植物和玄武巖對(duì)水體重金屬的生態(tài)凈化效果

丁新穎 唐少霞

摘要 [目的]分析不同基質(zhì)對(duì)水體重金屬的凈化效果。[方法]以海口市羊山水庫(kù)附近一湖泊水作為研究靶點(diǎn)，建立模擬生態(tài)小湖，并將湖泊水、玄武巖以及水生植物引入生態(tài)小湖，跟蹤監(jiān)測(cè)不同環(huán)境下生態(tài)小湖內(nèi)水體中重金屬含量的變化。[結(jié)果]玄武巖、再力花和箭葉雨久花的組合對(duì)水體中重金屬有顯著的凈化作用，對(duì)Cd的凈化效果可達(dá)58%。時(shí)間因素（7、14、21 d）對(duì)水體重金屬的凈化效果影響不大，各處理對(duì)重金屬的吸收（吸附）基本在7 d內(nèi)完成。[結(jié)論]再力花對(duì)重金屬的吸附能力優(yōu)于箭葉雨久花，且富集主要集中在根部。

關(guān)鍵詞 湖泊水;玄武巖;植物;重金屬;生態(tài)凈化

中圖分類號(hào) X52文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）10-0060-04

Abstract [Objective] To explore the purification effect of different substrates on metal in water.[Method]Small simulated ecological lakes were established using the lake water near Yangshan Reservoir in Haikou City.Basalt and two aquatic plant species were added as absorbing substrates and the amounts of heavy metal in each environment were evaluated and compared.[Result]The combination of basalt，Thalia dealbata and Monochoria hastata had significantly reduced the amounts of heavy metal in water，and the purification effect of Cd was up to 58%.The duration factor had little effect on the degree of purification，and all absorption of heavy metals seemed to have completed in 7 days.[Conclusion] Thalia dealbata was superior to Monochoria hastatain purifying heavy metals，which were mainly concentrated in the roots.

Key words Lake water;Basalt;Plant;Heavy metal;Ecological purification

在水體污染問(wèn)題中，重金屬污染十分嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)江河湖庫(kù)底質(zhì)的污染率高達(dá)80.1 %[1]。2014年對(duì)我國(guó)主要河流的重金屬污染排海狀況監(jiān)測(cè)表明，我國(guó)四大海域主要重金屬污染總量達(dá)2.1萬(wàn)t，鋅是最主要的金屬污染物，污染量達(dá)1.462萬(wàn)t，汞的污染量最小達(dá)44 t，但汞的危害最大[2]。丁之勇等[3]對(duì)我國(guó)31個(gè)主要湖泊沉積物重金屬污染特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明Cd和Hg在多個(gè)湖泊沉積物中達(dá)中度到重度污染，平均含量最高的是重金屬Zn和Cu，分別達(dá)36.89和99.52 mg/kg。重金屬進(jìn)入自然或人工水體后，除部分被水生物、魚(yú)類吸收外，其他大部分易被各種有機(jī)和無(wú)機(jī)膠體及微粒物質(zhì)所吸附，再經(jīng)聚集沉降沉積于水體底部[4]。因此重金屬污染水體的危害不但持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，又由于水的流動(dòng)特性，使得污染的范圍很廣。重金屬對(duì)生物和生態(tài)環(huán)境的危害體現(xiàn)在當(dāng)生物體內(nèi)重金屬積累達(dá)到一定數(shù)量后，會(huì)出現(xiàn)生理受阻、發(fā)育停滯甚至死亡，并使整個(gè)水生生態(tài)系統(tǒng)和陸生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能受損，進(jìn)而對(duì)水體、土壤、大氣等環(huán)境造成危害[5]。重金屬對(duì)人類也有各種直接或間接的影響： 一方面，重金屬元素毒性大，通過(guò)飲用水或生活用水可直接作用于人體;另一方面，重金屬進(jìn)入食物鏈后，由于其難降解性，經(jīng)放大富集到人體，造成慢性中毒[6]。

近年來(lái)，植物修復(fù)法被廣泛應(yīng)用于水體重金屬污染的凈化中。植物修復(fù)法主要是通過(guò)水生植物根濾、揮發(fā)、吸收和富集等作用去除水環(huán)境中的重金屬離子，或降低污染物中的重金屬毒性，以達(dá)到降低污染程度、修復(fù)或治理水體的目的[7]。對(duì)比其他物理化學(xué)凈化法，植物修復(fù)法具有設(shè)備工藝簡(jiǎn)單，運(yùn)行和操作條件要求較低，投資小、分布廣、針對(duì)性強(qiáng)、吸附量大、污染小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)于低濃度及一般方法不易去除的重金屬可以選擇性地去除，因而具有顯著而獨(dú)特的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)效益[8-10]。

海南是我國(guó)海洋面積最大的省份，海岸線長(zhǎng)達(dá)1 617.8 km，所轄海域面積200多萬(wàn)km2，可供養(yǎng)殖的灘涂3萬(wàn)hm2，淡水養(yǎng)殖面積3.67萬(wàn)hm2[11]，水資源極為豐富，養(yǎng)殖業(yè)有巨大潛力。近年來(lái)，海南東部一些河流、河口及近岸水域已呈現(xiàn)輕度重金屬污染狀況[12-14]，辛成林等[12]研究顯示，萬(wàn)泉河重金屬污染較輕，而文昌/文教河Cr、Ni相對(duì)富集，污染嚴(yán)重。杜克梅[13]研究表明海南近岸海域的重金屬污染較重，使得貝類累積重金屬水平較高，尤其是重金屬Pb在文昌、澄邁、洋浦、東方和陵水海域的貝類體內(nèi)超標(biāo)率分別為84.2%、100.0%、85.7%、57.1%和62.5%。根據(jù)海南水質(zhì)的污染現(xiàn)狀，如果能將生態(tài)凈化技術(shù)應(yīng)用于重金屬的治理中，就地取材，對(duì)重金屬污染的水體進(jìn)行生態(tài)凈化，則有望達(dá)到高效治理、成本低廉、維護(hù)簡(jiǎn)單的效果。筆者以海口市羊山水庫(kù)附近一湖泊水為研究對(duì)象，選取海南分布較為廣泛的玄武巖及適合熱帶地區(qū)生長(zhǎng)、常見(jiàn)栽培、成活率較高的水生植物再力花和箭葉雨久花構(gòu)建生態(tài)小湖，利用玄武巖的物理吸附及挺水植物吸收重金屬的特性，分析不同凈化方式及不同處理時(shí)長(zhǎng)下湖水的凈化效果，揭示玄武巖、再力花、箭葉雨久花等對(duì)水體重金屬的凈化機(jī)制。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

?？谑械靥幒Ｄ蠉u北部，位于110°10′～110°41′E、19°32′～20°05′N(xiāo)，該地區(qū)玄武巖分布廣泛，屬于熱帶季風(fēng)氣候，年日照時(shí)數(shù)達(dá)2 000 h，年均氣溫22～26 ℃，水溫年變化幅度小，年均降雨量1 600～2 000 mm。試驗(yàn)所用水質(zhì)來(lái)源于?？谑旋埲A區(qū)羊山水庫(kù)（平均海拔16.3 m）上游附近10 m處的一天然小湖（110°33′E、19°94′N(xiāo)，海拔18.5 m）。其水質(zhì)情況接近地表水環(huán)境Ⅲ類水限值但尚未構(gòu)成嚴(yán)重污染。該湖水體一旦受到污染，勢(shì)必影響到下流的水庫(kù)水。因此該研究以該湖泊水作為該試驗(yàn)凈化的水樣來(lái)源。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 玄武巖。試驗(yàn)所用玄武巖來(lái)自?？谑杏^瀾湖景區(qū)，該景區(qū)位于海南島的萬(wàn)年火山巖地貌之上，保留了火山巖地區(qū)的原始風(fēng)貌及植被，擁有天然火山資源形成的玄武巖溫泉[15-18]。

1.2.2 再力花（Thalia dealbata Fraser）。

試驗(yàn)所用再力花來(lái)源于?？谑杏^瀾湖景區(qū)1號(hào)球場(chǎng)湖水岸邊，在其生長(zhǎng)初期采集，株高90～100 cm，長(zhǎng)勢(shì)良好但未開(kāi)花[19-21]。

1.2.3 箭葉雨久花（Monochoria hastata）。

試驗(yàn)所用箭葉雨久花同樣來(lái)源于?？谑杏^瀾湖景區(qū)1號(hào)球場(chǎng)湖水岸邊，在其生長(zhǎng)初期采集，株高90～100 cm，長(zhǎng)勢(shì)良好但未開(kāi)花[20]。

1.3 試驗(yàn)方法 構(gòu)建長(zhǎng)60 cm、寬60 cm、高80 cm的A、B、C 3個(gè)水池，并分別注入0.216 m3的湖水水樣，使得每個(gè)水池的水深為60 cm。A池底輔一層厚15 cm的玄武巖石基質(zhì)，為增加玄武巖巖的表面積，將玄武巖破碎成體積約為10 cm×7 cm×5 cm，并栽種上挺水景觀植物再力花和箭葉雨久花，選取單株生物量為0.3 kg左右的再力花和雨久花各7棵，為了減少其根系所攜帶泥土對(duì)水體的污染，移植前將再力花和箭葉雨久花的根系進(jìn)行清洗，然后將再力花和箭葉雨久花插入漂浮在水池內(nèi)平整的聚苯乙烯泡沫塑料板孔隙內(nèi)，泡沫板長(zhǎng)47.0 cm、寬41.0 cm、厚3.0 cm，按“5×3”布局均勻打孔15個(gè)（株行距5 cm，孔徑4 cm）;B池底僅輔一層厚15 cm的玄武巖石基質(zhì);C池作為空白對(duì)照池。試驗(yàn)池旁設(shè)蒸發(fā)皿，試驗(yàn)期間根據(jù)每天蒸發(fā)量，用純凈水對(duì)3個(gè)小池進(jìn)行水體補(bǔ)給。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法 于2017年3月7日將羊山水庫(kù)旁邊的湖泊水采集后分別注入A、B、C 3個(gè)池，跟蹤監(jiān)測(cè)試驗(yàn)池中的水質(zhì)變化，每7 d取一次水樣進(jìn)行重金屬的檢測(cè)，取水深度為20 cm，取水量為10 mL。取水后將等量的原湖泊水分別加入3個(gè)試驗(yàn)小池。試驗(yàn)開(kāi)始前，提取部分移植的再力花、箭葉雨久花及玄武巖、原湖泊水進(jìn)行檢測(cè)，作為本底值，具體方法：將采回來(lái)的同一塊玄武巖均敲成2部分，一部分直接研磨后檢驗(yàn)，另一部分放入水池中參與凈化。將采回來(lái)的若干同一束根生的再力花、雨久花植物分別掰成2束，其中一束在凈化前風(fēng)干、研磨、消解測(cè)試，另一束放入水池中參與凈化。在對(duì)植物的重金屬檢測(cè)中，均分為根、莖、葉3部分獨(dú)立取樣分析。

水樣檢測(cè)方面，按照國(guó)家地表水的檢測(cè)方法對(duì)湖泊水及生態(tài)小池內(nèi)的水質(zhì)進(jìn)行典型性采樣及跟蹤監(jiān)測(cè)分析。采用ICP-MS電感耦合等離子質(zhì)譜儀分別檢測(cè)水體中的重金屬污染物Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Cd、Pb、Hg的含量。用SAS軟件對(duì)水體重金屬的凈化效果和3種吸附物的重金屬含量進(jìn)行成對(duì)t檢測(cè)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)間及不同處理對(duì)水體重金屬的凈化差異

為了對(duì)比A、B、C 3種處理方式對(duì)水體重金屬的凈化差異，將A處理與B處理、B處理與C處理、A處理與C處理的重金屬含量分別進(jìn)行成對(duì)t檢測(cè)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，只有A處理對(duì)水體中重金屬有顯著降低作用，說(shuō)明A處理對(duì)水體重金屬有很好的凈化效果。A處理相對(duì)于B處理有明顯的顯著性，說(shuō)明植物對(duì)水體重金屬的凈化效果優(yōu)于玄武巖。

2.2 3種凈化材料對(duì)水體重金屬的凈化效果

2.2.1 玄武巖。

分別取凈化前和參與凈化21 d后的玄武巖各3塊，檢測(cè)每塊玄武巖的重金屬含量，將凈化前后的3個(gè)樣本量分別取平均值，并對(duì)凈化前后玄武巖的重金屬含量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，參與凈化的玄武巖，其重金屬含量明顯升高，統(tǒng)計(jì)結(jié)果也顯示凈化前后玄武巖重金屬含量存在顯著差異（t=4.81，P=0.000 4）。

2.2.2 再力花。

為了分析植物各部分對(duì)重金屬的富集程度，隨機(jī)選取再力花各3棵，分別在凈化前、后截取再力花植株的根、莖、葉，并對(duì)其重金屬含量進(jìn)行檢測(cè)。再力花根、莖、葉凈化前、后重金屬含量值的成對(duì)t檢測(cè)分析結(jié)果見(jiàn)圖2、3、4，從圖2可以看出，凈化后再力花根部重金屬含量有升高趨勢(shì)（t=2.21，P=0.047 5），表明再力花對(duì)重金屬的吸收主要在根部;從圖3和圖4可以看出，凈化后再力花的莖和葉重金屬含量變化不顯著（莖：t=0.11，P=0.912 0;葉：t=0.16，P=0.872 3），表明重金屬被再力花根部吸收后并未主動(dòng)運(yùn)輸?shù)角o葉等部分。

3 結(jié)論與討論

（1）玄武巖、再力花和箭葉雨久花組合（A處理）對(duì)水體內(nèi)重金屬有明顯的凈化作用。植物可通過(guò)根系吸收，也可直接通過(guò)莖、葉等器官的體表吸收，將重金屬吸收到體內(nèi)，其蓄積量甚至達(dá)到很高時(shí)植物仍不會(huì)受害。關(guān)于再力花對(duì)重金屬的吸附作用，Jiang等[19]研究表明，再力花根系表面積在1 400 cm2以上時(shí)對(duì)Cu、Mn、Zn、Pb有良好的富集作用。朱四喜等[21]研究表明在Cr濃度為60 mg/L時(shí)，再力花根對(duì)Cr的富集最高為6 257.26 μg/株。付佳佳等[22]研究再力花對(duì)銅污染環(huán)境修復(fù)潛力，結(jié)果表明根據(jù)其發(fā)育花期等因素，每年再力花可以收割2次，每次切割可吸收土壤中的銅2.06 mg。而在該試驗(yàn)中，再力花根部對(duì)Cu的富集率[（凈化21 d后的重金屬含量-凈化前的重金屬含量）/凈化前的重金屬含量]約達(dá)43 %，Co的富集率達(dá)44 %，對(duì)Pb、Se、Ni的富集率分別為25 %、20 %、25 %，對(duì)其余重金屬也均有一定的富集效果。而國(guó)內(nèi)關(guān)于雨久花對(duì)重金屬吸附作用的研究較少，在該試驗(yàn)中再力花對(duì)水體重金屬的凈化效果優(yōu)于箭葉雨久花。此外，通過(guò)對(duì)2種植物根、莖、葉的吸附效果對(duì)比發(fā)現(xiàn)2種植物的莖、葉對(duì)水體重金屬的吸附能力不如根部，表明2種植物對(duì)重金屬的富集均主要集中在根部。李冬香等[23]在研究鋅在再力花體內(nèi)的富集性時(shí)也證明再力花地上部Zn含量始終比根系Zn含量小，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均<1，這表明再力花不能有效地將Zn運(yùn)輸?shù)降厣喜?，Zn主要積累在根部。這也為凈化后2種植物的后續(xù)處理提供了方便，可直接將植物根部拔除，簡(jiǎn)單、快捷。

（2）研究表明玄武巖對(duì)水體重金屬具有一定的吸附作用，這是由于玄武巖具有空隙率和比表面積較大的特性，致使其表面對(duì)水體中的微生物吸附能力較強(qiáng)并能在較短時(shí)間內(nèi)形成生物膜，因此玄武巖具有水體凈化能力[16]。該試驗(yàn)中，玄武巖對(duì)重金屬Cd、As、Pb、Ni、Hg的富集率分別達(dá)33%、27%、25%、20%、18%，對(duì)其余重金屬也均有一定的富集效果。凈化21 d后植物和玄武巖中的重金屬含量明顯高于凈化前，表明水中的重金屬轉(zhuǎn)移到了植物和玄武巖中。該試驗(yàn)結(jié)果表明玄武巖、再力花和箭葉雨久花組合對(duì)水體凈化21 d后重金屬Cd的凈化效果可達(dá)58%，蓄積含量約達(dá)37 μg/mL。而對(duì)Cd有很好的蓄積能力的植物菱（Trapa bispinosa）在Cd濃度為0.11 μg/mL的水體中，蓄積含量達(dá)13.05 μg/g。該組合=的凈化效果也優(yōu)于單獨(dú)用長(zhǎng)苞香蒲（Typha angustata）、水雍（Ipomea agugtica）等植物[8]。

該研究的不足之處在于吸附的時(shí)間處理上，鑒于幾乎全部的吸附均發(fā)生在移入玄武巖和植物7 d內(nèi)，可適當(dāng)縮短對(duì)水體重金屬檢測(cè)的時(shí)間間隔，進(jìn)一步探究不同處理下時(shí)間因素對(duì)水體重金屬凈化效果的影響。

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