史永富,詹倩云,張龍飛,3,王夢(mèng)圓,3,葉洪麗,黃宣運(yùn),楊光昕,蔡友瓊,*
1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心(上海),農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東海漁業(yè)資源開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200090
2.四川省成都市市場(chǎng)監(jiān)督管理局,成都 610041
3.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海 201306
淡水水環(huán)境中的重金屬污染已經(jīng)嚴(yán)重影響淡水養(yǎng)殖水域和水產(chǎn)品質(zhì)量安全[1-6]。重金屬在生物體內(nèi)具有蓄積性,半衰期較長(zhǎng),會(huì)產(chǎn)生致畸、致癌和致突變等危害[7-11]。重金屬排放和隨之而來(lái)的環(huán)境影響已成為全球性的環(huán)境問(wèn)題[12-13]。工業(yè)廢水是最常見(jiàn)、最主要的重金屬污染來(lái)源之一,其能夠通過(guò)水生生物或者污水灌溉中的生物積累等途徑危害人類(lèi)健康[14-15]。目前從水環(huán)境中去除重金屬的常規(guī)技術(shù)包括植物吸附[16]、離子交換[17]、化學(xué)沉淀[18-19]、微生物吸附[20]、浮選[21]和反滲透等;雖然對(duì)重金屬去除的成效顯著,但這些方法存在成本高昂、操作困難、產(chǎn)生有毒副產(chǎn)品等問(wèn)題[22]。與傳統(tǒng)的修復(fù)方法相比,植物修復(fù)尤其是利用水生植物的修復(fù),被認(rèn)為具有良好的應(yīng)用前景[23]。
近年來(lái),利用浮水植物對(duì)水體重金屬污染進(jìn)行修復(fù)已成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[24-27]。浮水植物是一類(lèi)葉片漂浮于水面,根系位于水中的水生高等植物,也稱(chēng)浮葉植物[28]。因其根系、葉柄等部位位于水環(huán)境中,能夠吸收滿足自身所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如微量元素(重金屬:鉛(Pb)、銅(Cu)、鎘(Cd))、氮和磷等[29-30]?,F(xiàn)已報(bào)道多種可超量富集Pb、Cd、Cu、鋅(Zn)和鉻(Cr)等重金屬的浮水植物[27]。Odjegba和Fasidi[31]的研究表明,鳳眼蓮對(duì)水體中低濃度的Zn、Cr、Cu、Cd、Pb、銀(Ag)和鎳(Ni)具有很好的富集效果,但對(duì)水體中汞(Hg)的耐性較差。Khosravi等[32]調(diào)查了細(xì)綠萍對(duì)水體中Pb、Cd、Ni和Zn的富集效果,在15 d試驗(yàn)結(jié)束后,水體中4種重金屬濃度分別下降至約初始濃度(4 mg·L-1)的61%、57%、68%和74%。國(guó)內(nèi)關(guān)于水生植物修復(fù)水體環(huán)境中重金屬等危害因子的研究處于初步階段,存在水生植物單一、重金屬種類(lèi)少等問(wèn)題[26]。關(guān)于多種水生植物去除多種危害因子的研究相對(duì)較少,需要開(kāi)展更深層次的研究,能夠?yàn)榻沂舅参锶コ亟饘俚木唧w機(jī)制及其影響因素提供參考。
為進(jìn)一步探索不同浮水植物對(duì)水環(huán)境中重金屬的去除效果,本研究以鳳眼蓮、圓心萍、肚兜萍、小浮萍、大薸、大浮萍和柳葉空心菜為研究對(duì)象,對(duì)其去除水環(huán)境中重金屬能力的差異性進(jìn)行了探討分析,初步篩選出鳳眼蓮、大薸和肚兜萍3種混合植株(質(zhì)量比1∶1∶1)對(duì)水環(huán)境中的重金屬Pb、Cd、Ni、Cu、Zn和Cr具有明顯的去除效果。本研究提供了篩選浮水植物對(duì)水體環(huán)境中重金屬去除能力的方法,為重金屬污染水體環(huán)境的防控和治理修復(fù)提供了思路,對(duì)淡水養(yǎng)殖水產(chǎn)品的質(zhì)量安全控制具有重要的意義。
鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)、圓心萍(Limnobiumlaevigatum)、肚兜萍(Salvinianatans)、小浮萍(Spirodelapolyrrhiza)和大薸(Pistiastratiotes)均購(gòu)自浙江省金華市金東區(qū)江東鎮(zhèn);大浮萍(PistiastratiotesL.)采集自湖北荊州洪湖市;柳葉空心菜(IpomoeaaquaticaForsk)購(gòu)自上海市楊浦區(qū)陽(yáng)普順平菜市場(chǎng)。確保采購(gòu)植株的完整性,帶回實(shí)驗(yàn)室,用自來(lái)水沖洗干凈后用于實(shí)驗(yàn)。
電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS,7500cx,美國(guó)Agilent公司);Milli-Q超純水系統(tǒng)(Element DDS-307,美國(guó)Millipore公司);微波消解儀(ETHOS Ⅰ,意大利Milestone公司);微控?cái)?shù)顯電熱板(EH20A plus,北京萊伯泰科儀器公司,中國(guó));高速組織搗碎機(jī)(JX-2008,上海凈信實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司,中國(guó));水相尼龍濾膜(0.45 μm,德國(guó)Membrana);電子天平(e-10 d,賽多利斯儀器公司,中國(guó));加厚塑料周轉(zhuǎn)箱(長(zhǎng)75 cm,寬56 cm,高40 cm,江蘇常州秦軒塑業(yè)公司,中國(guó));理化干燥箱(LG100B,上海實(shí)驗(yàn)儀器總廠,中國(guó))。
CdCl2、K2Cr2O7、CuSO4、Zn(NO3)2、Pb(NO3)2和NiSO4均為分析純,購(gòu)自上海凌峰化學(xué)試劑有限公司;用超純水分別將6種重金屬試劑配制成50 mg·L-1的儲(chǔ)備液備用,并采用溶液現(xiàn)用現(xiàn)稀釋的原則;硝酸(優(yōu)級(jí)純,美國(guó)J.T.Baker公司),濃鹽酸(優(yōu)級(jí)純,國(guó)藥集團(tuán),中國(guó))。
Hoagland營(yíng)養(yǎng)液成分:Ca(NO3)2·4H2O、KNO3、MgSO4·7H2O、KH2PO4、FeSO4·7H2O、EDTA、H3BO4、MnCl2·4H2O和(NH4)6Mo7O24·4H2O均為分析純,購(gòu)自上海凌峰化學(xué)試劑有限公司。將上述試劑按表1配制成Hoagland營(yíng)養(yǎng)液。
表1 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液成分表Table 1 Ingredient list of Hoagland nutrient solutions
將長(zhǎng)勢(shì)良好、生物量相近的7種浮水植物置于塑料箱中預(yù)培養(yǎng)7 d以恢復(fù)根系。然后在1/10 Hoagland的營(yíng)養(yǎng)液中進(jìn)行5 d的適應(yīng)性培養(yǎng)。
按照污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 8979—1996),向塑料箱中的水體中加入Pb、Cd、Ni、Cu、Zn和Cr這6種重金屬溶液,即水體中Pb、Cd、Ni、Cu、Zn和Cr的濃度分別為1.0、0.1、1.0、0.5、2.0和1.5 mg·L-1。在露天自然條件下,每天于9:00和16:30攪動(dòng)水體2次,連續(xù)15 d每天分別取塑料箱中不同位置(左上角、右上角、左下角、右下角以及中心)液面下1、10和20 cm處的水樣,參照國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)(HJ 700—2014),用ICP-MS法測(cè)定水樣中6種重金屬元素的含量,其中6種重金屬的平均累積去除率如表2所示。
水環(huán)境中重金屬離子濃度是否均一是浮水植物篩選的關(guān)鍵,由表2可知,在露天自然條件下,水體對(duì)Pb、Cd、Ni、Cu、Zn和Cr等6種元素的自凈能力很低,對(duì)6種重金屬離子平均累積去除率均在5%以下,水體中重金屬分布較為均一。故在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,對(duì)水體的自凈作用和重金屬離子的沉淀忽略不計(jì)。
表2 自然條件下水體對(duì)6種元素平均累積去除率(n=3)Table 2 The average cumulative removal rate of the six elements in the water body under natural conditions (n=3) (%)
按1 L水∶4 g浮水植物的比例,在不同塑料箱中分別放入鳳眼蓮、圓心萍、肚兜萍、小浮萍、大浮萍和大薸,將柳葉空心菜的莖插入塑料箱中泡沫板載體的圓孔內(nèi),并在每個(gè)塑料箱中加入Hoagland營(yíng)養(yǎng)液。分別向各塑料箱的水體中加入Pb、Cd、Ni、Cu、Zn和Cr這6種重金屬溶液,水體中Pb、Cd、Ni、Cu、Zn和Cr的濃度分別為1.0、0.1、1.0、0.5、2.0和1.5 mg·L-1。每天于9:00和16:30攪動(dòng)水體2次,取各個(gè)塑料箱的水樣。隔天添加Hoagland營(yíng)養(yǎng)液以維持液面高度恒定,實(shí)驗(yàn)周期10 d。每種植物均設(shè)3個(gè)平行試驗(yàn),同時(shí)做空白對(duì)照。
同1.6節(jié),按1 L水∶4 g浮水植物的比例,在不同的塑料箱中放入鳳眼蓮、大薸和肚兜萍及這3種浮水植物的混合植株(質(zhì)量比1∶1∶1),分別設(shè)4個(gè)處理組,具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表3所示,并在每個(gè)塑料箱中添加Hoagland營(yíng)養(yǎng)液。按照污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)限量濃度的1倍、2倍、5倍和10倍,分別設(shè)4個(gè)暴露水平,并向各塑料箱的水體中加入Pb、Cd、Ni、Cu、Zn和Cr相應(yīng)濃度水平的重金屬溶液。每天于9:00和16:30攪動(dòng)水體2次,觀察浮水植物的生長(zhǎng)狀況,并取各塑料箱中的水樣。隔天添加Hoagland營(yíng)養(yǎng)液以維持液面高度恒定,實(shí)驗(yàn)周期21 d。每個(gè)處理組的每種暴露水平均設(shè)3個(gè)平行試驗(yàn),同時(shí)設(shè)空白對(duì)照。不同暴露水平下的重金屬濃度如表4所示。
表3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖Table 3 Sketch map of the experiment
表4 不同暴露水平下的重金屬濃度Table 4 The concentrations of heavy metals on different exposure level (mg·L-1)
參照國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)(HJ 700—2014),采用ICP-MS法測(cè)定每天各塑料箱水樣中6種重金屬元素的含量。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過(guò)程中,觀察浮水植物的生長(zhǎng)狀況,對(duì)植物進(jìn)行取樣,并用ICP-MS法測(cè)定浮水植物中Pb、Cd、Cu、Zn、Cr和Ni的含量[33]。數(shù)據(jù)計(jì)算和圖表繪制用Excel、Origin 8.5和SPSS 22.0完成。
在水環(huán)境中重金屬濃度為污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)限量的1倍時(shí),Pb、Cd和Ni的暴露濃度分別為1、0.1和1 mg·L-1,多數(shù)浮水植物對(duì)水環(huán)境中的Pb、Cd和Ni重金屬離子的去除效果呈現(xiàn)出先快速后穩(wěn)定的規(guī)律(圖1)。相比于其他6種浮水植物,鳳眼蓮對(duì)Pb、Cd和Ni的去除效果更為顯著(P<0.01),且在第4天時(shí)鳳眼蓮對(duì)水環(huán)境中Pb、Cd和Ni的去除率已超過(guò)50%,其次為肚兜萍和大薸。小浮萍和大浮萍對(duì)Pb、Ni的去除作用不明顯,對(duì)Cd的去除作用也較弱。浮水植物對(duì)Pb、Ni的去除能力大小依次為:鳳眼蓮>肚兜萍>大薸>柳葉空心菜>圓心萍>小浮萍≈大浮萍。圓心萍和柳葉空心菜對(duì)Cd的去除規(guī)律相似,在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行第5天后,水體中的Cd呈現(xiàn)波動(dòng)態(tài)勢(shì),這表明二者對(duì)Cd的去除能力已趨于飽和,且浮水植物對(duì)Cd的去除能力大小依次為:鳳眼蓮>大薸>肚兜萍>柳葉空心菜>圓心萍>大浮萍>小浮萍。
圖1 在暴露水平1下浮水植物對(duì)水環(huán)境中Ni、Pb和Cd含量變化的影響Fig. 1 The effect of floating plants on the concentration of Ni,Pb and Cd in the water environment at the exposure level 1
Cu、Zn是植物生存中所必需的微量元素[33],因此植物對(duì)其具有一定的吸收作用。本研究中浮水植物對(duì)水環(huán)境中Cu、Zn的吸收呈現(xiàn)出相似的差異性,如圖2所示。其中小浮萍和大浮萍幾乎不吸收水體中的Cu;且對(duì)水環(huán)境中Zn的去除能力也較差,吸收率分別為10%和15%,而其他4種浮水植物總體均呈現(xiàn)出前期吸收較快、后期逐漸趨于平衡的狀態(tài),圓心萍對(duì)水環(huán)境中Cu、Zn的去除能力較弱,且在6~10 d時(shí)對(duì)Zn去除能力存在減小的現(xiàn)象。大薸對(duì)Cu、Zn的去除最為顯著(P<0.05),在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的0~5 d內(nèi),大薸快速吸收水體中的Cu,使其含量下降了約60%,而后水環(huán)境中的Cu含量保持穩(wěn)定。浮水植物對(duì)Cu、Zn的去除能力排序相同,其大小依次為:大薸>鳳眼蓮>肚兜萍>柳葉空心菜>圓心萍>小浮萍>大浮萍。
圖2 暴露水平1下7種浮水植物對(duì)水環(huán)境中Cu、Zn含量變化的影響Fig. 2 The effect of seven kinds of floating plants on the concentration of Cu and Zn in the water environment at the exposure level 1
本研究中,浮水植物對(duì)重金屬的耐受差別明顯(圖3)。其中,肚兜萍對(duì)Cr的耐受能力和去除能力均最強(qiáng),在0~2 d,水環(huán)境中Cr的含量就下降了約50%;鳳眼蓮和大薸的去除能力次之,且二者對(duì)水環(huán)境中Cr的去除能力相似,在暴露結(jié)束時(shí),二者對(duì)Cr的去除率也達(dá)50%;柳葉空心菜、圓心萍對(duì)Cr的去除能力較差;而小浮萍和大浮萍對(duì)Cr幾乎不產(chǎn)生去除作用。浮水植物對(duì)水環(huán)境中Cr的去除能力大小依次為:肚兜萍>鳳眼蓮≈大薸>柳葉空心菜>圓心萍>大浮萍≈小浮萍。
圖3 暴露水平1下7種浮水植物對(duì)水環(huán)境中Cr含量變化的影響Fig. 3 The effect of seven kinds of floating plants on the concentration of Cr in the water environment at the exposure level 1
所選的幾種浮水植物中鳳眼蓮、大薸和肚兜萍對(duì)水環(huán)境中6種重金屬的去除效果更顯著,均能使暴露溶液中重金屬的濃度在暴露結(jié)束后減少量超過(guò)50%,且生長(zhǎng)狀況良好,因此本實(shí)驗(yàn)選用鳳眼蓮、肚兜萍和大薸作為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的對(duì)象。
2.2.1 不同暴露水平下浮水植物的生長(zhǎng)情況
將鳳眼蓮、肚兜萍和大薸3種浮水植物按照表2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行暴露實(shí)驗(yàn),隨著重金屬溶液濃度的增大和實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng),4個(gè)處理組均出現(xiàn)了葉片枯黃萎蔫的現(xiàn)象。與空白對(duì)照相比,在暴露水平2和3下,混合植物組的生長(zhǎng)情況明顯優(yōu)于其他3個(gè)處理組。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行第3天時(shí),暴露水平4下的4個(gè)處理組均出現(xiàn)不同程度的葉片損傷現(xiàn)象,且在實(shí)驗(yàn)第5天時(shí),4個(gè)處理組均出現(xiàn)葉片凋零、植株死亡現(xiàn)象。這種現(xiàn)象說(shuō)明該暴露水體中重金屬濃度過(guò)高,對(duì)4個(gè)處理組植物產(chǎn)生不可逆的致死效應(yīng)。這可能是由于高濃度的重金屬使植物體內(nèi)活性氧自由基劇增,超出了超氧化物歧化酶(SOD)的歧化-清除能力,且隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),SOD的酶活急劇下降,最終使浮水植物死亡[34]。
2.2.2 暴露水平1下不同處理組對(duì)重金屬的去除效果
在暴露水平1下,不同處理組對(duì)水體中6種重金屬的累積去除率變化如圖4所示。由圖4可知,各處理組的重金屬累積去除率均呈升高后趨于穩(wěn)定的態(tài)勢(shì),說(shuō)明隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行各處理組浮水植物對(duì)水環(huán)境中的重金屬均有不同程度的去除效果,但去除率隨時(shí)間的推移最終達(dá)到平衡。浮水植物去除水環(huán)境中重金屬的機(jī)制尚不清楚,目前學(xué)者認(rèn)同的觀點(diǎn)主要有根系過(guò)濾作用[27],或通過(guò)根際分泌金屬螯合分子的螯合作用[35]以及根細(xì)胞具有較多的重金屬結(jié)合位點(diǎn)[36]三大理論。在本研究中,處理組4(鳳眼蓮、肚兜萍和大薸)對(duì)Pb、Cd的富集效果明顯好于其他3組,推測(cè)鳳眼蓮、肚兜萍和大薸對(duì)水環(huán)境中Pb、Cd重金屬離子的富集可能存在協(xié)同效應(yīng)[37],具體的去除機(jī)理需要進(jìn)一步開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。處理組4對(duì)Cu、Zn的累積去除率走勢(shì)與處理組3(肚兜萍)相似,但均略優(yōu)于處理組3。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的前期,處理組1(鳳眼蓮)和處理組2(大薸)對(duì)Ni和Cr的累積去除率均有高于處理組4的現(xiàn)象,但此后處理組4的累積去除率均高于二者;處理組4對(duì)水環(huán)境中Pb、Cd、Cr、Cu、Zn和Ni累積去除率均>60%,具有良好的去除能力。為進(jìn)一步探索浮水植物在一定條件下,對(duì)水環(huán)境中重金屬離子去除的最佳效果,本研究選取混合植株鳳眼蓮、肚兜萍和大薸(質(zhì)量比1∶1∶1)作為后期實(shí)驗(yàn)組植株。
2.2.3 不同暴露水平下混合植株對(duì)重金屬的去除效果
對(duì)實(shí)驗(yàn)組植株(鳳眼蓮、肚兜萍和大薸)在不同暴露水平下的累積去除率進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,在0~9 d,實(shí)驗(yàn)組植株對(duì)水環(huán)境中重金屬離子的累積去除率隨著暴露水平的增高而降低。在暴露水平4下,實(shí)驗(yàn)組植株對(duì)6種重金屬的累積去除率始終處于最低,甚至還出現(xiàn)了死亡現(xiàn)象,這可能是因?yàn)橹亟饘贊舛冗^(guò)高,破壞了植株對(duì)水環(huán)境中重金屬濃度耐受的極限,并導(dǎo)致對(duì)重金屬離子的累積去除率降低甚至出現(xiàn)不可逆死亡現(xiàn)象[38],這與2.2.1節(jié)實(shí)驗(yàn)中的結(jié)果相符。
圖5 實(shí)驗(yàn)組植株在不同暴露水平下對(duì)水環(huán)境中重金屬的累積去除率Fig. 5 The cumulative removal rate of heavy metals in the aquatic environment of plants in the experimental group under different exposure levels
在整個(gè)暴露階段,實(shí)驗(yàn)組植株在暴露水平1、2、3下對(duì)水環(huán)境中Pb、Cd、Cr、Zn、Cu和Ni累積去除率的趨勢(shì)相似,均是隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行先呈上升的趨勢(shì)。在暴露實(shí)驗(yàn)的第15天時(shí),實(shí)驗(yàn)組植株對(duì)各暴露水平的重金屬累積去除率達(dá)到平衡,且均超過(guò)了50%。而水環(huán)境中重金屬濃度為暴露水平4時(shí),實(shí)驗(yàn)組植株對(duì)重金屬離子Cu、Zn的累積去除率高于其他4種重金屬,這可能因?yàn)镃u、Zn是植株完成生理活動(dòng)所必需的微量元素[26,33]。且在水環(huán)境中重金屬濃度為暴露水平2時(shí),實(shí)驗(yàn)組植株對(duì)重金屬離子Cd、Cr、Zn、Cu和Ni的累積去除率達(dá)到最高,分別為75.86%、80.06%、72.19%、82.97%和75.92%;在暴露水平3下,實(shí)驗(yàn)植株對(duì)Pb的累積去除率達(dá)到最高,為76.01%。這表明,當(dāng)水環(huán)境中重金屬污染濃度為污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)限定濃度的1倍、2倍和5倍時(shí),實(shí)驗(yàn)組植株可以作為一種污水凈化重金屬離子的方法。
通過(guò)對(duì)鳳眼蓮、圓心萍、肚兜萍、小浮萍、大浮萍、大薸和柳葉空心菜7種浮水植物移除重金屬能力的篩選,確定水體環(huán)境中重金屬濃度在污水處理標(biāo)準(zhǔn)濃度限量的5倍以內(nèi)時(shí),鳳眼蓮、肚兜萍和大薸(質(zhì)量比1∶1∶1)混合植株對(duì)水體環(huán)境中重金屬的累積去除率與暴露濃度呈正相關(guān)。暴露水平為污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)限量濃度的2倍時(shí),混合植株對(duì)Cr、Cu、Zn、Cd和Ni這5種重金屬的累計(jì)去除率達(dá)到最高,分別為75.86%、82.97%、72.19%、80.06%和75.92%;暴露濃度為污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)限量濃度的5倍時(shí),混合植株對(duì)Pb的累積去除率達(dá)到最高,為76.01%。隨著重金屬離子濃度的增大,浮水植物對(duì)水中重金屬離子的去除能力大致呈現(xiàn)出先上升后下降的規(guī)律。當(dāng)水體中6種重金屬離子濃度為污水處理標(biāo)準(zhǔn)濃度限量的10倍時(shí),會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)組植株出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的損害直至死亡。本研究為篩選多種浮水植物富集水體環(huán)境中重金屬的能力提供了參考,能夠?yàn)樗w環(huán)境中重金屬污染的防控提供技術(shù)支持,對(duì)解決淡水水產(chǎn)品養(yǎng)殖過(guò)程中重金屬等危害因子超標(biāo)問(wèn)題具有重要意義。