植物和玄武岩对水体重金属的生态净化效果

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　　摘要 [目的]分析不同基质对水体重金属的净化效果。[方法]以海口市羊山水库附近一湖泊水作为研究靶点，建立模拟生态小湖，并将湖泊水、玄武岩以及水生植物引入生态小湖，跟踪监测不同环境下生态小湖内水体中重金属含量的变化。[结果]玄武岩、再力花和箭叶雨久花的组合对水体中重金属有显著的净化作用，对Cd的净化效果可达58%。时间因素（7、14、21 d）对水体重金属的净化效果影响不大，各处理对重金属的吸收（吸附）基本在7 d内完成。[结论]再力花对重金属的吸附能力优于箭叶雨久花，且富集主要集中在根部。
　　关键词 湖泊水;玄武岩;植物;重金属;生态净化
　　中图分类号 X52文献标识码 A
　　文章编号 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
　　在水体污染问题中，重金属污染十分严重，据统计，我国江河湖库底质的污染率高达80.1 %[1]。2014年对我国主要河流的重金属污染排海状况监测表明，我国四大海域主要重金属污染总量达2.1万t，锌是最主要的金属污染物，污染量达1.462万t，汞的污染量最小达44 t，但汞的危害最大[2]。丁之勇等[3]对我国31个主要湖泊沉积物重金属污染特征进行研究，结果表明Cd和Hg在多个湖泊沉积物中达中度到重度污染，平均含量最高的是重金属Zn和Cu，分别达36.89和99.52 mg/kg。重金属进入自然或人工水体后，除部分被水生物、鱼类吸收外，其他大部分易被各種有机和无机胶体及微粒物质所吸附，再经聚集沉降沉积于水体底部[4]。因此重金属污染水体的危害不但持续时间很长，又由于水的流动特性，使得污染的范围很广。重金属对生物和生态环境的危害体现在当生物体内重金属积累达到一定数量后，会出现生理受阻、发育停滞甚至死亡，并使整个水生生态系统和陆生生态系统的结构和功能受损，进而对水体、土壤、大气等环境造成危害[5]。重金属对人类也有各种直接或间接的影响： 一方面，重金属元素毒性大，通过饮用水或生活用水可直接作用于人体;另一方面，重金属进入食物链后，由于其难降解性，经放大富集到人体，造成慢性中毒[6]。
　　近年来，植物修复法被广泛应用于水体重金属污染的净化中。植物修复法主要是通过水生植物根滤、挥发、吸收和富集等作用去除水环境中的重金属离子，或降低污染物中的重金属毒性，以达到降低污染程度、修复或治理水体的目的[7]。对比其他物理化学净化法，植物修复法具有设备工艺简单，运行和操作条件要求较低，投资小、分布广、针对性强、吸附量大、污染小、效率高等优点，尤其对于低浓度及一般方法不易去除的重金属可以选择性地去除，因而具有显著而独特的经济价值和生态效益[8-10]。
　　海南是我国海洋面积最大的省份，海岸线长达1 617.8 km，所辖海域面积200多万km2，可供养殖的滩涂3万hm2，淡水养殖面积3.67万hm2[11]，水资源极为丰富，养殖业有巨大潜力。近年来，海南东部一些河流、河口及近岸水域已呈现轻度重金属污染状况[12-14]，辛成林等[12]研究显示，万泉河重金属污染较轻，而文昌/文教河Cr、Ni相对富集，污染严重。杜克梅[13]研究表明海南近岸海域的重金属污染较重，使得贝类累积重金属水平较高，尤其是重金属Pb在文昌、澄迈、洋浦、东方和陵水海域的贝类体内超标率分别为84.2%、100.0%、85.7%、57.1%和62.5%。根据海南水质的污染现状，如果能将生态净化技术应用于重金属的治理中，就地取材，对重金属污染的水体进行生态净化，则有望达到高效治理、成本低廉、维护简单的效果。笔者以海口市羊山水库附近一湖泊水为研究对象，选取海南分布较为广泛的玄武岩及适合热带地区生长、常见栽培、成活率较高的水生植物再力花和箭叶雨久花构建生态小湖，利用玄武岩的物理吸附及挺水植物吸收重金属的特性，分析不同净化方式及不同处理时长下湖水的净化效果，揭示玄武岩、再力花、箭叶雨久花等对水体重金属的净化机制。 　　1 研究区概况与研究方法
　　1.1 研究区概况
　　海口市地处海南岛北部，位于110°10′～110°41′E、19°32′～20°05′N，该地区玄武岩分布广泛，属于热带季风气候，年日照时数达2 000 h，年均气温22～26 ℃，水温年变化幅度小，年均降雨量1 600～2 000 mm。试验所用水质来源于海口市龙华区羊山水库（平均海拔16.3 m）上游附近10 m处的一天然小湖（110°33′E、19°94′N，海拔18.5 m）。其水质情况接近地表水环境Ⅲ类水限值但尚未构成严重污染。该湖水体一旦受到污染，势必影响到下流的水库水。因此该研究以该湖泊水作为该试验净化的水样来源。
　　1.2 试验材料
　　1.2.1 玄武岩。试验所用玄武岩来自海口市观澜湖景区，该景区位于海南岛的万年火山岩地貌之上，保留了火山岩地区的原始风貌及植被，拥有天然火山资源形成的玄武岩温泉[15-18]。
　　1.2.2 再力花（Thalia dealbata Fraser）。
　　试验所用再力花来源于海口市观澜湖景区1号球场湖水岸边，在其生长初期采集，株高90～100 cm，长势良好但未开花[19-21]。
　　1.2.3 箭叶雨久花（Monochoria hastata）。
　　试验所用箭叶雨久花同样来源于海口市观澜湖景区1号球场湖水岸边，在其生长初期采集，株高90～100 cm，长势良好但未开花[20]。
　　1.3 试验方法 构建长60 cm、宽60 cm、高80 cm的A、B、C 3个水池，并分别注入0.216 m3的湖水水样，使得每个水池的水深为60 cm。A池底辅一层厚15 cm的玄武岩石基质，为增加玄武岩岩的表面积，将玄武岩破碎成体积约为10 cm×7 cm×5 cm，并栽种上挺水景观植物再力花和箭叶雨久花，选取单株生物量为0.3 kg左右的再力花和雨久花各7棵，为了减少其根系所携带泥土对水体的污染，移植前将再力花和箭叶雨久花的根系进行清洗，然后将再力花和箭叶雨久花插入漂浮在水池内平整的聚苯乙烯泡沫塑料板孔隙内，泡沫板长47.0 cm、宽41.0 cm、厚3.0 cm，按“5×3”布局均匀打孔15个（株行距5 cm，孔径4 cm）;B池底仅辅一层厚15 cm的玄武岩石基质;C池作为空白对照池。试验池旁设蒸发皿，试验期间根据每天蒸发量，用纯净水对3个小池进行水体补给。
　　1.4 测定项目与方法 于2017年3月7日将羊山水库旁边的湖泊水采集后分别注入A、B、C 3个池，跟踪监测试验池中的水质变化，每7 d取一次水样进行重金属的检测，取水深度为20 cm，取水量为10 mL。取水后将等量的原湖泊水分别加入3个试验小池。试验开始前，提取部分移植的再力花、箭叶雨久花及玄武岩、原湖泊水进行检测，作为本底值，具体方法：将采回来的同一块玄武岩均敲成2部分，一部分直接研磨后检验，另一部分放入水池中参与净化。将采回来的若干同一束根生的再力花、雨久花植物分别掰成2束，其中一束在净化前风干、研磨、消解测试，另一束放入水池中参与净化。在对植物的重金属检测中，均分为根、茎、叶3部分独立取样分析。
　　水样检测方面，按照国家地表水的检测方法对湖泊水及生态小池内的水质进行典型性采样及跟踪监测分析。采用ICP-MS电感耦合等离子质谱仪分别检测水体中的重金属污染物Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Cd、Pb、Hg的含量。用SAS软件对水体重金属的净化效果和3种吸附物的重金属含量进行成对t检测分析。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同时间及不同处理对水体重金属的净化差异
　　为了对比A、B、C 3种处理方式对水体重金属的净化差异，将A处理与B处理、B处理与C处理、A处理与C处理的重金属含量分别进行成对t检测分析，结果见表1。从表1可以看出，只有A处理对水体中重金属有显著降低作用，说明A处理对水体重金属有很好的净化效果。A处理相对于B处理有明显的显著性，说明植物对水体重金属的净化效果优于玄武岩。
　　2.2 3种净化材料对水体重金属的净化效果
　　2.2.1 玄武岩。
　　分别取净化前和参与净化21 d后的玄武岩各3块，检测每块玄武岩的重金属含量，将净化前后的3个样本量分别取平均值，并对净化前后玄武岩的重金属含量进行对比，结果见图1。从图1可以看出，参与净化的玄武岩，其重金属含量明显升高，统计结果也显示净化前后玄武岩重金属含量存在显著差异（t=4.81，P=0.000 4）。
　　2.2.2 再力花。
　　为了分析植物各部分对重金属的富集程度，随机选取再力花各3棵，分别在净化前、后截取再力花植株的根、茎、叶，并对其重金属含量进行检测。再力花根、茎、叶净化前、后重金属含量值的成对t检测分析结果见图2、3、4，从图2可以看出，净化后再力花根部重金属含量有升高趋势（t=2.21，P=0.047 5），表明再力花对重金属的吸收主要在根部;从图3和图4可以看出，净化后再力花的茎和叶重金属含量变化不显著（茎：t=0.11，P=0.912 0;叶：t=0.16，P=0.872 3），表明重金属被再力花根部吸收后并未主動运输到茎叶等部分。
　　3 结论与讨论
　　（1）玄武岩、再力花和箭叶雨久花组合（A处理）对水体内重金属有明显的净化作用。植物可通过根系吸收，也可直接通过茎、叶等器官的体表吸收，将重金属吸收到体内，其蓄积量甚至达到很高时植物仍不会受害。关于再力花对重金属的吸附作用，Jiang等[19]研究表明，再力花根系表面积在1 400 cm2以上时对Cu、Mn、Zn、Pb有良好的富集作用。朱四喜等[21]研究表明在Cr浓度为60 mg/L时，再力花根对Cr的富集最高为6 257.26 μg/株。付佳佳等[22]研究再力花对铜污染环境修复潜力，结果表明根据其发育花期等因素，每年再力花可以收割2次，每次切割可吸收土壤中的铜2.06 mg。而在该试验中，再力花根部对Cu的富集率[（净化21 d后的重金属含量-净化前的重金属含量）/净化前的重金属含量]约达43 %，Co的富集率达44 %，对Pb、Se、Ni的富集率分别为25 %、20 %、25 %，对其余重金属也均有一定的富集效果。而国内关于雨久花对重金属吸附作用的研究较少，在该试验中再力花对水体重金属的净化效果优于箭叶雨久花。此外，通过对2种植物根、茎、叶的吸附效果对比发现2种植物的茎、叶对水体重金属的吸附能力不如根部，表明2种植物对重金属的富集均主要集中在根部。李冬香等[23]在研究锌在再力花体内的富集性时也证明再力花地上部Zn含量始终比根系Zn含量小，转运系数均<1，这表明再力花不能有效地将Zn运输到地上部，Zn主要积累在根部。这也为净化后2种植物的后续处理提供了方便，可直接将植物根部拔除，简单、快捷。 　　（2）研究表明玄武岩对水体重金属具有一定的吸附作用，这是由于玄武岩具有空隙率和比表面积较大的特性，致使其表面对水体中的微生物吸附能力较强并能在较短时间内形成生物膜，因此玄武岩具有水体净化能力[16]。该试验中，玄武岩对重金属Cd、As、Pb、Ni、Hg的富集率分别达33%、27%、25%、20%、18%，对其余重金属也均有一定的富集效果。净化21 d后植物和玄武岩中的重金属含量明显高于净化前，表明水中的重金属转移到了植物和玄武岩中。该试验结果表明玄武岩、再力花和箭叶雨久花组合对水体净化21 d后重金属Cd的净化效果可达58%，蓄积含量约达37 μg/mL。而对Cd有很好的蓄积能力的植物菱（Trapa bispinosa）在Cd浓度为0.11 μg/mL的水体中，蓄积含量达13.05 μg/g。该组合=的净化效果也优于单独用长苞香蒲（Typha angustata）、水雍（Ipomea agugtica）等植物[8]。
　　该研究的不足之处在于吸附的时间处理上，鉴于几乎全部的吸附均发生在移入玄武岩和植物7 d内，可适当缩短对水体重金属检测的时间间隔，进一步探究不同处理下时间因素对水体重金属净化效果的影响。
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