水葫蘆對Cr（Ⅲ）污染的植物修復能力研究

高立娣，趙金明，陳慧瑩

（齊齊哈爾大學 化學與化學工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

水葫蘆對Cr（Ⅲ）污染的植物修復能力研究

高立娣，趙金明，陳慧瑩

（齊齊哈爾大學 化學與化學工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

探究水葫蘆對Cr（Ⅲ）污染水體的修復能力.水葫蘆在質量濃度分別為5，10，15，20，25 mg/L的Cr（Ⅲ）培養液中生長4周后，采用電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）測定了水葫蘆根和葉中Cr（Ⅲ）的質量濃度，并計算了水葫蘆的生物富集系數（BCF）和轉移因子（TF）.水葫蘆對Cr（Ⅲ）表現出了較好的耐受性，生物量隨著Cr（Ⅲ）質量濃度的增加而增加，但在Cr（Ⅲ）質量濃度為25 mg/L時，根部葉片出現了萎黃現象.根的Cr（Ⅲ）質量濃度高于1 000 mg/kg以上（培養液質量濃度≥10 mg/L時），說明水葫蘆對Cr（Ⅲ）具有很強的富集能力.在Cr（Ⅲ）質量濃度為20 mg/L時，根和葉的BCF最大，分別為213.23和5.86；在Cr（Ⅲ）質量濃度為5 mg/L時，水葫蘆的最大TF值為0.066，表明Cr（Ⅲ）主要蓄積在根部.水葫蘆作為根和葉可以同時收獲的浮水作物，將其用于Cr（Ⅲ）污染水體修復是可行的.

水葫蘆；Cr（Ⅲ）；植物修復；重金屬污染

隨著城市化和工業化進程加速，我國水體重金屬污染問題越來越嚴重，已經到了非治理不可的程度.傳統上用于水體修復的物理或化學方法一般需要投入大量資金，對于中國這樣的發展中國家實際上不可行.但我國具有多種多樣的水生植物，可以利用植物來實現水體的重金屬污染修復［1］.由于植物具有可持續、生態友好和性價比高等優點，因此植物修復是目前廣受關注的可用于去除水體中污染物的修復技術［2］.水體中的重金屬大多對水生生物有毒害作用，且會污染食物鏈，如Cr，Cr（VI）的毒性大于Cr（III），針對Cr（VI）的相關研究更具有直接意義.但對植物而言，Cr（VI）通常在植物根部化學還原為Cr（III）并沉淀在根部，雖然Cr（III）毒性較小，但其能與自然界中存在的有機物質發生絡合，增加其生物可利用性，當其在水體中達到一定質量濃度時，水溶性的Cr（III）就會對水生生物產生毒性，尤其是魚類［3］.有報道用水葫蘆去除水體中的Cr（VI）效果非常好，可以達到99.00%（5 mg/L，培養16 d）［4］76.但自然環境中幾乎不存在Cr（VI），主要是人為活動釋放造成的，即便這樣，在空氣、水和土壤中，二價鐵化合物、硫化物及有機質等還原劑通常也會將釋放到環境中的Cr（VI）還原成Cr（III）.可見，研究水體中Cr（III）污染的去除很有必要.就目前而言，有關水體中Cr（III）的植物修復報道很鮮見［5-7］.水葫蘆是一種在我國水體中大面積生長的水生植物，生長速度快，水體適應能力強，能吸收多種重金屬.因此，本研究以水葫蘆為修復植物，探究其對Cr（III）污染水體的修復能力.

1 材料與方法

水葫蘆（采集于未受污染水域中且新鮮的）；氯化鉻（分析純，天津市凱通化學試劑有限公司）.人工氣候培養箱（RTOP-300D，浙江托普儀器有限公司）；MDS-6微波消解儀（上海新儀微波化學科技有限公司）；電熱板（TP-1，上海正慧工貿有限公司）；ICP-MS（7500 ce，美國安捷倫公司）.

將水葫蘆用自來水清洗干凈后，置于自來水中培養1周，選擇長勢良好，葉片數量、根系長度和質量相當的水葫蘆18株，分成6組.放入盛有1 L用30% Hoagland溶液配制的質量濃度分別為5，10，15，20，25 mg/L的CrCl3溶液的培養杯中，同時，用不含Cr（Ⅲ）的30% Hoagland溶液作為空白培養液，每個培養杯中放入1株，每個培養質量濃度下培養3株.置于人工氣候培養箱中培養4周，培養條件見表1.培養過程中，為了維持培養液中Cr（Ⅲ）質量濃度恒定，補充因蒸發和植物吸收而減少的培養液體積，需要每天添加2次去離子水，使培養液的體積保持在1 L.培養4周后，將收獲的植物分別用自來水、蒸餾水沖洗干凈，去除附著在植物上的藻類和其它雜質，用剪刀在每株植物最下方的葉片下1 cm處剪斷，上部作為葉，下部作為根.置于80 ℃烘箱中烘干24 h，烘干前后要分別稱量葉部和根部的質量.將烘干后的植物組織研碎，分別稱取0.1 g葉或根于混酸（7 mL HNO3+3 mL HF）中進行微波消解.消解后混合液于電熱板上趕酸至澄清透明，冷卻后，用1 mol/L HNO3定容至50 mL，用ICP-MS測定Cr（Ⅲ）的質量濃度.實驗結果均以均值表示，用Excel 2003對數據進行作圖，相對標準偏差小于10%.

表1 培養箱培養條件

2 結果與討論

2.1 生物量

植物的生物量就是植物的干質量.在4周的培養周期內，除25 mg/L Cr（Ⅲ）培養液中植物根部葉片出現萎黃現象，其他植株全部生長正常.水葫蘆的葉和根生物量見圖1.由圖1可見，培養液中Cr（Ⅲ）質量濃度增加，水葫蘆根和葉的生物量均呈現增加趨勢，說明Cr（Ⅲ）對植物的生長有促進作用［8］.就Cr（Ⅲ）考察質量濃度范圍而言，根生物量增加比較緩慢，在25 mg/L時生物量最大，最大值為0.24 g，為空白對照組的2.18倍.葉生物量增加出現了階段性，在Cr（Ⅲ）質量濃度從0～10 mg/L時增加較大，在10～25 mg/L間增加量減緩.在Cr（Ⅲ）質量濃度為25 mg/L時，葉的生物量最大，最大值為1.11g，為空白對照組的2.41倍.盡管Cr（Ⅲ）不是植物的必需元素，但實驗證實Cr（Ⅲ）應該是影響到了植物的細胞分裂素或其它生長激素的質量分數，進而提高了植物的生物量［9］.低質量濃度的Cr（Ⅲ）在葉部的邊緣蓄積，而高質量濃度的Cr（Ⅲ）卻蓄積在葉脈中，致使25 mg/L Cr（Ⅲ）培養液中植物根部葉片出現了萎黃現象［6］4095.

圖1 水葫蘆生物量

2.2 含水率

含水率是反映植物正常生長的重要參數，因為只有在一定的含水率下，植物的生理活動才能正常進行.水葫蘆的含水率見圖2.由圖2可見，與空白組相比，水葫蘆葉的含水量因含Cr（Ⅲ）而下降；且隨著培養液中Cr（Ⅲ）質量濃度的增加而降低，在25 mg/L時，水葫蘆葉的含水率最低，為93.23%，是空白對照組的97%.可見，Cr（Ⅲ）的存在降低了水葫蘆根向葉運輸水分的能力或葉的儲水能力.水葫蘆根的含水量在Cr（Ⅲ）質量濃度為5 mg/L的培養液中出現最大值，為94.54%.之后，隨著培養液中Cr（Ⅲ）質量濃度的增加，含水率下降.由此可見，低質量濃度的Cr（Ⅲ）可以促進水葫蘆根系對水分的吸收和貯存，刺激水葫蘆的新陳代謝，使其生長更旺盛，這與2.1中Cr（Ⅲ）促進了生物量的增加一致；但Cr（Ⅲ）質量濃度（≥10 mg/L）過大，根的吸收和貯水能力卻下降，這是因為高質量濃度的Cr（Ⅲ）與營養元素Fe（Ⅲ）相互競爭，致使根部生理活性下降引起的［10］.

圖2 水葫蘆含水率

2.3 根和葉中Cr（Ⅲ）的質量濃度

水葫蘆葉和根中 Cr（Ⅲ）的質量濃度見圖3.由圖3可見，根中Cr（Ⅲ）質量濃度遠大于葉中的，說明Cr（Ⅲ）更易蓄積在水葫蘆根中，這與文獻報道相符［7，11］.根和葉中Cr（Ⅲ）的質量濃度與培養液中Cr（Ⅲ）質量濃度在≤20 mg/L范圍內表現出良好的線性關系（見表2），相關系數分別為0.975 9和0.930 3.說明培養液中Cr（Ⅲ）質量濃度較低時，根從培養液中吸收Cr（Ⅲ）并將其轉移到葉的比例主要受培養液中Cr（Ⅲ）質量濃度的影響.而當Cr（Ⅲ）質量濃度高達25 mg/L時，根和葉中Cr（Ⅲ）質量濃度卻降低，致使線性相關系數下降，這可能是由于高質量濃度Cr（Ⅲ）對根產生了毒害作用，抑制了根對其蓄積，進而影響Cr（Ⅲ）向葉轉移產生的結果.值得注意的是，盡管根中Cr（Ⅲ）質量濃度在20 mg/L培養液中最大（4 027.78 mg/kg），但葉中Cr（Ⅲ）質量濃度卻在25 mg/L培養液中達到最大（303.03 mg/kg）.據研究，Cr（Ⅲ）很難被轉移到葉部，但一旦其進入植物的木質素中，遷移就變得非常容易［11］211.據此推測在25 mg/L培養液中，由于水葫蘆的根部受到影響，有更多的Cr（Ⅲ）轉移入木質素中，使葉中Cr（Ⅲ）質量分數達到最大.此外，培養液中Cr（Ⅲ）質量濃度≥10 mg/L時，根的Cr（III）質量濃度均大于1 000 mg/kg，說明水葫蘆對Cr（Ⅲ）具有很高的富集能力.

圖3 植物根和葉中鉻的質量濃度

表2 培養液中Cr（Ⅲ）質量濃度與植物組織中Cr（Ⅲ）質量濃度的關系

2.4 根和葉中Cr（Ⅲ）的吸收量

Cr（Ⅲ）的吸收量是水葫蘆根或葉中Cr（Ⅲ）的質量濃度與其生物量的乘積.水葫蘆根和葉中Cr（Ⅲ）的吸收量見圖4.由圖4可見，隨著培養液中Cr（Ⅲ）質量濃度的增加，水葫蘆根和葉中Cr（Ⅲ）吸收量也逐漸增加，其變化趨勢主要取決于生物量.當Cr（Ⅲ）質量濃度為25 mg/L時，葉和根中Cr（Ⅲ）的吸收量最大，分別為0.30 mg和0.87 mg，相當于去除了培養液中Cr（Ⅲ）的1.2%和3.2%，遠低于文獻中采用水葫蘆對水體中Cr（Ⅵ）的去除率［4］80.這可能與水葫蘆對不同形態鉻的吸收機制和培養液中共存的成分不同有關［11］212.

圖4 根和葉中Cr（Ⅲ）的吸收

2.5 BCF和TF

BCF用來評價植物積累重金屬的能力.BCF=收獲的植物組織中重金屬質量濃度（mg·kg-1）/培養液中添加的重金屬初始質量濃度（mg·L-1）.除了在Cr（Ⅲ）質量濃度為5 mg/L時，水葫蘆葉的BCF值異常大外，其它質量濃度下，無論根和葉的BCF值都隨著Cr（Ⅲ）質量濃度的增加而先增加后降低，并在Cr（Ⅲ）質量濃度為20 mg/L時BCF值最大，分別為213.23和5.86（見表3）.較高的BCF值可以看出水葫蘆對Cr（Ⅲ）具有很強的富集能力，加之其數量龐大，適應能力強，生長速度快，可以將其作為Cr（Ⅲ）污染水體的修復植物［12］.

TF用來評價植物將重金屬從根運輸到葉的能力.TF=葉中重金屬的質量濃度（mg·kg-1）/根中的重金屬的質量濃度（mg·kg-1）.水葫蘆對于Cr（Ⅲ）的TF值隨著Cr（Ⅲ）質量濃度的增加而降低，在Cr（Ⅲ）質量濃度為5 mg/L時水葫蘆的TF值最大，僅為0.066（見表3）.對于土培超富集植物而言，TF值應該大于1.很明顯，就研究來說，水葫蘆不是Cr（Ⅲ）的超富集植物，但是由于水葫蘆是水生植物，用TF值來判斷其富集效率并不合適，僅作為參考即可.

表3 水葫蘆中Cr（Ⅲ）的BCF值和TF值

3 結論

一定質量濃度的Cr（Ⅲ）促進了水葫蘆的生長；水葫蘆對Cr（Ⅲ）具有很強的的耐受性（可達20 mg/L以上）；水葫蘆根對Cr（Ⅲ）具有很強的蓄積能力，根中Cr（Ⅲ）的質量濃度大于1 000 mg/kg（在Cr（Ⅲ）質量濃度高于10 mg/L的培養液中），BCF值高達213.23（Cr（Ⅲ）質量濃度20 mg/L的培養液）.而且水葫蘆數量龐大，易于培養，生長迅速，所以水葫蘆可作為去除水體中Cr（Ⅲ）的修復植物.

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Study on Cr（Ⅲ）phytoremediation potential of water lettuce

GAO Li-di，ZHAO Jin-ming，CHEN Hui-ying
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

The objective of this study was to investigate Cr（Ⅲ）phytoremediation ability of water lettuce.The experiment was conducted with 5，10，15，20，25 mg/L CrCl3in hydroponic system for 4 weeks and the Cr（Ⅲ）concentration in the root and shoot tissues were estimated by inductively coupled plasma mass spectrometer（ICP-MS）.The values obtained were used to evaluate the bioconcentration factor（BCF）and translocation factor（TF）of this plant.The plant showed high Cr（Ⅲ）tolerance and there was a general trend of increase in biomass，but the lower leaves appeared chlorosis at 25 mg/L.Cr（Ⅲ） concentration in roots was higher 1 000 mg/kg，which means that the plant has high accumulation capacity for C（rⅢ）.The maximum BCF values for root and shoot tissues were 213.23 and 5.86 respectively，obtained for 20 mg/L Cr（Ⅲ）.The TF maxima was found to be 0.066 at 5 mg/L Cr（Ⅲ），which points the vast majority of Cr（Ⅲ） was accumulated in the root of the plant.Water lettuce，as floating plant，can be recommended for phytoremediation purposes of Cr（Ⅲ）-contaminated water.

water lettuce；Cr（Ⅲ）；phytoremediation；heavy metal pollution

S555+.5

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.06.013

1007-9831（2016）06-0044-04

2016-04-29

教育部第48批“留學回國人員科研啟動基金”項目

高立娣（1980-），女，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，碩士，主要從事土壤環境監測與污染控制研究.E-mail：gaolidi@163.com