謝佩君，李銘紅*，晏麗蓉，喬云蕾

（1.浙江師范大學(xué)行知學(xué)院，浙江金華　321004；2.浙江師范大學(xué)生態(tài)研究所，浙江金華　321004）

三種沉水植物對Cu、Pb復(fù)合污染底泥的修復(fù)效果

謝佩君1，2，李銘紅1，2*，晏麗蓉2，喬云蕾1，2

（1.浙江師范大學(xué)行知學(xué)院，浙江金華321004；2.浙江師范大學(xué)生態(tài)研究所，浙江金華321004）

利用生態(tài)缸模擬靜態(tài)水體，進(jìn)行底泥重金屬污染的富集試驗，從富集量、生物富集系數(shù)（BSAF）和去除率等指標(biāo)探究苦草（Vallisneria natans）、黑藻（Hydrilla verticillata）和金魚藻（Ceratophyllum demersum）等三種常見沉水植物對Cu、Pb復(fù)合污染底泥的修復(fù)效果。結(jié)果表明：苦草、黑藻富集效果最佳的時間段為培養(yǎng)生長的84～105 d，金魚藻則為63～84 d。黑藻對Cu的BSAF達(dá)到15.2，是苦草的2.9倍、金魚藻的2.7倍，黑藻中Cu含量與底泥中重金屬含量達(dá)到顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.995，P＜0.05），表現(xiàn)出對Cu較高的富集能力。從去除率與BSAF顯示，三種植物對Cu的富集能力為黑藻＞金魚藻＞苦草；對Pb的富集能力為苦草＞黑藻＞金魚藻；其中黑藻對Cu-Pb復(fù)合污染的綜合修復(fù)效果最好。三種植物的一個生長周期結(jié)束時，底泥中Cu、Pb含量與試驗開始的污染底泥相比差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05），Cu-Pb復(fù)合污染程度有明顯下降，經(jīng)修復(fù)后的Cu-Pb復(fù)合污染底泥可達(dá)到《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）的域級標(biāo)準(zhǔn)；而黑藻富集作用可以使污染底泥中Cu含量達(dá)到《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的玉級標(biāo)準(zhǔn)。

沉水植物；重金屬；污染；富集

謝佩君，李銘紅，晏麗蓉，等.三種沉水植物對Cu、Pb復(fù)合污染底泥的修復(fù)效果［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2016，35（4）：757-763.

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由于重金屬具有穩(wěn)定性、隱蔽性和不可降解性等特點，排入水體的重金屬，并不能像有機(jī)化合物那樣可自然降解或者生物降解，絕大多數(shù)迅速地結(jié)合到懸浮物和沉積物中，最終沉積到底泥中從而造成底泥重金屬污染，在湖泊眾多的中國，底泥的重金屬污染已然成為重要環(huán)境問題之一。底泥是河流、湖泊等眾多水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，沒有降解的重金屬往往參與食物鏈循環(huán)并在生物體內(nèi)積累，直接或間接地對底棲生物的生理代謝造成傷害，甚至威脅人類健康［1］。近用來對底泥修復(fù)研究更多的是植物與微生物結(jié)合修復(fù)，或者植物修復(fù)與化學(xué)、物理方法結(jié)合修復(fù)。但是目前植物修復(fù)方面仍有很多問題需要探討及研究，例如超富集植物的發(fā)現(xiàn)和培育等問題［2］，因而研究植物富集規(guī)律及效果仍有重要意義。

靠近城市和工業(yè)區(qū)周邊的湖泊，如巢湖、太湖，由于人類活動對其影響的方式多樣、強(qiáng)度較大，重金屬污染一般較為嚴(yán)重，且多為復(fù)合污染。湖泊中重金屬以工業(yè)污染源為主，有色金屬冶煉、電鍍工業(yè)、印染工業(yè)等高污染企業(yè)的發(fā)展都有可能造成周邊水域底泥中重金屬污染。研究表明，我國湖泊淺層底泥中Cu、Pb均值多數(shù)超過土壤背景值，表現(xiàn)為Cu-Pb復(fù)合污染，如長蕩湖、石臼湖、滆湖屬于重金屬輕度污染，宜興西氿底泥中Pb達(dá)到中度污染，Cu達(dá)到重污染程度，巢湖底泥中Cu、Pb皆處于較高污染程度［3-5］。因此，底泥重金屬污染的治理研究仍需加強(qiáng)。

沉水植物因為全株都生活在水體中，莖、葉和表皮都與根一樣具有吸收作用，這種結(jié)構(gòu)對水體中營養(yǎng)鹽類的吸收降解及對重金屬元素的濃縮富集都有很強(qiáng)的作用，所以用沉水植物來修復(fù)河流湖泊重金屬污染能夠帶來較高的環(huán)境生態(tài)效益［6］。苦草（Vallisneria natans）、黑藻（Hydrilla verticillata）和金魚藻（Ceratophyllum demersum）是我國華東地區(qū)常見的多用生沉水草本植物，大多分布于池塘、湖泊和溝渠等一些水流較為緩慢的淡水水域中，春夏季生長旺盛，生物量大且生命力強(qiáng)。因此，本研究選擇這三種沉水植物作為試驗材料，通過試驗分析其對底泥Cu、Pb的富集效果，從而試圖尋找適宜的修復(fù)Cu-Pb污染的沉水植物，利用底泥-植物系統(tǒng)的吸附、過濾及凈化作用和自我調(diào)控功能，達(dá)到某種程度上對底泥Cu-Pb污染的修復(fù)，為今后深入修復(fù)重金屬污染底泥提供一定的研究依據(jù)。

1　材料與方法

1.1供試材料

1.1.1供試植物

供試植物苦草、黑藻和金魚藻均采自浙江省金華市婺江、甌江水域。選取高度為15 cm左右、生長狀態(tài)良好、個體均勻的植株作為試驗材料，移栽到無污染底泥的生態(tài)缸中，水培適應(yīng)一周后用于試驗。

1.1.2供試底泥

供試底泥采自婺江流域的小溪，自然風(fēng)干后，先初步剔除其中粗雜質(zhì)，過100目篩，測得Cu的背景值為17.28 mg·kg-1、Pb的背景值為78.64 mg·kg-1，pH為6.8左右。用分析純的CuCl2·2H2O和Pb（NO3）2配制成兩種重金屬鹽溶液，拌入風(fēng)干的原始底泥中并充分混勻，靜置鈍化兩周后作為試驗底泥，測得配制后底泥中兩種重金屬Cu、Pb含量分別為298.32、256.34 mg·kg-1，Cu污染程度為土壤環(huán)境質(zhì)量芋級標(biāo)準(zhǔn)，Pb污染程度為土壤環(huán)境質(zhì)量域級標(biāo)準(zhǔn)，Cu、Pb皆達(dá)到JENSEN底泥污染評價重污染級別［7］。這一污染程度和太湖、鄱陽湖等湖泊底泥中Cu污染比Pb污染嚴(yán)重的狀況相符合［4，8-9］。

1.2試驗設(shè)計

試驗采用（透明的玻璃）生態(tài)缸（60 cm×30 cm×50 cm），靜態(tài)模擬自然狀況下小型水體，將其置于適當(dāng)遮光的樹蔭下，避免高溫曝曬，水體溫度保持在15～30益。將配制好的底泥鋪入缸內(nèi)，厚度約10 cm。然后每個生態(tài)缸中加入50 L曝曬的自來水，將相同株數(shù)（本試驗均為36株，保證密度一致）的三種沉水植物分別植入盛有配制好的重金屬污染底泥的生態(tài)缸中。試驗共設(shè)置15個生態(tài)缸，每種沉水植物5個生態(tài)缸，其中1#—5#植入苦草，6#—10#植入黑藻，11#—15#植入金魚藻。每個生態(tài)缸使用泡沫板平均隔成3個區(qū)域，定期取樣時分別在三個區(qū)域內(nèi)取，作為試驗3個重復(fù)。

試驗開始后每隔21 d取一次植物樣及植物根部土樣，試驗共歷經(jīng)105 d，三種沉水植物基本完成一個生長周期。試驗中蒸發(fā)的水分用曝曬的自來水補(bǔ)充。第21 d分別取1#、6#和11#，第42 d分別取2#、7#和12#，第63 d、第84 d、第105 d依次類推。

1.3樣品來理和重金屬測定

取植物樣先用自來水充分沖洗，再用0.1 mol·L-1稀鹽酸洗凈，最后用去離子水淋洗2～3次，吸干表面水分，置于烘箱中105益殺青30 min，70益下烘干至恒重，研磨過60目尼龍篩待測；將土樣自然風(fēng)干后，研磨過100目尼龍篩待測。用HNO3-HClO4消解植物樣，HCl-HNO3-HClO4消解土樣。用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（Inductively Coupledplasma-Atomic Emission Spectrometry，ICP-AES）進(jìn)行Cu、Pb含量的測定。

1.4數(shù)據(jù)來理與分析

式中：GR為生長率；w 為植物的生物量；t為植物生長的時間，d。

生物富集系數(shù)（Biota-sediment accumulation factor，BSAF）：BSAF=Cp/Cs

式中：Cp為植物體內(nèi)重金屬含量；Cs為沉積物中重金屬含量。BSAF是表示生物從沉積物（底泥）中積累污染物的能力，是衡量生物體富集和吸收底泥中重金屬能力的重要指標(biāo)［10］。

式中：R為去除率；C0為試驗開始時底泥中重金屬含量；C為試驗結(jié)束時底泥中重金屬含量。

用Excel 2013、Origin 8.0、SPSS18.0統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。圖由Origin 8.0繪制，表由Excel 2013生成，利用SPSS18.0統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行單因素方差分析和多重比較，對三種沉水植物中Cu、Pb含量與底泥中的Cu、Pb含量進(jìn)行相關(guān)分析和回歸分析。

2　結(jié)果與分析

2.1沉水植物對底泥中Cu、Pb的富集量

由圖1可以看出，苦草和黑藻在第84 d生長率最大，金魚藻在第63 d生長率達(dá)到頂峰，在生長率達(dá)到頂峰后，植物體內(nèi)的重金屬含量增加比較緩慢，第84～105 d階段幾乎停止增長。一個生長周期結(jié)束時，苦草中Cu、Pb的最大富集量均高于黑藻和金魚藻，分別為482.39、550.73 mg·kg-1，達(dá)到背景值的10.57倍和9.55倍?？嗖?、黑藻對Cu的富集能力要強(qiáng)于對Pb的富集，說明Cu-Pb復(fù)合污染中，重金屬的吸附競爭能力Cu＞Pb。在第84 d以前，苦草、黑藻體內(nèi)Cu含量高于Pb含量，且植物體內(nèi)Cu、Pb含量同步快速增長，兩種重金屬含量在相鄰時段（如第21 d、第42 d，以此類推）皆差異顯著（P＜0.05）?？嗖?、黑藻對Cu的富集量較高，金魚藻對Cu的富集量雖然相對較低，但最大富集量也達(dá)到324.40 mg·kg-1，為背景值的5.52倍。金魚藻生長過程中，第84 d與第105 d比較，Cu和Pb含量差異皆不顯著（P＞0.05），說明金魚藻在84 d時已達(dá)到富集的最大值。一個生長周期結(jié)束時，三種植物對Cu、Pb的最大富集含量均呈差異顯著（P＜0.05）。

圖1　不同生長階段植物中Cu、Pb含量Figure 1　Cu and Pb content at different growth stages

2.2沉水植物對底泥中Cu、Pb的生物富集系數(shù)

由圖2可知，試驗期間，生物富集系數(shù)（BSAF）都是逐漸增大的，說明植物對Cu、Pb的富集能力逐漸增強(qiáng)。同一種植物對不同重金屬的富集具有不同的選擇性，在第84 d以前，BSAF（Cu）＞BSAF（Pb），且都在第105 d時達(dá)到最大，說明這三種植物在生長接近停滯時，仍有富集Cu、Pb的能力。黑藻對Cu的BSAF最高，達(dá)到15.2，是苦草的2.9倍、金魚藻的2.7倍。但是，三種植物BSAF均大于1，都表現(xiàn)出一定的生物富集能力。從生物富集系數(shù)來看，植物對Cu的富集能力為黑藻＞金魚藻＞苦草，對Pb的富集能力為苦草＞黑藻＞金魚藻。

圖2　沉水植物對Cu、Pb的BSAFFigure 2　Variation of BSAF in plants

2.3沉水植物對底泥中Cu、Pb的去除率

如表1所示，去除率與BSAF反映出來的植物對重金屬的富集能力基本類似。三種植物去除率均在68%以上，苦草對Cu、Pb的去除率幾乎相等。黑藻對污染底泥中Cu的去除率最高，達(dá)到90.77%，試驗結(jié)束后底泥中Cu含量低至29.27 mg·kg-1，接近JENSEN底泥污染評價未污染級別，達(dá)到《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》玉級標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)三種植物富集后的底泥間Cu含量差異顯著（P＜0.05），對Pb去除率相差不大，因而Pb含量差異不顯著（P＞0.05）。試驗結(jié)束時底泥中Cu、Pb含量與試驗開始的污染底泥相比皆呈現(xiàn)顯著差異（P＜0.05），Cu-Pb復(fù)合污染有很大改善。

表1　底泥中Cu、Pb去除率Table 1　Rates of Cu and Pb removal

2.4沉水植物與底泥中Cu、Pb相關(guān)性及回歸分析

植物體內(nèi)的重金屬含量與其環(huán)境中的濃度顯著相關(guān)［11-12］，表2為相關(guān)分析及曲線估計結(jié)果?？梢钥闯觯参镏兄亟饘貱u、Pb含量與底泥中Cu、Pb含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明苦草、黑藻和金魚藻對底泥中Cu、Pb有明顯的吸收作用。Cu、Pb的決定系數(shù)R2都接近1，回歸直線擬合程度較好。

3　討論

三種沉水植物在生長初期，體內(nèi)重金屬含量的快速增加可以歸因于植物根部表面存在大量的活性反應(yīng)位點，此時植物正處于對外界環(huán)境的適應(yīng)階段，植物的生物量沒有明顯增加，但對重金屬累積速度卻高于植物生長速度，一旦吸附位點逐漸被金屬離子占據(jù)后，沉水植物的富集速度將有所減慢。Cu是植物生長必需的微量元素之一，是一些酶（如多酚氧化酶、抗壞血酸氧化酶、細(xì)胞色素氧化酶）的成分，可以影響氧化還原過程，還存在于葉綠體的質(zhì)體藍(lán)素中，參與光合作用的電子傳遞體系［13］，Pb不是植物體所需要的營養(yǎng)元素，并且一旦進(jìn)入植物體之后就很難轉(zhuǎn)移［14］，若植物受到重金屬脅迫，則生長速度放緩，并產(chǎn)生其他危害。植物在生長過程中，體內(nèi)重金屬元素呈現(xiàn)出一定的累積效應(yīng)，表現(xiàn)為植物體內(nèi)Cu、Pb含量平緩上升。三種植物對Cu的富集要先于對Pb的富集，說明Cu-Pb復(fù)合污染中，重金屬的吸附競爭能力Cu＞Pb，但是從苦草、金魚藻體內(nèi)Cu含量與Pb含量的增長曲線可以看出，Cu含量與Pb含量幾乎同步增長，可以推測在苦草、黑藻體內(nèi)Cu并不干擾Pb的富集［15］。三種沉水植物對Cu-Pb復(fù)合污染表現(xiàn)出一定的抗逆性和適應(yīng)能力。Cu、Pb污染脅迫使苦草產(chǎn)生對機(jī)體造成傷害的超氧陰離子（O-2·）和羥自由基等，SOD能催化O-2·轉(zhuǎn)化為H2O2和O2，而CAT能將有毒的H2O2分解為H2O和O2，使苦草呈現(xiàn)一定的抗逆性［16-17］，表現(xiàn)為體內(nèi)Cu、Pb的大量富集，并±于黑藻和金魚藻。金魚藻體內(nèi)的Cu含量增長緩慢，富集含量較苦草、黑藻低，可能與金魚藻吸附Cu2+的特征有關(guān)。金魚藻對重金屬Cu2+有很好的吸持作用［18］，曾阿妍［19］也在解吸試驗中得出，金魚藻對銅解吸率均在1%以下，說明金魚藻對銅的吸持作用較強(qiáng)，即Cu2+在金魚藻上吸附后不易進(jìn)行脫附，當(dāng)活性位點被占據(jù)，久久不能脫附，再吸收Cu2+的能力就迅速下降。金魚藻在試驗后期（第84～105 d）已陸續(xù)出現(xiàn)葉片黃化、脫落的現(xiàn)象，植物葉片脫落后會隨水流從高濃度的地方流向低濃度的地方，當(dāng)它們腐爛時會向水體重新釋放重金屬，從而引起二次污染［20］，故不太適宜用作植物修復(fù)重金屬污染的材料。

表2　植物體內(nèi)重金屬與底泥重金屬相關(guān)分析及富集底泥重金屬的擬合方程Table 2　Correlation analysis between heavy metals in plants and in sediments and fitting equations for enrichment of heavy metals

試驗期間，BSAF都是逐漸增大的，說明植物對Cu、Pb的富集能力逐漸增強(qiáng)。生長率達(dá)到頂峰的后一階段，BSAF增長最快，可見植物快速生長能帶動其對Cu、Pb的迅速吸收。苦草對Cu的富集量最大，但是BSAF和去除率卻最低，可能是由于苦草的生物量相對較小，被植物移除的Cu較少，底泥中Cu含量相對更高。黑藻對底泥Cu有很明顯的吸收作用，試驗階段后期，黑藻對Cu的BSAF達(dá)到15.2，明顯高于苦草和金魚藻對Cu的富集能力，此外黑藻中Cu含量與底泥中Cu含量達(dá)到顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.995，P＜0.05）。李巧云等［21］在沉水植物對沉積物中銅鋅鉛的富集研究試驗中也得出黑藻對Cu有較強(qiáng)的富集作用的結(jié)論，黑藻作為一種水體中常見的沉水植物，具有很強(qiáng)的生長繁殖能力且生物量巨大。有研究認(rèn)為，黑藻具有較強(qiáng)的重金屬富集能力［22-24］，與本研究結(jié)果類似。

去除率也是衡量沉水植物生物富集底泥中重金屬的一個重要指標(biāo)，三種沉水植物對Pb的去除率比較接近，都在70%左右。董曉霞［25］等在組合式水生植物凈化系統(tǒng)對Cu、Pb和Cd的去除與生物富集特征研究中也得到相似結(jié)論，但去除率可達(dá)到95%，他們采用了更加±化培養(yǎng)方式，使其富集效果最大化。本研究的Cu-Pb復(fù)合污染屬于JENSEN底泥污染評價重污染級別、《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的芋級標(biāo)準(zhǔn)，在該污染程度下，苦草、黑藻、金魚藻對Cu-Pb復(fù)合污染底泥中的兩種重金屬元素去除率均在68%以上，可見其對底泥中Cu、Pb的去除能力非常強(qiáng)，其中，黑藻對底泥Cu、Pb的綜合去除能力最為突出。

三種沉水植物中的Cu、Pb含量與相應(yīng)底泥中的Cu、Pb含量之間都存在顯著的負(fù)相關(guān)性，與胡天印［26］的研究結(jié)果一致?；貧w方程反映了沉水植物在一定時間內(nèi)富集污染底泥中Cu、Pb的動態(tài)規(guī)律，隨著植物體內(nèi)Cu、Pb含量持續(xù)增加，底泥中Cu、Pb含量逐漸減少，Cu、Pb污染程度降低。但是，這種此消彼長的關(guān)系并不會一直持續(xù)下去，所以回歸方程只能體現(xiàn)苦草、黑藻和金魚藻在一定時間內(nèi)富集吸收底泥中Cu、Pb的規(guī)律。

4　結(jié)論

（1）從整個生長周期看，苦草、黑藻在生長后期第84～105 d、金魚藻在第63～84 d BSAF接近最大值，此時植物體生物量較大，體內(nèi)重金屬含量高，對Cu-Pb復(fù)合污染底泥具有最好的修復(fù)效果。

（2）去除率與BSAF反映出來的植物對重金屬的富集能力基本類似，對于Cu，黑藻＞金魚藻＞苦草，對于Pb，苦草＞黑藻＞金魚藻，經(jīng)修復(fù)后的Cu-Pb復(fù)合污染底泥有顯著改善。

（3）苦草是長江中下游湖泊水生植物中的±勢物種，雖富集能力不突出，但是對Cu-Pb復(fù)合底泥仍有較大的改善作用；黑藻對底泥Cu、Pb污染綜合富集能力最強(qiáng)，可以考慮作為Cu單一或者是Cu-Pb復(fù)合污染中銅濃度較高的污染底泥的修復(fù)植物；金魚藻由于對Cu的耐受性相對較差，以及在銅脅迫下葉片易脫落等特點，不太適合進(jìn)行Cu-Pb復(fù)合污染底泥修復(fù)。

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Remediation of Cu and Pb co+polluted sediments by three submerged plants

XIE Pei-jun1，2，LI Ming-hong1，2*，YAN Li-rong2，QIAO Yun-lei1，2
（1.Zhejiang Normal University Xingzhi College，Jinhua 321004，Zhejiang，China；2.Institute of Ecology，Zhejiang Normal University，Zhejiang Jinhua 321004，China）

Many studies have reported that submerged plants can remove heavy metals in sediments via their root absorption，thus reducing the amount of heavy metals released from sediments into the water.Thus，submerged plants could be the important plants of phytoremediation technology.In the present study，differences in Cu and Pb accumulation by different submerged plants，Vallisneria natans，Hydrilla verticillata and Ceratophyllum demersum，in polluted sediments were investigated using an outdoor eco-cylinder static simulation test.Results indicated：The best time for the enrichment of Vallisneria natans and Hydrilla verticillata was 84～105 d after transplanting into the polluted sediments，while Ceratophyllum demersum was 63～84 d.Hydrilla verticillata showed the strongest accumulation ability for Cu，with a maximum BSAF（Biota-sediment accumulation factor，the ratio of heavy metal content in whole plant to that in sediments）of 15.2，which was 2.9 times that of Vallisneria natans，2.7 times that of Ceratophyllum demersum.In addition，there was a significant negative correlation between the content of Cu in Hydrilla verticillata and in sediments（r=-0.995，P＜0.05）.Accumulation ability of three submerged plants for the same element showed significant differences.For Cu，Hydrilla verticillata had the greatest accumulation ability，followed by Ceratophyllum demersum，and Vallisneria natans was the smallest one.However，the accumulation ability for Pb was Vallisneria natans＞Hydrilla verticillata＞Ceratophyllum demersum.Hydrilla verticillata had the best comprehensive restoration effect for Cu-Pb pollution.There were significant decreases in Cu-Pb pollution and content at the end of one growth cycle（P＜0.05）.The remediated sediments met the second level of theSoil Environmental Quality Standard（GB15618—1995）.Hydrilla verticillata could reduce Cu content in the sediments to the first level of the Soil Environmental Quality Standard.

submerged plants；heavy metal；pollution；enrichment

X53

A

1672-2043（2016）04-0757-07

10.11654/jaes.2016.04.021

2015-10-12

浙江省科技計劃（2008C23093）

謝佩君（1990—），女，湖南株洲人，碩士研究生，主要研究方向為重金屬污染土壤的植物修復(fù)。E-mail：peijun5@126.com

李銘紅E-mail：sky82@zjnu.cn