鳳眼蓮對練江水體重金屬的去除效果和富集能力研究

田秀芳 胡兆華 邱家誠 吳清岳 郭正杰 張鵬基

(汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)系，廣東 汕頭 515041 )

水體重金屬污染問題已經(jīng)成為全球性的環(huán)境問題，并且直接影響到了人類的生存和社會發(fā)展。練江，這條被譽(yù)為粵東“母親河”的河流也不例外，其污染問題由來已久，污染程度十分嚴(yán)重，引起社會各界的高度關(guān)注[1]。為了還給老百姓一條干凈的母親河，尋求合適的水體重金屬污染修復(fù)方法勢在必行。

對于水體重金屬污染問題，各國科學(xué)家們也進(jìn)行了深入地研究，同時(shí)也提出了許多可行的方案。植物修復(fù)被認(rèn)為是最具發(fā)展前途的一種生態(tài)綠色修復(fù)技術(shù)，具有投資小、效率高、環(huán)境生態(tài)效益好等優(yōu)點(diǎn)，在土壤和水體重金屬污染修復(fù)中已經(jīng)引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注[2-5]。如Chehregani[6]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)種植超富集植物(如反枝莧、雀苣屬側(cè)柏等)一段時(shí)間，底質(zhì)中重金屬含量明顯下降，其中Pb含量下降幅度最大為98%；Fawzy[7]研究了尼羅河水系中金魚藻、鳳眼蓮和香蒲中重金屬含量，發(fā)現(xiàn)3種水生植物作為重金屬污染監(jiān)測生物所擁有的巨大潛力；陳文萍等[8]研究發(fā)現(xiàn)紫根水葫蘆具有良好的水體修復(fù)和去除重金屬能力。

1 材料與方法

1.1 水生植物

鳳眼蓮購置于杭州綠化水草供應(yīng)站，饑餓7d，在水中自然生長7d，挑選大小、發(fā)育階段一致的株體，去除糜爛枝葉，用去離子水沖洗干凈，自然瀝干水分備用。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在塑料周轉(zhuǎn)箱中進(jìn)行，試驗(yàn)用水取自練江下游水體，每箱加練江原位水90L,每個(gè)試驗(yàn)箱按組分別放置鳳眼蓮各400g，試驗(yàn)水體中凈化植物的生物量為4.4g·L-1，水草覆蓋面積占試驗(yàn)箱面積的30%左右。以練江水體不同區(qū)域pH和N/P為依據(jù)，設(shè)置pH分別為5.0和7.0(原位水體)，N/P為20∶1、16∶1(原位水體)、12∶1，每個(gè)試驗(yàn)組設(shè)置3個(gè)重復(fù)，采樣周期為4d、8d、15d、21d，采樣后分別測定試驗(yàn)水體中各種離子(Hg、Pb、Zn、Cu、As)濃度、鳳眼蓮根際和莖葉對各種離子富集量以及污染水體對鳳眼蓮葉綠素a和超氧化物歧化酶(SOD)影響。每天添加去離子水以補(bǔ)充自然蒸發(fā)量，試驗(yàn)時(shí)間為5月份。

1.2.2 水體中各種重金屬離子含量的測定

各指標(biāo)分析方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》。汞采用GB/T 5750.6-2006(8.1)原子熒光法測定；鉛、銅、鋅、砷采用GB/T 5750.6-2006(1.4)電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定。

1.2.3 植物體內(nèi)各種重金屬含量測定

DHT11采用單總線數(shù)據(jù)格式，即使用一個(gè)IO口即可實(shí)現(xiàn)雙向通信，其數(shù)據(jù)包由5Byte（40Bit）組成；該傳感器采集將得到的數(shù)據(jù)為浮點(diǎn)型，可以將數(shù)據(jù)分為小數(shù)和整數(shù)部分，但都要經(jīng)過相應(yīng)處理；每次傳輸數(shù)據(jù)為40Bit，數(shù)據(jù)輸出格式是高位在前。溫濕度數(shù)據(jù)計(jì)算方式如圖10所示。DHT11將數(shù)據(jù)通過IO傳遞給單片機(jī)，運(yùn)算速度在4毫秒左右，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮其反應(yīng)時(shí)間，防止在死區(qū)時(shí)間里讀取錯誤數(shù)據(jù)，建議時(shí)間間隔大于50 ms。

將所采集的植物樣品先用自來水沖洗，再用去離子水淋洗2～3次，吸干表面水分后測量株高和鮮重，于105℃殺青30min，80℃烘干至恒重，磨碎后過60目篩。汞采用GB/T22105.1-2008原子熒光法測定；鉛、銅、鋅采用GB/T17141-1997火焰原子吸收分光光度法測定；砷采用GB/T22105.2-2008原子熒光法測定。

1.2.4 葉綠素a含量測定

采用分光光度法，參照HJ 897-2017測定葉片單位鮮重的葉綠素a含量。

1.2.5 超氧化物歧化酶(SOD)活性測定

利用中國南京建成生物工程研究所購買的試劑盒進(jìn)行測定。

1.3 計(jì)算公式

去除率RE(%)=(c0-c)/c0×100%

式中，c0為吸附前水體中重金屬離子的質(zhì)量濃度，mg·L-1；c為吸附后水體中剩余重金屬離子的質(zhì)量濃度，mg·L-1。

富集系數(shù)(BFs)=N/M

式中，N為復(fù)合污染暴露下，植物體(干重)中重金屬離子濃度，mg·kg-1；M為水體中重金屬離子初始質(zhì)量濃度，mg·L-1；本研究分別計(jì)算了大薸莖葉部分BFs(BAFs)和根際部分BFs(BCFs)。

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)TF=植物莖葉部分重金屬濃度/植物根際重金屬濃度。

2 結(jié)果與討論

練江污染水體中Hg、Pb、Cu、Zn、As的初始濃度為8.571×10-4mg·L-1、0.053mg·L-1、0.182mg·L-1、1.718mg·L-1、0.053mg·L-1，參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)，水體中Hg、Pb、Cu、Zn、As分別達(dá)到地表水質(zhì)的Ⅳ、Ⅴ、Ⅱ、Ⅴ、Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 不同pH及N/P條件下，鳳眼蓮對水體中重金屬的去除效果

由圖1可知，pH=5.0時(shí)，鳳眼蓮對水體中各種離子的RE變化均在15d時(shí)達(dá)到最大，不同N/P，最大去除率(REmax)順序表現(xiàn)一致，為Zn>Cu>As>Pb>Hg，各離子間去除效果存在顯著性差異(P<0.05)。不同N/P，鳳眼蓮對Zn、Cu、As、Pb、Hg的REmax依次為83.8%、86.3%、82.9%，73.5%、76.0%、73.6%，69.0%、73.2%、70.4%，63.3%、69.9%、66.8%，50.9%、62.7%、60.2%；15d時(shí)對Zn、As、Pb指標(biāo)均降至II、I、III類標(biāo)準(zhǔn)，而Cu、Hg雖仍為原來標(biāo)準(zhǔn)，但離子含量較凈化前大幅下降。此pH條件下，鳳眼蓮對5種離子的去除效果均是在N/P=16∶1時(shí)最佳，對Zn選擇性最好。

圖1 pH=5.0時(shí)鳳眼蓮對水體中重金屬的去除效果

pH=7.0時(shí)，鳳眼蓮對5種離子的REmax順序?yàn)镠g>Zn>Pb>Cu≈As(圖2)，除Cu與As外，各離子之間的去除效果存在顯著性差異(P<0.05)。此pH條件下，鳳眼蓮對Hg的選擇性最好，有極強(qiáng)的耐汞毒能力。不同N/P，鳳眼蓮對Hg的RE8d時(shí)達(dá)到最高，REmax依次為90.0%、93.5%、99.1%，去除效果好，N/P=12∶1時(shí)去除效果最佳，8d時(shí)Hg指標(biāo)降至III類標(biāo)準(zhǔn)；可能由于Hg在植物體內(nèi)濃度達(dá)到飽和[9]，15d時(shí)鳳眼蓮對Hg的RE略有下降，但與其它金屬相比，其對Hg的去除效果依然表現(xiàn)為強(qiáng)勢。對Zn、Pb、Cu、As的去除效果均是15d達(dá)到最高，N/P=16∶1時(shí)去除效果最佳；Zn、PbREmax依次為84.5%、87.7%、83.2%，80.1%、82.2%、76.6%；15d時(shí)Zn指標(biāo)均降至Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)；Pb指標(biāo)N/P=16:1時(shí)降至I類標(biāo)準(zhǔn)，其它條件均降至II類標(biāo)準(zhǔn)。對Cu和As去除效果相近，REmax分別為72.0%、75.2%、70.2%，71.6%、74.7%、70.4%，15d時(shí)雖然Cu、As指標(biāo)依然為III類標(biāo)準(zhǔn)，但離子含量較凈化前大幅下降。

圖2 pH=7.0時(shí)鳳眼蓮對水體中重金屬的去除效果

從圖1、2可以看出，在復(fù)合污染的練江水體中，鳳眼蓮對重金屬的吸收具有選擇性。pH=5.0時(shí)，Zn對其它金屬具有一定的抑制性；pH=7.0時(shí)，Hg對其它金屬具有一定的抑制性。此外，相同N/P，鳳眼蓮對Hg、Pb的去除效果受pH影響較為明顯，去除效果均是在pH=7.0時(shí)優(yōu)于pH=5.0；pH=7.0，盡管15d時(shí)Hg去除效果略有下降，但相應(yīng)N/P去除效果仍是pH=5.0時(shí)的1.3～1.7倍，對Pb去除效果約是pH=5.0時(shí)的1.1～1.3倍；而Zn、Cu、As在不同pH去除效果相近，無顯著性差異(P>0.05)，這意味著可通過調(diào)節(jié)pH的方式來影響鳳眼蓮對Hg、Pb的吸收。

2.2 不同pH及N/P條件下，鳳眼蓮對5種離子的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)分析

不同pH及N/P，鳳眼蓮根際對5種離子的BCFsmax順序表現(xiàn)一致，為Hg>Pb>Cu>As>Zn。pH=5.0時(shí)(表1)，不同N/P條件下鳳眼蓮根際對5種離子的富集能力15d時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，此后隨著時(shí)間推移，富集能力有一定的下降。pH=7.0時(shí)(表2)，鳳眼蓮根際對Hg的富集能力8d時(shí)達(dá)到最高，其余金屬均是15d時(shí)達(dá)到最強(qiáng)。鳳眼蓮莖葉對5種離子的富集能力隨著時(shí)間的推移逐漸增強(qiáng)，對5種離子的BAFsmax順序?yàn)镠g>Pb>Zn>Cu>As(表3、4)。

表1 pH=5.0時(shí)鳳眼蓮根際對重金屬的富集能力

表2 pH=7.0時(shí)鳳眼蓮根際對重金屬的富集能力

表3 pH=5.0時(shí)鳳眼蓮莖葉對重金屬的富集能力

表4 pH=7.0時(shí)鳳眼蓮莖葉對重金屬的富集能力

續(xù)表 pH=7.0時(shí)鳳眼蓮莖葉對重金屬的富集能力

對5種離子的轉(zhuǎn)運(yùn)能力如表5，培養(yǎng)周期內(nèi)，鳳眼蓮對Hg、Pb的TF較高，均大于0.7，而對Cu、As的TF較低，說明鳳眼蓮莖葉富集Hg、Pb較多，而根部是富集Cu、As的主要組織。對于Hg、Zn、As3種金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)能力均是pH=5.0時(shí)優(yōu)于pH=7.0，對Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)能力是pH=7.0時(shí)優(yōu)于pH=5.0，而pH對Cu的轉(zhuǎn)運(yùn)能力無顯著影響。

表5 鳳眼蓮對重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

由表1至表5可知，鳳眼蓮對5種重金屬BCFsmax和BAFsmax遠(yuǎn)大于1，且根際部分的富集系數(shù)遠(yuǎn)大于莖葉部分，表明該植物根際相對于莖葉可高效富集重金屬，雖然TF均小于1，但整體對各種金屬生物富集能力較高。其對Hg的富集能力受pH影響較大，pH=7.0條件下鳳眼蓮根際和莖葉對Hg的最大富集能力約是pH=5.0的3倍以上，可見此pH下，鳳眼蓮對Hg具有超強(qiáng)的富集能力和極強(qiáng)的耐汞毒能力；此外，莖葉對重金屬的富集能力隨著時(shí)間推移呈增長趨勢，但根際對重金屬的富集均是15d時(shí)達(dá)到最大，21d時(shí)下降(除pH=7.0時(shí)，Hg的富集能力在前8d達(dá)到最大)，這可能是由于水體氮磷比偏高，15d時(shí)鳳眼蓮根部有腐爛跡象，部分重金屬再次釋放于水體中，部分重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)至莖葉所致。

2.3 復(fù)合污染練江水體對鳳眼蓮葉綠素a與超氧化物歧化酶的影響

葉綠素含量可表征植物組織、器官的衰老狀況[10]。本試驗(yàn)中(表6)，不同pH及N/P，空白水樣中鳳眼蓮葉片葉綠素a含量在培養(yǎng)周期內(nèi)略有上升，但在污染水體中，隨著時(shí)間延長，葉綠素a含量均呈下降趨勢，N/P由20∶1到12∶1，21d時(shí)下降幅度分別為35.0%、42.0%、38.0%(pH=5.0),46.2%、51.0%、49.4%(pH=7.0)；這說明水體中存在的污染物質(zhì)抑制了鳳眼蓮葉片細(xì)胞葉綠體色素的合成[11]。此外，pH=7.0葉綠素a下降幅度明顯強(qiáng)于pH=5.0，2種pH均是在N/P=16∶1時(shí)下降幅度較大，這應(yīng)該與植物體內(nèi)重金屬富集程度有關(guān)。

超氧化物歧化酶(SOD)是一種普遍存在于動、植物體內(nèi)殘余分解超氧陰離子自由基的酶，其活性大小常作為植物抗逆性的生理指標(biāo)[12]。由表6可知，不同pH及N/P，污染水體中，由于受到重金屬影響，鳳眼蓮葉片中SOD雖小于空白水樣中含量，但在培養(yǎng)周期內(nèi)前8d葉片中SOD含量仍呈上升趨勢，這說明鳳眼蓮對污染水體中重金屬具有一定的耐受性。

表6 不同pH及N/P條件下鳳眼蓮葉綠素a和SOD活性

3 結(jié)論

pH=5.0時(shí)，鳳眼蓮對5種金屬的最佳適用凈化周期均為15d左右，其中對Zn表現(xiàn)出較強(qiáng)適應(yīng)性，最大去除率高達(dá)82%以上；pH=7.0時(shí)，鳳眼蓮對Hg的選擇性較強(qiáng)，去除效果最好，最大去除率高達(dá)90%以上，對Hg最佳適用凈化周期為8d左右，Pb、Cu、Zn、As的最佳適用凈化周期為15d左右。

相應(yīng)N/P條件下，鳳眼蓮對Hg、Pb去除效果在pH=7.0時(shí)優(yōu)于pH=5.0，對Zn、Cu、As的去除效果2種pH條件下無顯著性差異(P>0.05)。

2種pH條件下，鳳眼蓮對5種重金屬BCFsmax和BAFsmax遠(yuǎn)大于1，雖然TF均小于1，但整體對各種金屬生物富集能力較高，其中對Hg的富集能力最強(qiáng)，尤其是pH=7.0時(shí)富集效果最佳。

鳳眼蓮莖葉富集Hg、Pb較多，而根部是富集Cu、As的主要組織。對于Hg、Zn、As3種金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)能力均是pH=5.0時(shí)優(yōu)于pH=7.0，對Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)能力是pH=7.0時(shí)優(yōu)于pH=5.0，而pH對Cu的轉(zhuǎn)運(yùn)能力無顯著影響。

污染水體中，雖然鳳眼蓮葉綠素a含量培養(yǎng)周期內(nèi)呈下降趨勢，SOD前8d上升，此后隨著時(shí)間的推移呈下降趨勢，但2種pH條件下鳳眼蓮在培養(yǎng)周期內(nèi)生長旺盛，對5種離子的去除效果佳，說明鳳眼蓮是一種可能有潛力用于復(fù)合污染練江水體修復(fù)的耐性植物。