6種水生植物對(duì)Hg污染水體的凈化研究

孫 翔，胡友彪，張治國(guó)，鄭永紅,，陳永春，余 婷武 琳，陳芳玲，肖觀紅

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.煤炭開采國(guó)家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南 232001)

重金屬含量是影響水生態(tài)環(huán)境安全評(píng)價(jià)的重要因素[1]。水體重金屬污染主要來自于蓄電池、化石燃料的燃燒、有色金屬冶煉、礦山開發(fā)、金屬電鍍產(chǎn)業(yè)。重金屬通過工業(yè)和生活廢水、地表徑流和大氣沉降等多種方式進(jìn)入水體[2-3]，其具有有毒性、持久性和生物富集性等特點(diǎn)[4]，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害人體肝、腎、消化系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)等,對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害[5]。

Hg是一種劇毒重金屬，且不能被降解或分解成無害的物質(zhì)元素，一旦被排放到環(huán)境中后，便會(huì)持久的存在，并以不同形態(tài)循環(huán)于空氣、水、土壤和生物圈之間[6]。Hg進(jìn)入人體后會(huì)遍布全身各組織器官中，其最主要的危害是對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)造成不可逆損害，甚至還可以通過胎盤屏障影響到胎兒[7]。我國(guó)目前是Hg使用量大國(guó)，近幾年我國(guó)工業(yè)排汞量在全球排放中的比重持續(xù)增大每年達(dá)到 600t左右[8-9]。

我國(guó)水體環(huán)境Hg污染應(yīng)當(dāng)引起重視，需要及時(shí)采取行動(dòng)治理[10]。修復(fù)重金屬污染環(huán)境的方法有很多(如物理、化學(xué)和生物方法)，但因植物修復(fù)技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)有效、環(huán)境友好和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[11]。文獻(xiàn)[12]收集在本地廣泛種植的13種水生植物，根據(jù)其在不同濃度Hg營(yíng)養(yǎng)液中生物量的變化情況，探究不同濃度Hg對(duì)3種水生植物生理生化特征影響的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)大花美人蕉和水慈姑耐汞能力相接近，而水生鳶尾耐汞能力較大，美人蕉和水慈姑較差。文獻(xiàn)[13]以香蒲、菖蒲、睡蓮、大薸、狐尾藻、黑藻六種不同生活型水生植物為研究對(duì)象，研究水生植物對(duì)不同濃度梯度的Hg污染的凈化能力，發(fā)現(xiàn)菖蒲在各個(gè)處理濃度下，對(duì)Hg去除總量均最大。文獻(xiàn)[14]對(duì)本地兩種沉水植物沼生水馬齒和篦齒眼子菜做Hg污染水體凈化試驗(yàn)，結(jié)果表明篦齒眼子菜的對(duì)Hg的耐受性、凈化能力強(qiáng)于沼生水馬齒。文獻(xiàn)[15]選用沉水植物穗花狐尾藻，輪葉黑藻以及浮葉植物菱,采用生物吸附法研究三種水生植物對(duì)Hg2+、Cu2+的吸附特性，三種水生植物吸附能力大小為輪葉黑藻>穗花狐尾藻>菱。文獻(xiàn)[16]研究發(fā)現(xiàn)，羽毛草和水薄荷和匍匐草對(duì)水體中汞的去除率平均達(dá)到99.8%。文獻(xiàn)[17]研究發(fā)現(xiàn)眼子菜對(duì)Hg有一定的凈化能力。

目前關(guān)于水生植物對(duì)水體Hg污染的凈化研究較少，已有研究表明將浮水，挺水，沉水植物通過合理組合配置，會(huì)具有更強(qiáng)的凈化能力[18-22]。因此，本研究選用金魚藻、美人蕉、黃菖蒲、水芙蓉、穗花狐尾藻、鳳眼蓮等六種水生植物，通過一定配置組合，探究不同處理下，水生植物對(duì)Hg污染水體的凈化能力，為水體Hg污染植物修復(fù)提供有效依據(jù)。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

1) 水生植物選擇。選擇水芙蓉(Pistia stratiotes)、鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)、美人蕉(Canna indica)、黃菖蒲(Irispseudacorus)、金魚藻(Ceratophyllumdemersum)和穗花狐尾藻(Myriophyllum spicatum)6種水生植物的幼苗作為供試植物。保證在每種植物組別下，不同濃度梯度的水生植物生物量接近、長(zhǎng)勢(shì)良好。用自來水反復(fù)清洗根部，并用去離子水進(jìn)行漂洗。將水生植物在營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)1周后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2) 供試水體。在超純水中加入磷酸二氫鉀(總磷為5mg/L)、硝酸鉀(總氮為20mg/L)配置營(yíng)養(yǎng)液。同時(shí)加入一定量的汞標(biāo)準(zhǔn)溶液，配置成高、中、低三種不同濃度的Hg污染廢水。參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》Ⅲ類水質(zhì)，《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918-2002)》和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》V類水質(zhì)，配置如表1所示。

表1 試驗(yàn)水體初始濃度配比 ng·mL-1

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在容積為20L的PVC桶里進(jìn)行，每個(gè)桶里加入15L供試水。三種濃度梯度下設(shè)置如表2所示處理組，每個(gè)處理組設(shè)置3個(gè)重復(fù)。其中水生植物的放置情況中單一為：金魚藻(40g)、狐尾藻(19株)、美人蕉(3株)、黃菖蒲(3株)、水芙蓉(6株)、鳳眼蓮(6株)；組合為：金魚藻(30g)、狐尾藻(6株)、美人蕉(2株)、黃菖蒲(2株)、水芙蓉(3株)、鳳眼蓮(3株)。

表2 水生植物的組合設(shè)計(jì)

水生植物培養(yǎng)試驗(yàn)于2019年6月7日開始，2019年8月30日結(jié)束，持續(xù)70d。每14d取樣一次，期間對(duì)水體的pH，溫度，Hg濃度進(jìn)行測(cè)定，每次取水樣20mL，并用去離子水補(bǔ)充桶內(nèi)水位至刻度線。試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，保證水生植物能夠充分接受自然光照射，水溫變化范圍為19.2～30.8℃，pH變化范圍為6.7～8.1。

2.3 樣品預(yù)處理和測(cè)定方法

1) 樣品預(yù)處理。取10mL水體樣品經(jīng)王水消解后，過濾保存?zhèn)溆肹23]。

2) 測(cè)定方法。樣品測(cè)定方法采用《水質(zhì)汞、砷、硒、鉍和銻的測(cè)定-原子熒光法(HJ694-2014)》[24-26]。 儀器使用奧羅拉AI3300原子熒光光度計(jì)， 該儀器測(cè)量Hg元素的工作參數(shù)中， 陰極燈的電流為40mA， 負(fù)高壓為280V， 延遲時(shí)間為4.0s，載氣流量設(shè)置在 400mL/min，屏蔽氣的流量設(shè)置在 800mL/min。還原劑選擇1%硼氫化鉀-0.5%氫氧化鈉溶液，載液為 5% 硝酸，所有試劑現(xiàn)用現(xiàn)配，當(dāng)天使用。儀器用氣為高純氬氣。采取的測(cè)量方法為標(biāo)準(zhǔn)曲線法，讀數(shù)方式為峰面積。

3) 質(zhì)量控制。本試驗(yàn)所用玻璃器皿使用前，均經(jīng)10%硝酸浸泡24h，經(jīng)超純水洗凈后備用，所用試劑均為優(yōu)級(jí)純?cè)噭?。儀器經(jīng)過充分預(yù)熱后，在最佳工作條件進(jìn)行測(cè)定，采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(BWB2380-2016)配置標(biāo)準(zhǔn)曲線，每個(gè)樣品平行測(cè)定三次，標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)定結(jié)果誤差在允許范圍內(nèi)。

2.4 數(shù)據(jù)分析

采用Origin9.0繪制相關(guān)圖形，運(yùn)用SPSS24.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 單一水生植物去除效果分析

1) 單一水生植物去除率的時(shí)間動(dòng)態(tài)。 隨著時(shí)間的不斷增加， 各實(shí)驗(yàn)組的Hg濃度均低于空白組(無水生植物)，說明不同水生植物對(duì)Hg均具有一定的凈化能力。單一水生植物在高濃度處理時(shí)，在前14d，穗花狐尾藻凈化能力明顯強(qiáng)于另外5種水生植物。日平均去除率依次為：穗花狐尾藻(3.27%)>水芙蓉(2.57%)>金魚藻(2.36%)>鳳眼蓮(2.2%)>美人蕉(1.76%)>黃菖蒲(1.37%)；在14d至42d時(shí)，黃菖蒲、金魚藻與水芙蓉的凈化能力接近，日平均凈化率分別為黃菖蒲(1.33%)，金魚藻(1.36%)，水芙蓉(1.35%)；在42d后，6種水生植物的凈化能力開始降低，在56d后，6種水生植物的凈化能力進(jìn)一步降低；在70d時(shí)，總?cè)コ室来螢椋牖ê苍?94.85%)，水芙蓉(92.63%)，金魚藻(90.75%)，鳳眼蓮(86.85%)，美人蕉(80.42%)，黃菖蒲(78.5%)。去除率最大的水生植物為穗花狐尾藻，如圖1所示。

圖1 單一水生植物在高濃度下試驗(yàn)水體Hg濃度變化

單一水生植物在中濃度處理時(shí)，在14d時(shí),穗花狐尾藻的日平均去除率達(dá)到最大，日平均去除率依次為：穗花狐尾藻(3.4%)>金魚藻(2.71%)>水芙蓉(2.65%)>鳳眼蓮(2.33%)>美人蕉(2.11%)>黃菖蒲(1.73%)，其中金魚藻與水芙蓉凈化能力接近；在14d至42d內(nèi)，鳳眼蓮的凈化能力高于另外5種水生植物，日平均去除率達(dá)到1.42%； 在42d至56d內(nèi)， 鳳眼蓮的日平均去除率明顯降低， 僅3.96%，其他五種水生植物日平均去除率均高于鳳眼蓮；在70d時(shí)，總?cè)コ室来螢?，穗花狐尾?95.51%)>水芙蓉(92.46%)>金魚藻(88.41%)>鳳眼蓮(88.1%)>美人蕉(81.9%)>黃菖蒲(79.56%)，如圖2所示。

圖2 單一水生植物在中濃度下試驗(yàn)水體Hg濃度變化

單一水生植物在低濃度處理時(shí)，在14d時(shí),穗花狐尾藻的日平均去除率達(dá)到最大，日平均去除率依次為：穗花狐尾藻(3.57%)>金魚藻(2.95%)>鳳眼蓮(2.91%)>水芙蓉(2.87%)>美人蕉(2.33%)>黃菖蒲(2.02%)，在前14d，穗花狐尾藻凈化能力明顯高于另外5種水生植物，其中金魚藻與水芙蓉，鳳眼蓮凈化能力接近；在14d至42d時(shí)，5種水生植物的凈化能力均有一定下降，金魚藻與水芙蓉，鳳眼蓮凈化能力依然接近，日平均凈化率分別為，金魚藻(1.09%)，水芙蓉(1.19%)，鳳眼蓮(1.06%)；在70d時(shí)， 總?cè)コ室来螢?，水芙?94.88%)>穗花狐尾藻(93.96%)>金魚藻(91.51%)>鳳眼蓮(90.72%)>美人蕉(83.59%)>黃菖蒲(78.55%)。在低濃度處理時(shí)，去除率最大的水生植物為水芙蓉，如圖3所示。

圖3 單一水生植物在低濃度下試驗(yàn)水體Hg濃度變化

2) 濃度和植物類型對(duì)單一水生植物去除效率影響分析。運(yùn)用單因素方差分析研究水生植物種類、Hg濃度對(duì)去除率的影響，結(jié)果表明，即濃度類型對(duì)去除率的影響不顯著(P>0.05)，水生植物種類對(duì)去除率的影響極顯著(P<0.01)。對(duì)各水生植物種類之間，進(jìn)行去除率多重比較，檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示，穗花狐尾藻的去除率和金魚藻、鳳眼蓮、美人蕉、黃菖蒲差異極顯著(P<0.01)；穗花狐尾藻的去除率與水芙蓉之間差異不顯著(P>0.05)；金魚藻與鳳眼蓮之間差異不顯著(P>0.05)；金魚藻與美人蕉、黃菖蒲之間差異極顯著(P<0.01)；美人蕉與黃菖蒲之間差異顯著(P<0.05)。

表3 不同單一水生植物去除率的差異性比較 %

3.2 組合水生植物去除效果分析

1) 組合水生植物去除率的時(shí)間動(dòng)態(tài)。組合水生植物在Hg高濃度下，前14d，B1，B5,B7的日平均去除率接近，去除率分別為B1(2.68%)，B5(2.67%)，B7(2.65%)；14d至28d期間，8種組合水生植物的凈化能力均下降，B1,B3,B4的凈化能力趨于一致，日平均去除率分別為B1(1.29%)，B2(1.3%)，B4(1.31%)；在70d時(shí)，8個(gè)水生植物組合的水體濃度為B1(1.053 4ng/mL)，B2(0.871 4ng/mL)，B3(1.060 4ng/mL)，B4(1.133 6ng/mL)，B5(0.674 5ng/mL)，B6(0.744 8ng/mL)，B7(0.796 2ng/mL)，B8(0.853 6ng/mL)；8種水生植物組合的總?cè)コ史謩e為，B1(89.46%)，B2(91.29%)，B3(89.4%)，B4(88.66%)，B5(93.26%)，B6(92.55%)，B7(92.04%)，B8(91.46%)。去除率最大的組合水生植物為B5，其次為B6，如圖4所示。

圖4 組合水生植物在高濃度下試驗(yàn)水體Hg濃度變化

在Hg中濃度組合水生植物水體中，在前14d，8種組合水生植物的日平均去除率達(dá)到最大，其中日平均去除率最大的是B5(3.2%)，最小的是B3(2.48%)；在14d之后，8種組合水生植物的凈化能力明顯下降。14d至56d期間，每種組合水生植物的凈化能力下降緩慢；在56d至70d期間，8種組合水生植物的凈化能力達(dá)到最低，日平均去除率最大為B6(0.6%)，最小為B2(0.32%)；在70d時(shí)，8個(gè)水生植物組合的水體濃度為B1(0.411 4ng/mL)，B2(0.513 3ng/mL)，B3(0.456 9ng/mL)，B4(0.531 1ng/mL)，B5(0.322 4ng/mL)，B6(0.402 5ng/mL)，B7(0.391 6ng/mL)，B8(0.417 3ng/mL)；8種組合水生植物的總?cè)コ史謩e為，B1(91.77%)，B2(89.73%)，B3(90.86%)，B4(89.38%)，B5(93.55%)，B6(91.95%)，B7(92.17%)，B8(91.65%)。去除率最大的組合水生植物為B5，其次為B7，如圖5所示。

圖5 組合水生植物在中濃度下試驗(yàn)水體Hg濃度變化

在Hg低濃度組合水生植物水體中，在前14d，8種組合水生植物的凈化能力達(dá)到最大，其中日平均去除率最大的是B5，達(dá)到3.44%，日平均去除率最低的是B4，為1.36%；在14d至28d之間，B4的日平均去除率變大，高于另外7種組合，日平均去除率達(dá)到2.69%；在70d時(shí)，8個(gè)組合水生植物的水體濃度為B1(0.011 5ng/mL)，B2(0.004 8ng/mL)，B3(0.009 1ng/mL)，B4(0.001 9ng/mL)，B5(0.002 8ng/mL)，B6(0.000 9ng/mL)，B7(0.000 4ng/mL)，B8(0.001 4ng/mL)；8種組合水生植物的總?cè)コ史謩e為，B1(88.21%)，B2(93.49%)，B3(92.99%)，B4(91.41%)，B5(93.88%)，B6(94.18%)，B7(93.98%)，B8(91.79%)。去除率最大的組合水生植物為B6，其次為B7和B5，如圖6所示。

圖6 組合水生植物在低濃度下試驗(yàn)水體Hg濃度變化

2) 濃度和植物類型對(duì)組合水生植物去除效率影響分析。運(yùn)用單因素方差分析研究水生植物種類、Hg濃度對(duì)去除率的影響，結(jié)果表明，濃度類型對(duì)去除率的影響不顯著(P>0.05)，水生植物種類對(duì)去除率的影響顯著(P<0.05)。對(duì)各水生植物種類之間，進(jìn)行去除率多重比較，檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示，B5的去除率和B6、B7、B8、B2差異不顯著(P>0.05)；B5與B1、B4之間差異極顯著(P<0.01)；B5與B3之間差異顯著(P<0.05)；B3與B6、B7、B8、B2、B4、B1之間差異不顯著(P>0.05)。

表4 不同水生植物組合去除率的差異性比較 %

4 討論

本試驗(yàn)對(duì)于單一水生植物凈化Hg研究發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，水生植物對(duì)Hg的去除能力不斷加深。其中穗花狐尾藻對(duì)于Hg的平均去除率最大，達(dá)到94.77%，并且顯著差異于金魚藻、鳳眼蓮、黃菖蒲、美人蕉，說明沉水植物穗花狐尾藻相比于其它水生植物更具有優(yōu)勢(shì)?？赡苁怯捎谒牖ê苍宓母低嘶渲饕蕾嚽o葉來吸收水分，吸收水體的面積增大；浮水植物水芙蓉也具有一定良好的凈化效果，其平均去除率達(dá)到93.32%，并且顯著差異于挺水植物黃菖蒲、美人蕉，這可能與水芙蓉發(fā)達(dá)的根系有關(guān)。在不同濃度梯度下，水生植物的去除率差異不顯著。

不同類型植物組合在一起構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)既充分利用了空間，又能合理利用各種植物的優(yōu)勢(shì)，還能避免重金屬耐性低一些的植物因直接接觸高濃度重金屬?gòu)U水中毒死亡[27]，同時(shí)多種植物組合相較于單種植物具有更合理的物種多樣性，能夠保持生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，其對(duì)污染水體的適應(yīng)性，耐受性更強(qiáng)[28]，能夠長(zhǎng)久穩(wěn)定的凈化水體。本試驗(yàn)中，各組組合水生植物均具有一定良好的去除率，其中B5對(duì)于Hg的凈化效果最好，平均去除率達(dá)到93.56%，并且顯著差異于B4、B1。通過對(duì)6種單一水生植物和8種組合水生植物的去除率比較，組合水生植物的去除率整體優(yōu)于單一水生植物，各組組合水生植物均顯著優(yōu)于挺水植物黃菖蒲、美人蕉(P<0.05)。但是，最優(yōu)組合水生植物中B5與最優(yōu)單一水生植物穗花狐尾藻的凈化效果并無明顯差異(P>0.05)。因此，對(duì)于篩選出凈化能力顯著強(qiáng)于穗花狐尾藻的水生植物組合，有待進(jìn)一步的探討和研究。

本試驗(yàn)空白對(duì)照組中，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，Hg的濃度略有下降。主要原因可能是由于溶解態(tài)Hg的化學(xué)性質(zhì)較活潑，溫度、pH的變化，以及陽(yáng)光的輻射導(dǎo)致Hg的釋放，同時(shí)部分Hg可能附著在桶壁[29-30]。本研究是在室內(nèi)靜水條件下通過對(duì)供試水體中Hg含量的檢測(cè)了解各水生植物對(duì)Hg的去除效果，可能和自然條件下水生植物凈化水質(zhì)效果有所差異。因?yàn)樽匀粭l件下水體底泥吸附以及微生物降解等作用也會(huì)對(duì)水體中重金屬去除起一定效果[31]。

5 結(jié)論

(1)單一水生植物中穗花狐尾藻凈化效果最好，且具有極強(qiáng)的顯著性，組合水生植物中B5(穗花狐尾藻+美人蕉+水芙蓉)的凈化效果最好，具有一定的顯著性。綜合考慮水生植物的凈化效果和富集系數(shù)，可以選擇穗花狐尾藻作為修復(fù)水體Hg污染的優(yōu)勢(shì)物種。組合水生植物相較于單一水生植物具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，未來可以穗花狐尾藻和B5組合為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究其組合水生植物的凈化能力。

(2)本試驗(yàn)中重金屬濃度參考城鎮(zhèn)污水排放標(biāo)準(zhǔn)和地表水排放標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)以后城市河道重金屬污染提供一定的參考，對(duì)水體生態(tài)治理有一定的實(shí)踐意義。通過對(duì)6種水生植物及其組合的試驗(yàn)研究，為后續(xù)生態(tài)浮床、人工浮島的設(shè)計(jì)及最優(yōu)水生植物組合提供理論支撐，使生態(tài)浮床能夠應(yīng)用于水體Hg污染治理，實(shí)現(xiàn)該研究實(shí)際工程價(jià)值。