菖蒲對(duì)水中鉛富集能力的試驗(yàn)研究

馬 晴， 彭 越， 冼應(yīng)男， 蘭孟雅

(西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院，四川成都 610041)

菖蒲對(duì)水中鉛富集能力的試驗(yàn)研究

馬 晴， 彭 越， 冼應(yīng)男， 蘭孟雅

(西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院，四川成都 610041)

文章通過(guò)模擬不同濃度含鉛廢水與復(fù)合污染廢水，研究菖蒲在不同污染條件下對(duì)水中鉛的富集能力。分析菖蒲對(duì)水中Pb2+的富集能力以及Zn2+、EDTA對(duì)菖蒲富集Pb2+的影響，得到如下結(jié)論：菖蒲根的生長(zhǎng)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(duì)Pb2+的富集能力，EDTA的存在降低菖蒲對(duì)Pb2+的富集能力。以上結(jié)論可為菖蒲在水污染治理和環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用提供參考。

菖蒲； 鉛污染； 復(fù)合污染； 植物修復(fù)

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，冶金、電鍍、采礦等含重金屬的工業(yè)廢水和固體廢棄物排放量日益增多，給水環(huán)境帶來(lái)重金屬污染。重金屬毒性大，不能降解，通過(guò)食物鏈富集放大，危害人群健康[1]。治理重金屬污染，修復(fù)水環(huán)境的方法主要有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)[2]。相較于物理修復(fù)與化學(xué)修復(fù)，生物修復(fù)具有費(fèi)用省、無(wú)二次污染，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)小等特點(diǎn)，成為新興的研究熱點(diǎn)。植物修復(fù)屬于生物修復(fù)的一種，自1983年美國(guó)科學(xué)家Chaney首先提出利用植物來(lái)消除重金屬污染以來(lái)[2]，植物修復(fù)技術(shù)一直是治理環(huán)境重金屬污染領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。水生植物能夠吸附和吸收水環(huán)境中的重金屬污染物，具有改善水生生態(tài)環(huán)境，提供觀賞和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在水污染治理和環(huán)境修復(fù)中得到廣泛應(yīng)用[3-5]。根據(jù)植物對(duì)污染物的吸收富集特性選擇合適的植物品種是植物修復(fù)的關(guān)鍵，因此圍繞不同濕地植物對(duì)重金屬吸收富集能力的對(duì)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?gòu)U水對(duì)植物的毒害作用不同，影響植物生長(zhǎng)發(fā)育以及對(duì)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(duì)重金屬的吸收富集，從而制約植物修復(fù)的效果。本文通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，比較菖蒲在不同濃度的單一重金屬鉛污染、鉛-鋅復(fù)合污染與鉛-EDTA(模擬環(huán)境中的絡(luò)合物)復(fù)合污染廢液中，生長(zhǎng)情況以及對(duì)鉛的吸收富集能力，研究適合菖蒲處理的重金屬?gòu)U水濃度以及復(fù)合污染對(duì)菖蒲吸收能力的影響，為菖蒲在水污染治理和環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選擇南方常見(jiàn)的菖蒲屬(Acorus L.)植物菖蒲(Acorus calamus L.)?；铙w植物采集于成都市郊區(qū)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)前，先用自來(lái)水清洗菖蒲根部，然后置于暴曬過(guò)的自來(lái)水中饑餓處理一周，再選取長(zhǎng)勢(shì)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(fù)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(fù)合污染廢液。用EDTA二鈉鹽模擬環(huán)境中的絡(luò)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(yíng)養(yǎng)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(yǎng)。對(duì)植物的生長(zhǎng)管理采用露天培養(yǎng)的方法，始終保持充足的光照和通風(fēng)，溫度保持在20～25℃之間。

1.3 測(cè)定方法

對(duì)植株的生長(zhǎng)情況觀察、記錄。每隔7天取25 mL廢液，過(guò)0.45 μm膜，用火焰原子吸收法測(cè)Pb2+與Zn2+濃度，同時(shí)將玻璃瓶中的廢液添加至標(biāo)記處。35天后，將植株用自來(lái)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(chēng)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(chēng)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(zhǔn)確稱(chēng)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(zhuǎn)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(guò)0.45 μm膜，用火焰原子吸收法測(cè)量Pb2+和Zn2+含量。

2 結(jié)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(guò)吸收、富集水中的鉛來(lái)凈化受污染的含鉛水體，但當(dāng)水體中的鉛達(dá)到一定濃度時(shí)對(duì)植物的不同組織產(chǎn)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(yǎng)，在第3天葉片邊緣處稍有發(fā)黃的跡象，在第10天葉片全部發(fā)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(lèi)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(yǎng)第7天時(shí)根部開(kāi)始有新芽長(zhǎng)出，但在培養(yǎng)第30天時(shí)根部開(kāi)始腐爛。

2.1.2 植物生長(zhǎng)情況

在培養(yǎng)菖蒲的過(guò)程中，菖蒲植株的生物量、植株根長(zhǎng)度以及植株高度均發(fā)生變化。由圖1可見(jiàn)，在鉛濃度小于等于10 mg/L環(huán)境中，生物量有所增加。對(duì)比圖1與圖3，在鉛濃度為20 mg/L環(huán)境中，雖然植株高度增加，但生物量下降，可見(jiàn)低濃度含鉛廢液不但不影響菖蒲的生長(zhǎng)代謝而且還起促進(jìn)作用。由圖2可見(jiàn)，鉛離子濃度為0的廢液中，植株的根長(zhǎng)有明顯增長(zhǎng)，而含鉛廢液中的植株根長(zhǎng)增長(zhǎng)較小，說(shuō)明含鉛廢液對(duì)植物根的生長(zhǎng)有抑制作用。

圖1 菖蒲植物生物量變化

圖2 菖蒲植株根長(zhǎng)變化

圖3 菖蒲植株高度變化

2.1.3 植物的不同組織對(duì)Pb2+的富集情況

根據(jù)35天后測(cè)得的植物體內(nèi)、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(jì)算，得到不同濃度的Pb2+廢液中菖蒲對(duì)Pb2+的富集與轉(zhuǎn)移情況(表1)。從表1中數(shù)據(jù)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(guān)關(guān)系。植株根部的富集系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于莖葉的富集系數(shù)，說(shuō)明鉛進(jìn)入植物體后主要作用于植物的根部，轉(zhuǎn)移系數(shù)都小于1，均在0.05～0.30之間，說(shuō)明菖蒲植株不能有效地將根部的重金屬轉(zhuǎn)移到莖葉部分。

富集量(mg/kg)=植物對(duì)重金屬吸收量/植物干重

(1)

富集系數(shù)=植物地上部(或根)重金屬含量/溶液中該元素含量

(2)

轉(zhuǎn)移系數(shù)=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(duì)Pb2+的富集、轉(zhuǎn)移情況

2.2 復(fù)合污染

2.2.1 Pb2+-Zn2+復(fù)合污染

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

2.2.2 Pb2+-EDTA復(fù)合污染

在含有Pb2+與EDTA的廢液中培養(yǎng)菖蒲，第3天時(shí)植株的葉片邊緣稍有發(fā)黃，第10天時(shí)部分葉片發(fā)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(duì)植物的聯(lián)合毒性作用呈現(xiàn)拮抗效應(yīng)。廢液中Pb2+濃度變化情況如圖5所示，呈現(xiàn)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(fù)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(jiàn)EDTA的存在抑制植物對(duì)Pb2+的吸收。

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

3 結(jié)論

通過(guò)菖蒲在單一污染和復(fù)合污染條件下對(duì)水中鉛富集能力的試驗(yàn)研究，可以得到如下結(jié)論：

(1)雖然菖蒲對(duì)Pb2+的富集量與水環(huán)境中Pb2+濃度正相關(guān)，但水環(huán)境中Pb2+濃度越高，菖蒲生長(zhǎng)越受影響。水中Pb2+被菖蒲吸收后主要存在于根部，而Pb2+對(duì)菖蒲根的生長(zhǎng)有明顯的抑制作用。因此，菖蒲對(duì)Pb2+的富集能力是有限的。水環(huán)境中Pb2+濃度小于10 mg/L時(shí)，對(duì)菖蒲的生長(zhǎng)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(fù)合污染的廢水中，Zn2+的存在促進(jìn)菖蒲對(duì)Pb2+的吸收，提高其對(duì)Pb2+富集能力。

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

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A

[定稿日期]2017-05-22

西南民族大學(xué)省級(jí)創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(編號(hào):S201610656094)

馬晴(1995～)，女，本科，研究方向?yàn)橹亟饘傥廴局参镄迯?fù)。

彭越(1973～)，女，博士，助理研究員，從事環(huán)境科學(xué)專(zhuān)業(yè)教學(xué)與科研工作。