菖蒲對水中鉛富集能力的試驗研究

馬 晴， 彭 越， 冼應男， 蘭孟雅

(西南民族大學化學與環境保護工程學院，四川成都 610041)

菖蒲對水中鉛富集能力的試驗研究

馬 晴， 彭 越， 冼應男， 蘭孟雅

(西南民族大學化學與環境保護工程學院，四川成都 610041)

文章通過模擬不同濃度含鉛廢水與復合污染廢水，研究菖蒲在不同污染條件下對水中鉛的富集能力。分析菖蒲對水中Pb2+的富集能力以及Zn2+、EDTA對菖蒲富集Pb2+的影響，得到如下結論：菖蒲根的生長受Pb2+抑制，菖蒲適宜處理小于等于10 mg/L的低濃度含鉛廢水，Zn2+的存在可提高菖蒲對Pb2+的富集能力，EDTA的存在降低菖蒲對Pb2+的富集能力。以上結論可為菖蒲在水污染治理和環境修復中的應用提供參考。

菖蒲； 鉛污染； 復合污染； 植物修復

隨著工業的快速發展，冶金、電鍍、采礦等含重金屬的工業廢水和固體廢棄物排放量日益增多，給水環境帶來重金屬污染。重金屬毒性大，不能降解，通過食物鏈富集放大，危害人群健康[1]。治理重金屬污染，修復水環境的方法主要有物理修復、化學修復和生物修復[2]。相較于物理修復與化學修復，生物修復具有費用省、無二次污染，環境風險小等特點，成為新興的研究熱點。植物修復屬于生物修復的一種，自1983年美國科學家Chaney首先提出利用植物來消除重金屬污染以來[2]，植物修復技術一直是治理環境重金屬污染領域的研究熱點。水生植物能夠吸附和吸收水環境中的重金屬污染物，具有改善水生生態環境，提供觀賞和經濟價值，在水污染治理和環境修復中得到廣泛應用[3-5]。根據植物對污染物的吸收富集特性選擇合適的植物品種是植物修復的關鍵，因此圍繞不同濕地植物對重金屬吸收富集能力的對比研究較多[6-8]。但不同廢水重金屬濃度各有差異，而且廢水中往往是多種污染物共存。不同濃度的重金屬廢水對植物的毒害作用不同，影響植物生長發育以及對重金屬的吸收富集；水中其他污染物的存在同樣也影響植物對重金屬的吸收富集，從而制約植物修復的效果。本文通過模擬實驗，比較菖蒲在不同濃度的單一重金屬鉛污染、鉛-鋅復合污染與鉛-EDTA(模擬環境中的絡合物)復合污染廢液中，生長情況以及對鉛的吸收富集能力，研究適合菖蒲處理的重金屬廢水濃度以及復合污染對菖蒲吸收能力的影響，為菖蒲在水污染治理和環境修復中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選擇南方常見的菖蒲屬(Acorus L.)植物菖蒲(Acorus calamus L.)。活體植物采集于成都市郊區。

1.2 試驗設計

試驗前，先用自來水清洗菖蒲根部，然后置于暴曬過的自來水中饑餓處理一周，再選取長勢一致的植株修剪整齊，待用。

(1)模擬不同濃度的單一含鉛廢液。用去離子水溶解Pb(NO3)2，配制成Pb2+濃度分別為0 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L的廢液各1L，分別裝入容積為1L的玻璃瓶中。

(2)模擬Pb2+-Zn2+復合污染廢液。用去離子水溶解Pb(NO3)2與Zn(NO3)2，配置成Pb2+濃度為10 mg/L，Zn2+濃度分別為0 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L的5種混合廢液各1L，分別裝入容積為1L的玻璃瓶中。

(3)模擬Pb2+-EDTA復合污染廢液。用EDTA二鈉鹽模擬環境中的絡合物。去離子水溶解Pb(NO3)2與EDTA二鈉鹽，配置成Pb2+濃度為10 mg/L，EDTA二鈉鹽濃度分別為0 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L的5種混合廢液各1L，分別裝入容積為1L的玻璃瓶中。

在以上盛有廢液的玻璃瓶中加入營養液5 mL，將處理好的菖蒲以3株為一組分別置于各玻璃瓶中培養。對植物的生長管理采用露天培養的方法，始終保持充足的光照和通風，溫度保持在20～25℃之間。

1.3 測定方法

對植株的生長情況觀察、記錄。每隔7天取25 mL廢液，過0.45 μm膜，用火焰原子吸收法測Pb2+與Zn2+濃度，同時將玻璃瓶中的廢液添加至標記處。35天后，將植株用自來水沖洗干凈，將植株上的水擦干，分為地上部分和地下部分用電子天平秤分別稱其鮮重。放入烘箱中殺青1 h，將殺青后的植物樣品在80℃下烘干至恒重。電子天平稱量得到烘干樣品地上與地下部分的重量。再用研缽將恒重的樣品研磨成粉末狀。四分法準確稱取地上部分和地下部分各0.400 0±0.000 1 g，放入5 mL坩堝中，先在低溫電爐上碳化粉末至不冒煙為止，將坩堝轉入馬弗爐中灰化。然后，加入1∶1的硝酸溶液10 mL并滴入1滴雙氧水消解，過0.45 μm膜，用火焰原子吸收法測量Pb2+和Zn2+含量。

2 結果與分析

2.1 不同濃度的單一Pb2+污染

2.1.1 植物不同組織的受害情況

菖蒲通過吸收、富集水中的鉛來凈化受污染的含鉛水體，但當水體中的鉛達到一定濃度時對植物的不同組織產生一定程度的損傷[9]。

(1)將菖蒲放在不同濃度梯度的含鉛廢水中培養，在第3天葉片邊緣處稍有發黃的跡象，在第10天葉片全部發黃。葉片黃化的原因可能是由于植物受到鉛毒害后影響其葉綠素合成，葉綠素減少或者降解增多，改變植物中類胡蘿卜素與葉綠素的比例，從而使葉片因缺乏葉綠素而黃化[10]。

(2)根部受鉛毒害的情況，在培養第7天時根部開始有新芽長出，但在培養第30天時根部開始腐爛。

2.1.2 植物生長情況

在培養菖蒲的過程中，菖蒲植株的生物量、植株根長度以及植株高度均發生變化。由圖1可見，在鉛濃度小于等于10 mg/L環境中，生物量有所增加。對比圖1與圖3，在鉛濃度為20 mg/L環境中，雖然植株高度增加，但生物量下降，可見低濃度含鉛廢液不但不影響菖蒲的生長代謝而且還起促進作用。由圖2可見，鉛離子濃度為0的廢液中，植株的根長有明顯增長，而含鉛廢液中的植株根長增長較小，說明含鉛廢液對植物根的生長有抑制作用。

圖1 菖蒲植物生物量變化

圖2 菖蒲植株根長變化

圖3 菖蒲植株高度變化

2.1.3 植物的不同組織對Pb2+的富集情況

根據35天后測得的植物體內、地下部分與地上部分Pb2+含量、植物干重以及溶液中的Pb2+濃度，按照式(1)～式(3)計算，得到不同濃度的Pb2+廢液中菖蒲對Pb2+的富集與轉移情況(表1)。從表1中數據可以看出，植株的富集量隨著鉛濃度的增加而增加，兩者呈正相關關系。植株根部的富集系數遠遠大于莖葉的富集系數，說明鉛進入植物體后主要作用于植物的根部，轉移系數都小于1，均在0.05～0.30之間，說明菖蒲植株不能有效地將根部的重金屬轉移到莖葉部分。

富集量(mg/kg)=植物對重金屬吸收量/植物干重

(1)

富集系數=植物地上部(或根)重金屬含量/溶液中該元素含量

(2)

轉移系數=植物地上部分重金屬含量/根部該元素含量

(3)

表1 不同濃度Pb2+廢液中菖蒲對Pb2+的富集、轉移情況

2.2 復合污染

2.2.1 Pb2+-Zn2+復合污染

圖4 Pb2+濃度為10 mg/L的Pb2+-Zn2+復合污染廢液中Pb2+濃度變化

2.2.2 Pb2+-EDTA復合污染

在含有Pb2+與EDTA的廢液中培養菖蒲，第3天時植株的葉片邊緣稍有發黃，第10天時部分葉片發黃。與單一Pb2+污染相比，菖蒲受毒害的癥狀有所緩解。EDTA與Pb2+對植物的聯合毒性作用呈現拮抗效應。廢液中Pb2+濃度變化情況如圖5所示，呈現出EDTA濃度越高，水樣中Pb2+濃度越高。28天后EDTA濃度為0的水樣中Pb2+為0，而Pb2+-EDTA復合污染廢液中Pb2+濃度大于3.5 mg/L，而且EDTA濃度越高廢液中殘留的Pb2+濃度越高，可見EDTA的存在抑制植物對Pb2+的吸收。

圖5 在Pb2+濃度為10 mg/L的Pb2+-EDTA復合污染廢液中Pb2+濃度變化

3 結論

通過菖蒲在單一污染和復合污染條件下對水中鉛富集能力的試驗研究，可以得到如下結論：

(1)雖然菖蒲對Pb2+的富集量與水環境中Pb2+濃度正相關，但水環境中Pb2+濃度越高，菖蒲生長越受影響。水中Pb2+被菖蒲吸收后主要存在于根部，而Pb2+對菖蒲根的生長有明顯的抑制作用。因此，菖蒲對Pb2+的富集能力是有限的。水環境中Pb2+濃度小于10 mg/L時，對菖蒲的生長影響較小。菖蒲只適宜于處理小于10 mg/L的低濃度含Pb2+廢水。

(2)在Pb2+-Zn2+復合污染的廢水中，Zn2+的存在促進菖蒲對Pb2+的吸收，提高其對Pb2+富集能力。

(3)在Pb2+-EDTA復合污染的廢水中，EDTA的存在抑制菖蒲對Pb2+的吸收，降低其對Pb2+的富集能力。

[1] 戴樹貴. 環境化學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006: 164-169.

[2] 陳玉成. 污染環境生物修復工程[M]. 北京: 化學工業出版社, 2003: 144.

[3] 徐德福, 李映雪, 李久海, 等. 幾種挺水植物對重金屬鋅的抗性能力及其影響因素[J]. 生態環境學報, 2009, 18(2): 476-479.

[4] 賀峰, 吳振斌. 水生植物在污水處理和水質改善中的應用[J]. 植物學通報, 2003, 20(6): 641-647.

[5] 李華, 程芳琴, 王愛英, 等. 三種水生植物對Cd污染水體的修復研究[J]. 山西大學學報： 自然科學版, 2005, 28(3): 325-327.

[6] 包宏. 6種濕地植物對廢水中重金屬富集能力的比較[J]. 污染防治技術, 2013, 26(1): 15-19.

[7] 王忠全, 溫琰茂, 黃兆霆, 等. 幾種植物處理含重金屬廢水的適應性研究[J]. 生態環境, 2005, 14(4): 540-544.

[8] 林芳芳, 叢鑫, 黃錦樓, 等. 人工濕地植物對重金屬鉛的抗性[J]. 環境工程學報, 2014, 8(6): 2329-2334.

[9] 黨金鼎, 賈洪濤, 黨秀春. 植物葉片失綠黃化現象辨析[J]. 山東省農業管理干部學院學報, 2002(5): 145-146.

[10] 王敏, 唐景春,王斐. 常見水生植物對富營養化和重金屬復合污染水體的修復效果研究[J]. 水資源與水工程學報, 2013, 24(2): 50-56.

X173

A

[定稿日期]2017-05-22

西南民族大學省級創新訓練項目(編號:S201610656094)

馬晴(1995～)，女，本科，研究方向為重金屬污染植物修復。

彭越(1973～)，女，博士，助理研究員，從事環境科學專業教學與科研工作。