水生植物對(duì)電鍍廢水中重金屬的修復(fù)研究

張志敏，朱 祥，丁新泉，王 銳

(1. 銅仁學(xué)院，貴州 銅仁 554300；2.銅仁市創(chuàng)建國(guó)家環(huán)境保護(hù)模范城市辦公室，貴州 銅仁 554300；3.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

水生植物對(duì)電鍍廢水中重金屬的修復(fù)研究

張志敏1,2，朱 祥3，丁新泉1，王 銳1,2

(1. 銅仁學(xué)院，貴州 銅仁 554300；2.銅仁市創(chuàng)建國(guó)家環(huán)境保護(hù)模范城市辦公室，貴州 銅仁 554300；3.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

以菖蒲、石菖蒲、黃花鳶尾、香蒲、水芹5種水生植物為對(duì)象，對(duì)電鍍廢水進(jìn)行綠色修復(fù)研究。在電鍍廢水中植物生長(zhǎng)第20d對(duì)植物的生物量、生理特性、凈化效果進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明：5種水生植物在重金屬?gòu)U水中均受到不同程度的生長(zhǎng)脅迫，不同植物的生物量、根系活力、SOD活性、MDA含量、重金屬的去除率差異明顯；重金屬對(duì)黃花鳶尾的脅迫不大，生長(zhǎng)抑制率為4.72%，其耐性強(qiáng)，根系活力、SOD活性最大，對(duì)重金屬(Cr、Zn、Mn)的凈化效果最好；水芹的植物生物量不受重金屬的影響，生長(zhǎng)抑制率為-3.39%，耐性強(qiáng)，重金屬的凈化效果比較好；石菖蒲對(duì)Cr、Mn的凈化效果僅次于黃花鳶尾。

水生植物；電鍍廢水處理；重金屬去除；植物修復(fù)

電鍍工業(yè)是近年來(lái)全球范圍內(nèi)公認(rèn)的三大污染源之一，在生產(chǎn)過(guò)程中大量的重金屬溶液、強(qiáng)堿、強(qiáng)酸、氰化物、氟化物等有毒有害化學(xué)物質(zhì)被使用[1.2.3]。排放出的廢水，流入水環(huán)境，會(huì)引起水體重金屬污染；進(jìn)入食物鏈，會(huì)危害人類(lèi)的健康及生命[1-4]。水體重金屬污染具有三個(gè)非常明顯的特點(diǎn)：不可逆性；長(zhǎng)期性；隱蔽性[5-7]。

因市場(chǎng)需要，電鍍工業(yè)的規(guī)模越來(lái)越大，排放的電鍍廢水量也逐年增加。如何有效處理污染水體中的有毒有害金屬物質(zhì)一直是國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家研究的重要方向。在實(shí)踐中，水體重金屬污染修復(fù)方法主要從兩條途徑考慮：①將重金屬物質(zhì)從受污染水體中徹底清除；②降低受污染水體中的重金屬的遷移能力及生物的可利用性[8.9]。植物修復(fù)水體重金屬污染就是一項(xiàng)低成本、綠色環(huán)保的修復(fù)方法，它利用一些能積累或超量積累重金屬的水生植物，將水體中的重金屬富集到植物體內(nèi)，以收割植物的方式，將重金屬?gòu)乃w中清理出去[10-11]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在水生植物對(duì)重金屬的吸收及凈化方面研究較多，對(duì)污染水體中植物的耐性和抗性研究較少。因此，本研究通過(guò)水培試驗(yàn)的方法，以菖蒲、石菖蒲、黃花鳶尾、香蒲、水芹5種水生植物為試驗(yàn)材料，探討這5種水生植物在電鍍水中的生理抗性及凈化效果，以期為電鍍廢水修復(fù)工程中篩選生理抗性強(qiáng)、凈化效果好、富集能力強(qiáng)的水生植物提供一定的借鑒及參考。

1 材料與方法

1.1 材料

在對(duì)貴州省銅仁市水生植物資源、氣候特征進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合植物的觀(guān)賞及經(jīng)濟(jì)價(jià)值，選取以下5種水生植物為試驗(yàn)材料：菖蒲(Acoruscalamus)、石菖蒲(Acorusgramineus)、黃花鳶尾(Irispseudacorus)、香蒲(Acoruscalamus)、水芹(Oenanthejavanica)。供試植物材料來(lái)自銅仁市水生植物基地及貴陽(yáng)水生植物公司。

電鍍水采自銅仁市某電鍍加工廠(chǎng)，電鍍廢水經(jīng)預(yù)處理后，將其濃度稀釋一倍，以備試驗(yàn)使用。

表1 電鍍水中重金屬的原始濃度 (mg/L)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)前將植物幼苗移入自來(lái)水中馴養(yǎng)4d，使移栽過(guò)程中受損的根系得以恢復(fù)。4d后選取生長(zhǎng)健壯、無(wú)枯葉、長(zhǎng)勢(shì)基本一致、苗高在40cm左右的植物，用去離子水沖洗干凈幼苗根系后，放置于直徑為25cm、高為27cm的特制黑色塑料桶內(nèi)。每桶鋪10cm厚基質(zhì)(粗砂)，基質(zhì)經(jīng)鹽酸浸泡16h，再用超離子水漂洗4次，然后鋪于桶中，用打孔塑料板將基質(zhì)和桶底隔開(kāi)。

試驗(yàn)設(shè)為對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組、CK組(不種植植物，加入4L重金屬污水，進(jìn)行自然修復(fù))，對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組植株分別用4L的自來(lái)水和供試電鍍廢水處理，每桶種植4株，3次重復(fù)。在試驗(yàn)期間每天保持桶中水位，試驗(yàn)20d時(shí)對(duì)植物和污水進(jìn)行采樣。

1.3 測(cè)定方法

植物總干重等于地上部干重與地下部干重之和，水樣及植物中重金屬元素含量(Cr、Zn、Mn)使用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP)測(cè)定，根系活力采用TTC法[12]測(cè)定，超氧化物歧化酶(SOD)活力采用氮蘭四唑(NBT)[13]測(cè)定，MDA含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法[14]測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

植物生長(zhǎng)抑制率(%)=(對(duì)照生物量-重金屬處理生物量)/對(duì)照生物量×100；金屬的凈化效果用去除率表示，計(jì)算公式為：

W(%)=(A0-A1)/A0×100

式中：W表示重金屬的去除率，A0為電鍍水中的初始重金屬含量，A1為采樣測(cè)定的重金屬含量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SAS軟件GML過(guò)程進(jìn)行方差分析，圖表使用Origin8.5繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 電鍍廢水脅迫對(duì)水生植物生物量的影響

從表2可以分析出，水生植物在電鍍水中生長(zhǎng)20d后，除水芹外均受到不同程度的生理脅迫。水芹的生長(zhǎng)抑制率為-3.39%，并且對(duì)照和處理之間的地上干重、地下干重、總干重、R∶S的值等指標(biāo)無(wú)明顯的差別。電鍍廢水對(duì)黃花鳶尾生長(zhǎng)脅迫影響不大，其生長(zhǎng)抑制率為4.72%，對(duì)照和處理之間除地上干重有明顯的差別之外，其他的生理指標(biāo)無(wú)明顯的差別，特別是衡量環(huán)境脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)影響的R∶S值，對(duì)照和處理之間差值為0.01，無(wú)差別。石菖蒲的生長(zhǎng)抑制率為15.41%，表明石菖蒲在電鍍水中的生長(zhǎng)受到一定程度的脅迫，其表現(xiàn)為對(duì)照和處理之間的地上干重、總干重、R∶S值有明顯的差別。香蒲和菖蒲植物嚴(yán)重受到電鍍廢水的脅迫，其對(duì)照和處理之間各生理指標(biāo)差異顯著，尤其是菖蒲，在試驗(yàn)的5種植物中生長(zhǎng)抑制率最高，為48.62%。

表2 電鍍廢水對(duì)水生植物生物量的影響

注：每個(gè)數(shù)值以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，同種植物不同處理間不同字母表示在0.05水平下差異顯著。

2.2 電鍍廢水脅迫對(duì)水生植物生理的影響

2.2.1 根系活力的變化

根的活力水平直接影響地上部的營(yíng)養(yǎng)狀況，在一定環(huán)境脅迫下根系活力增加，這可能是根系通過(guò)提高呼吸作用以適應(yīng)、抵抗脅迫環(huán)境，維持植物的正常生長(zhǎng)的結(jié)果[15.16]。圖1反映了5種水生植物在重金屬?gòu)U水中根系活力的情況，除菖蒲外，其它4中植物處理組的根系活力都高于對(duì)照組，這表明重金屬?lài)?yán)重影響了菖蒲的根系活力，其適應(yīng)性差。黃花鳶尾、香蒲、水芹3種植物的根系活力，對(duì)照組和處理組之間存在明顯的差異，說(shuō)明這3種植物在電鍍廢水中適應(yīng)強(qiáng)、能抵抗重金屬的脅迫。尤其是黃花鳶尾，處理組比對(duì)照組的根系活力高21μg. g-1.FW。

2.2.2 超氧化物歧化酶(SOD)活性的變化

SOD是植物體內(nèi)清除活性氧的重要防御酶，具有抗自由基的作用，能防止細(xì)胞受自由基的傷害，提高植物的抗逆性[17.18]。5種水生植物在電鍍廢水中SOD活性與對(duì)照組相比有一定的升高，這符合植物在逆境脅迫下的表現(xiàn)，當(dāng)脅迫環(huán)境發(fā)生后，植物機(jī)體內(nèi)會(huì)發(fā)生各種變化，以適應(yīng)不良環(huán)境[18]。除水芹外，其它4種水生植物的SOD活性，對(duì)照組與處理組之間存在明顯的差別，特別是黃花鳶尾，SOD活性比對(duì)照組高出51.1%，其次是菖蒲和香蒲，比對(duì)照組分別高出37%、27.9%。

2.2.3 丙二醛(MDA)含量的變化

MDA含量通常作為細(xì)胞膜脂過(guò)氧化的指標(biāo)，表示過(guò)氧化程度以及植物對(duì)逆境脅迫適應(yīng)性的強(qiáng)弱[19]。圖3表示5種水生植物在重金屬污水中生長(zhǎng)20d后MDA含量變化。黃花鳶尾、香蒲、水芹的MDA含量比對(duì)照組低，分別低30%、38.9%、25%，說(shuō)明這3種植物能有效地緩解細(xì)胞膜的過(guò)氧化，積極地調(diào)節(jié)活性氧代謝，幾乎不受重金屬的影響或很少受到影響，耐性強(qiáng)。菖蒲和石菖蒲處理組植物體內(nèi)的MDA含量高于對(duì)照組，分別高出19%、6.7%，表明細(xì)胞膜過(guò)氧化相對(duì)比較嚴(yán)重，其植物在環(huán)境脅迫時(shí)耐性較弱。

2.3 水生植物對(duì)重金屬的凈化效果

從圖4中可以分析出，5種水生植物在重金屬污水中生長(zhǎng)20d后，對(duì)3種重金屬都有一定的凈化效果，但不同水生植物的去除效果之間以及不同重金屬的去除率之間仍存在明顯的差異。5種水生植物中，黃花鳶尾對(duì)Cr、Zn、Mn的去除效果最好，比CK組分別高42%、24.4%、32.6%，去除能力Cr>Mn>Zn。石菖蒲和水芹對(duì)這3種重金屬去除效果也比較顯著，石菖蒲對(duì)Cr、Mn的去除效果僅次于黃花鳶尾，對(duì)Zn的去除效果，在5種植物中最差。另外，菖蒲對(duì)Cr、Zn也表現(xiàn)出較好的去除效果，而香蒲對(duì)Zn、Mn的去除效果較好。

3 結(jié)論

(1)對(duì)電鍍廢水進(jìn)行綠色修復(fù)研究發(fā)現(xiàn)，5種水生植物在重金屬?gòu)U水中均受到不同程度的生長(zhǎng)脅迫，不同植物之間的生物量、根系活力、SOD活性、MDA含量、重金屬的去除率差異明顯。水芹的生長(zhǎng)抑制率為-3.39%，黃花鳶尾為4.72%，水芹和黃花鳶尾的根系活力、SOD活性、MDA含量等指標(biāo)處理組與對(duì)照組差異比較大，這說(shuō)明生理指標(biāo)與植物的生物量有顯著的相關(guān)性。并且，這兩種水生植物對(duì)重金屬(Cr、Zn、Mn)的凈化效果突出。

(2)重金屬脅迫下，為適應(yīng)環(huán)境的變化，維持植物的正常生長(zhǎng)，植物表現(xiàn)為根系活力增強(qiáng)，SOD活性增大，MDA含量減少，黃花鳶尾表現(xiàn)最為明顯，處理組與對(duì)照組差異顯著，根系活力增高39.6%、SOD活性增大51.1%、MDA含量降低30%。這說(shuō)明水生植物具有自我調(diào)節(jié)能力，能在一定的金屬脅迫下生長(zhǎng)。

(3) 5種水生植物對(duì)3種重金屬(Cr、Zn、Mn)的凈化效果差異明顯，黃花鳶尾對(duì)Cr、Zn、Mn的去除效果最好，去除能力Cr>Mn>Zn，石菖蒲和水芹對(duì)3種重金屬去除效果也比較好，石菖蒲對(duì)Cr、Mn的去除效果僅次于黃花鳶尾，對(duì)Zn的去除效果在5種植物中最差。

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Study on Phytoremediation of Heavy Metals in Electroplate Wastewater by Hydrophyte

ZHANG Zhi-min1,2, ZHU Xiang3, DING Xin-quan1, WANG Rui1,2

(1.Tongren University，Tongren Guizhou 554300 ,China)

Thestudy on the green restoration of electroplating wastewater was conducted usingAcoruscalamus,Acorusgramineus,Irispseudacorus,Acoruscalamus,Oenanthejavanica. The biomass, physiological characteristics, and purification effect of plants were tested after electroplating wastewater for 20 days. The results suggested that these 5 kinds of hydrophytes were subjected to different degrees of growth stress in the heavy metal water. The biomass, root activity, SOD activity, MDA content, and the removal rate of heavy metals were significantly different among different hydrophytes. The stress on heavy metals toIrispseudacoruswassmall. Its growth inhibition rate was 4.72%, the tolerance was strong, the root activity and SOD activity were the biggest, and its purification effect on heavy metals (Cr, Zn, Mn) was the best. Plant biomass of cress was not affected by heavy metals. Its growth inhibition rate was -3.39% with strong tolerance and good purification effects. The purification effect ofAcorusgramineuson Cr and Mn was next only to that ofIrispseudacorus.

hydrophyte; electroplate wastewater; removal of heavy metals; phytoremediation

2016-09-01

銅仁市環(huán)保局專(zhuān)項(xiàng)(TRCMB16-3)，貴州省教育廳特色重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(黔教合KY字[2011]005)。

張志敏(1981-)，女，河南周口人，博士研究生，副教授，主要從事植物生理、栽培及育種研究。

X703

A

1673-9655(2017)01-0006-05