武漢東湖水生植物重金屬分布現(xiàn)狀研究

孫宇婷，王海云，張　婷，許繼軍，殷大聰

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌　443002；2.長江科學(xué)院 水資源綜合利用研究所， 武漢　430010)

武漢東湖水生植物重金屬分布現(xiàn)狀研究

孫宇婷1，王海云1，張婷1，許繼軍2，殷大聰2

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌443002；2.長江科學(xué)院 水資源綜合利用研究所， 武漢430010)

摘要：在武漢東湖采集9種水生植物及其對(duì)應(yīng)水樣、根區(qū)沉積物樣，采用微波消解—ICP-MS(Inductively coupled plasma mass spectrometry，電感耦合等離子體質(zhì)譜)測定其重金屬(Cd ，Zn， As，Cu ，Co ，Pb， Mn， Cr， Ni)的含量，分析了9種重金屬在植物體內(nèi)的分布現(xiàn)狀及各部位對(duì)重金屬的富集能力。結(jié)果表明：水生植物對(duì)各種重金屬的吸收狀況呈Mn>Zn>Pb>Cu>Ni>Cr>As>Co>Cd的一致性，不同植物各部位對(duì)重金屬的富集能力表現(xiàn)為根>莖>葉。水生植物對(duì)重金屬的富集能力表現(xiàn)為沉水植物>浮水植物>挺水植物。金魚藻、青萍和水葫蘆對(duì)重金屬富集系數(shù)較大，可作為水體修復(fù)植物，凈化被重金屬M(fèi)n，Zn，Cd復(fù)合污染的水體。

關(guān)鍵詞：東湖；水生植物；重金屬；富集系數(shù)；水樣；根區(qū)沉積物樣；微波消解

1研究背景

重金屬元素作為污染物，具有難降解、易積累、毒性大的特點(diǎn)[1]，不僅會(huì)對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境造成長期影響[2]，而且會(huì)通過食物鏈積累而損害水生生物和人類健康[3]。近年來，大量含重金屬污水進(jìn)入湖泊，生長在湖泊中的水生植物對(duì)重金屬具有積累作用，其富集程度可指示水環(huán)境中重金屬水平[4]。

諸多學(xué)者對(duì)武漢東湖重金屬的來源、分布特征以及潛在生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)等作了較多的研究[5]，但就東湖水生植物體內(nèi)的重金屬含量、分布及其積累特征缺乏深入研究[6]。本研究中檢測武漢東湖9種水生植物重金屬的含量，揭示它們不同部位對(duì)重金屬的積累特征及富集能力。研究成果可為重金屬污染湖泊生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

2材料與方法

2.1采樣點(diǎn)布設(shè)

在對(duì)東湖水生植物種類、群落結(jié)構(gòu)、蓋度以及生物量調(diào)查的基礎(chǔ)上，按照文獻(xiàn)[7]標(biāo)準(zhǔn)布設(shè)采樣點(diǎn)位，設(shè)置了水生植物長勢較好、生物量較大的4處采樣點(diǎn)，其地理位置見圖1。

圖1　 東湖水生植物采樣點(diǎn)位圖Fig.1　Location of sampling points of hydrophytes in the East Lake

2.2樣品采集

2014年10月在東湖采集沉水植物金魚藻、狐尾藻，浮水植物青萍、水鱉、水葫蘆、菱，挺水植物荇菜、荷花、茭白，共9種水生植物及其對(duì)應(yīng)水樣、沉積物樣品。采集挺水、沉水、浮水植物樣品，分別采用水下鐮刀、帶網(wǎng)鐵鋏、撈網(wǎng)采集，樣品洗凈后風(fēng)干，放入自封袋中。水樣及沉積物樣分別采用有機(jī)玻璃采水器、活塞式柱狀采泥器采集，裝入采樣瓶和自封袋，于4 ℃低溫實(shí)驗(yàn)室保存[8]。

2.3樣品預(yù)處理

將樣品用自來水洗凈，再用超純水沖洗3次，在室內(nèi)自然晾干。挺水和浮水植物分為根、莖、葉，沉水植物作整株處理。將樣品置于烘箱中，于105 ℃下烘30 min殺青，調(diào)節(jié)溫度至70 ℃，烘12～24 h，至樣品被烘干，全部變?yōu)榛野咨?，將干樣粉碎，過80目篩，裝袋后置于干燥箱備用；沉積物樣品在烘箱105 ℃下烘干，磨碎后過200目篩。分別稱取0.2 g植物樣、0.1 g沉積物樣，加入6 mL HNO3、2 mL H2O2和1 mL HF，置于微波消解儀進(jìn)行消化、趕酸、定容和保存。水樣用5 mL HNO3消化，然后趕酸、定容、和保存[9]。植物樣、沉積物樣、水樣分別按上述的消解方法做空白樣。

表1　水樣、沉積物樣中重金屬含量

表2　各采樣點(diǎn)水生植物中重金屬含量

2.4樣品測定

2.4.1儀器與試劑

因電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(簡稱ICP-MS)，有檢測限低、線性范圍寬、干擾少、精密度高等特點(diǎn)[10]，實(shí)驗(yàn)采用Thermo Xseries Ⅱ型ICP-MS測定上述樣品中含Cr，Mn，Co，Ni，Cu ，Zn，As，Cd ，Pb(每種重金屬的濃度均為 100 ng/mL)的重金屬混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。

2.4.2實(shí)驗(yàn)方法

量取一定量的重金屬標(biāo)準(zhǔn)溶液，配成5，10，20，50，100 μg/L等濃度梯度的多元素混標(biāo)液，用ICP-MS測定并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。以標(biāo)準(zhǔn)曲線為基礎(chǔ)，測定樣品中Cr，Mn，Co，Ni，Cu，Zn，As，Cd，Pb的含量。

3結(jié)果與討論

3.1水生植物重金屬含量與環(huán)境重金屬含量關(guān)系

從表1、表2看出，沉積物中重金屬含量越大，各水生植物吸收重金屬的含量越大。一體系中植物同時(shí)吸收多種重金屬與單獨(dú)吸收某種重金屬的能力相近。

3.2不同水生植物重金屬吸收量分析

從表2得出，不同植物對(duì)同一重金屬吸收量差異較大，如金魚藻、狐尾藻、荷葉等對(duì)Cr的吸收量相差甚遠(yuǎn)。同種植物不同部位對(duì)重金屬的吸收量也不同，不同部位對(duì)重金屬吸收能力一般為根>莖>葉。不同采樣點(diǎn)、不同植物對(duì)各重金屬元素的吸收狀況具有相對(duì)一致性，即Mn>Zn>Pb>Cu>Ni>Cr>As>Co>Cd。

表3　武漢東湖水生植物對(duì)重金屬的平均富集系數(shù)

3.3不同水生植物對(duì)重金屬的富集能力比較

為掌握不同水生植物對(duì)重金屬的富集能力，采用富集系數(shù)(bioaccumulation coefficient，BCF)指標(biāo)衡量水生植物積累重金屬能力，其值越大表明植物富集能力越強(qiáng)[11]。富集系數(shù)計(jì)算公式為

(1)

式中：Ci為受檢生物體內(nèi)某種重金屬元素的殘留量(μg/g)；Cei為受檢生物所在環(huán)境中重金屬的實(shí)測濃度(μg/g)。

經(jīng)公式(1)計(jì)算，東湖各樣點(diǎn)不同水生植物對(duì)不同重金屬的平均富集系數(shù)見表3。

由表3得出，沉水植物金魚藻對(duì)Cr，Mn，Co，Ni，Cu ，Zn，As，Cd ，Pb的平均富集系數(shù)最大，浮葉植物水葫蘆次之，茭白最小?？傮w上，水生植物對(duì)重金屬的富集能力為：沉水植物>浮葉植物>挺水植物。Cd在這幾種水生植物體內(nèi)的含量很低，但富集系數(shù)較大，表明Cd容易被植物吸收；Cr，Ni，Pb等元素在植物體內(nèi)含量低且富集系數(shù)小，表明難以被植物吸收；Mn，Zn等作為植物正常生長的營養(yǎng)元素，在植物體內(nèi)含量很高，但只有少數(shù)幾種植物對(duì)它的富集系數(shù)大。上述結(jié)果都表明水生植物對(duì)重金屬是有選擇吸收的，這與黃亮甘[12]的研究結(jié)論相一致。金魚藻對(duì)Mn，Zn，Cd的富集系數(shù)，水葫蘆對(duì)Mn的富集系數(shù)，青萍和水葫蘆對(duì)Cd的富集系數(shù)均>1，由此可知，金魚藻、青萍和水葫蘆可作為水體修復(fù)植物，凈化被重金屬M(fèi)n，Zn，Cd復(fù)合污染的水體。

3.4重金屬在水生植物不同部位的分布特征

從3號(hào)點(diǎn)采集的荇菜、茭白、水葫蘆樣品測定結(jié)果得出，重金屬在水生植物不同部位含量具有明顯差異，其各部位分布百分比見圖2、圖3和圖4。武漢東湖水生植物不同部位對(duì)重金屬的富集能力與雜草富集能力基本一致[13]，即水生植物各部位富集能力一般為根>莖>葉[14]。

圖3　茭白不同部位重金屬含量分布Fig.3　Heavy metal contents in different parts of water bamboo

圖4　水葫蘆不同部位重金屬含量分布Fig.4　Heavy metal contents in different parts of water hyacinth

由于根部通過質(zhì)外體吸收重金屬元素，因此，重金屬向地上部分轉(zhuǎn)移主要受到內(nèi)皮層細(xì)胞凱氏的限制[15]。同時(shí)植物在重金屬的壓迫下，會(huì)合成植物螯合肽，可以強(qiáng)烈地螯合重金屬離子或作為一種運(yùn)輸工具把過多的重金屬離子從細(xì)胞質(zhì)運(yùn)送到液泡中去，從而保護(hù)植物的新陳代謝功能和減少重金屬向地上部分轉(zhuǎn)移。但也有某些特例，如荇菜莖部對(duì)Mn的富集能力大于根部，茭白莖部對(duì)Mn，Cu的富集能力最小?？傮w上，As主要集中在根部，其他部位含量極少。對(duì)于挺水植物荇菜、茭白， Co，Zn，Cd，Pb在各部位的含量基本相同，Cr，Mn，Ni，Cu 在各部位分布差異較大。而對(duì)于浮葉植物水葫蘆，重金屬大都富集在根部。

4結(jié)論

通過野外采樣和室內(nèi)分析實(shí)驗(yàn)，得出武漢東湖水生植物中重金屬含量。根據(jù)所得數(shù)據(jù)分析討論得出以下結(jié)論：

(1) 武漢東湖中水生植物對(duì)各種重金屬具有一定的吸收積累能力，植物對(duì)重金屬的吸收量與環(huán)境中重金屬濃度呈正相關(guān)，而且對(duì)各重金屬元素的吸收狀況排序?yàn)镸n>Zn>Pb>Cu>Ni>Cr>As>Co>Cd。

(2) 武漢東湖中金魚藻、水葫蘆對(duì)這9種重金屬的富集系數(shù)較大。總體上，水生植物對(duì)重金屬的富集能力為沉水植物>浮葉植物>挺水植物。

(3) 武漢東湖水生植物體內(nèi)各部位重金屬的含量呈根>莖>葉的規(guī)律。

(4) 金魚藻、青萍、水葫蘆對(duì)這9種重金屬富集系數(shù)較大，可作為水體修復(fù)植物凈化被重金屬M(fèi)n，Zn，Cd復(fù)合污染的水體。

(5) 武漢東湖水生植物將湖泊環(huán)境中的重金屬吸收入體內(nèi), 實(shí)際為重金屬的富集作用。這種富集, 使環(huán)境中重金屬含量有所降低。利用水生植物這一特點(diǎn)降低湖泊中重金屬含量，具有成本低、環(huán)境友好和操作簡便等優(yōu)點(diǎn)。故種植水生植物對(duì)修復(fù)湖泊環(huán)境中重金屬含量、修復(fù)湖泊生態(tài)環(huán)境有一定的意義。

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(編輯：劉運(yùn)飛)

SUN Yu-ting1，WANG Hai-yun1，ZHANG Ting1， XU Ji-jun2，YIN Da-cong2

(1.College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges University,Yichang443002,China;

2. Water Resources Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China)

①CHAUDHURI M, SAPARI N. Removal of Iron from Groundwater by Direct Filtration through Coal and Carbonaceous Shale. 2008.

Distribution of Heavy Metals in Hydrophytesfrom the East Lake of Wuhan

Abstract:Nine kinds of hydrophyte and the corresponding water samples and sediments from the East Lake of Wuhan were collected, and the concentrations of heavy metals (Cd, Zn, As, Cu, Co, Pb, Mn, Cr, Ni) in these samples were measured by microwave digestion-ICP-MS (Inductively coupled plasma mass spectrometry). Results indicate that the nine hydrophytes have some coherence in adsorbing heavy metals, and the order of these metals is Mn>Zn>Pb>Cu>Ni>Cr>As>Co>Cd. As for different parts of the hydrophytes, the adsorptive ability of root is the largest, followed by stem and leaf, and as for different kinds of hydrophytes, the adsorptive ability of submerged plant is the largest, followed by floating-leaved plant and emerged plant. The bioaccumulation factors of ceratophyllum demersum, duckweed and water hyacinth are large, so they can be used as remediation plant to purify the water contaminated by Mn, Zn, and Cd.

Key words:East Lake; hydrophyte; heavy metal; bioaccumulation factor; water sample; sediment sample in root area; microwave digestion

收稿日期：2015-06-24；修回日期：2015-07-23

基金項(xiàng)目：三峽大學(xué)2015碩士學(xué)位論文培優(yōu)基金資助項(xiàng)目(2015PY009)

作者簡介：孫宇婷(1990-)，女，湖北漢川人，碩士研究生，主要從事水污染控制研究，(電話)15090863382(電子信箱)942882346@qq.com。 通訊作者：王海云(1956-)，男，河南林州人，教授，博士，主要從事水污染控制與水環(huán)境保護(hù)的研究,(電話)13972027886(電子信箱)wanghaiyun@ctgu.edu.cn。

doi:10.11988/ckyyb.20150528

中圖分類號(hào)：X524

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5485(2016)06-0008-04

2016,33(06):8-11，17