水葫蘆對重金屬鎘和鉻的長期富集效應(yīng)

李 玲，李 森，樊 華，茍小林，涂衛(wèi)國

(四川省自然資源科學(xué)研究院，四川成都 610015)

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水葫蘆對重金屬鎘和鉻的長期富集效應(yīng)

李 玲，李 森，樊 華，茍小林，涂衛(wèi)國

(四川省自然資源科學(xué)研究院，四川成都 610015)

[目的]探討重金屬復(fù)合作用下水葫蘆富集能力的變化情況。[方法]通過為期2個月的室內(nèi)水培模擬試驗研究水葫蘆對重金屬鎘、鉻長期富集效果。[結(jié)果]水葫蘆有較強鎘轉(zhuǎn)運能力，葉片也是富集鎘的主要部位，最高可達(dá)根含量的77%以上。水葫蘆對鉻轉(zhuǎn)運能力較低，葉片鉻含量僅為根的10%～22%。鎘、鉻復(fù)合作用下，鉻對鎘的表現(xiàn)為拮抗作用，尤其是在葉片中。相反，鎘對鉻的影響規(guī)律不明顯，葉中低鉻濃度下(1.00 mg/L)抑制鉻積累，高鉻濃度下(4.00 mg/L)則促進(jìn)，而該2個濃度下對根均無顯著影響，可能主要影響了鉻的轉(zhuǎn)運。[結(jié)論]水葫蘆根系鎘和鉻最高含量可達(dá)6 600 mg/kg和7 300 mg/kg以上，表明其較強鎘、鉻污染修復(fù)能力在重金屬污染水體修復(fù)上具有良好的應(yīng)用價值。

水葫蘆；重金屬復(fù)合污染；植物修復(fù)；長期富集效應(yīng)

重金屬污染指由重金屬或其化合物造成的環(huán)境污染，主要由采礦、廢氣排放、污水灌溉和使用重金屬超標(biāo)制品等人為因素所致[1]。當(dāng)前我國重金屬污染形勢嚴(yán)峻，全國耕地土壤重金屬超標(biāo)率占19.4%，污水灌區(qū)重金屬污染土壤高達(dá)總面積的64.8%，大量農(nóng)產(chǎn)品中重金屬含量超標(biāo)或已接近臨界值[2]。我國各大江河湖庫底質(zhì)重金屬污染率高達(dá)80.1%，已經(jīng)開始影響水質(zhì)安全[3]。然而，重金屬由于不能被微生物降解，在環(huán)境中只能發(fā)生各種形態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化，其污染的消除往往更為困難。目前，植物修復(fù)技術(shù)是研究熱點，主要是利用植物對重金屬的富集作用，通過植物轉(zhuǎn)移、容納或轉(zhuǎn)化降低土壤和水體中重金屬濃度或毒性，使其對環(huán)境無害相對于傳統(tǒng)方法[4-5]。

水葫蘆，又名鳳眼藍(lán)，原產(chǎn)于巴西，為雨久花科鳳眼藍(lán)屬多年生宿根浮水草本植物，其須根很發(fā)達(dá)，分蘗繁殖快，常常由于過度繁殖，搶占水面而泛濫成災(zāi)，在我國被列入外來入侵植物名錄。從另一方面來看，水葫蘆生長旺盛、生物量大，根系吸收力強，因此在可控范圍內(nèi)，是一種理想的水質(zhì)污染修復(fù)植物。研究表明，水葫蘆不僅能去除水中N、P養(yǎng)分，在富集Cu、Cd、Cr等重金屬元素也有良好效果[6]。目前，研究者針對水葫蘆重金屬修復(fù)作用開展了大量研究，主要集中水葫蘆根系吸附[7]、根系去除機理[8]、毒害作用[9-10]、1～10 d內(nèi)的短期去除效果[11-12]等方面，對于處理時間較長、揭示地下地上富集規(guī)律的研究開展很少。鑒于此，筆者通過2個月的試驗研究了不同鎘、鉻濃度處理下水葫蘆地下地上富集作用規(guī)律，探討了重金屬復(fù)合作用下水葫蘆富集能力的變化情況，以期為水葫蘆在重金屬污染修復(fù)上的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料試驗材料采自四川省廣安市武勝縣五排水庫，采集時選擇剛從母株上萌發(fā)出的新苗，帶回試驗區(qū)域，進(jìn)行水培，水培液里加入適量的美樂棵營養(yǎng)液，待水葫蘆幼苗生長至具有5～6張葉片后，選擇生長狀態(tài)良好、長勢一致的水葫蘆進(jìn)行重金屬鎘和鉻處理。

1.2 試驗設(shè)計試驗處理時間為2014年8～10月持續(xù)2個多月，除對照以外，試驗水葫蘆分為3組，分別進(jìn)行單獨鎘處理、單獨鉻處理和鎘復(fù)合鉻處理。單獨鎘處理中，設(shè)置4個鎘處理濃度，分別為0.50、1.00、2.00、4.00 mg/L氯化鎘。單獨鉻處理中，設(shè)置4個鉻處理濃度，分別為1.00、2.00、3.00、4.00 mg/L硝酸鉻。鎘復(fù)合鉻處理中，設(shè)置4個處理濃度，分別為0.50 mg/L氯化鎘復(fù)合1.00 mg/L硝酸鉻(0.50Cd+1.00Cr)、1.00 mg/L氯化鎘復(fù)合2.00 mg/L硝酸鉻(1.00Cd+2.00Cr)、2.00 mg/L氯化鎘復(fù)合3.00 mg/L硝酸鉻(2.00Cd+3.00Cr)、4.00 mg/L氯化鎘復(fù)合4.00 mg/L硝酸鉻(4.00Cd+4.00Cr)。每個試驗處理設(shè)5次重復(fù)。試驗處理中，在水培液中加入適量美樂棵營養(yǎng)液，保證植物生長所需營養(yǎng)。試驗期間，每7 d更換1次水培液，保持重金屬處理濃度和消除藻類生長造成的影響。

1.3測定方法試驗結(jié)束時，收獲所有水葫蘆，將水葫蘆分為根、葉片和葉柄3個部分，經(jīng)過烘干，磨粉后分別測定各個部位的重金屬元素鎘和鉻的含量，計算各個部位的富集倍數(shù)，富集倍數(shù)用處理下元素的含量除以對照下元素含量計算。由于水葫蘆莖為短縮莖，當(dāng)年生莖生物量很少，所以未考慮莖的重金屬富集效應(yīng)。

1.4數(shù)據(jù)處理所有試驗數(shù)據(jù)均使用SPSS16.0軟件對進(jìn)行一元方差分析(ANOVA)，平均數(shù)間的多重比較采用Turkey檢驗(P<0.05)以表現(xiàn)不同部位間和不同處理濃度下的顯著性差異。

2　結(jié)果與分析

2.1不同濃度鎘單獨處理下水葫蘆的富集作用由表1可知，在不同濃度鎘單獨處理下，隨著鎘處理濃度的升高，水葫蘆根、葉片和葉柄鎘含量持續(xù)顯著性增加。在各個處理條件下，水葫蘆不同部位的鎘含量也有顯著性差異，表現(xiàn)為根>葉片>葉柄，從低到高的4個鎘處理濃度下，根鎘含量分別是葉片含量的3.07倍、2.52倍、1.81倍和1.29倍，是葉柄含量的6.35倍、4.54倍、3.38倍和3.23倍。從富集倍數(shù)上來看，隨著鎘處理濃度的升高，水葫蘆根、葉片和葉柄鎘富集倍數(shù)也持續(xù)顯著性增加，且不同部位的鎘富集倍數(shù)具有顯著性差異，與鎘含量結(jié)果不同，在各個濃度處理下表現(xiàn)為葉片的富集倍數(shù)最高。

表1　不同濃度鎘單獨處理下水葫蘆不同部位鎘含量與富集倍數(shù)

注：數(shù)字后的大寫字母表示不同部位之間的顯著性差異；小寫字母和圈內(nèi)數(shù)字分別表示不同處理下鎘含量顯著性差異和富集倍數(shù)顯著性差異。

Note：Data followed by capital letters stand for significant difference among various parts；lowercases and number in circles stand for significant difference of Cd content and enrichment times respectively under different treatments.

2.2不同濃度鉻單獨處理下水葫蘆的富集作用由表2可知，與水葫蘆對鎘的富集作用結(jié)果不同，隨著鉻處理濃度的升高，水葫蘆葉、葉柄和根的鉻含量并未持續(xù)顯著性增加。在從低到高4個鉻濃度中，3.00 mg/L鉻處理時根和葉片具有最高的鉻含量。在不同的部位中，根表現(xiàn)出最高的鉻含量，而葉片和葉柄鉻含量無顯著性差異，從低到高的4個鉻濃度下，根鉻含量分別是葉片含量的4.54倍、5.43倍、7.68倍和6.21倍，分別是葉柄含量的4.70倍、5.79倍、9.28倍和7.91倍。從富集倍數(shù)上看，隨著鉻濃度的升高，葉片和葉柄鉻的富集倍數(shù)無顯著性差異，根仍然在3.00 mg/L鉻處理下具有最高的富集倍數(shù)，且不同部位中根具有最高的富集倍數(shù)，而葉片的富集倍數(shù)最低。

表2　不同濃度鉻處理下水葫蘆不同部位鉻含量與富集倍數(shù)

注：數(shù)字后的大寫字母表示不同部位之間的顯著性差異；小寫字母和圈內(nèi)數(shù)字分別表示不同處理下鉻含量顯著性差異和富集倍數(shù)顯著性差異。

Note：Data followed by capital letters stand for significant difference among various parts；lowercases and number in circles stand for significant difference of Cr content and enrichment times respectively under different treatments.

2.3不同濃度鎘、鉻復(fù)合處理下水葫蘆的富集作用

2.3.1復(fù)合處理下水葫蘆對鎘的富集作用。從圖1可知，與單獨鎘處理下相似，鎘鉻復(fù)合處理下水葫蘆根、葉片和葉柄的鎘含量隨處理濃度的升高而增加。然而，與單獨鎘處理下相比，復(fù)合處理下水葫蘆各部位鎘含量隨濃度升高而增加的程度卻有所下降。除了0.50 mg/L處理下的葉柄和根以外，鎘鉻復(fù)合處理下水葫蘆葉、葉柄和根的鎘含量均顯著低于平行單獨鎘處理下的鎘含量。在不同部位中，與單獨鎘處理下相比，復(fù)合處理下鎘含量下降程度為葉片>葉柄>根，在1.0、2.0、4.0 mg/L鎘濃度處理下，葉片鎘含量分別下降了69.43%、56.25%和62.96%，葉柄鎘含量分別下降了43.54%、42.43%和49.15%，而根鎘含量分別下降了19.22%、15.08%和28.74%。

注：柱上不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。Note：Different letters in the column stand for significant difference at 0.05 level among various treatments.圖1　復(fù)合處理下水葫蘆不同部位鎘含量Fig.1　Cd content in different parts of E. crassipes under compound treatment

2.3.2復(fù)合處理下水葫蘆對鉻的富集作用。由圖2可知，與單獨鉻處理下有所差異，鎘鉻復(fù)合處理下葉片和葉柄的鉻含量隨處理濃度的升高而持續(xù)增加。然而，根鉻含量與單獨鉻處理結(jié)果一致，在3.00 mg/L鉻濃度下最高，在4.00 mg/L濃度下反而下降。與圖1中鎘的富集作用結(jié)果不同，與單獨鉻處理相比，鎘鉻復(fù)合處理下水葫蘆根、葉和葉柄鉻含量并未出現(xiàn)規(guī)律性的下降現(xiàn)象。在1.00 mg/L鉻處理下，復(fù)合處理下葉、葉柄鉻含量顯著低于單獨鉻處理下，然而在4.00 mg/L鉻處理下，結(jié)果卻相反，復(fù)合作用下的葉、葉柄鉻含量卻顯著高于單獨鉻處理下。對于根而言，在3.00 mg/L鉻濃度下，復(fù)合作用下的鉻含量顯著低于單獨鉻處理，然而在其他濃度下，單獨處理與復(fù)合處理間無顯著性差異。

注：柱上不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。Note：Different letters in the column stand for significant difference at 0.05 level among various treatments.圖2　復(fù)合處理下水葫蘆不同部位鉻含量Fig.2　Cr content in different parts of E. crassipes under compound treatment

2.3.3復(fù)合處理下水葫蘆對鎘、鉻的富集作用對比。由圖3可知，在對照情況下，水葫蘆根、葉柄和葉片的鎘和鉻含量無顯著性差異。在單獨處理下，水葫蘆對鎘的富集作用明顯高于對鉻的富集作用，特別是葉片和葉柄，在4.00 mg/L同等濃度單獨處理下，葉片、葉柄和根的鎘含量分別是鉻含量的6.17倍、3.14倍和1.28倍。在鎘鉻復(fù)合處理下，水葫蘆葉片鎘含量仍然比鉻含量高45.31%，然而根卻相反，鎘含量比鉻含量低14.92%。在復(fù)合處理下，葉柄鎘、鉻含量無顯著性差異。

3　討論與結(jié)論

水葫蘆對重金屬的富集作用被認(rèn)為主要與根有關(guān)，水葫蘆根系長，須根發(fā)達(dá)，根毛豐富，加上水中懸浮顆粒附著，增加了吸附表面積，根系因而能夠吸附大量重金屬離子[13]。重金屬離子被水葫蘆吸收后，大部分停留在根部，少量開始向地上部分遷移，從根到莖葉的轉(zhuǎn)運過程受到元素類型、重金屬濃度及水環(huán)境等因素的影響[14]。該研究結(jié)果顯示，水葫蘆根、葉柄和葉片鎘含量隨著處理濃度的升高而增加，葉片的鎘累積量最高超過5 000 mg/kg，在根系含量的77%以上，表明水葫蘆具有較好的鎘轉(zhuǎn)移運輸能力，葉片也是水葫蘆富集鎘的主要部位。在實踐中可以通過定期去除地上部分的方式，提高水葫蘆根系對鎘污染的去除效果。與鎘相比，水葫蘆對重金屬鉻的轉(zhuǎn)運能力較低，葉片鉻含量僅為根的10%～22%，且在高鉻濃度下出現(xiàn)了富集飽和現(xiàn)象，表明較低的向上運輸能力限制了根對鉻的吸收。

注：DD表示4.00 mg/L鎘、4.00 mg/L鉻濃度單獨處理；DJ表示4.00 mg/L鎘與4.00 mg/L鉻復(fù)合處理；柱上不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。Note：DD.4.00 mg/L Cd，4.00 mg/L Cr individual treatment;DJ.4.00 mg/L Cd，4.00 mg/L Cr compound treatment;Different letters in the column stand for significant difference at 0.05 level among various treatments.圖3　單獨與復(fù)合處理下各部位鎘、鉻含量Fig.3　Cd，Cr content in different parts of E. crassipes under individual and compound treatment

目前，在污染水體中單一重金屬污染比較少見，大多數(shù)情況下是多種重金屬共存產(chǎn)生復(fù)合污染，不同重金屬污染共存時表現(xiàn)為相加、協(xié)同、拮抗、獨立等多種相互關(guān)系[15]。該研究中，鉻復(fù)合作用下水葫蘆中鎘含量整體大幅下降，尤其是葉片，最高下降了70%，表明鉻減弱了水葫蘆對鎘的富集效應(yīng)，主要原因可能在于減弱了鎘從地下到地上的運輸作用。由于作用方式和途徑相似，不同重金屬在土壤或水體、代謝系統(tǒng)及細(xì)胞表面等結(jié)合位點存在相互競爭，通常競爭力強的會取代相對弱勢的污染物，競爭程度與污染物種類、濃度比和各自的吸附特性等因素有關(guān)[16]。在小白菜組織中，鎘量與鉻量呈極顯著正相關(guān)[17]，而在青菜中鎘對鉻的作用隨著鉻濃度的增加表現(xiàn)為“加劇-減弱-加劇”的模式[18]。該研究中，鎘復(fù)合下水葫蘆鉻含量變化規(guī)律不明顯，在低鉻濃度下(1.00 mg/L)鎘降低了葉片和葉柄鉻吸收量，在高鉻濃度下(4.00 mg/L)作用卻相反，而這2個濃度下對根均無顯著影響，表明鎘可能影響了鉻從根到葉的運輸作用，具體原因有待進(jìn)一步研究。

鎘是我國最主要的重金屬污染元素，在全國耕地土壤中鎘超標(biāo)率高達(dá)7.0%，是所有重金屬污染中超標(biāo)率最高的元素，水稻等農(nóng)作物鎘超標(biāo)事件時有發(fā)生，鉻在全國耕地中的超標(biāo)率為1.1%，二者均為我國重點重金屬污染物[19]。該研究中，水葫蘆根對鎘和鉻的最高耐受濃度可在4 mg/L以上和3 mg/L左右，最高富集含量可達(dá)6 600 mg/kg和7 300 mg/kg以上，富集倍數(shù)可達(dá)45倍和72倍，表明其較強重金屬鎘、鉻污染修復(fù)能力，結(jié)合其生長快速、分蘗萌發(fā)能力強等特點，通過人為控制和定期去除的方式，在污染水體修復(fù)上具有良好的應(yīng)用價值。

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Study on the Long-term Accumulation of Cadmium and Chromium in Water Hyacinth (Eichhorniacrassipes)

LI Ling, LI Sen, FAN Hua et al

(Sichuan Province Natural Resources Science Research Institute, Chengdu, Sichuan 610015)

[Objective] The aim was to discuss the change ofEichhorniacrassipesenrichment ability under heavy metal compound pollution. [Method] The indoor hydroponic experiment was carried to study the long term uptake and accumulation of Cd and Cr inE.crassipesin two months. [Result] The results showed that there was a strong Cd transport capacity inE.crassipes, and the leaf was also the main part of Cd accumulation, which could reach more than 77% of the content of the root. However, the Cr transport from root to leaf was low inE.crassipes, Cr content in leaves was only 10%-22% in that of the root. Cr showed a negative effect on Cd accumulation inE.crassipes, especially in the leaves. However, the effects of Cd on Cr accumulation was not obvious, Cd showed negative effect under low Cr concentrations (1.00 mg/L) and positive effect under high Cr concentrations (4.00 mg/L) on leaf Cr accumulation, but had no effect on root Cr content under these two concentration, it seems that Cd had mainly effected the transport capacity of Cr. [Conclusion] The highest content of Cd and Cr inE.crassipesare more than 6 600 and 7 300 mg/kg respectively, which indicates that it has a strong ability on the remediation of Cd and Cr pollution, and has good application value in heavy metal polluted water restoration.

Eichhorniacrassipes; Heavy metal compound pollution; Phytoremediation; Long-term accumulation effect

四川省科技支撐計劃項目(2015SZ0205)；四川省成都市科技惠民技術(shù)研發(fā)項目(2014-HM01-00171-SF)。

李玲(1982-)，女，土家族，貴州印江人，助理研究員，博士，從事植物生理生態(tài)學(xué)研究。

2016-06-13

S 501

A

0517-6611(2016)24-034-04