植物修復中代表性浮水植物移除重金屬的能力和特性比較

史永富，詹倩云，張龍飛,3，王夢圓,3，葉洪麗，黃宣運，楊光昕，蔡友瓊,*

1.中國水產科學研究院東海水產研究所，農業農村部水產品質量監督檢驗測試中心(上海)，農業農村部東海漁業資源開發利用重點實驗室，上海 200090

2.四川省成都市市場監督管理局，成都 610041

3.上海海洋大學食品學院，上海 201306

淡水水環境中的重金屬污染已經嚴重影響淡水養殖水域和水產品質量安全[1-6]。重金屬在生物體內具有蓄積性，半衰期較長，會產生致畸、致癌和致突變等危害[7-11]。重金屬排放和隨之而來的環境影響已成為全球性的環境問題[12-13]。工業廢水是最常見、最主要的重金屬污染來源之一，其能夠通過水生生物或者污水灌溉中的生物積累等途徑危害人類健康[14-15]。目前從水環境中去除重金屬的常規技術包括植物吸附[16]、離子交換[17]、化學沉淀[18-19]、微生物吸附[20]、浮選[21]和反滲透等；雖然對重金屬去除的成效顯著，但這些方法存在成本高昂、操作困難、產生有毒副產品等問題[22]。與傳統的修復方法相比，植物修復尤其是利用水生植物的修復，被認為具有良好的應用前景[23]。

近年來，利用浮水植物對水體重金屬污染進行修復已成為環境科學領域的研究熱點之一[24-27]。浮水植物是一類葉片漂浮于水面，根系位于水中的水生高等植物，也稱浮葉植物[28]。因其根系、葉柄等部位位于水環境中，能夠吸收滿足自身所需的營養物質如微量元素(重金屬：鉛(Pb)、銅(Cu)、鎘(Cd))、氮和磷等[29-30]。現已報道多種可超量富集Pb、Cd、Cu、鋅(Zn)和鉻(Cr)等重金屬的浮水植物[27]。Odjegba和Fasidi[31]的研究表明，鳳眼蓮對水體中低濃度的Zn、Cr、Cu、Cd、Pb、銀(Ag)和鎳(Ni)具有很好的富集效果，但對水體中汞(Hg)的耐性較差。Khosravi等[32]調查了細綠萍對水體中Pb、Cd、Ni和Zn的富集效果，在15 d試驗結束后，水體中4種重金屬濃度分別下降至約初始濃度(4 mg·L-1)的61%、57%、68%和74%。國內關于水生植物修復水體環境中重金屬等危害因子的研究處于初步階段，存在水生植物單一、重金屬種類少等問題[26]。關于多種水生植物去除多種危害因子的研究相對較少，需要開展更深層次的研究，能夠為揭示水生植物去除重金屬的具體機制及其影響因素提供參考。

為進一步探索不同浮水植物對水環境中重金屬的去除效果，本研究以鳳眼蓮、圓心萍、肚兜萍、小浮萍、大薸、大浮萍和柳葉空心菜為研究對象，對其去除水環境中重金屬能力的差異性進行了探討分析，初步篩選出鳳眼蓮、大薸和肚兜萍3種混合植株(質量比1∶1∶1)對水環境中的重金屬Pb、Cd、Ni、Cu、Zn和Cr具有明顯的去除效果。本研究提供了篩選浮水植物對水體環境中重金屬去除能力的方法，為重金屬污染水體環境的防控和治理修復提供了思路，對淡水養殖水產品的質量安全控制具有重要的意義。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 浮水植物

鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)、圓心萍(Limnobiumlaevigatum)、肚兜萍(Salvinianatans)、小浮萍(Spirodelapolyrrhiza)和大薸(Pistiastratiotes)均購自浙江省金華市金東區江東鎮；大浮萍(PistiastratiotesL.)采集自湖北荊州洪湖市；柳葉空心菜(IpomoeaaquaticaForsk)購自上海市楊浦區陽普順平菜市場。確保采購植株的完整性，帶回實驗室，用自來水沖洗干凈后用于實驗。

1.2 實驗設備

電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS，7500cx，美國Agilent公司)；Milli-Q超純水系統(Element DDS-307，美國Millipore公司)；微波消解儀(ETHOS Ⅰ，意大利Milestone公司)；微控數顯電熱板(EH20A plus，北京萊伯泰科儀器公司，中國)；高速組織搗碎機(JX-2008，上海凈信實業發展有限公司，中國)；水相尼龍濾膜(0.45 μm，德國Membrana)；電子天平(e-10 d，賽多利斯儀器公司，中國)；加厚塑料周轉箱(長75 cm，寬56 cm，高40 cm，江蘇常州秦軒塑業公司，中國)；理化干燥箱(LG100B，上海實驗儀器總廠，中國)。

1.3 試劑

CdCl2、K2Cr2O7、CuSO4、Zn(NO3)2、Pb(NO3)2和NiSO4均為分析純，購自上海凌峰化學試劑有限公司；用超純水分別將6種重金屬試劑配制成50 mg·L-1的儲備液備用，并采用溶液現用現稀釋的原則；硝酸(優級純，美國J.T.Baker公司)，濃鹽酸(優級純，國藥集團，中國)。

Hoagland營養液成分：Ca(NO3)2·4H2O、KNO3、MgSO4·7H2O、KH2PO4、FeSO4·7H2O、EDTA、H3BO4、MnCl2·4H2O和(NH4)6Mo7O24·4H2O均為分析純，購自上海凌峰化學試劑有限公司。將上述試劑按表1配制成Hoagland營養液。

表1 Hoagland營養液成分表Table 1 Ingredient list of Hoagland nutrient solutions

1.4 浮水植物的適應性培養

將長勢良好、生物量相近的7種浮水植物置于塑料箱中預培養7 d以恢復根系。然后在1/10 Hoagland的營養液中進行5 d的適應性培養。

1.5 水體對6種重金屬的自凈能力和水中重金屬分布均一性試驗

按照污水綜合排放標準(GB 8979—1996)，向塑料箱中的水體中加入Pb、Cd、Ni、Cu、Zn和Cr這6種重金屬溶液，即水體中Pb、Cd、Ni、Cu、Zn和Cr的濃度分別為1.0、0.1、1.0、0.5、2.0和1.5 mg·L-1。在露天自然條件下，每天于9:00和16:30攪動水體2次，連續15 d每天分別取塑料箱中不同位置(左上角、右上角、左下角、右下角以及中心)液面下1、10和20 cm處的水樣，參照國家環境保護標準(HJ 700—2014)，用ICP-MS法測定水樣中6種重金屬元素的含量，其中6種重金屬的平均累積去除率如表2所示。

水環境中重金屬離子濃度是否均一是浮水植物篩選的關鍵，由表2可知，在露天自然條件下，水體對Pb、Cd、Ni、Cu、Zn和Cr等6種元素的自凈能力很低，對6種重金屬離子平均累積去除率均在5%以下，水體中重金屬分布較為均一。故在數據處理過程中，對水體的自凈作用和重金屬離子的沉淀忽略不計。

表2 自然條件下水體對6種元素平均累積去除率(n=3)Table 2 The average cumulative removal rate of the six elements in the water body under natural conditions (n=3) (%)

1.6 7種浮水植物的篩選試驗

按1 L水∶4 g浮水植物的比例，在不同塑料箱中分別放入鳳眼蓮、圓心萍、肚兜萍、小浮萍、大浮萍和大薸，將柳葉空心菜的莖插入塑料箱中泡沫板載體的圓孔內，并在每個塑料箱中加入Hoagland營養液。分別向各塑料箱的水體中加入Pb、Cd、Ni、Cu、Zn和Cr這6種重金屬溶液，水體中Pb、Cd、Ni、Cu、Zn和Cr的濃度分別為1.0、0.1、1.0、0.5、2.0和1.5 mg·L-1。每天于9:00和16:30攪動水體2次，取各個塑料箱的水樣。隔天添加Hoagland營養液以維持液面高度恒定，實驗周期10 d。每種植物均設3個平行試驗，同時做空白對照。

1.7 浮水植物的重金屬去除試驗

同1.6節，按1 L水∶4 g浮水植物的比例，在不同的塑料箱中放入鳳眼蓮、大薸和肚兜萍及這3種浮水植物的混合植株(質量比1∶1∶1)，分別設4個處理組，具體實驗設計如表3所示，并在每個塑料箱中添加Hoagland營養液。按照污水綜合排放標準限量濃度的1倍、2倍、5倍和10倍，分別設4個暴露水平，并向各塑料箱的水體中加入Pb、Cd、Ni、Cu、Zn和Cr相應濃度水平的重金屬溶液。每天于9:00和16:30攪動水體2次，觀察浮水植物的生長狀況，并取各塑料箱中的水樣。隔天添加Hoagland營養液以維持液面高度恒定，實驗周期21 d。每個處理組的每種暴露水平均設3個平行試驗，同時設空白對照。不同暴露水平下的重金屬濃度如表4所示。

表3 實驗設計示意圖Table 3 Sketch map of the experiment

表4 不同暴露水平下的重金屬濃度Table 4 The concentrations of heavy metals on different exposure level (mg·L-1)

1.8 數據處理及分析

參照國家環境保護標準(HJ 700—2014)，采用ICP-MS法測定每天各塑料箱水樣中6種重金屬元素的含量。在實驗進行的過程中，觀察浮水植物的生長狀況，對植物進行取樣，并用ICP-MS法測定浮水植物中Pb、Cd、Cu、Zn、Cr和Ni的含量[33]。數據計算和圖表繪制用Excel、Origin 8.5和SPSS 22.0完成。

2 結果與討論(Results and discussion)

2.1 浮水植物的篩選

在水環境中重金屬濃度為污水綜合排放標準限量的1倍時，Pb、Cd和Ni的暴露濃度分別為1、0.1和1 mg·L-1，多數浮水植物對水環境中的Pb、Cd和Ni重金屬離子的去除效果呈現出先快速后穩定的規律(圖1)。相比于其他6種浮水植物，鳳眼蓮對Pb、Cd和Ni的去除效果更為顯著(P<0.01)，且在第4天時鳳眼蓮對水環境中Pb、Cd和Ni的去除率已超過50%，其次為肚兜萍和大薸。小浮萍和大浮萍對Pb、Ni的去除作用不明顯，對Cd的去除作用也較弱。浮水植物對Pb、Ni的去除能力大小依次為：鳳眼蓮>肚兜萍>大薸>柳葉空心菜>圓心萍>小浮萍≈大浮萍。圓心萍和柳葉空心菜對Cd的去除規律相似，在實驗進行第5天后，水體中的Cd呈現波動態勢，這表明二者對Cd的去除能力已趨于飽和，且浮水植物對Cd的去除能力大小依次為：鳳眼蓮>大薸>肚兜萍>柳葉空心菜>圓心萍>大浮萍>小浮萍。

圖1 在暴露水平1下浮水植物對水環境中Ni、Pb和Cd含量變化的影響Fig. 1 The effect of floating plants on the concentration of Ni,Pb and Cd in the water environment at the exposure level 1

Cu、Zn是植物生存中所必需的微量元素[33]，因此植物對其具有一定的吸收作用。本研究中浮水植物對水環境中Cu、Zn的吸收呈現出相似的差異性，如圖2所示。其中小浮萍和大浮萍幾乎不吸收水體中的Cu；且對水環境中Zn的去除能力也較差，吸收率分別為10%和15%，而其他4種浮水植物總體均呈現出前期吸收較快、后期逐漸趨于平衡的狀態，圓心萍對水環境中Cu、Zn的去除能力較弱，且在6～10 d時對Zn去除能力存在減小的現象。大薸對Cu、Zn的去除最為顯著(P<0.05)，在實驗進行的0～5 d內，大薸快速吸收水體中的Cu，使其含量下降了約60%，而后水環境中的Cu含量保持穩定。浮水植物對Cu、Zn的去除能力排序相同，其大小依次為：大薸>鳳眼蓮>肚兜萍>柳葉空心菜>圓心萍>小浮萍>大浮萍。

圖2 暴露水平1下7種浮水植物對水環境中Cu、Zn含量變化的影響Fig. 2 The effect of seven kinds of floating plants on the concentration of Cu and Zn in the water environment at the exposure level 1

本研究中，浮水植物對重金屬的耐受差別明顯(圖3)。其中，肚兜萍對Cr的耐受能力和去除能力均最強，在0～2 d，水環境中Cr的含量就下降了約50%；鳳眼蓮和大薸的去除能力次之，且二者對水環境中Cr的去除能力相似，在暴露結束時，二者對Cr的去除率也達50%；柳葉空心菜、圓心萍對Cr的去除能力較差；而小浮萍和大浮萍對Cr幾乎不產生去除作用。浮水植物對水環境中Cr的去除能力大小依次為：肚兜萍>鳳眼蓮≈大薸>柳葉空心菜>圓心萍>大浮萍≈小浮萍。

圖3 暴露水平1下7種浮水植物對水環境中Cr含量變化的影響Fig. 3 The effect of seven kinds of floating plants on the concentration of Cr in the water environment at the exposure level 1

所選的幾種浮水植物中鳳眼蓮、大薸和肚兜萍對水環境中6種重金屬的去除效果更顯著，均能使暴露溶液中重金屬的濃度在暴露結束后減少量超過50%，且生長狀況良好，因此本實驗選用鳳眼蓮、肚兜萍和大薸作為進一步實驗的對象。

2.2 混合植株對重金屬的去除能力

2.2.1 不同暴露水平下浮水植物的生長情況

將鳳眼蓮、肚兜萍和大薸3種浮水植物按照表2實驗設計的方式進行暴露實驗，隨著重金屬溶液濃度的增大和實驗時間的延長，4個處理組均出現了葉片枯黃萎蔫的現象。與空白對照相比，在暴露水平2和3下，混合植物組的生長情況明顯優于其他3個處理組。在實驗進行第3天時，暴露水平4下的4個處理組均出現不同程度的葉片損傷現象，且在實驗第5天時，4個處理組均出現葉片凋零、植株死亡現象。這種現象說明該暴露水體中重金屬濃度過高，對4個處理組植物產生不可逆的致死效應。這可能是由于高濃度的重金屬使植物體內活性氧自由基劇增，超出了超氧化物歧化酶(SOD)的歧化-清除能力，且隨著脅迫時間的延長，SOD的酶活急劇下降，最終使浮水植物死亡[34]。

2.2.2 暴露水平1下不同處理組對重金屬的去除效果

在暴露水平1下，不同處理組對水體中6種重金屬的累積去除率變化如圖4所示。由圖4可知，各處理組的重金屬累積去除率均呈升高后趨于穩定的態勢，說明隨著實驗的進行各處理組浮水植物對水環境中的重金屬均有不同程度的去除效果，但去除率隨時間的推移最終達到平衡。浮水植物去除水環境中重金屬的機制尚不清楚，目前學者認同的觀點主要有根系過濾作用[27]，或通過根際分泌金屬螯合分子的螯合作用[35]以及根細胞具有較多的重金屬結合位點[36]三大理論。在本研究中，處理組4(鳳眼蓮、肚兜萍和大薸)對Pb、Cd的富集效果明顯好于其他3組，推測鳳眼蓮、肚兜萍和大薸對水環境中Pb、Cd重金屬離子的富集可能存在協同效應[37]，具體的去除機理需要進一步開展實驗研究。處理組4對Cu、Zn的累積去除率走勢與處理組3(肚兜萍)相似，但均略優于處理組3。在實驗進行的前期，處理組1(鳳眼蓮)和處理組2(大薸)對Ni和Cr的累積去除率均有高于處理組4的現象，但此后處理組4的累積去除率均高于二者；處理組4對水環境中Pb、Cd、Cr、Cu、Zn和Ni累積去除率均>60%，具有良好的去除能力。為進一步探索浮水植物在一定條件下，對水環境中重金屬離子去除的最佳效果，本研究選取混合植株鳳眼蓮、肚兜萍和大薸(質量比1∶1∶1)作為后期實驗組植株。

2.2.3 不同暴露水平下混合植株對重金屬的去除效果

對實驗組植株(鳳眼蓮、肚兜萍和大薸)在不同暴露水平下的累積去除率進行了對比分析，結果如圖5所示。由圖5可知，在0～9 d，實驗組植株對水環境中重金屬離子的累積去除率隨著暴露水平的增高而降低。在暴露水平4下，實驗組植株對6種重金屬的累積去除率始終處于最低，甚至還出現了死亡現象，這可能是因為重金屬濃度過高，破壞了植株對水環境中重金屬濃度耐受的極限，并導致對重金屬離子的累積去除率降低甚至出現不可逆死亡現象[38]，這與2.2.1節實驗中的結果相符。

圖5 實驗組植株在不同暴露水平下對水環境中重金屬的累積去除率Fig. 5 The cumulative removal rate of heavy metals in the aquatic environment of plants in the experimental group under different exposure levels

在整個暴露階段，實驗組植株在暴露水平1、2、3下對水環境中Pb、Cd、Cr、Zn、Cu和Ni累積去除率的趨勢相似，均是隨著實驗的進行先呈上升的趨勢。在暴露實驗的第15天時，實驗組植株對各暴露水平的重金屬累積去除率達到平衡，且均超過了50%。而水環境中重金屬濃度為暴露水平4時，實驗組植株對重金屬離子Cu、Zn的累積去除率高于其他4種重金屬，這可能因為Cu、Zn是植株完成生理活動所必需的微量元素[26,33]。且在水環境中重金屬濃度為暴露水平2時，實驗組植株對重金屬離子Cd、Cr、Zn、Cu和Ni的累積去除率達到最高，分別為75.86%、80.06%、72.19%、82.97%和75.92%；在暴露水平3下，實驗植株對Pb的累積去除率達到最高，為76.01%。這表明，當水環境中重金屬污染濃度為污水綜合排放標準限定濃度的1倍、2倍和5倍時，實驗組植株可以作為一種污水凈化重金屬離子的方法。

通過對鳳眼蓮、圓心萍、肚兜萍、小浮萍、大浮萍、大薸和柳葉空心菜7種浮水植物移除重金屬能力的篩選，確定水體環境中重金屬濃度在污水處理標準濃度限量的5倍以內時，鳳眼蓮、肚兜萍和大薸(質量比1∶1∶1)混合植株對水體環境中重金屬的累積去除率與暴露濃度呈正相關。暴露水平為污水綜合排放標準限量濃度的2倍時，混合植株對Cr、Cu、Zn、Cd和Ni這5種重金屬的累計去除率達到最高，分別為75.86%、82.97%、72.19%、80.06%和75.92%；暴露濃度為污水綜合排放標準限量濃度的5倍時，混合植株對Pb的累積去除率達到最高，為76.01%。隨著重金屬離子濃度的增大，浮水植物對水中重金屬離子的去除能力大致呈現出先上升后下降的規律。當水體中6種重金屬離子濃度為污水處理標準濃度限量的10倍時，會導致實驗組植株出現不可逆轉的損害直至死亡。本研究為篩選多種浮水植物富集水體環境中重金屬的能力提供了參考，能夠為水體環境中重金屬污染的防控提供技術支持，對解決淡水水產品養殖過程中重金屬等危害因子超標問題具有重要意義。