沉水植物对受重金属镉、锌污染的水体底泥的修复效果

沉水植物对受重金属镉、锌污染的水体底泥的修复效果乔云蕾;李铭红;谢佩君;晏丽蓉;朱剑飞【摘要】为了探究常见沉水植物对水体底泥中重金属污染的富集效果，选取浙江水域较为常见的3种沉水植物苦草(Vallisnerianatans(Lour.)Hara)、黑藻(Hydrillaverticillata(Linn.f.)Royle)、金鱼藻(Ceratophyllumdem-ersumL.)，在模拟天然水体环境中，将3种沉水植物培养在含有重金属Cd、Zn的底泥中生长一个生活周期.依据沉水植物对重金属Cd、Zn的富集量和生物-沉积物生物富集因子(biota-sedimentaccumulationfactor,BSAF)等指标，筛选出对2种重金属元素富集效果较好的沉水植物，为受重金属污染底泥生态修复的植物选择提供一定的参考.结果表明：3种沉水植物对重金属Cd、Zn的耐受性均较强，同时对重金属Cd、Zn都有较高的富集能力，生物富集因子大于1,对底泥中的Cd、Zn均具有较好的祛除效果；由相关分析可知，3种沉水植物体中的Cd、Zn的质量分数与其根部底泥中Cd、Zn的质量分数呈极显著的负相关(pvO.Ol)，因此这3种植物均可作为重金属Cd、Zn污染的修复物种.苦草对重金属Cd、Zn的富集量及BSAF均大于黑藻和金鱼藻，对重金属Cd的富集量分别达到了黑藻和金鱼藻的1.90和3.02倍.因此可考虑苦草作为水体底泥Cd、Zn复合污染生态修复的先锋物种.%ThreecommonsubmergedplantsinZhejiangprovince,namelyVallisnerianatans(Lour.)Hara,Hydrillaverticillata(Linn.f.)RoyleandCeratophyllumdemersumL.,areinvestigatedtoexploretheirenrich-menteffectsofheavymetalsinthesedimentsofwater.Duringthestudy,asimulatedoutdoornaturalwaterenvi-ronmentwassetup,threedifferentsubmergedplantswerecultivatedfor105dinthesedimentsofwaterwhichcon-taininghighconcentrationofcadmium(Cd)andzinc(Zn),theaccumulationamountandbiotasedimentaccumula-tionfactor(BSAF)oftwoheavymetalsweremeasuredtoidentifythespecieswithbestenrichmenteffect,providingatheoreticalreferenceforselectingsuitableplantsthatcouldrestoreecologicallycontaminatedsediments.There-sultsshowthatBSAFforCdandZnarebothgreaterthan1forallspeciesafterfor105d,suggestingthatthesesubmergedplantshadpowerfulabsorptionability,goodremovaleffectonCdandZninsediments,andastrongtol-eranceforthecombinedpollutionofCdandZn.Meanwhile,therewasasignificantnegativecorrelationbetweenthecontentofCdandZninsedimentandthatinthesethreeplants(allwithp<0.01),Therefore,Vallisnerianatans(Lour.)Hara,Hydrillaverticillata(Linn.f.)RoyleandCeratophyllumdemersumL.couldbeconsideredascommonspeciestolievethesedimentpollutioncausedbyCdandZn.Inparticular,Vallisnerianatans(Lour.)Ha-racanbeselectedasapioneerplantforecologicalrestorationofCdandZnjointlypollutedsedimentsinwater.【期刊名称】《浙江大学学报(理学版)》【年(卷)，期】2016(043)005【总页数】9页(P601-609)【关键词】苦草;黑藻;金鱼藻;底泥;镉;锌;富集作用【作者】乔云蕾;李铭红;谢佩君;晏丽蓉朱剑飞【作者单位】浙江师范大学行知学院，浙江金华321004;浙江师范大学生态研究所，浙江金华321004;浙江师范大学行知学院，浙江金华321004;浙江师范大学生态研究所，浙江金华321004;浙江师范大学生态研究所，浙江金华321004;浙江师范大学生态研究所，浙江金华321004;浙江师范大学生态研究所，浙江金华321004【正文语种】中文【中图分类】X524;Q948.1随着我国工业的迅速发展，各种重金属污染物不断进入水体［1］.底泥是河流、湖泊等水生生态系统的重要组成部分，也是环境污染物的聚集场所.进入水环境的重金属主要通过吸附、络合、沉淀等复杂的界面交换和反应迁移至底泥中，使底泥沉积物中的重金属含量远高于水相.当外界环境变化时，沉积于底泥中的重金属很可能被释放，造成二次污染［2］，恶化水质，毒害水生生物，并可能通过食物链直接或间接影响人类和动物的健康［3］.目前底泥的重金属污染治理主要采用物理、化学和生物修复手段.其中植物修复与传统的物理和化学修复相比，具有成本低、不易引起二次污染等优点，不仅可以减轻重金属污染，还可以美化环境，尤其适合大面积需异位处理的底泥［4］.在修复水体和底泥重金属污染的众多植物中，水生植物格外受到关注.水生植物可将重金属离子吸收进体内，其体内的谷胱甘肽、植物螯合素、金属硫蛋白、有机酸等成分可以降低重金属离子的毒性［5］，通过络合及区域化作用，使重金属离子在植物体内存留并富集，从而降低其对环境的污染.因此，利用水生植物修复受重金属污染的底泥是绿色环保的，其中沉水植物起非常重要的作用.沉水植物生活在水中，其根、茎、叶均可蓄积较高含量的重金属［6］，其富集能力强于浮水植物和挺水植物.苦草、黑藻、金鱼藻为浙江水域常见沉水植物，生物量大且繁殖能力强，因此选用这3种沉水植物作为实验材料.之前关于重金属修复的研究大多注重单一重金属的环境效应，对多种重金属共存于同一环境以及相互作用所形成的环境污染效应重视不够［7］.Cd和Zn具有相近的核外电子构型，易发生同晶代替，它们的化学性质及生物行为也颇为相似，因此在自然界中，Cd一般与Zn共生，构成Cd、Zn的复合污染［8］.针对湖泊、河流等水体底泥中重金属污染越来越严重的问题，本研究以3种沉水植物为材料，采用生态模拟方法，通过沉水植物对底泥中重金属Cd、Zn的吸附作用，比较3种沉水植物对重金属Cd、Zn的富集能力，初步筛选出吸附效果较好的沉水植物，为底泥中重金属污染的生态修复提供一定的科学依据.实验植物苦草(Vallisnerianatans(Lour.)Hara)、黑藻(Hydrillaverticillata(Linn.f.)Royle)和金鱼藻(CeratophyllumdemersumL.)为我国东南地区常见的3种沉水植物，均采自浙江水域.实验用水为经过暴晒后的自来水.将采自浙江师范大学周边水体的实验底泥混匀、风干后测得2种重金属Cd、Zn的质量分数分别为0.82,187.52mg-kg-1.随后将2种重金属盐的混合溶液(用分析纯的重金属盐［CdCl225H2O、Zn(NO3)26H2O］配制而成)倒入原始底泥中，搅拌均匀后风干.经过处理的底泥中2种重金属质量分数分别为：Cd35.82mg・kg-1、Zn387.52mg-kg-1，均达到JENSEN底泥污染评价级别的重度污染水平.本实验通过模拟天然水体环境，在玻璃制生态缸(长60cm,宽30cm,高50cm)内进行培养实验.在生态缸内铺入厚约10cm的配制好的底泥，加入50L暴晒过的自来水，将相同株数(本实验均为36株)的3种沉水植物植入污染底泥中.实验中蒸发的水分用暴晒的自来水补充.实验共设置15个生态缸，其中1#~5#植入苦草，6#~10#植入黑藻，11#~15#植入金鱼藻.每个生态缸划分为3个小区域，分别在3个小区域取样，作为实验的3个重复.实验共进行一个生长周期(105d),分5个阶段取植物样、植物根部底泥样.采样阶段、采样时间及采样区域见表1.将采集的植物样品用超纯水冲洗干净，105°C下杀青30min,90°C烘干至恒重，将烘干后的植物样磨碎后过60目筛•取植物根部底泥，90C下烘至恒重，将烘干的底泥磨成粉末状过100目筛.取植物和土壤样品各约0.25g待用.采用硝酸-高氯酸消解法消解待测样品后用电子耦合等离子发射法(inductivelycoupledplasma-atomicemissionspectrometry,ICP-AES)测定Cd、Zn的质量分数.实验所得数据采用Origins.SPSS17.0等软件工具进行分析处理.生长率是衡量植物生物量变化的一个量化指标，当生物量为w，时间为t时，生长率(GR)=dw/dt，即单位时间内生物量增加的部分为生长率.沉水植物对重金属的吸附速率为单位时间内植物体内的重金属质量分数增加的数值.分别在5个取样阶段采集相应生态缸中3个小区域的植株及其根部底泥，测定样品中重金属Cd、Zn的平均质量分数.BSAF为沉水植物体内重金属质量分数与其相应的根部底泥中重金属质量分数的比值.沉水植物对重金属的去除率为实验结束后培养3种沉水植物的底泥中重金属的质量分数与相应原始底泥中重金属质量分数的比值.黑藻和金鱼藻在实验初期长势较好，叶片绿而茂盛.实验初期苦草叶片生长并不茂盛，且根部有繁殖芽出现.随着培养时间的延长，3种植物生长状况良好.在实验后期，3种植物多数叶片出现发黄症状，且植物叶片表面都有藻类附着，沉水植株受害症状明显.实验期间3种植物的生物量有明显的增加.实验结束时苦草生物量鲜重的增加量为633.90g，黑藻的增加量为452.58g，金鱼藻的增加量为589.01g.3种沉水植物在实验开始阶段的生长率最低，随后逐渐增加.苦草和黑藻在第4阶段时生长率达到最高，金鱼藻在第3阶段内生长率达到最大.实验的最后阶段3种沉水植物的生长率虽然有所下降，但仍维持在较高水平(见图1).自然状况下，重金属Cd在供试植物苦草、黑藻、金鱼藻中质量分数都比较低，背景值分别为3.90，2.35，2.35mg-kg-1，差异不显著.实验结束时苦草、黑藻、金鱼藻中Cd质量分数明显增加，分别为背景值的23.28，20.33，12.78倍，苦草中重金属Cd的质量分数明显高于黑藻和金鱼藻(见图2)，是黑藻和金鱼藻中的1.90和3.02倍.通过对3种沉水植物不同天数之间重金属Cd质量分数进行多重比较知：苦草中Cd质量分数除21d与42d之间、42d与63d之间差异不显著(p>0.05)外，其余两两之间均差异显著(p<0.05)；黑藻中Cd质量分数除0d与21d之间、84d与105d之间差异不显著(p>0.05)外，其余两两之间均差异显著(p<0.05)；金鱼藻中Cd质量分数除0d与21d之间差异不显著(p>0.05)外，其余不同天数之间均差异显著(p<0.05).第1阶段内苦草的生长率最低，但苦草吸附Cd的速率较大，实验进行到第4阶段时，苦草的生长率达到最高，吸附Cd的速率急剧增加，在第5阶段达到最大；实验期间金鱼藻吸附Cd的速率较低，金鱼藻的生长率在第3阶段达到最大，在第4阶段吸附Cd的速率最大；黑藻的生长速率与对Cd的吸附速率基本保持一致(见图2).3种沉水植物苦草、黑藻、金鱼藻中重金属Zn的背景值分别为246.41,318.33,321.43mg-kg-1，差异不显著.3种植物中重金属Zn的质量分数均随着培养时间的延长而增加.实验结束时，3种植物中重金属Zn的质量分数分别为初始值的3.83,1.92,1.82倍，苦草中重金属Zn质量分数明显高于黑藻和金鱼藻(见图3),说明苦草对重金属Zn的富集能力强于黑藻和金鱼藻.对3种沉水植物不同天数之间重金属Zn质量分数进行多重比较可知：苦草中Zn质量分数任意天数之间均差异显著(p<0.05)；黑藻中Zn质量分数除21d与42d之间差异不显著(p>0.05)外，其他天数之间均差异显著(p<0.05)；金鱼藻中Zn质量分数在任意天数之间均差异显著(p<0.05).实验中苦草吸附重金属Zn的速率明显高于黑藻和金鱼藻.苦草在第1阶段的生长率最低，吸附Zn的速率最大，在第4阶段的生长率最高，此时吸附Zn的速率却很小；黑藻在第1阶段的生长率最低，此时吸附Zn的速率最大.第2阶段内黑藻吸附Zn的速率最小，几乎为0；金鱼藻在第2阶段内吸附Zn的速率达到最大，但金鱼藻的生长率较低（见图1与3）.沉积物生物富集因子（BSAF）是衡量植物对重金属富集能力的重要指标之一.BSAF值越大，表示植物对重金属的富集能力越强[10-12].本研究采用BSAF值来衡量沉水植物去除底泥中重金属的能力.苦草、金鱼藻对Cd的BSAF逐渐增加，在实验结束时达到最大.黑藻对Cd的BSAF也逐渐增加，在第4阶段时达到最大.苦草对重金属Cd的生物富集因子在1.02~19.66，且在最后阶段BSAF值显著大于前4个阶段.黑藻和金鱼藻分别在实验进行到第3和第4阶段时对Cd的BSAF值才大于1,2种植物此前对重金属Cd没能起到生物富集作用（见图4）.统计分析表明，苦草、黑藻、金鱼藻3种沉水植物中重金属Cd与底泥中Cd质量分数达到极显著负相关（苦草、黑藻、金鱼藻的相关系数分别为：y=-0.95,p<0.01；y=-0.98,p<0.01；y=-0.99,p<0.01）.实验期间，苦草、黑藻、金鱼藻对重金属Zn的BSAF都逐渐增大，说明在一定时间内，3种沉水植物对重金属Zn的富集能力逐渐增强.苦草对Zn的生物富集因子在2.23~19.29，黑藻对Zn的生物富集因子在2.36~7.08，金鱼藻对Zn的生物富集因子在1.22~5.37（见图5）.由此可知，3种沉水植物对重金属Zn都有很好的富集作用.统计分析表明，苦草、黑藻、金鱼藻3种沉水植物中重金属Zn与底泥中Zn质量数分达到极显著负相关（苦草、黑藻、金鱼藻相关系数分别为：Y=-0.99,p<0.01；Y=-1.00,p<0.01；y=-1.00,p<0.01）由表2可知，3种沉水植物对重金属Cd、Zn均有较高的去除率.其中黑藻对Cd的去除率最大，苦草对Cd的去除能力与黑藻相近，金鱼藻最弱；苦草对Zn的去除率明显高于黑藻和金鱼藻，黑藻次之，金鱼藻最低.同时可知，苦草对Cd的去除率略小于对Zn的去除率；黑藻和金鱼藻对Cd的去除率显著大于Zn.已有研究证明，植物对有毒有害物质的吸收以被动吸收为主，植物对重金属的吸收存在浓度或时间效应，即随着环境中重金属离子浓度的升高或处理时间的延长，植物富集的重金属量增加［13］.因而延长植物和污染底泥的接触时间，可提高植物对其的去除率.本研究考察了3种沉水植物在105d内对重金属Cd、Zn的富集情况，基本覆盖了3种沉水植物的整个生长周期.相较于挺水植物和浮水植物，沉水植物更容易吸收和富集水体中的重金属，相对地也就更容易出现毒害症状.重金属毒害植物的一个重要特征是使其叶绿素减少、植物失绿［14］.本研究观察到苦草最先出现叶片枯萎发黄，即最先表现出受害症状，这与张饮江等［15］对3种沉水植物对水体重金属镉去除效果的实验结果一致.这可能与苦草在实验初期吸附重金属Cd、Zn的速率较快有关.随后3种沉水植物褪绿症状逐步明显.这一方面可能是由于Cd2+抑制了叶绿素合成所必需的原叶绿素酸酯还原酶(Protochlophyllidereductase)的活性和影响氨基-g-酮戊酸(Aminolaevuliniacid)的生物合成［16］；另一方面也可能由于Cd2+在细胞内积累过多，与叶绿体中蛋白质上的一SH基结合，或取代其中的Fe2+、Zn2+、Mg2+等，破坏了叶绿体的结构和功能［17］.同时Zn2+可对叶绿体被膜产生影响，进而破坏叶绿体的结构，也对叶绿素合成有关酶系统和电子传递造成了一定的影响.由于不同的沉水植物所吸附的重金属分布于体内不同部位，对重金属的反应各异［15］，表现出的耐受能力也各不相同，其生物量变化也各异.而耐受能力是筛选重金属富集植物的一个重要指标，因此可根据3种沉水植物的生物量变化筛选富集重金属Cd、Zn能力强的植物.本研究中，苦草的生物量增量最大，因此苦草相较黑藻和金鱼藻对重金属Cd、Zn的耐受性更强.由3种沉水植物对Cd的富集量及BSAF值可知，苦草富集重金属Cd的能力最强.苦草对Cd的富集能力大于黑藻这一结果与陈国梁等［18］的研究不同.植物对重金属元素吸附的差异与植物自身所处的环境有关，重金属沉积物间的差异，导致不同地域植物对重金属的富集能力不同［19］.陈国梁等的数据［18］是在广西刁江流域取沉水植物样后直接测定的，而本研究的取样植物是模拟室外天然水体环境培养的.2组实验的光照强度、水中溶氧量、温度、水体pH值、底泥中重金属质量分数及其他影响因素均不同，从而导致了实验结果的差异.黑藻中Cd质量分数及对Cd的BSAF值在84d时达到最大，说明黑藻对Cd的吸收机能受到阻碍，这可能与Cd对黑藻体内的氧化还原酶系统有较强的抑制作用有关，使活性氧的产生速率明显加快，从而造成黑藻的功能性损伤［20］.因而在本研究中可以得出黑藻对Cd的最大富集量为48.95mg-kg-1.苦草和金鱼藻对重金属Cd的富集随着实验的进行逐渐增强，因而对Cd的富集量没能达到阈值.苦草在最后阶段BSAF值显著大于之前，表明其对重金属Cd的富集作用主要集中在苦草生长周期的后期.黑藻和金鱼藻分别在第3和第4阶段对Cd的富集因子大于1,此前2种植物对Cd没有生物富集作用.黑藻和金鱼藻对重金属的富集作用也主要集中在生长周期的中后期.因而从生物富集因子角度考虑，在84d内黑藻对重金属Cd的富集能力最强；在105d内苦草对重金属Cd的富集能力最强.水生植物对沉积物的修复效果随修复时间尺度的变化而变化［19］.因此需要根据修复时间选择适宜的沉水植物.本研究中，3种植物重金属Zn质量分数以及对Zn的富集因子均随着培养时间的延长而增加.苦草中重金属Zn质量分数及BSAF值明显高于黑藻和金鱼藻，表明苦草对重金属Zn的富集能力强于黑藻和金鱼藻.3种沉水植物在实验的各个阶段对重金属Zn的生物富集因子均大于1,因此3种植物对重金属Zn均可以起到很好的富集作用.苦草对Zn的BSAF值在最后阶段达到最大，因而苦草对重金属Zn的富集作用与对重金属Cd的富集作用类似，主要集中在生长后期.这可能与沉水植物在生长后期生物量较大有关.苦草在实验第1阶段生长率最低，但是富集重金属Cd、Zn的速率较大，且富集Zn的速率明显大于Cd.这可能与实验初期苦草吸附重金属Cd、Zn的量较少，其体内有充足的吸附位点活性基团，能够满足对二者的吸附有关［21］.随后苦草吸附Cd的速率降低，84d之后逐渐加快，在最后阶段达到最大.这可能是因为随着苦草体内重