鳳眼蓮對練江水體重金屬的去除效果和富集能力研究

田秀芳 胡兆華 邱家誠 吳清岳 郭正杰 張鵬基

(汕頭職業技術學院自然科學系，廣東 汕頭 515041 )

水體重金屬污染問題已經成為全球性的環境問題，并且直接影響到了人類的生存和社會發展。練江，這條被譽為粵東“母親河”的河流也不例外，其污染問題由來已久，污染程度十分嚴重，引起社會各界的高度關注[1]。為了還給老百姓一條干凈的母親河，尋求合適的水體重金屬污染修復方法勢在必行。

對于水體重金屬污染問題，各國科學家們也進行了深入地研究，同時也提出了許多可行的方案。植物修復被認為是最具發展前途的一種生態綠色修復技術，具有投資小、效率高、環境生態效益好等優點，在土壤和水體重金屬污染修復中已經引起國內外廣泛關注[2-5]。如Chehregani[6]通過試驗發現種植超富集植物(如反枝莧、雀苣屬側柏等)一段時間，底質中重金屬含量明顯下降，其中Pb含量下降幅度最大為98%；Fawzy[7]研究了尼羅河水系中金魚藻、鳳眼蓮和香蒲中重金屬含量，發現3種水生植物作為重金屬污染監測生物所擁有的巨大潛力；陳文萍等[8]研究發現紫根水葫蘆具有良好的水體修復和去除重金屬能力。

1 材料與方法

1.1 水生植物

鳳眼蓮購置于杭州綠化水草供應站，饑餓7d，在水中自然生長7d，挑選大小、發育階段一致的株體，去除糜爛枝葉，用去離子水沖洗干凈，自然瀝干水分備用。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

試驗在塑料周轉箱中進行，試驗用水取自練江下游水體，每箱加練江原位水90L,每個試驗箱按組分別放置鳳眼蓮各400g，試驗水體中凈化植物的生物量為4.4g·L-1，水草覆蓋面積占試驗箱面積的30%左右。以練江水體不同區域pH和N/P為依據，設置pH分別為5.0和7.0(原位水體)，N/P為20∶1、16∶1(原位水體)、12∶1，每個試驗組設置3個重復，采樣周期為4d、8d、15d、21d，采樣后分別測定試驗水體中各種離子(Hg、Pb、Zn、Cu、As)濃度、鳳眼蓮根際和莖葉對各種離子富集量以及污染水體對鳳眼蓮葉綠素a和超氧化物歧化酶(SOD)影響。每天添加去離子水以補充自然蒸發量，試驗時間為5月份。

1.2.2 水體中各種重金屬離子含量的測定

各指標分析方法參照《水和廢水監測分析方法(第四版)》。汞采用GB/T 5750.6-2006(8.1)原子熒光法測定；鉛、銅、鋅、砷采用GB/T 5750.6-2006(1.4)電感耦合等離子體發射光譜法測定。

1.2.3 植物體內各種重金屬含量測定

DHT11采用單總線數據格式，即使用一個IO口即可實現雙向通信，其數據包由5Byte（40Bit）組成；該傳感器采集將得到的數據為浮點型，可以將數據分為小數和整數部分，但都要經過相應處理；每次傳輸數據為40Bit，數據輸出格式是高位在前。溫濕度數據計算方式如圖10所示。DHT11將數據通過IO傳遞給單片機，運算速度在4毫秒左右，所以在進行設計時，要考慮其反應時間，防止在死區時間里讀取錯誤數據，建議時間間隔大于50 ms。

將所采集的植物樣品先用自來水沖洗，再用去離子水淋洗2～3次，吸干表面水分后測量株高和鮮重，于105℃殺青30min，80℃烘干至恒重，磨碎后過60目篩。汞采用GB/T22105.1-2008原子熒光法測定；鉛、銅、鋅采用GB/T17141-1997火焰原子吸收分光光度法測定；砷采用GB/T22105.2-2008原子熒光法測定。

1.2.4 葉綠素a含量測定

采用分光光度法，參照HJ 897-2017測定葉片單位鮮重的葉綠素a含量。

1.2.5 超氧化物歧化酶(SOD)活性測定

利用中國南京建成生物工程研究所購買的試劑盒進行測定。

1.3 計算公式

去除率RE(%)=(c0-c)/c0×100%

式中，c0為吸附前水體中重金屬離子的質量濃度，mg·L-1；c為吸附后水體中剩余重金屬離子的質量濃度，mg·L-1。

富集系數(BFs)=N/M

式中，N為復合污染暴露下，植物體(干重)中重金屬離子濃度，mg·kg-1；M為水體中重金屬離子初始質量濃度，mg·L-1；本研究分別計算了大薸莖葉部分BFs(BAFs)和根際部分BFs(BCFs)。

轉運系數TF=植物莖葉部分重金屬濃度/植物根際重金屬濃度。

2 結果與討論

練江污染水體中Hg、Pb、Cu、Zn、As的初始濃度為8.571×10-4mg·L-1、0.053mg·L-1、0.182mg·L-1、1.718mg·L-1、0.053mg·L-1，參照《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)，水體中Hg、Pb、Cu、Zn、As分別達到地表水質的Ⅳ、Ⅴ、Ⅱ、Ⅴ、Ⅳ類標準。

2.1 不同pH及N/P條件下，鳳眼蓮對水體中重金屬的去除效果

由圖1可知，pH=5.0時，鳳眼蓮對水體中各種離子的RE變化均在15d時達到最大，不同N/P，最大去除率(REmax)順序表現一致，為Zn>Cu>As>Pb>Hg，各離子間去除效果存在顯著性差異(P<0.05)。不同N/P，鳳眼蓮對Zn、Cu、As、Pb、Hg的REmax依次為83.8%、86.3%、82.9%，73.5%、76.0%、73.6%，69.0%、73.2%、70.4%，63.3%、69.9%、66.8%，50.9%、62.7%、60.2%；15d時對Zn、As、Pb指標均降至II、I、III類標準，而Cu、Hg雖仍為原來標準，但離子含量較凈化前大幅下降。此pH條件下，鳳眼蓮對5種離子的去除效果均是在N/P=16∶1時最佳，對Zn選擇性最好。

圖1 pH=5.0時鳳眼蓮對水體中重金屬的去除效果

pH=7.0時，鳳眼蓮對5種離子的REmax順序為Hg>Zn>Pb>Cu≈As(圖2)，除Cu與As外，各離子之間的去除效果存在顯著性差異(P<0.05)。此pH條件下，鳳眼蓮對Hg的選擇性最好，有極強的耐汞毒能力。不同N/P，鳳眼蓮對Hg的RE8d時達到最高，REmax依次為90.0%、93.5%、99.1%，去除效果好，N/P=12∶1時去除效果最佳，8d時Hg指標降至III類標準；可能由于Hg在植物體內濃度達到飽和[9]，15d時鳳眼蓮對Hg的RE略有下降，但與其它金屬相比，其對Hg的去除效果依然表現為強勢。對Zn、Pb、Cu、As的去除效果均是15d達到最高，N/P=16∶1時去除效果最佳；Zn、PbREmax依次為84.5%、87.7%、83.2%，80.1%、82.2%、76.6%；15d時Zn指標均降至Ⅱ類標準；Pb指標N/P=16:1時降至I類標準，其它條件均降至II類標準。對Cu和As去除效果相近，REmax分別為72.0%、75.2%、70.2%，71.6%、74.7%、70.4%，15d時雖然Cu、As指標依然為III類標準，但離子含量較凈化前大幅下降。

圖2 pH=7.0時鳳眼蓮對水體中重金屬的去除效果

從圖1、2可以看出，在復合污染的練江水體中，鳳眼蓮對重金屬的吸收具有選擇性。pH=5.0時，Zn對其它金屬具有一定的抑制性；pH=7.0時，Hg對其它金屬具有一定的抑制性。此外，相同N/P，鳳眼蓮對Hg、Pb的去除效果受pH影響較為明顯，去除效果均是在pH=7.0時優于pH=5.0；pH=7.0，盡管15d時Hg去除效果略有下降，但相應N/P去除效果仍是pH=5.0時的1.3～1.7倍，對Pb去除效果約是pH=5.0時的1.1～1.3倍；而Zn、Cu、As在不同pH去除效果相近，無顯著性差異(P>0.05)，這意味著可通過調節pH的方式來影響鳳眼蓮對Hg、Pb的吸收。

2.2 不同pH及N/P條件下，鳳眼蓮對5種離子的富集和轉運分析

不同pH及N/P，鳳眼蓮根際對5種離子的BCFsmax順序表現一致，為Hg>Pb>Cu>As>Zn。pH=5.0時(表1)，不同N/P條件下鳳眼蓮根際對5種離子的富集能力15d時達到最強，此后隨著時間推移，富集能力有一定的下降。pH=7.0時(表2)，鳳眼蓮根際對Hg的富集能力8d時達到最高，其余金屬均是15d時達到最強。鳳眼蓮莖葉對5種離子的富集能力隨著時間的推移逐漸增強，對5種離子的BAFsmax順序為Hg>Pb>Zn>Cu>As(表3、4)。

表1 pH=5.0時鳳眼蓮根際對重金屬的富集能力

表2 pH=7.0時鳳眼蓮根際對重金屬的富集能力

表3 pH=5.0時鳳眼蓮莖葉對重金屬的富集能力

表4 pH=7.0時鳳眼蓮莖葉對重金屬的富集能力

續表 pH=7.0時鳳眼蓮莖葉對重金屬的富集能力

對5種離子的轉運能力如表5，培養周期內，鳳眼蓮對Hg、Pb的TF較高，均大于0.7，而對Cu、As的TF較低，說明鳳眼蓮莖葉富集Hg、Pb較多，而根部是富集Cu、As的主要組織。對于Hg、Zn、As3種金屬的轉運能力均是pH=5.0時優于pH=7.0，對Pb的轉運能力是pH=7.0時優于pH=5.0，而pH對Cu的轉運能力無顯著影響。

表5 鳳眼蓮對重金屬的轉運系數

由表1至表5可知，鳳眼蓮對5種重金屬BCFsmax和BAFsmax遠大于1，且根際部分的富集系數遠大于莖葉部分，表明該植物根際相對于莖葉可高效富集重金屬，雖然TF均小于1，但整體對各種金屬生物富集能力較高。其對Hg的富集能力受pH影響較大，pH=7.0條件下鳳眼蓮根際和莖葉對Hg的最大富集能力約是pH=5.0的3倍以上，可見此pH下，鳳眼蓮對Hg具有超強的富集能力和極強的耐汞毒能力；此外，莖葉對重金屬的富集能力隨著時間推移呈增長趨勢，但根際對重金屬的富集均是15d時達到最大，21d時下降(除pH=7.0時，Hg的富集能力在前8d達到最大)，這可能是由于水體氮磷比偏高，15d時鳳眼蓮根部有腐爛跡象，部分重金屬再次釋放于水體中，部分重金屬轉運至莖葉所致。

2.3 復合污染練江水體對鳳眼蓮葉綠素a與超氧化物歧化酶的影響

葉綠素含量可表征植物組織、器官的衰老狀況[10]。本試驗中(表6)，不同pH及N/P，空白水樣中鳳眼蓮葉片葉綠素a含量在培養周期內略有上升，但在污染水體中，隨著時間延長，葉綠素a含量均呈下降趨勢，N/P由20∶1到12∶1，21d時下降幅度分別為35.0%、42.0%、38.0%(pH=5.0),46.2%、51.0%、49.4%(pH=7.0)；這說明水體中存在的污染物質抑制了鳳眼蓮葉片細胞葉綠體色素的合成[11]。此外，pH=7.0葉綠素a下降幅度明顯強于pH=5.0，2種pH均是在N/P=16∶1時下降幅度較大，這應該與植物體內重金屬富集程度有關。

超氧化物歧化酶(SOD)是一種普遍存在于動、植物體內殘余分解超氧陰離子自由基的酶，其活性大小常作為植物抗逆性的生理指標[12]。由表6可知，不同pH及N/P，污染水體中，由于受到重金屬影響，鳳眼蓮葉片中SOD雖小于空白水樣中含量，但在培養周期內前8d葉片中SOD含量仍呈上升趨勢，這說明鳳眼蓮對污染水體中重金屬具有一定的耐受性。

表6 不同pH及N/P條件下鳳眼蓮葉綠素a和SOD活性

3 結論

pH=5.0時，鳳眼蓮對5種金屬的最佳適用凈化周期均為15d左右，其中對Zn表現出較強適應性，最大去除率高達82%以上；pH=7.0時，鳳眼蓮對Hg的選擇性較強，去除效果最好，最大去除率高達90%以上，對Hg最佳適用凈化周期為8d左右，Pb、Cu、Zn、As的最佳適用凈化周期為15d左右。

相應N/P條件下，鳳眼蓮對Hg、Pb去除效果在pH=7.0時優于pH=5.0，對Zn、Cu、As的去除效果2種pH條件下無顯著性差異(P>0.05)。

2種pH條件下，鳳眼蓮對5種重金屬BCFsmax和BAFsmax遠大于1，雖然TF均小于1，但整體對各種金屬生物富集能力較高，其中對Hg的富集能力最強，尤其是pH=7.0時富集效果最佳。

鳳眼蓮莖葉富集Hg、Pb較多，而根部是富集Cu、As的主要組織。對于Hg、Zn、As3種金屬的轉運能力均是pH=5.0時優于pH=7.0，對Pb的轉運能力是pH=7.0時優于pH=5.0，而pH對Cu的轉運能力無顯著影響。

污染水體中，雖然鳳眼蓮葉綠素a含量培養周期內呈下降趨勢，SOD前8d上升，此后隨著時間的推移呈下降趨勢，但2種pH條件下鳳眼蓮在培養周期內生長旺盛，對5種離子的去除效果佳，說明鳳眼蓮是一種可能有潛力用于復合污染練江水體修復的耐性植物。