黃菖蒲與美人蕉對(duì)水體中雙酚A 的去除效果研究

龐云天 仇玉萍 鄧志華 賈繼維 孫仕仙

( 1. 西南林業(yè)大學(xué)國(guó)家高原濕地研究中心/濕地學(xué)院，云南 昆明 650233；2. 西南林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650233；

3. 西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650233)

雙酚A（BPA，2，2-二（4-羥基苯基）丙烷），是一種重要的用于有機(jī)化學(xué)生產(chǎn)的化工原料，主要用作制造環(huán)氧樹(shù)脂、酚類(lèi)樹(shù)脂、聚碳酸酯等[1-2]。在20 世紀(jì)末其年產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)了500 萬(wàn)t，2005年統(tǒng)計(jì)為740 萬(wàn)t，而年需求量的增速為6%～10%[3-5]。由于BPA 產(chǎn)量高用途廣，其排放及滲濾液污染大氣、工業(yè)廢水、污泥及垃圾填埋場(chǎng)的案例已有報(bào)告[6]。已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)的一些重要水體中檢測(cè)到了BPA 的存在[7]。有研究表明BPA 會(huì)對(duì)動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育、神經(jīng)和免疫系統(tǒng)以及生育能力產(chǎn)生毒害作用，同時(shí)能夠引發(fā)組織或者器官增生和腫瘤，增加人類(lèi)乳腺癌的發(fā)病率[8-10]。此外，因污水和污泥廣泛用于灌溉施肥，導(dǎo)致BPA 在土壤中積累。盡管BPA 半衰期較短，但持續(xù)釋放使其在環(huán)境中存在，并能經(jīng)過(guò)微型生物的降解作用產(chǎn)生一系列具有潛在毒理效應(yīng)的代謝產(chǎn)物，再通過(guò)食物鏈對(duì)食品安全和人類(lèi)健康造成危害[11-15]。中國(guó)（哈爾濱、上海和廣州）、印度、日本、韓國(guó)、科威特、馬來(lái)西亞和越南7個(gè)亞洲國(guó)家296個(gè)人體尿液樣本中BPA 檢出率為94.3%[16]，BPA 污染已成為全球性環(huán)境問(wèn)題[6]，造成的污染問(wèn)題不可小覷。

國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者都曾致力于BPA 的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)BPA 在作為水源的許多湖泊、河流和水庫(kù)等中不斷被檢測(cè)到。結(jié)合目前眾多河流湖泊等周邊建立了許多濕地公園的實(shí)際情況，濕地植物的選擇十分關(guān)鍵，如何針對(duì)不同污染區(qū)域設(shè)置高效的、有針對(duì)性的富集植物對(duì)發(fā)揮濕地的凈化功能顯得尤為重要[17-19]。濕地植物不僅可以通過(guò)直接吸收帶走污染物質(zhì)，還可通過(guò)根系滯留，促進(jìn)根際硝化與反硝化速率，改善通氣條件，提高根際微生物的降解活性等交互作用來(lái)提高系統(tǒng)整體的凈化能力，是一種植物修復(fù)技術(shù)。已有研究表明蘆葦(Phragmites communis)、再 力 花 (Thalia dealbata)、香蒲 (Typha orientalis)適宜用作處理含BPA 的廢水的濕地植物[20]。黃菖蒲（Iris pseudacorus）、美人蕉（Canna indica）是典型的景觀濕地植物，屬于多年生叢生草本植物，根系發(fā)達(dá)，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，其對(duì)有機(jī)和無(wú)機(jī)化學(xué)物質(zhì)都有很高的親和力，生物學(xué)特性有根系發(fā)達(dá)，適應(yīng)能力強(qiáng)，生長(zhǎng)繁殖快，既可以作為景觀植物，又對(duì)各種廢水具有凈化潛力，如對(duì)最常見(jiàn)的城鎮(zhèn)污水中氮磷的去除，鉛、鎘、銅、污染廢水的凈化，水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水其中的恩諾沙星、磺胺甲惡唑和氟甲砜霉素，有機(jī)污染物、氮具有很好的凈化效果。本試驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)樗芤褐蠦PA 的去除提供科學(xué)依據(jù)，為濕地植物的選擇和配置提供實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 植物培養(yǎng)與儀器試劑

1）植物培養(yǎng)。植物采用不透光的培養(yǎng)桶培養(yǎng)，培養(yǎng)桶用蒸餾水洗凈晾干，將黃菖蒲和美人蕉2 種植物將根系清理干凈，用清水培養(yǎng)24 h 后取出，將根系放入0.1%的高錳酸鉀溶液中消毒10～15 min，消毒后再用蒸餾水沖洗干凈；稱(chēng)取生長(zhǎng)條件接近的植物，每株約為200 g 編號(hào)后放入培養(yǎng)桶中，在實(shí)驗(yàn)前先加入培養(yǎng)液培養(yǎng)7 d。營(yíng)養(yǎng)液配方使用改良霍格蘭氏配方：四水硝酸鈣945 mg/L，硝酸鉀506 mg/L，硝酸銨80 mg/L，磷酸二氫鉀136 mg/L，硫酸鎂493 mg/L，鐵鹽溶液2.5 mL/L，微量元素液5 mL/L，pH=6.0[16]。

2）儀器試劑。液相色譜儀（賽默飛世爾Ulti-Mate 3 000），三重四級(jí)桿質(zhì)譜儀（賽默飛世爾TSQ Endura），旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（IKA RV 8），隔膜真空泵（德國(guó)wiggens C610），循環(huán)水真空抽濾裝置（德國(guó)wiggensVE-11+VF6），超聲波清洗儀，超純水機(jī)，葉綠素儀，pH 酸度計(jì)，1.5 mL 棕色進(jìn)樣瓶。BPA（化學(xué)純），甲醇（色譜純），乙腈（色譜純），乙酸乙酯（分析純），正己烷（色譜純），超純水（自制），無(wú)水硫酸鈉。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

共設(shè)6個(gè)實(shí)驗(yàn)組，其中1、2、3 組為空白組，4，5 組為實(shí)驗(yàn)組，每組4個(gè)重復(fù)。1 組只加入BPA 不加植物，2 組和3 組在只加入2 種植物，不加BPA。4 組和5 組加入植物并加入BPA。

1.2.2 測(cè)定方法

1）采集樣品。實(shí)驗(yàn)在加入BPA 的第1 天，第3 天，第5 天分別取樣。每次取樣前用質(zhì)量差法測(cè)定蒸騰消耗水量然后再用營(yíng)養(yǎng)液補(bǔ)充到2 L。同時(shí)進(jìn)行水樣pH 和電導(dǎo)率測(cè)定。水樣用脫脂棉過(guò)濾后待提取，選取長(zhǎng)勢(shì)良好，健康的黃菖蒲和美人蕉，分別取其根和葉帶回待測(cè)。植物葉片進(jìn)行葉綠素含量測(cè)定，水樣進(jìn)行pH 及電導(dǎo)率測(cè)定。

2）樣品提取。將水樣通過(guò)等體積甲醇萃取2 次后，經(jīng)無(wú)水硫酸鈉過(guò)濾至旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瓶，在40 ℃水浴蒸發(fā)鍋中旋轉(zhuǎn)蒸干，用3 mL 正己烷溶解，通過(guò)0.45 μm 有機(jī)相濾膜過(guò)濾，取1.5 mL 裝入棕色進(jìn)樣瓶中并待測(cè)。

稱(chēng)取2 g 植物樣品（精確度0.01 g），轉(zhuǎn)移到100 mL 具塞錐形瓶中，加入40 mL 甲醇，超聲震動(dòng)提取30 min，之后濾入100 mL 平底燒瓶中，再用20 mL 甲醇重復(fù)萃取1 次，合并提取液，再將其置于40 ℃水浴蒸發(fā)鍋中旋轉(zhuǎn)蒸干，用3.0 mL正己烷溶解，過(guò)0.22 μm 有機(jī)相濾膜過(guò)濾，取1.5 mL裝入棕色進(jìn)樣瓶中待測(cè)。

3）標(biāo)注曲線制作。取BPA 標(biāo)準(zhǔn)品溶解得到1 000 mg/L 的BPA 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)儲(chǔ)備液，-5 ℃條件下儲(chǔ)存。取一定體積的上述標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)儲(chǔ)備液，用正己烷稀釋成濃度分別為4、10、20、40、60、80、100 μg/L 的標(biāo)準(zhǔn)使用液，避光保存。分別吸取不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行分析，每個(gè)濃度平行檢測(cè)分析3 次，取平均值。

4）添加回收率測(cè)定。為了確保實(shí)驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性，進(jìn)行添加回收率實(shí)驗(yàn)。在植物樣與水樣中添加不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，添加水平為2.0、2.5、3.0 μg/L，每個(gè)添加水平進(jìn)行3個(gè)重復(fù)。

1.2.3 色譜質(zhì)譜條件設(shè)置

色譜柱：HYPERSIL GOLD C18色譜柱（2.1 μm×100 mm×1.9 μm）。高效液相色譜條件：柱溫30 ℃，流速0.2 mL/min，進(jìn)樣量5 μL，流動(dòng)相：A 為甲醇（色譜純），B 為0.05%的氨水；梯度洗脫程序： 0～0.5 min， 90%A， 10%B； 6～8 min，10%A，90%B；9～12 min，90%A，10%B。質(zhì)譜條件：電噴霧電離源（H－ESI）；離子源溫度550 ℃；離子傳輸管溫度300 ℃；電噴霧電壓4 500 V；鞘氣壓力28 Arb；輔助氣壓力10 Arb；采用SRM（選擇反應(yīng)檢測(cè)掃描）模式采集，具體的離子采集參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 離子參數(shù)采集表Table 1 Ion parameter collection

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

以響應(yīng)值（峰面積）y對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度x進(jìn)行線性回歸分析，得到線性回歸方程：y= 1 446.2x+1 834.9，相關(guān)系數(shù)R2= 0.999，如圖1 所示。

圖1 BPA 標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig. 1 Standard curve of bisphenol A

2.2 添加回收率測(cè)定

按照實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行分析處理，得到表2?？梢钥闯鲋参飿又蠦PA 的添加回收率在88%～100%之間，精準(zhǔn)度（RSD）為3.4%～9.5%；水樣中BPA 的添加回收率在84%～89%之間，RSD 為2.2%～4.8%。

表2 添加回收率與精密度Table 2 Recovery and RSD for the determination of compounds

2.3 水溶液與植物相關(guān)指標(biāo)測(cè)定

通過(guò)測(cè)量pH 和電導(dǎo)率（反應(yīng)營(yíng)養(yǎng)液離子濃度）的指標(biāo)，監(jiān)測(cè)營(yíng)養(yǎng)液濃度變化情況，保證植物的正常生長(zhǎng)狀況，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 溶液及植物生長(zhǎng)狀況Table 3 Solution and plant growth status

葉綠素含量直接反映了植物光合作用的強(qiáng)弱。植物在有污染物的條件下，會(huì)使葉綠體超微結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致葉綠素合成受阻，電子傳遞受阻，氣孔關(guān)閉，從而致使植物光合速率下降，光合作用能力降低，植物生長(zhǎng)受限[21-23]。由表3 可知，在BPA 脅迫下，黃菖蒲在第3 天葉綠素減少，到第5 天得到恢復(fù)。結(jié)果表明BPA 脅迫對(duì)光合作用影響不顯著（P＞0.05），并不影響植物正常生長(zhǎng)。

電導(dǎo)率反映了水中礦質(zhì)離子的濃度，從表3 可以看出有植物的溶液中電導(dǎo)率隨著實(shí)驗(yàn)天數(shù)的增加，下降的更快，說(shuō)明植物生長(zhǎng)狀況良好。而pH則是影響植物對(duì)礦質(zhì)元素吸收的主要影響因素，極大影響了礦質(zhì)元素的有效性。每種植物都有其生長(zhǎng)最適pH 值范圍。由于植物的生長(zhǎng)，pH 值略有下降，但影響并不顯著（P＞0.05）。

2.4 溶液中BPA 的殘留動(dòng)態(tài)

2.4.1 溶液中BPA 的去除率

種植挺水植物黃菖蒲或美人蕉均顯著促進(jìn)了溶液中BPA 的去除（P＜0.05）（表4），種植黃菖蒲的第3 天和第5 天，BPA 去除率分別為74.40%和93.00%，比對(duì)照提高了57.96%和41.65%。種植美人蕉在第3 天和第5 天，溶液中BPA 的去除率分別為63.60%和81.15%，2 種植物相比，種植菖蒲對(duì)BPA 的去除效果又顯著高于種植美人蕉處理（P＜0.05）。處理的第5 天時(shí)，種植2 種植物處理對(duì)BPA 的去除率都達(dá)到80%以上。尤其是黃菖蒲處理組在第5 天時(shí)去除率達(dá)到了93%。

2.4.2 溶液中BPA 的去除動(dòng)力學(xué)方程

通過(guò)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合，溶液中BPA 的去除均符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程（表5）。種植黃菖蒲和美人蕉處理后，BPA 的降解速率常數(shù)均顯著提高，分別是對(duì)照的3.7 倍和2.3 倍。種植2 種植物后，BPA 的降解半衰期（T1/2）分別比對(duì)照縮短了56%（黃菖蒲）和44%（美人蕉）。初始濃度BPA 的99%去除時(shí)間（T0.99）從對(duì)照的26 d 縮分別短到了8 d（黃菖蒲）和12 d（美人蕉）。表明種植2 種挺水植物能顯著促進(jìn)水體中BPA 的去除（P＜0.05），而種植黃菖蒲對(duì)BPA 的去除速率又顯著高于種植美人蕉處理（P＜0.05）。

表4 溶液中殘留的BPA 濃度及去除率Table 4 Concentration and removal rate of residual bisphenol A in solution

表5 溶液中BPA 的去除動(dòng)力學(xué)方程及其相關(guān)指標(biāo)Table 5 Removal kinetic equation and its related indexes of bisphenol A in solution

2.5 植物體內(nèi)BPA 質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)分析

2.5.1 根中動(dòng)態(tài)分析

2 種植物根中BPA 的濃度都成先增加后減少的趨勢(shì)（圖2）。實(shí)驗(yàn)第3 天黃菖蒲根中的濃度為2.66 μg/kg，第5 天黃菖蒲根中濃度為1.82 μg/kg，下降了31.6%。美人蕉根中BPA 的濃度極顯著低于黃菖蒲根中的濃度。第3 天美人蕉根中的濃度為0.07 μg/kg，第5 天美人蕉根中濃度為0.065 μg/kg。根中BPA 濃度表明，黃菖蒲能快速通過(guò)根系吸收BPA，對(duì)溶液中BPA 的去除率也一直顯著高于美人蕉（表4）。

2.5.2 葉中動(dòng)態(tài)分析

黃菖蒲和美人蕉葉中的BPA 濃度分別呈現(xiàn)了不同的變化趨勢(shì)（圖3）。黃菖蒲在實(shí)驗(yàn)第3 天和第5 天時(shí)，葉中BPA 的濃度分別為0.08 μg/kg和0.02 μg/kg，相比根中而言，轉(zhuǎn)移到葉片中的BPA 含量極低；美人蕉葉中的BPA 從第3 天到第5 天，極顯著上升，高達(dá)1.73 μg/kg，說(shuō)明美人蕉通過(guò)根系吸收BPA 后，BPA 被迅速轉(zhuǎn)移到了葉片中。在美人蕉莖葉部分更容易富集BPA。

圖2 2 種植物根系中BPA 的濃度變化Fig. 2 Changes in the concentration of bisphenol A in the roots of 2 plants

圖3 2 種植物莖葉中BPA 的濃度變化Fig. 3 Changes in the concentration of bisphenol A in the stems and leaves of 2 plants

3 結(jié)論與討論

對(duì)比其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果[24-26]可知，黑麥草（Lolium perenne）、胡蘿卜（Daucus carotavar.sativa）、番茄（Solanum lycopersicum）、萵苣（Lactuca sativa）對(duì)BPA 的去除率均可達(dá)到80%以上，尤其是Saiyood 等人[27]研究了紅樹(shù)植物木欖（Bruguiera gymnorhiza）對(duì) BPA 的去除效果發(fā)現(xiàn)處理51 d 后，BPA 去除率可以達(dá)到96%以上。根據(jù)隋春曉等的研究[28]，在人工濕地實(shí)際應(yīng)用中，香蒲床濕地對(duì)BPA 的去除率74%～96%之間，蘆葦床濕地對(duì)BPA 的去除率基本維持在70%～83%。但是以上幾種植物不能像黃菖蒲和美人蕉這樣在5 天內(nèi)BPA 去除率達(dá)到80%甚至90%以上。

從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總可以得出，黃菖蒲和美人蕉與無(wú)植物條件下相比，去除效率有顯著的提高（P＜0.05）。其中，黃菖蒲條件下BPA 降解速率最快，去除速率常數(shù)為0.665，去除率達(dá)到90%以上，是3 種條件下最高的。而美人蕉的去除速率常數(shù)為0.417，去除率為82%。2 種植物的去除速率常數(shù)相差1.5 倍。上述數(shù)據(jù)表明，在相同的條件下黃菖蒲比美人蕉降解效果好可能是因?yàn)辄S菖蒲在脅迫下分泌特定的分泌物對(duì)水體中的pH值及水體中的相關(guān)微生物產(chǎn)生影響。BPA 的植物修復(fù)過(guò)程中，植物根際酶的氧化與羥基化等作用是植物修復(fù)的主要途徑[29-30]，通過(guò)酶的催化作用使得酚羥基被氧化成酮，醌等能夠與糖類(lèi)、氨基酸等物質(zhì)反應(yīng)生成分子量不等的有機(jī)質(zhì)，或醌類(lèi)自聚成不溶于水的高分子聚合物沉淀而被去除[31]。有研究表明，植物體內(nèi)修復(fù)機(jī)理主要是糖基化修飾效應(yīng)。將植物體內(nèi)的外源性物質(zhì)經(jīng)糖基化后降低毒性，減緩其對(duì)植物體的影響[32]。Hamada 等研究發(fā)現(xiàn)[33-35]，植物可以直接吸收廢水中的BPA，經(jīng)過(guò)糖基化反應(yīng)后，將BPA 轉(zhuǎn)化為低毒或者無(wú)毒性的中間產(chǎn)物來(lái)降低BPA 毒性。以上研究很好地印證了本文的判斷。

通過(guò)溫室水培實(shí)驗(yàn)證明黃菖蒲和美人蕉能顯著促進(jìn)水體中BPA 的去除，黃菖蒲吸收速率快，能夠快速將環(huán)境中的BPA 轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)，而美人蕉能對(duì)根系中吸收的BPA 快速轉(zhuǎn)移到莖葉部分，而兩種植物對(duì)BPA 的吸收轉(zhuǎn)移途徑與轉(zhuǎn)移效率差異產(chǎn)生的原因，植物體內(nèi)BPA 是否被完全降解還需進(jìn)一步研究。通過(guò)溫室模擬實(shí)驗(yàn)室，對(duì)黃菖蒲和美人蕉2 種濕地植物對(duì)水體中的吸收和去除動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究，結(jié)論如下：

1）黃菖蒲和美人蕉在0.166 mg/L 的BPA 濃度水平下生長(zhǎng)良好，兩種景觀濕地植物對(duì)雙酚A 脅迫有一定的耐受性，并可以通過(guò)根系吸收并轉(zhuǎn)移大植物莖葉中。

2）通過(guò)植物對(duì)BPA 的吸收動(dòng)力學(xué)方程和去除率表明黃菖蒲和美人蕉可以顯著提高BPA 在水中的去除效率。在5 d 內(nèi)，黃菖蒲和美人蕉的BPA 去除率分別達(dá)到了93%和81%。

3）對(duì)比黃菖蒲和美人蕉兩種植物對(duì)溶液中BPA 的吸收累積情況，黃菖蒲將BPA 吸收并富集在根部，而美人蕉通過(guò)根系吸收BPA 后迅速轉(zhuǎn)移到莖葉部分。