，其富集系數(shù)越大說(shuō)明植物對(duì)汞富集能力越強(qiáng)。采用公式 “生物富集系數(shù)＝植物樣品中根系的汞/沉積物中的汞”進(jìn)行計(jì)算。

2 數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

2.1 水草中汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征

表1和表2分別表明了在各地區(qū)中空心蓮子草、雙穗雀稗、一點(diǎn)紅、石菖蒲、稗草各部位的無(wú)機(jī)汞和甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布特征。其中無(wú)機(jī)汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)為雙穗雀稗＞空心蓮子草＞稗草＞石菖蒲＞一點(diǎn)紅，甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)為雙穗雀稗≈空心蓮子草＞稗草＞石菖蒲＞一點(diǎn)紅。由此說(shuō)明：雙穗雀稗不管是對(duì)無(wú)機(jī)汞還是甲基汞的富集能力都是較強(qiáng)的，高于其他品種水草對(duì)汞的富集能力。無(wú)機(jī)汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高點(diǎn)出現(xiàn)在8號(hào)采樣點(diǎn)。

圖2和圖3則反映了未污染地區(qū)和污染地區(qū)不同品種水草各部位之間總汞和甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布特征。其中除了一點(diǎn)紅較為特殊，在未污染地區(qū)各部位甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)為葉＞莖＞根，總汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)在根、莖、葉中無(wú)明顯差異以外，其余品種水草在未污染地和污染地根部的總汞和甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)均明顯高于莖和葉中總汞和甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)，說(shuō)明這些品種水草主要還是從根部對(duì)汞進(jìn)行富集。這表明水生植物對(duì)汞的吸收主要是根而不是莖或者葉。

表1 不同植物組織中無(wú)機(jī)汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 IHg concentrations in different plant tissues

水草不同部位對(duì)汞的富集能力也有所不同。雙穗雀稗、石菖蒲和稗草在未污染地和污染地各部位中甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布為根＞莖＞葉，空心蓮子草各部位中甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布為根＞葉＞莖?？招纳徸硬?、雙穗雀稗、石菖蒲和稗草在未污染地和污染地各部位總汞分布為根＞葉＞莖，根部汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于莖和葉汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但莖和葉之間無(wú)明顯差異。一點(diǎn)紅比較特殊，在未污染地各部位甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)還有所不同，而在污染地各部位總汞和甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)均無(wú)明顯差異。

表3表明：這些水草對(duì)不同形態(tài)的汞表現(xiàn)出不同的富集特征，從未污染地和污染地對(duì)甲基汞和總汞的富集系數(shù)可知這些水草對(duì)甲基汞具有較強(qiáng)的富集能力，對(duì)總汞的富集能力相對(duì)較弱。其中雙穗雀稗在污染地對(duì)甲基汞和總汞的富集能力均顯著高于未污染地，而稗草和空心蓮子草在未污染地已經(jīng)呈現(xiàn)出較好的富集汞能力，所以在污染地并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯強(qiáng)于未污染地的富集能力。石菖蒲在未污染地和污染地均沒(méi)有表現(xiàn)出較強(qiáng)的富集能力。由此可得：雙穗雀稗可作為該地區(qū)用來(lái)富集汞的潛在水草品種。

表2 不同植物組織中甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 MeHg concentrations in different plant tissues

圖2 未污染地各水草根、莖、葉中汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Figure 2 Mercury concentration in root,stern and leaf of different aquatic plant in non-mercury contamination sites

圖3 污染地各水草根、莖、葉中汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Figure 3 Mercury concentration in root,stern and leaf of different aquatic plant in mercury contamination sites

2.2 水草中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征

圖4反映了5種水草根、莖、葉中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布。雙穗雀稗、一點(diǎn)紅的根部硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，空心蓮子草和稗草的葉中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，但與根中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)顯著差異，總體來(lái)說(shuō)水草根部的硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比莖和葉較低（表 4）。

不同水草相同部位硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，根部硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布為空心蓮子草＞一點(diǎn)紅＞石菖蒲＞稗草＞雙穗雀稗；莖中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布為空心蓮子草＞雙穗雀稗＞一點(diǎn)紅＞稗草＞石菖蒲；葉中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布為雙穗雀稗＞空心蓮子草＞一點(diǎn)紅＞石菖蒲＞稗草。同種水草不同部位硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)也不同，其中雙穗雀稗各部位硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布為根＜莖＜葉，空心蓮子草各部位硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布為葉＜根＜莖，一點(diǎn)紅各部位硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布為根＜葉＜莖?？傮w來(lái)說(shuō)，水草根部的硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比莖和葉較低，即使部分水草根中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于葉中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但也無(wú)顯著差異。

從圖5可得出：空心蓮子草根、雙穗雀稗、石菖蒲和稗草中甲基汞與硒之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但關(guān)系并不顯著（R＝－0.700，P＞0.05，n＝8；R＝－0.637，P＞0.05，n＝9；R＝－0.158，P＞0.05，n＝4；R＝－0.589，P＞0.05，n＝8）。一點(diǎn)紅根中甲基汞與硒之間呈正相關(guān)關(guān)系， 但關(guān)系也不顯著（R＝0.427，P＞0.05，n＝5）。從圖6可知：空心蓮子草、雙穗雀稗、一點(diǎn)紅、石菖蒲和稗草根中總汞與硒之間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系， 但關(guān)系并不顯著（R＝－0.688，P＝0.087＞0.05，n＝7；R＝－0.297，P＝0.476＞0.05，n＝8；R＝－0.816，P＝0.092＞0.05，n＝5；R＝－0.461，P＝0.434＞0.05，n＝5；R＝－0.761，P＝0.079＞0.05，n＝6）。

表3 各水草根對(duì)不同形態(tài)汞的富集系數(shù)關(guān)系Table 3 Bioaccumulation factor of different speciation mercury in aquatic plants from mercury contamination sites and nonmercury contamination sites

圖4 水草各部分中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Figure 4 Selenium concentration in root,stern and leaf of different aquatic plants

表4 不同植物組織中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Table 4 Selenium concentration in different plant tissues

上述分析中空心蓮子草、雙穗雀稗、石菖蒲和稗草根中甲基汞和總汞與硒兩者之間雖然沒(méi)有呈顯著關(guān)系，但是它們均顯示負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明當(dāng)水草根部硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加很有可能可以降低水草對(duì)汞的富集。這表明：硒能對(duì)水生生物體中汞的富集產(chǎn)生抑制作用相一致。一點(diǎn)紅根中甲基汞與硒之間沒(méi)有呈負(fù)相關(guān)關(guān)系可能是由于本研究中采集到的一點(diǎn)紅樣品的數(shù)量過(guò)少導(dǎo)致。其他種水草未呈顯著關(guān)系，可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過(guò)程的誤差和樣品數(shù)量較少。

圖5 水草根中甲基汞和硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系Figure 5 Correlation between methyl mercury and selenium concentration in the roots of aquatic plants

圖6 水草根中無(wú)機(jī)汞和硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系Figure 6 Correlation between inorganic mercury and selenium concentration in the roots of aquatic plants

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

杭州市臨安區(qū)高虹鎮(zhèn)研究區(qū)域內(nèi)未污染地和污染地5種水草除一點(diǎn)紅較特殊以外，其余水草的根部總汞和甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著高于莖和葉中總汞和甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)，說(shuō)明這些水草主要還是從根部對(duì)汞進(jìn)行富集。水草對(duì)不同形態(tài)的汞的富集能力也有所不同，所研究的這些品種水草對(duì)甲基汞的富集能力要比對(duì)總汞的富集能力強(qiáng)。雙穗雀稗在污染地對(duì)總汞和甲基汞的富集能力均明顯強(qiáng)于其他種的水草，并且雙穗雀稗在污染地的富集能力顯著強(qiáng)于未污染地，所以可以用來(lái)作為該地區(qū)修復(fù)汞污染地的潛在水草種類。

3.2 討論

植物中硒與汞之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加很可能抑制植物對(duì)汞的吸收。根系對(duì)汞吸收減小是硒和汞在根系環(huán)境中形成了難溶的汞硒（HgSe）復(fù)合物。一種可能的解釋是，在營(yíng)養(yǎng)栽培條件下，硒和汞更容易形成汞硒復(fù)合物，從而顯著抑制了植物對(duì)汞的吸收；另一方面，汞離子（Hg2+）和亞硒酸離子（SeO32-）均是通過(guò)水通道進(jìn)入植物細(xì)胞的，這就造成了兩者的競(jìng)爭(zhēng)吸收。所以硒的存在使植物對(duì)汞的吸收有所減少，從而減輕汞對(duì)植物或者人體的危害。

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