關(guān)于黃菖蒲和再力花固定西湖底泥中重金屬Cd和Pb能力的研究

張海珍 唐宇力 周 虹 錢 萍

植物修復(fù)(Phytoremediation)技術(shù)是美國(guó)科學(xué)家Chaney于1993年提出的[1]，利用植物的自然生長(zhǎng)來固定/穩(wěn)定湖泊底泥中的重金屬，由于其具有投資少、破壞小、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于凈化水體，修復(fù)湖泊重金屬污染。通過此類“綠色過濾膜”的方法，可以達(dá)到安全、有效地保護(hù)湖泊環(huán)境，清除污染的目的[2-3]。

研究表明，植物修復(fù)最為重要的一個(gè)方面，是“特異”植物根能釋放出多種對(duì)有毒重金屬起固定作用的有機(jī)化學(xué)物質(zhì)，其中包括低分子化合物單糖、氨基酸、脂肪酸、維生素、酮酸以及高分子化合物多糖、聚乳酸和粘液等。它們與植物通過分泌和死亡細(xì)胞的脫落而向土壤、水環(huán)境釋放的光合產(chǎn)物構(gòu)成一個(gè)特異系統(tǒng)，即特異根圈。由此增加了土壤、水環(huán)境有機(jī)質(zhì)含量，可以起到改變有機(jī)污染物的吸附特性，從而促進(jìn)它們與腐殖酸的共聚作用[4]。還有研究表明，由于這類特異根圈的作用，一方面可促進(jìn)有毒金屬等污染物由根向莖葉部的輸送，增加污染物的生物可利用性；另一方面可將土壤、水環(huán)境根圈內(nèi)的有毒金屬等污染物轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒或毒性較低的形態(tài)，減少污染物向地下水的遷移和淋溶性[5-6]。Cunningham等[7]在研究植物固定土壤中的Pb時(shí)發(fā)現(xiàn)，一些植物可以降低土壤中Pb的生物有效性；而Dushenkov等[8]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)Pb可與植物分泌的磷酸鹽結(jié)合，形成難溶的磷酸鉛固定于植物根部，從而減輕Pb對(duì)環(huán)境的毒害作用。20世紀(jì)90年代以來，我國(guó)有學(xué)者已發(fā)現(xiàn)一批具有較高應(yīng)用前景的積累或超積累植物，如As超積累植物蜈蚣草、Cd超積累植物龍葵等對(duì)重金屬具有很強(qiáng)的富集作用[9-12]。

黃菖蒲(Iris pseudacorus)為鳶尾科多年生挺水植物，花期為4—6月；再力花(Thalia dealbata)為竹芋科多年生挺水植物，花期為4—10月。黃菖蒲和再力花是近年來園林綠化中常用到的挺水植物，這2種植物生物量都較大、喜溫暖水濕、耐半陰，適應(yīng)性強(qiáng)，具有很好的觀賞價(jià)值，且養(yǎng)護(hù)管理方便，因此，對(duì)這2種植物凈化水體能力的研究報(bào)道也較多。黃菖蒲和再力花首先對(duì)水體氮、磷COD等的去除有一定作用[12-14]，黃菖蒲被認(rèn)為適用于凈化總磷、總氮和COD含量較高的重污染的水體[15]。此外，有研究報(bào)道，再力花對(duì)重金屬鉻、銅、錳的累積能力都較強(qiáng)[16-18]；而黃菖蒲對(duì)銅和鋅的富集能力較強(qiáng)[19-20]。

重金屬鎘和鉛是環(huán)境中重要的有毒污染物，通過盆栽試驗(yàn)和野外調(diào)查，對(duì)黃菖蒲和再力花吸收和固定底泥中重金屬鎘和鉛的能力進(jìn)行分析，探索這2種植物用于凈化水體底泥的潛力，并基于研究結(jié)果進(jìn)行園林示范應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)自然概況

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在杭州市園林文物局靈隱管理處花卉分部，位于杭州市西湖區(qū)，由于受冬夏季風(fēng)的影響，具有光、熱、水同季配合良好的氣候特點(diǎn)。屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，四季分明，光照充足，雨量充沛，溫和濕潤(rùn)。近10年年平均氣溫16.2℃，夏季平均氣溫28.6℃，冬季平均氣溫3.8℃。無霜期230～260d。年平均降雨量為1 435mm，平均相對(duì)濕度為76%。

1.2 盆栽供試土壤西湖底泥樣品的采集

盆栽試驗(yàn)采用西湖底泥作為試驗(yàn)土壤。采樣點(diǎn)的分布如下：在西湖周邊翠雨廳荷區(qū)、老曲院、青簾舫、湛碧樓荷區(qū)、西泠橋荷區(qū)、后孤山荷區(qū)、斷橋荷區(qū)、平湖秋月荷區(qū)、北山街荷區(qū)、湖畔居兩側(cè)荷區(qū)、一公園荷區(qū)等11個(gè)樣點(diǎn)布置采樣點(diǎn)。采用“S”形10點(diǎn)混合法采集底泥樣品約5kg用于作為盆栽實(shí)驗(yàn)的供試土壤，并進(jìn)行基本理化性質(zhì)和重金屬元素分析。

1.3 盆栽試驗(yàn)

所有的盆栽試驗(yàn)均在透明塑料大棚中進(jìn)行。選用再力花與黃菖蒲作為參試植物，取材于杭州西湖風(fēng)景名勝區(qū)(杭州市園林文物局)靈隱管理處(杭州花圃)花卉分部。將西湖底泥裝入黑色塑料盆，每盆裝干重為5.00kg。選擇生長(zhǎng)量相同的幼苗或大小相近的繁殖塊莖分別移栽入盆中。各種植物的種植量根據(jù)其所需的生長(zhǎng)空間和塑料盆的大小而定，一般2～3棵苗或芽，各重復(fù)間苗量一致。每個(gè)樣點(diǎn)3次重復(fù)，共33個(gè)處理。試驗(yàn)在透明塑料大棚中進(jìn)行，依據(jù)天氣情況不定期澆灌，使土壤保持淹水狀態(tài)，用水中未檢測(cè)出重金屬Cd和Pb。待植物成熟后，收獲植株，整個(gè)生長(zhǎng)季4—10月份。

表1 西湖底泥中Pb和Cd元素累積情況

表2 地質(zhì)累積系數(shù)(Igeo)分級(jí)及西湖底泥在各級(jí)水平中所占的樣品數(shù)量百分比

表3 Cd在黃菖蒲地上和地下部分累積及地上部分Cd含量

收獲時(shí)，分別采割植株地上部分和地下部分，用自來水沖洗干凈后，掛在大棚中晾干表面水分，稱取地上部分鮮重后，將植株各部分放在75℃恒溫干燥箱內(nèi)烘至恒重，再稱量烘干樣品中地上部分的重量。烘干后的植株樣品先用粉碎機(jī)攪碎，再用混合球磨儀(德國(guó)萊馳公司，MM400)磨成粉末，保存?zhèn)溆茫瑴y(cè)定其Pb和Cd含量。

1.4 野外調(diào)查

在西湖景區(qū)開展黃菖蒲和再力花的野外采樣調(diào)查。野外植物樣品采集方式如下：分別采割植株地上部分和地下部分，約100g左右，去除表面附著物，將植株各部分放在75℃恒溫干燥箱內(nèi)烘至恒重，再稱量烘干樣品中地上部分的重量。烘干后的植株樣品先用粉碎機(jī)攪碎，再用混合球磨儀(德國(guó)萊馳公司，MM400)磨成粉末，保存?zhèn)溆谩Ｔ谥参飿悠返牟杉瘶狱c(diǎn)同時(shí)采集底泥樣品供重金屬元素分析。采用10m×10m正方形內(nèi)5點(diǎn)混合采樣法采集0～10cm底泥樣品。

1.5 植物和土壤重金屬分析

植物重金屬分析過程如下：稱取0.50g的植物粉末樣品于洗凈的坩堝中，加入8ml硝酸和4ml高氯酸，置于電熱板上，緩慢升溫到180℃，保持180℃加熱到開始冒煙且坩堝內(nèi)液體體積小于3ml；取出坩堝，再加入4ml硝酸和1ml鹽酸，保持180℃加熱至冒白煙且體積小于1ml，然后慢慢趕酸至結(jié)晶狀態(tài)；取出坩堝，室溫下冷卻，再用0.5%硝酸定容到50ml離心管中。整個(gè)消解過程在通風(fēng)櫥中進(jìn)行，并時(shí)常輕輕搖晃，防止爆沸，且所用的酸液全部為優(yōu)級(jí)純。消解并定容后的植物樣品用注射器吸取，并加濾膜過濾至15ml離心管中，冷藏待測(cè)。每批樣設(shè)置2個(gè)空白對(duì)照和2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其中標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)使用灌木枝葉國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 07603(GSV-2)進(jìn)行質(zhì)量控制。

采用四酸法電熱板加熱法消解法處理底泥樣品。稱取通過100目篩的土壤樣品0.25g于聚四氟乙烯坩鍋中，用少量超純水潤(rùn)濕加入10ml HCl放置過夜。分別加入3ml HF、3ml HNO3、1ml HClO4，放置電熱板上消解至大量白煙冒出，蒸至近干，重復(fù)加入HNO3和HF1～2次，直至樣品呈晶體狀時(shí)地轉(zhuǎn)移至50ml比色管中定容。用注射器吸取5ml比色管中已定容溶液，加濾膜過濾至新的50ml比色管中，定容后轉(zhuǎn)移至10ml離心管中冷藏待測(cè)。采用土壤標(biāo)準(zhǔn)物GSS-5進(jìn)行質(zhì)量控制。重金屬元素Cd和Pb采用ICP-MS分析。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

不同處理之間采用SPSS18進(jìn)行方差分析和多重比較，采用EXCEL2010進(jìn)行作圖。

重金屬地質(zhì)累積系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中Ci為樣點(diǎn)i的底泥重金屬元素濃度；CB為對(duì)應(yīng)重金屬元素的地質(zhì)背景值；1.5為修正系數(shù)。

2 西湖底泥Pb和Cd元素累積情況

如表1所示，西湖底泥中P b元素在18.2～132mg/kg之間，平均值為62.9；Cd元素在0.05～1.54mg/kg之間，平均值為0.439。杭州市土壤屬于第四紀(jì)成土母質(zhì)，其Cd元素的地質(zhì)背景值平均約為0.106mg/kg；Pb元素的地質(zhì)背景值平均約為18.3mg/kg。

根據(jù)地質(zhì)累積系數(shù)分級(jí)表(表2)，所采集的西湖底泥樣品中，樣品總數(shù)的29.2%其Cd元素的地質(zhì)累積系數(shù)小于等于0，即無污染；約為45.9%的樣品屬于輕微和輕度污染；20.8%的樣品地質(zhì)累積系數(shù)在2～3之間，屬于中度污染；另外有4.2%的樣品在3～4之間，達(dá)到了重度污染。Pb元素的地質(zhì)累積系數(shù)結(jié)果表明，12.5%的樣品小于等于1，無污染，超過70%的樣品屬于輕微和輕度積累，中度污染的樣品為12.5%。以上結(jié)果表明西湖底泥中Cd與Pb元素存在人為累積現(xiàn)象，但是程度較輕，適合采用超積累植物種植的方式對(duì)這2種有毒重金屬進(jìn)行固定，避免重金屬元素進(jìn)入生物地球化學(xué)循環(huán)，達(dá)到生態(tài)凈化環(huán)境的效果。

表4 盆栽試驗(yàn)中Pb在再力花地上和地下部分累積及植株P(guān)b含量

表5 野外樣點(diǎn)的黃菖蒲地上、地下部分Cd的濃度以及底泥中的Cd濃度

表6 野外樣點(diǎn)的再力花地上、地下部分Pb的濃度以及底泥中的Pb濃度

3 底泥盆栽試驗(yàn)中黃菖蒲和再力花對(duì)土壤Cd和Pb的累積

根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，黃菖蒲對(duì)Cd具有富集作用，而再力花對(duì)Pb具有富集作用，因此，本實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行黃菖蒲對(duì)Cd和再力花對(duì)Pb的富集效果研究。盆栽試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，隨著土壤中Cd濃度的增加，植株地上和根系中Cd濃度也增加，但是兩者Cd濃度沒有明顯差別。黃菖蒲地上部分累積的Cd含量較高，這是因?yàn)辄S菖蒲地上部生物較大，在土壤Cd濃度為環(huán)境底泥濃度下，即0.989mg/kg時(shí)，每株干重平均達(dá)到84.3g。而且地上部分Cd濃度與根系Cd濃度相近，說明黃菖蒲具有能夠把根系所吸收的Cd基本向地上部分運(yùn)輸?shù)哪芰蜐摿Α?/p>

再力花的Pb富集實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著土壤中Pb濃度的增加，再力花地上部分Pb濃度沒有顯著變化，但是根系中Pb的濃度依次顯著增加。與黃菖蒲類似，由于再力花地上部分的生物量較大，使地上部分植株內(nèi)累積的Pb含量較高。因此，可以認(rèn)為再力花同時(shí)具有固定和凈化底泥中Pb的能力(表4)。

4 野外實(shí)地黃菖蒲和再力花對(duì)土壤Cd和Pb的累積

野外試驗(yàn)結(jié)果表明，黃菖蒲在底泥環(huán)境濃度下地上部分和根系中Cd的濃度相近，地上/地下比例在1左右，而富集系數(shù)都大于1，由此可見，黃菖蒲具有較好的凈化底泥中Cd的能力(表5)。再力花在底泥環(huán)境濃度下根系中Pb的濃度是地上部分的5～10倍，底泥中Pb的濃度與盆栽試驗(yàn)的對(duì)照濃度相似，因此，可以認(rèn)為再力花具有固定水體底泥Pb的能力(表6)。

5 結(jié)論

西湖底泥重金屬污染物調(diào)查結(jié)果表明，底泥中Cd和Pb元素的累積盡管程度較輕但是受到人為影響，為了避免發(fā)生水體污染，可以通過種植具有重金屬富集功能的水生植物來固定/穩(wěn)定底泥中的重金屬。盆栽試驗(yàn)和野外試驗(yàn)結(jié)果表明，黃菖蒲地上和地下部分具有較強(qiáng)的累積Cd的能力，在野外低濃度下，對(duì)Cd的富集系數(shù)大于2，因此具有凈化和固定底泥中Cd的能力；而再力花地下部分吸收固定Pb的能力較強(qiáng)，盆栽和野外試驗(yàn)的結(jié)果都發(fā)現(xiàn)根系中的Pb濃度大于5mg/kg，具有較強(qiáng)的固定底泥中Pb的能力。因此，可以在濕地景觀設(shè)計(jì)中配置一定比例的黃菖蒲和再力花，并于每年秋季種子成熟期，收割黃菖蒲和再力花地上部分及挖除部分地下根莖進(jìn)行適當(dāng)處理，次年重復(fù)該過程，能夠起到凈化水體和底泥重金屬Cd和Pb污染的作用。