供稿|張彧，林海， ，董穎博，，李冰， / ZHANG Yu, LIN Hai, , DONG Ying-bo, , LI Bing,

作者單位：1. 北京科技大學(xué)環(huán)境工程系，北京 100083； 2. 工業(yè)典型污染物資源化處理北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

水體重金屬污染日益嚴(yán)重，且因重金屬難降解，其在水體中的累積不僅會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染問(wèn)題，而且可能通過(guò)食物鏈直接或間接地危害到人類的身體健康[1]。傳統(tǒng)的物理、化學(xué)治理方法存在成本高、易產(chǎn)生二次污染等缺點(diǎn)，利用水生植物處理重金屬污染水體的方法因具有經(jīng)濟(jì)有效、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)而成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[2]。潘義宏等[3]主要研究了多種沉水植物對(duì)水體中砷的去除效果，施國(guó)新等[4-6]主要研究了浮水植物滿江紅、黑藻、狐尾藻對(duì)汞的去除效果。但是，同時(shí)針對(duì)挺水、浮水、沉水三種植物類型對(duì)砷、汞復(fù)合污染修復(fù)的研究甚少，且目前的研究多為大劑量實(shí)驗(yàn)，而實(shí)際水環(huán)境多為低濃度污染。因此，本文針對(duì)湖北某地的水體砷、汞污染情況，通過(guò)前期調(diào)研并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，選取挺水植物：香蒲、菖蒲；浮水植物：睡蓮、大薸；沉水植物：狐尾藻、黑藻進(jìn)行砷、汞復(fù)合重金屬富集實(shí)驗(yàn)。研究水生植物在砷、汞脅迫下的生物量變化及富集重金屬能力，比較其對(duì)砷、汞復(fù)合污染的去除效果，確定修復(fù)優(yōu)勢(shì)物種以期為解決當(dāng)?shù)厮w污染提供重要依據(jù)。

材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選取的水生植物香蒲、菖蒲、睡蓮、大薸、狐尾藻、黑藻均購(gòu)自江蘇宿遷某苗圃基地。剔除實(shí)驗(yàn)用水生植物的枯葉等雜物，經(jīng)自來(lái)水洗凈后，移入塑料整理箱(40 cm×30 cm×200 cm)，并加入1/5的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液(Hoagland營(yíng)養(yǎng)液配制方法見表1)，進(jìn)行適應(yīng)性培養(yǎng)2周。

表1 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液配方

實(shí)驗(yàn)方法

選取預(yù)處理后長(zhǎng)勢(shì)良好、大小一致的植株，移入敞口玻璃瓶中，每瓶放入鮮重50 g左右的植物，加入1.8 L 1/10 Hoagland培養(yǎng)液，每種植物均設(shè)置三個(gè)不同濃度的處理組：HM1{80 mg/L As(V)，1 mg/L Hg(Ⅱ)}、HM5{400 mg/L As(V)，5 mg/L Hg(Ⅱ)}、HM10{800 mg/L As(V)，10 mg/L Hg(Ⅱ)}，并重復(fù)3次。同時(shí)設(shè)置不加As(V)、Hg(Ⅱ)的實(shí)驗(yàn)組作為空白對(duì)照組。As(V)以NaH2AsO4形式添加，Hg(Ⅱ)以HgCl2形式添加。實(shí)驗(yàn)周期30天，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將植物用去離子水沖洗3遍，置于80℃烘箱中烘干至恒重；另將敞口玻璃瓶中水樣混合均勻后用0.45 mm濾膜過(guò)濾并酸化保存。分別用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)和智能冷原子熒光測(cè)汞儀測(cè)定植株內(nèi)及水樣中的重金屬As(V)、 Hg(Ⅱ)含量。

結(jié)果與討論

不同濃度砷、汞對(duì)水生植物生物量的影響

多數(shù)水生植物的生物量大小與其對(duì)水體重金屬污染的去除效率直接相關(guān)[7]。若生物量適當(dāng)增加，凈化效率則會(huì)相應(yīng)提高。生物量的變化也可顯示出植物受重金屬脅迫的程度。

圖1 30天后三類水生植物在不同重金屬處理水平下的生物量

由圖1可以看出，三類水生植物的干重均隨重金屬處理濃度的升高而出現(xiàn)不同程度的降低。但在HM5處理下，菖蒲的生物量與其在HM1處理下的生物量相比并無(wú)減少，反而增加了0.05 g左右。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沉水植物生物量的下降最為明顯。其中，黑藻在HM10處理下的生物量(2.85 g)與其在HM1處理下的生物量(7.69 g)相比下降幅度最大，減少了46%。狐尾藻在HM5處理下的生物量(5.05 g)與其在HM1處理下的生物量(8.70 g)相比，減少了42%。兩種浮水植物睡蓮和大薸在HM5處理下的生物量(7.06 g和6.07 g)與在HM1處理下的生物量(8.13 g和7.73 g)相比均降低了35%。此外，挺水植物香蒲和菖蒲在HM10處理下，其生物量(6.04 g和6.55 g)才出現(xiàn)了小幅度下降，與其在HM1處理下的生物量(7.59 g和7.39 g)相比，只下降了10%。

隨著重金屬濃度的升高，沉水植物狐尾藻、黑藻的生物量減少最多，浮水植物睡蓮、大薸生物量的減少次之。挺水植物香蒲、菖蒲的生物量并未隨重金屬濃度的升高而出現(xiàn)明顯的下降。高生物量是超富集植物應(yīng)具備的特征之一[8]，在砷汞復(fù)合污染暴露下，香蒲和菖蒲均顯示出較強(qiáng)的耐受性。

水生植物對(duì)水體中的物質(zhì)循環(huán)、水質(zhì)凈化等方面起重要作用[9]。研究水生植物對(duì)重金屬的富集能力不僅為篩選出的超富集植物提供依據(jù)，還能夠指示環(huán)境中的重金屬水平[10-11]。

由圖2可以看出，三類水生植物體內(nèi)的砷含量均隨重金屬處理濃度的升高而出現(xiàn)不同幅度的增大。其中，黑藻在HM10處理后其體內(nèi)的砷濃度達(dá)到最大，約為187 mg/kg。此外，黑藻在HM5處理后其體內(nèi)的砷濃度(73.94 mg/kg)與其在HM1處理后體內(nèi)的

水生植物在不同砷、汞濃度下對(duì)重金屬的富集能力

圖2 30天后三類水生植物在不同重金屬處理水平下植物體內(nèi)砷含量

砷濃度(13.30 mg/kg)相比漲幅最大，增加了80%。挺水植物香蒲和菖蒲在HM5處理后體內(nèi)的砷濃度(80.47 mg/kg和66.67 mg/kg)與其在HM1處理后體內(nèi)的砷濃度(17.43 mg/kg和15.92 mg/kg)相比，均有75%的增加。三類水生植物在HM10處理后體內(nèi)的砷濃度與HM5處理后體內(nèi)的砷濃度對(duì)比，也均有50%的增大。

由圖3可知，三類水生植物體內(nèi)的汞含量同樣隨著重金屬處理濃度的升高而出現(xiàn)不同幅度的增大。其中，大薸在HM5處理后其體內(nèi)的汞濃度(1.02 mg/kg)與其在HM1處理后體內(nèi)的汞濃度(0.12 mg/kg)相比增加的比例最大，有88%的增加。此外，挺水植物香蒲和菖蒲在HM5處理后體內(nèi)的汞濃度(0.78 mg/kg和1.08 mg/kg)與其在HM1處理后體內(nèi)的汞濃度(0.16 mg/kg和0.22 mg/kg)相比，也均有80%的增加。隨著重金屬處理濃度進(jìn)一步增大，HM10處理后水生植物體內(nèi)汞濃度與HM5處理后體內(nèi)的汞濃度相比，增加幅度減緩，但實(shí)驗(yàn)所選的六種水生植物體內(nèi)的汞濃度均有16%~51%的增加。

圖3 30天后三類水生植物在不同重金屬處理水平下植物體內(nèi)汞含量

不同水生植物對(duì)重金屬的富集能力有很大差異[12]，實(shí)驗(yàn)所選六種水生植物對(duì)砷、汞復(fù)合污染均展示出一定的耐性。避性和耐性是植物獲得對(duì)重金屬抗性的兩種途徑[13]。某些植物體內(nèi)具有的特定生理機(jī)制能使其生存于高含量的重金屬環(huán)境中而不受損害，此種途徑即為耐性。三類水生植物對(duì)水體中砷的富集能力差異并不顯著，大薸、香蒲、菖蒲這三種水生植物對(duì)汞的富集能力要明顯優(yōu)于其他實(shí)驗(yàn)植物。Brankovic等[14]的研究也發(fā)現(xiàn)菖蒲對(duì)汞有很強(qiáng)的富集能力。

水生植物對(duì)不同濃度砷、汞污染的去除效果

根據(jù)各處理組中水生植物體內(nèi)的砷、汞濃度及其干重，分別計(jì)算三類水生植物在不同濃度的砷、汞復(fù)合污染下對(duì)重金屬的去除總量。

由圖4可知，隨著重金屬處理濃度的增加，三類水生植物對(duì)重金屬砷的去除總量均在逐漸變大。其中，香蒲在HM10處理下，其對(duì)砷的去除總量達(dá)到最大，約為1036 μg；在同樣處理?xiàng)l件下，香蒲對(duì)砷的去除總量比其他水生植物大20%~50%。此外，菖蒲在HM10處理下，其對(duì)砷的去除總量次之，達(dá)到843 μg。各類水生植物在HM1處理下，對(duì)砷的去除總量之間并無(wú)明顯差異。隨著重金屬濃度的增加，在HM5和HM10處理下挺水植物香蒲和菖蒲對(duì)砷的去除總量與另兩類植物對(duì)比，有明顯的優(yōu)勢(shì)；尤其香蒲在各個(gè)處理濃度下，對(duì)砷的去除總量均最大。

圖4 30天后三類水生植物在不同重金屬處理水平下對(duì)砷的去除總量

挺水植物香蒲和菖蒲與其他兩類水生植物相比，其體內(nèi)的砷濃度并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。植物體內(nèi)砷濃度最高(187 mg/kg)的是HM10處理后的黑藻。但隨著處理組復(fù)合重金屬濃度的升高，沉水植物黑藻的生物量下降最多，下降了46%。而挺水植物香蒲、菖蒲的生物量只在HM10處理后下降了10%。所以在高濃度下，挺水植物香蒲、菖蒲的生物量?jī)?yōu)勢(shì)使其對(duì)砷的去除總量達(dá)到最大。

由圖5可知，除了睡蓮隨著重金屬處理濃度的增加，其對(duì)汞的去除總量呈先增加后減小的趨勢(shì)，其余五種水生植物對(duì)重金屬汞的去除總量均有不同程度的增大。其中，菖蒲在HM10處理下，其對(duì)汞的去除總量達(dá)到最大，約為11.5 μg；在此條件下，其去除總量比其他水生植物大30%~80%不等。此外，大薸在HM10處理下，其對(duì)汞的去除總量次之，達(dá)到7.8 μg。在HM1處理下各類水生植物對(duì)汞的去除總量并無(wú)很大差別。隨著重金屬濃度的增加，在HM5和HM10處理下挺水植物香蒲和菖蒲以及浮水植物大薸對(duì)汞的去除總量與其他植物相比，均有明顯的優(yōu)勢(shì)；尤其菖蒲在各個(gè)處理濃度下，對(duì)汞的去除總量均最大。

圖5 30天后三類水生植物在不同重金屬處理水平下對(duì)汞的去除總量

HM10處理后的大薸植物體內(nèi)汞濃度最高(2 mg/kg)，挺水植物香蒲和菖蒲體內(nèi)的汞濃度(1.1 mg/kg和1.8 mg/kg)次之。隨著處理組復(fù)合重金屬濃度的升高，大薸的生物量減少了35%，而挺水植物香蒲、菖蒲的生物量并未大幅下降，故菖蒲對(duì)砷的去除總量達(dá)到最大。

一般認(rèn)為，不同生活型的水生植物富集重金屬的能力有差異，沉水植物要優(yōu)于浮水植物和挺水植物[15]，根系發(fā)達(dá)的優(yōu)于根系不發(fā)達(dá)的水生植物[16]。本研究中，香蒲和菖蒲在復(fù)合重金屬的脅迫下生物量并沒(méi)有明顯減少，同時(shí)具有根系發(fā)達(dá)的優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)砷、汞復(fù)合污染的去除總量最大。

結(jié)論

(1) 隨著砷、汞濃度的升高，挺水植物香蒲和菖蒲的生長(zhǎng)狀況優(yōu)于浮水植物睡蓮、大薸，沉水植物狐尾藻、黑藻。

(2) 實(shí)驗(yàn)植物在不同濃度的砷、汞復(fù)合污染處理下，對(duì)砷、汞均具有一定的富集能力。其中，黑藻在HM10處理后其體內(nèi)的砷濃度達(dá)到最大，約為187 mg/kg；大薸在HM10處理后其體內(nèi)的汞濃度達(dá)到最大，約為2.1 mg/kg。

(3) 綜合考慮植物的生物量及其對(duì)重金屬的富集能力，挺水植物香蒲和菖蒲對(duì)復(fù)合重金屬的富集總量達(dá)到最大，更適于處理砷、汞復(fù)合污染水體。