用觀賞植物水培法修復含Cr(Ⅵ)污水①

邵明國 瞿長波 付美春 高小茵

(玉溪師范學院 環(huán)境科學系,云南 玉溪 653100)

用觀賞植物水培法修復含Cr(Ⅵ)污水①

邵明國 瞿長波 付美春 高小茵②

(玉溪師范學院 環(huán)境科學系,云南 玉溪 653100)

植物修復;鉻污染;污水處理;旱傘草;尖尾芋;富貴竹

采用水培法,對旱傘草、尖尾芋和富貴竹三種觀賞植物在不同濃度的含Cr(Ⅵ)污水中的生長情況及其對廢水中Cr(Ⅵ)的去除效果進行實驗研究.結果表明:為期兩周,在Cr(Ⅵ)濃度為0.1～10 mg·L-1時,旱傘草對Cr(Ⅵ)表現(xiàn)出較好的適應能力和耐受性,其生物量增長率最高可達47.4%,且對Cr(Ⅵ)的修復去除效果最好,Cr(Ⅵ)的去除率均大于90%,達到了車間排放標準,說明旱傘草用于Cr(Ⅵ)污染水體的修復具有較好的效果和較大的潛力.

鉻是重要的環(huán)境污染物,鉻的化合物主要以六價鉻(Cr O2-4,Cr2O2-7)和三價鉻(Cr3+;Cr(OH)3)的形式存在于環(huán)境中[1],Cr(Ⅵ)的毒性比Cr(Ⅲ)大100倍,Cr(Ⅵ)化合物水溶性強,易通過食物鏈形成生物放大效應[2],對人體構成潛在威脅,甚至引發(fā)“三致”作用[1].因此,目前在整個世界范圍內對含鉻廢物的排放都進行了限制.我國《工業(yè)“三廢”排放試行標準》(GB21900-2008)規(guī)定Cr(Ⅵ)車間或車間處理設備排出口最高容許限度為0.5 mg·L-1;《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-85)中規(guī)定生活飲用水中的Cr(Ⅵ)含量不得超過0.05 mg·L-1.《中華人民共和國國家標準農田灌溉水質標準》(GB5084-92)規(guī)定農田灌溉用水的Cr(Ⅵ)含量不得超過0.1 mg·L-1[3].

目前,含鉻廢水的處理方法主要有三類:化學還原沉淀法、物理化學方法、生物修復技術[4].其中生物法中的植物修復技術是新近發(fā)展起來的生物修復技術的一個分支,是近年來治理水體及土壤重金屬污染的重要方法,利用植物忍耐和超量積累某些污染物來對污染環(huán)境進行治理,具有成本低、效果好、應用廣、純自然等優(yōu)點.但目前國內外見諸報道的對Cr(Ⅵ)具有耐受性和超積累的植物僅有三種,在津巴布韋發(fā)現(xiàn)的Dicoma niccoliferaWild和Suterafodina Wild[5]及我國的張學洪等發(fā)現(xiàn)的李氏禾(Leersia hexan draSwartz)[6].李氏禾屬于禾本科濕生植物,適合于修復鉻污染濕地.其余兩種雖然鉻富集能力很強,但由于生物量較小、生長緩慢,大面積栽培困難,若作為重金屬植物修復材料,缺乏實際操作可行性,適于鉻污染環(huán)境修復的植物至今未見報道.

由于Cr(Ⅵ)易溶于水,因此其容易隨著水流而遷移到土壤及水體中,進而通過食物鏈對人類造成危害.針對六價鉻的性質特點,如能實施源頭控制,采用水培的植物修復方法,將Cr(Ⅵ)從污水中直接轉移至水生植物中,避免其隨著水進入土壤及其他環(huán)境中,則其對環(huán)境及人類的危害必將大大減少.因此篩選并找到適宜的對鉻具有耐受性及超累積累性的水生植物,是利用植物修復鉻污染環(huán)境的核心及關鍵所在.

在本研究中,筆者以旱傘草、尖尾芋和富貴竹三種觀賞性水陸兩生植物為研究對象,以篩選適宜的Cr(Ⅵ)修復植物為目的,在水培條件下研究了旱傘草、尖尾芋和富貴竹三種植物在Cr(Ⅵ)廢水中的生長狀況及其對Cr(Ⅵ)的去除效果,通過比較,篩選出生長良好且修復效果較好的物種,為Cr(Ⅵ)污染水體的修復提供依據(jù).

1 實驗方法

主要儀器和試劑722S可見光分光光度計,鉻標準貯備液(100 mg·L-1),二苯碳酰二肼,丙酮,硝酸,(1+1)磷酸,(1+1)硫酸.

試驗材料①旱傘草(Cyperus alternifolius)別名傘草、風車草等,屬于莎草科莎草屬;②尖尾芋(Alocasia cucullata)別名番芋、臺灣姑婆芋等,屬于天南星科海芋屬;③富貴竹(Dracaena san deriana)屬于龍舌蘭科龍血樹屬[7].上述三種植物都屬于水陸均可生長的觀賞性植物.

實驗方法從土壤中移出生長良好的旱傘草和尖尾芋若干株,洗凈泥土;富貴竹直接從市場上購買.將上述植株在普通自來水中適應性培養(yǎng)1周后,稱取各植株的初始生物量.隨后將其分別放入濃度為0.10、0.30、0.50、1.00、5.00、8.00、10.00 mg·L-1,體積為1L的模擬Cr(Ⅵ)廢水中培養(yǎng),培養(yǎng)期間注意補充自來水,保持培養(yǎng)液的體積基本不變.培養(yǎng)時間兩周.培養(yǎng)過程中每周稱量一次各植株的生物量,最后用二苯碳酰二肼分光光度法[8]測定培養(yǎng)液中剩余的Cr(Ⅵ)的濃度,根據(jù)實驗結果求出生物增長率、富集量進行綜合比較分析,篩選出修復效果最好的物種.

2 實驗結果及討論

2.1 三種植物在不同濃度Cr(Ⅵ)溶液中的生物量增長情況

第一周和第二周結束時,分別稱量三種植物在各濃度培養(yǎng)液中的各植株的生物量(濕重),根據(jù)生物量計算出各植株的增長率,結果見表1、表2、表3.

表1 旱傘草的生物量及增長率變化情況(濕重)

表2 富貴竹的生物量及增長率變化情況(濕重)

表3 尖尾芋的生物量及增長率變化情況(濕重)

從表中數(shù)據(jù)可以看出,尖尾芋和富貴竹的生物量增長率均隨Cr(Ⅵ)濃度的升高而降低.當Cr(Ⅵ)的濃度為5.0 mg·L-1時,尖尾芋的增長率為零,超過此濃度后植株就開始出現(xiàn)葉片發(fā)黃的病理現(xiàn)象;當Cr(Ⅵ)的濃度超過8.0 mg·L-1后,富貴竹增長率為零.鑒于此,本研究對尖尾芋的后續(xù)研究濃度僅只是做到了5.0 mg·L-1.

三種植物在含鉻污水中的總增長率變化趨勢見圖1.從圖1看,在整個濃度范圍內,旱傘草的生物量都在增加,且其生物量的增長率與Cr(Ⅵ)濃度具有很好的相關性.在Cr(Ⅵ)濃度為0.1～0.5 mg·L-1時,其增長率隨著Cr(Ⅵ)濃度的增加而逐漸升高,隨后增長率隨著Cr(Ⅵ)濃度的增加而逐漸降低.出現(xiàn)上述現(xiàn)象,可能是由于Cr(Ⅵ)在低濃度時對某些植物有促進生長的作用,而在高濃度時則抑制植物的生長有關[9].

圖1 三種植物在含鉻污水中的總增長率變化趨勢

Cr(Ⅵ)濃度為10.0 mg·L-1時,旱傘草的生物量增長率出現(xiàn)異常,這可能是由于該植株的初始生物量較大,單位質量的生物量所分擔的Cr(Ⅵ)質量反而比8.0 mg·L-1培養(yǎng)液中的植株少,所以其生物量反而增加的更多.由此也啟示我們,在討論植物修復的耐受性及生物量增長率時,不能只考慮污染物濃度,還因考慮植株的初始生物量及污染物的體積等因素.

在相同條件下,旱傘草的生長狀況始終是最好的,實驗中所有的旱傘草也無任何病癥出現(xiàn).在Cr(Ⅵ)濃度大于5.0 mg·L-1時,尖尾芋在第二周結束后其老葉就出現(xiàn)壞死斑,且?guī)缀醪婚L.Cr(Ⅵ)濃度為8.0 mg·L-1和10.0 mg·L-1時,富貴竹雖無病癥出現(xiàn),但生物量幾乎不增長,說明尖尾芋和富貴竹對Cr(Ⅵ)的耐受性較差.

三者相比,旱傘草的增長率最高,富貴竹的增長率最低.旱傘草的生長狀況受環(huán)境中Cr(Ⅵ)的影響最小,旱傘草本身對Cr(Ⅵ)污染環(huán)境的適應能力最強.且總體看,三種植物第二周的增長率都比第一周增長率低;說明Cr(Ⅵ)對三者的抑制作用與作用時間有關,作用時間越長,抑制作用就越強.

2.2 修復效果及其影響分析

培養(yǎng)兩周后,分別取經各植物修復后的水樣測定經修復后剩余的Cr(Ⅵ)的濃度,結果如表4.

表4 植物修復后培養(yǎng)液中剩余Cr(Ⅵ)的濃度(mg·L-1)及去除率

從表4看,旱傘草對Cr(Ⅵ)的修復效果最好,經過兩周的培養(yǎng),污水中的Cr(Ⅵ)濃度均達到了車間排放標準,初始濃度為5.0 mg·L-1以下的污水經修復后達到了農田灌溉標準.濃度為8.0 mg·L-1培養(yǎng)液的剩余鉻濃度比濃度為10.0 mg·L-1的培養(yǎng)液中的高,原因依然是與其初始生物量有關.

旱傘草對培養(yǎng)液中的Cr(Ⅵ)去除率均在90%以上.旱傘草對濃度10.0 mg·L-1的培養(yǎng)液中Cr(Ⅵ)的去除率較8.0 mg·L-1的培養(yǎng)液中高,原因還是與其初始生物量較大有關.

富貴竹和尖尾芋均對水中低濃度的Cr(Ⅵ)有去除作用,但濃度超過0.5 mg·L-1后,二者對Cr(Ⅵ)的去除效果及去除率即開始下降.

2.3 各植株中鉻的富集量

根據(jù)培養(yǎng)液中剩余鉻的濃度及各植株的最后生物量,計算鉻在各植株中的生物富集量(濕重)并作圖2.從圖2看,三種植物體中的鉻富集量與培養(yǎng)液中Cr(Ⅵ)的濃度呈正相關,其富集量都隨濃度的增大而增大.在低濃度時,尖尾芋的富集量最大,但由于其生物量增長較慢,因此沒有太大的實際應用價值.旱傘草的富集量一直都隨著培養(yǎng)液的濃度的增大而增大,且其生物量也一直都在增大,表明其對鉻有較強的吸收和較好的耐受性.

圖2 三種植株富集量比較

此外,植株中鉻的富集量還與植株的初始生物量有關,Cr(Ⅵ)濃度為8.0 mg·L-1培養(yǎng)液中的植株富集量比10.0 mg·L-1中所培養(yǎng)植株的大,主要是由于后者的初始生物量較大,單位質量的植株所分擔的Cr(Ⅵ)的質量反而比前者小的結果.因此在進行植物的耐受性研究的時候,在考慮污染物的濃度影響的同時,還應該考慮植株的初始生物量的影響.

3 結果與討論

通過以上實驗研究表明,在研究濃度范圍內,無論從生物量增長率、Cr(Ⅵ)去除效果、Cr(Ⅵ)去除率還是富集量考慮,旱傘草都是最佳用于修復Cr(Ⅵ)污水的植物,比用水葫蘆修復[10]的效果要好得多.

富貴竹從增長率、Cr(Ⅵ)去除率、富集量都較旱傘草和尖尾芋低,因此不適合用于含Cr(Ⅵ)污水的修復.尖尾芋在低濃度范圍內的富集量相對較大,但在高濃度時其生物量增長率較小或是增長率為零且長勢不好,所以也不適合用于Cr(Ⅵ)污水的修復.

通過實驗研究,我們也得到了一些啟示:在篩選植物修復含鉻污水的植物時,除了考慮植物的耐受濃度及富集量外,還應該綜合考慮植物的生物量增長率、污染物的去除效果、污染物去除率等因素.此外在衡量植物的耐受性的時候不能只考慮污染物的濃度一個因素,還應考慮所使用的污染物的總質量與植株的初始生物量之間的關系,通常植株的初始生物量越大,所能耐受的污染物的量也越大.

[1]李東偉,尹光志.重金屬污染土壤(渣場)環(huán)境危害及綜合防治技術[M].北京:科學出版社,2012:28-32.

[2]戴樹桂.環(huán)境化學[M].北京:高等教育出版社,2006:311-312.

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[4]馬前,張小龍.國內外重金屬廢水處理新技術的研究進展[J].環(huán)境工程學報,2007(7):10.

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[6]張學洪,羅亞平,一種新發(fā)現(xiàn)的濕生鉻超積累植物——李氏禾(Leersia hexan draSwartz)[J].生態(tài)學報,2006,26 (3):950-953.

[7]蔣青海.家庭養(yǎng)花大全:第二版[M].江蘇:江蘇科學技術出版社,2002:3-103.

[8]水質《六價鉻的測定》(二苯碳酰二肼分光光度法)[S].GB/T 7467-1987.

[9]朱定祥,倪守斌.鉻的生物地球化學及生物效應[J].廣東微量元素科學,2004,11(4):1-10.

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Phytoremediation of Wastewater Containing Cr(VI) by Ornamental Hydrophytes Plants

SHAO Mingguo QU Changbo FU Meichun GAO Xiaoyin
(Department of Environmental Science,Yu Xi Normal University,Yu Xi,Yunnan 653100,China)

Phytoremediation;Chromium pollution;Wastewater treatment;Cyperus alternifolius;Alocasia cucullata; Dracaena sanderiana

Three ornamental hydrophytes plants:Cyperus alternifolius,Alocasia cucullata and Dracaena sanderiana are planted in Wastewater Containing different levels of Cr(VI)by hydroponics experiments.In order to study their tolerance to Cr(Ⅵ).The biomass,the growth rate,the removal ratio of Cr(VI)and enrichment quality were studied.The results show that within the range of 0.1～10 mg·L-1of Cr(VI)initial concentrations and over a two-week growing period,Cyperus alternifolius shows better adaptation and tolerance to Cr(VI),The highest growth rate of Cyperus alternifolius attains to 47. 3%;Cyperus alternifolius also shows good efficiency of the Cr(VI)removal,and the removal ratio of 90%Cr(VI)is obtained in all levels of Cr(VI)concentrations.

X52

A

1009-9506(2014)08-0032-05

2014年5月9日

邵明國,研究方向:植物修復與污水處理.

①玉溪師范學院大學生創(chuàng)新計劃項目,編號:2013B02.

②通信作者:高小茵,教授,碩士,E-mail:gxy@yxnu.net.