和睦濕地水生植物重金屬富集能力的分析

崔　君, 王嘉慧, 張　棟, 張曉勤, 吳玉環, 薛大偉

(杭州師范大學生命與環境科學學院,浙江 杭州 310036)

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和睦濕地水生植物重金屬富集能力的分析

崔君, 王嘉慧, 張棟, 張曉勤, 吳玉環, 薛大偉

(杭州師范大學生命與環境科學學院,浙江 杭州 310036)

當前對和睦濕地重金屬蓄積植物研究的較少,本研究以馬蘭(Kalimerisindica)、菱角(Trapabicornis)、白茅(Imperatacylindrica.)、飛蓬(Erigeronspeciosus)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、貫眾(Dryopterissetosa)、空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)、水鱉(Hydrocharisdubia)等8種典型的和睦濕地水生植物為研究對象,對其重金屬Cd、Cu、Pb、As、Zn的富集能力進行了分析.結果表明:飛蓬和水鱉對重金屬Cd的富集能力較強;對Pb富集效果較好的植物有蒲公英和馬蘭;馬蘭和水鱉表現出對As較強的富集能力;馬蘭和白茅分別對重金屬Cu和Zn污染有較強的凈化能力.這5種植物可以有選擇性種植用以修復和睦濕地重金屬污染.

和睦濕地;重金屬;積累植物;修復

近年來,我國工業、城市化及農業的發展加重了重金屬在土壤中的累積,土壤重金屬污染已經成為我國當前面臨的主要問題之一.重金屬易在生物體內積累,當達到了一定程度,可能會導致生物體發生致畸或引起突變,甚至會引起生物體死亡[1].濕地處于陸生和水生生態系統之間的過渡性地帶,有其獨特的生態系統特征,在維持全球生態平衡中扮演重要角色,被稱為“地球之腎”.濕地具有多功能性和豐富的生物多樣性[2],可為人類供應水源,補充地下水,保留營養物質,蓄洪防旱,更是許多珍稀動植物的棲息地,對保持物種的多樣性等有重要作用.因此,探討濕地重金屬污染以及重金屬在濕地植物中的累積效應,對于生態環境保護具有重要意義.

研究發現,鄱陽湖、洞庭湖等濕地生態系統中的重金屬含量遠高于正常值,其土壤特有的吸附、降解、沉積等功能,伴隨著重金屬污染的加劇,原有的濕地生態系統遭到嚴重破壞,同時波及到農產品的安全問題[3-8].采用植物修復技術,不會破壞濕地原有的生態結構和功能,不會產生二次污染,而對于重金屬污染修復最關鍵是選擇正確的超富集植物[9-14].已有研究顯示,濕地植物在濕地重金屬污染修復中具有重要作用,某些植物具有極強的重金屬富集能力,能將土壤中的重金屬吸收并積累于體內[15].若將這類植物種于環境污染區一定時間后回收處理,即可達到修復環境的效果.韓志萍等[16]通過對不同生態型蘆竹的研究表明蘆竹對鎘、鉛有較好的吸附能力,但對銅的吸收能力較弱.因此選用植物修復技術治理重金屬污染要選擇合適的植物.

杭州和睦濕地是西溪濕地的延伸帶,地處余杭、倉前、閑林、五常等四大片區的中心地帶.作為新開發的城市濕地,和睦濕地的用地主要是由河港、池塘、農田等多種要素組成.當前,隨著杭州城市化進程的加快,人類活動的頻繁介入,天然濕地已逐步轉化為次生濕地,土壤重金屬污染也越來越嚴重.和睦濕地有大面積的植物資源,為采取生態修復提供了有利的條件.本研究以本土優勢植物為研究對象,分析研究不同的水生植物對重金屬銅(Cu)、鉛(Pb)、砷(As)、鎘(Cd)、鋅(Zn)的富集能力,篩選出適于本土生長的重金屬富集植物,為和睦濕地重金屬修復提供參考依據.

圖1　和睦濕地采樣點分布圖(九曲橋、幸福橋、西墩船閘、厭云橋)Fig. 1　Sampling sites of Hemu Wetland

1　材料與方法

1.1供試材料

本研究選取和睦濕地4個采樣點:九曲橋、幸福橋、西墩船閘和厭云橋(見圖1).每個地點采集8種水生植物,分別為馬蘭、菱角、白茅、飛蓬、蒲公英、貫眾、鳳眼蓮、水鱉,同一個采樣地點每種植物各取3株作為實驗材料.將植物樣品分別裝入對應標記的聚乙烯采集袋中保存,做好記錄并帶回實驗室.植物樣品見表1.

表1　和睦濕地植物樣品科屬名稱

1.2測定方法

將取回的植物樣品用自來水進行沖洗,去除表面泥土,再用去離子水沖洗3遍,放在培養皿中并晾干.將晾干后的植物樣品放入烘箱中,在105 ℃ 下殺青30 min,后于70 ℃ 下烘干至恒質量,記錄干重,并將樣品粉碎后保存備用.植物樣品采用李鳴[6]植物消解法處理.

重金屬標準曲線制備:稱取經稀酸清洗并干燥后的金屬0.5000 g,用優級純硝酸完全溶解,用水稀釋定容至500.0 mL.此溶液每毫升含1.00 mg.然后用硝酸(V(HN03)∶V(H20)=1∶499)溶液稀釋.含金屬量分別是0、5、10、20和40 mg/L.用原子吸收光譜儀測定吸光度[17].

1.3統計分析

統計各采樣點所測定各重金屬含量的最大值、最小值和平均值,繪制頻率分布柱狀圖,并對數據進行差異顯著性檢驗.

2　結果與分析

2.1植物重金屬含量測定結果

2.1.1植物重金屬Cd的含量分析

由圖2可知,8種本土植物對Cd的富集能力存在顯著差異,其中水鱉在4個采樣點對金屬Cd的富集最強,含量在1.045～2.343 mg/kg之間,均值是1.503 mg/kg,是8種植物中均值最高的植物.飛蓬在采樣點西墩船閘的Cd富集量最高，為2.87 mg/kg,但在其他采樣點的富集能力較低,4個采樣點的金屬富集均值為1.122 mg/kg,略低于水鱉.而蕨類在幸福橋和厭云橋兩處達到最高富集量，分別為1.494、1.968 mg/kg.其他植物馬蘭、菱角、白茅、水花生、蒲公英對Cd的富集含量相對處于較低水平.

圖2　各采樣點植物中Cd的積累量Fig. 2　The accumulation of Cd in plants of each sampling point

圖3　各采樣點植物中Pb的積累量Fig. 3　The accumulation of Pb in plants of each sampling point

2.1.2植物重金屬Pb的含量分析

由圖3可知,蒲公英和馬蘭對金屬Pb的富集能力較強,平均值分別為30.877、26.084 mg/kg.其中蒲公英在幸福橋、西墩船閘采樣點有最高的金屬吸收量分別為5.591、8.467 mg/kg,馬蘭在九曲橋有最高的金屬富集量為23.620 mg/kg.8種植物中在厭云橋對金屬Pb富集量最大的是飛蓬為9.332 mg/kg.菱角、白茅、飛蓬、水花生、水鱉、蕨類的平均富集量相對較低，在1.522～4.856 mg/kg之間.

2.1.3植物重金屬Cu的含量分析

由圖4可知,Cu在所研究植物中的富集量是5種測試金屬中最高的,在各植物中的含量在20.075～82.045 mg/kg之間,其中馬蘭表現出明顯的Cu富集能力優勢,在4個采樣點馬蘭都有最高的Cu富集含量,分別為110.100、66.550、87.210、64.320 mg/kg,均值為82.045 mg/kg.除馬蘭以外,蒲公英也表現出較好的Cu富集能力,平均值為51.750 mg/kg.其余6種植物富集能力均相對較低,金屬Cu的富集量平均值都低于33.208 mg/kg(水鱉).

圖4　各采樣點植物中Cu的積累量Fig. 4　The accumulation of Cu in plants of each sampling point

圖5　各采樣點植物中As的積累量Fig. 5　The accumulation of As in plants of each sampling point

2.1.4植物重金屬As的含量分析

由圖5可知,4個采樣點中As的富集量平均值馬蘭最高，為3.815 mg/kg,水鱉對其富集量第二，為2.562 mg/kg.馬蘭在采樣點九曲橋和厭云橋的8種植物中的最高富集量分別為9.697、2.552 mg/kg.水花生在西墩船閘以2.715 mg/kg的As含量居于最高,而蒲公英在幸福橋有最高富集量為2.795 mg/kg.水鱉雖然平均富集量位于第二,但是在4個采樣點的8種植物中均未出現最高值.

2.1.5植物重金屬Zn的含量分析

圖6　各采樣點植物中Zn的積累量Fig. 6　The accumulation of Zn in plants of each sampling point

由圖6可知,8種植物中白茅對金屬Zn的富集最為明顯,平均值為1.506 mg/kg.飛蓬富集能力也相對較強平均值為1.234 mg/kg.4個采樣地點富集金屬Zn最多的金屬分別是馬蘭、飛蓬、白茅和蕨類.

2.2比較分析

飛蓬和水鱉對Cd蓄積的含量相對較高,植物體內Cd含量均值分別為1.122 mg/kg和1.503 mg/kg,其中水鱉積累最明顯.馬蘭為和睦濕地富集Cu的本土植物,在4個采集點都出現最高積累量,其植物體內Cu含量均值高達82.045 mg/kg,明顯高于其余的本土水生植物.蒲公英和馬蘭對重金屬Pb有一定的富集能力,植物體內金屬含量均值分別為7.719 mg/kg和6.521 mg/kg.馬蘭和水鱉對As的富集效果明顯,均值分別為3.815 mg/kg和2.562 mg/kg.白茅對As的吸收能力強,植物體內金屬含量均值為1.506 mg/kg.和睦濕地8種本土優勢植物中菱角、空心蓮子草和蕨類對金屬Cd、Cu、Pb、As、Zn都沒有體現出相對的金屬積累優勢,在這8種植物中處于中間水平.

就同一種植物而言,由于各個采樣點的具體環境不盡相同,其多種因素會導致該植物在不同的環境中即使對相同重金屬的富集能力也有一定的差別,況且各種植物對環境的適應性不同會導致這種差別存在于不同的植物之間.比如飛蓬是重金屬Cd的富集優勢植物,而它在4個采樣點的最高富集含量為2.870 mg/kg,最低富集含量為0.049 mg/kg,相差2.821 mg/kg.與此相反，馬蘭的相差較小，為0.793 mg/kg,表現出較為穩定的富集能力.

3　討論

目前,自然生態系統受到人為的破壞較嚴重,包括生活垃圾、工業垃圾以及化肥農藥殘留等造成的環境污染.重金屬的污染在近年來越來越被重視.重金屬大量存在于大氣、土壤、水體、生物體中,并積于底泥.重金屬屬于難降解污染物,會經食物鏈由食用魚類或貝類影響人類,隨著重金屬含量的積累,食物鏈頂端人類攝入的重金屬最多,直接威脅自身的健康,導致多種疾病.重金屬污染一般在短時間內的修復不易實現,常受各種各樣因素制約,效果不佳,且花銷大[18].恢復生態系統既需要合理的人工治理,也需要生態系統的自我修復能力.隨著研究的不斷深入發現，植物修復技術是當前最為清潔的治理方式,不會破壞當地的土壤結構,且處理開銷低[19].植物修復技術是利用特定的植物針對環境中的某種重金屬,吸收、降解或轉移的一種太陽能動力的治污方式,以降低環境中該重金屬的含量,達到環境修復的目的[20].選擇的特定植物多是針對特定重金屬的超富集植物,這類植物的認定一般滿足以下3個條件:1)對重金屬的吸收能力強,其地上部分富集能力要達到一定的臨界值,在重金屬含量較低的環境中也有較高的吸收率；2)有較強的轉運能力,地上部分的重金屬積累量要高于地下部分,高達百倍；3)有較強的耐重金屬毒害能力,并不表現出明顯的病癥.魏樹和等[21]研究三葉鬼針草等7種植物對重金屬的超富集能力,發現重金屬鎘處理下,三葉鬼針草的凈化能力最強,且顯示出超富集植物基本特征;華建峰等[22]分析3種水生植物富集水體中重金屬錳的能力,顯示水浮蓮對重金屬Mn的匯集轉運能力最佳等.因此,植物修復技術對重金屬污染的治理方式已受到廣泛的關注,并針對具體重金屬污染處理提供有效的實驗數據.

本實驗研究表明,針對不同重金屬的污染治理可以種植不同的濕地水生植物修復,可為重金屬污染的治理提供參考依據.例如在重金屬Cd含量高的區域可多種植飛蓬或水鱉,這2種植物是在研究的8種植物中對Cd的富集量較高的，對Pb可選擇種植蒲公英或馬蘭等等,這樣有針對性地種植可更好地對濕地環境進行修復.

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Absorption and Accumulation of Heavy Metals by Aquatic Plants in Hemu Wetland

CUI Jun, WANG Jiahui, ZHANG Dong, ZHANG Xiaoqin, WU Yuhuan, XUE Dawei

(College of Life and Environmental Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

The paper aims at the collection capacity of heavy metals Cd, Cu, Pb, As and Zn by the 8 aquatic plant species (Kalimerisindica,Trapabicornis,Imperatacylindrica,Erigeronspeciosus,Taraxacummongolicum,Dryopterissetosa,AlternantheraphiloxeroidesandHydrocharisdubia) in Hemu Wetland, due to the current less of study on plant accumulation of heavy metals. The results display thatE.acerandH.dubiahave more sufficient ability of absorbing and accumulating on Cd;H.TaraxaciandK.indicacan enrich Pb much more efficiently than the others,K.indicaandH.dubiahave stronger ability of accumulation on As.K.indicaandI.cylindricahave stronger purification ability of the pollution with Cu and Zn respectively. The five kinds of plants can be selectively planted to improve the environment problem of heavy metal pollution in Hemu Wetland.

Hemu Wetland; heavy metals; accumulation plant; improvement

2015-10-11

杭州師范大學教學改革項目;杭州師范大學研究性實驗教學項目(YJ201307).

薛大偉(1978—),男,副教授,博士,主要從事植物逆境分子生物學研究. E-mail: dwxue@hznu.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-232X.2016.05.008

Q94

A

1674-232X(2016)05-0490-05