孫 翔，胡友彪，張治國(guó)，鄭永紅,，陳永春，余 婷武 琳，陳芳玲，肖觀紅

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.煤炭開采國(guó)家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南 232001)

重金屬含量是影響水生態(tài)環(huán)境安全評(píng)價(jià)的重要因素[1]。水體重金屬污染主要來自于蓄電池、化石燃料的燃燒、有色金屬冶煉、礦山開發(fā)、金屬電鍍產(chǎn)業(yè)。重金屬通過工業(yè)和生活廢水、地表徑流和大氣沉降等多種方式進(jìn)入水體[2-3]，其具有有毒性、持久性和生物富集性等特點(diǎn)[4]，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害人體肝、腎、消化系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)等,對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害[5]。

Hg是一種劇毒重金屬，且不能被降解或分解成無害的物質(zhì)元素，一旦被排放到環(huán)境中后，便會(huì)持久的存在，并以不同形態(tài)循環(huán)于空氣、水、土壤和生物圈之間[6]。Hg進(jìn)入人體后會(huì)遍布全身各組織器官中，其最主要的危害是對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)造成不可逆損害，甚至還可以通過胎盤屏障影響到胎兒[7]。我國(guó)目前是Hg使用量大國(guó)，近幾年我國(guó)工業(yè)排汞量在全球排放中的比重持續(xù)增大每年達(dá)到 600t左右[8-9]。

我國(guó)水體環(huán)境Hg污染應(yīng)當(dāng)引起重視，需要及時(shí)采取行動(dòng)治理[10]。修復(fù)重金屬污染環(huán)境的方法有很多(如物理、化學(xué)和生物方法)，但因植物修復(fù)技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)有效、環(huán)境友好和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[11]。文獻(xiàn)[12]收集在本地廣泛種植的13種水生植物，根據(jù)其在不同濃度Hg營(yíng)養(yǎng)液中生物量的變化情況，探究不同濃度Hg對(duì)3種水生植物生理生化特征影響的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)大花美人蕉和水慈姑耐汞能力相接近，而水生鳶尾耐汞能力較大，美人蕉和水慈姑較差。文獻(xiàn)[13]以香蒲、菖蒲、睡蓮、大薸、狐尾藻、黑藻六種不同生活型水生植物為研究對(duì)象，研究水生植物對(duì)不同濃度梯度的Hg污染的凈化能力，發(fā)現(xiàn)菖蒲在各個(gè)處理濃度下，對(duì)Hg去除總量均最大。文獻(xiàn)[14]對(duì)本地兩種沉水植物沼生水馬齒和篦齒眼子菜做Hg污染水體凈化試驗(yàn)，結(jié)果表明篦齒眼子菜的對(duì)Hg的耐受性、凈化能力強(qiáng)于沼生水馬齒。文獻(xiàn)[15]選用沉水植物穗花狐尾藻，輪葉黑藻以及浮葉植物菱,采用生物吸附法研究三種水生植物對(duì)Hg2+、Cu2+的吸附特性，三種水生植物吸附能力大小為輪葉黑藻>穗花狐尾藻>菱。文獻(xiàn)[16]研究發(fā)現(xiàn)，羽毛草和水薄荷和匍匐草對(duì)水體中汞的去除率平均達(dá)到99.8%。文獻(xiàn)[17]研究發(fā)現(xiàn)眼子菜對(duì)Hg有一定的凈化能力。

目前關(guān)于水生植物對(duì)水體Hg污染的凈化研究較少，已有研究表明將浮水，挺水，沉水植物通過合理組合配置，會(huì)具有更強(qiáng)的凈化能力[18-22]。因此，本研究選用金魚藻、美人蕉、黃菖蒲、水芙蓉、穗花狐尾藻、鳳眼蓮等六種水生植物，通過一定配置組合，探究不同處理下，水生植物對(duì)Hg污染水體的凈化能力，為水體Hg污染植物修復(fù)提供有效依據(jù)。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

1) 水生植物選擇。選擇水芙蓉(Pistia stratiotes)、鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)、美人蕉(Canna indica)、黃菖蒲(Irispseudacorus)、金魚藻(Ceratophyllumdemersum)和穗花狐尾藻(Myriophyllum spicatum)6種水生植物的幼苗作為供試植物。保證在每種植物組別下，不同濃度梯度的水生植物生物量接近、長(zhǎng)勢(shì)良好。用自來水反復(fù)清洗根部，并用去離子水進(jìn)行漂洗。將水生植物在營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)1周后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2) 供試水體。在超純水中加入磷酸二氫鉀(總磷為5mg/L)、硝酸鉀(總氮為20mg/L)配置營(yíng)養(yǎng)液。同時(shí)加入一定量的汞標(biāo)準(zhǔn)溶液，配置成高、中、低三種不同濃度的Hg污染廢水。參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》Ⅲ類水質(zhì)，《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918-2002)》和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》V類水質(zhì)，配置如表1所示。

表1 試驗(yàn)水體初始濃度配比 ng·mL-1

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在容積為20L的PVC桶里進(jìn)行，每個(gè)桶里加入15L供試水。三種濃度梯度下設(shè)置如表2所示處理組，每個(gè)處理組設(shè)置3個(gè)重復(fù)。其中水生植物的放置情況中單一為：金魚藻(40g)、狐尾藻(19株)、美人蕉(3株)、黃菖蒲(3株)、水芙蓉(6株)、鳳眼蓮(6株)；組合為：金魚藻(30g)、狐尾藻(6株)、美人蕉(2株)、黃菖蒲(2株)、水芙蓉(3株)、鳳眼蓮(3株)。

表2 水生植物的組合設(shè)計(jì)

水生植物培養(yǎng)試驗(yàn)于2019年6月7日開始，2019年8月30日結(jié)束，持續(xù)70d。每14d取樣一次，期間對(duì)水體的pH，溫度，Hg濃度進(jìn)行測(cè)定，每次取水樣20mL，并用去離子水補(bǔ)充桶內(nèi)水位至刻度線。試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，保證水生植物能夠充分接受自然光照射，水溫變化范圍為19.2～30.8℃，pH變化范圍為6.7～8.1。

2.3 樣品預(yù)處理和測(cè)定方法

1) 樣品預(yù)處理。取10mL水體樣品經(jīng)王水消解后，過濾保存?zhèn)溆肹23]。

2) 測(cè)定方法。樣品測(cè)定方法采用《水質(zhì)汞、砷、硒、鉍和銻的測(cè)定-原子熒光法(HJ694-2014)》[24-26]。 儀器使用奧羅拉AI3300原子熒光光度計(jì)， 該儀器測(cè)量Hg元素的工作參數(shù)中， 陰極燈的電流為40mA， 負(fù)高壓為280V， 延遲時(shí)間為4.0s，載氣流量設(shè)置在 400mL/min，屏蔽氣的流量設(shè)置在 800mL/min。還原劑選擇1%硼氫化鉀-0.5%氫氧化鈉溶液，載液為 5% 硝酸，所有試劑現(xiàn)用現(xiàn)配，當(dāng)天使用。儀器用氣為高純氬氣。采取的測(cè)量方法為標(biāo)準(zhǔn)曲線法，讀數(shù)方式為峰面積。

3) 質(zhì)量控制。本試驗(yàn)所用玻璃器皿使用前，均經(jīng)10%硝酸浸泡24h，經(jīng)超純水洗凈后備用，所用試劑均為優(yōu)級(jí)純?cè)噭x器經(jīng)過充分預(yù)熱后，在最佳工作條件進(jìn)行測(cè)定，采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(BWB2380-2016)配置標(biāo)準(zhǔn)曲線，每個(gè)樣品平行測(cè)定三次，標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)定結(jié)果誤差在允許范圍內(nèi)。

2.4 數(shù)據(jù)分析

采用Origin9.0繪制相關(guān)圖形，運(yùn)用SPSS24.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 單一水生植物去除效果分析

1) 單一水生植物去除率的時(shí)間動(dòng)態(tài)。 隨著時(shí)間的不斷增加， 各實(shí)驗(yàn)組的Hg濃度均低于空白組(無水生植物)，說明不同水生植物對(duì)Hg均具有一定的凈化能力。單一水生植物在高濃度處理時(shí)，在前14d，穗花狐尾藻凈化能力明顯強(qiáng)于另外5種水生植物。日平均去除率依次為：穗花狐尾藻(3.27%)>水芙蓉(2.57%)>金魚藻(2.36%)>鳳眼蓮(2.2%)>美人蕉(1.76%)>黃菖蒲(1.37%)；在14d至42d時(shí)，黃菖蒲、金魚藻與水芙蓉的凈化能力接近，日平均凈化率分別為黃菖蒲(1.33%)，金魚藻(1.36%)，水芙蓉(1.35%)；在42d后，6種水生植物的凈化能力開始降低，在56d后，6種水生植物的凈化能力進(jìn)一步降低；在70d時(shí)，總?cè)コ室来螢?，穗花狐尾?94.85%)，水芙蓉(92.63%)，金魚藻(90.75%)，鳳眼蓮(86.85%)，美人蕉(80.42%)，黃菖蒲(78.5%)。去除率最大的水生植物為穗花狐尾藻，如圖1所示。

圖1 單一水生植物在高濃度下試驗(yàn)水體Hg濃度變化

單一水生植物在中濃度處理時(shí)，在14d時(shí),穗花狐尾藻的日平均去除率達(dá)到最大，日平均去除率依次為：穗花狐尾藻(3.4%)>金魚藻(2.71%)>水芙蓉(2.65%)>鳳眼蓮(2.33%)>美人蕉(2.11%)>黃菖蒲(1.73%)，其中金魚藻與水芙蓉凈化能力接近；在14d至42d內(nèi)，鳳眼蓮的凈化能力高于另外5種水生植物，日平均去除率達(dá)到1.42%； 在42d至56d內(nèi)， 鳳眼蓮的日平均去除率明顯降低， 僅3.96%，其他五種水生植物日平均去除率均高于鳳眼蓮；在70d時(shí)，總?cè)コ室来螢椋牖ê苍?95.51%)>水芙蓉(92.46%)>金魚藻(88.41%)>鳳眼蓮(88.1%)>美人蕉(81.9%)>黃菖蒲(79.56%)，如圖2所示。

圖2 單一水生植物在中濃度下試驗(yàn)水體Hg濃度變化

單一水生植物在低濃度處理時(shí)，在14d時(shí),穗花狐尾藻的日平均去除率達(dá)到最大，日平均去除率依次為：穗花狐尾藻(3.57%)>金魚藻(2.95%)>鳳眼蓮(2.91%)>水芙蓉(2.87%)>美人蕉(2.33%)>黃菖蒲(2.02%)，在前14d，穗花狐尾藻凈化能力明顯高于另外5種水生植物，其中金魚藻與水芙蓉，鳳眼蓮凈化能力接近；在14d至42d時(shí)，5種水生植物的凈化能力均有一定下降，金魚藻與水芙蓉，鳳眼蓮凈化能力依然接近，日平均凈化率分別為，金魚藻(1.09%)，水芙蓉(1.19%)，鳳眼蓮(1.06%)；在70d時(shí)， 總?cè)コ室来螢?，水芙?94.88%)>穗花狐尾藻(93.96%)>金魚藻(91.51%)>鳳眼蓮(90.72%)>美人蕉(83.59%)>黃菖蒲(78.55%)。在低濃度處理時(shí)，去除率最大的水生植物為水芙蓉，如圖3所示。

圖3 單一水生植物在低濃度下試驗(yàn)水體Hg濃度變化

2) 濃度和植物類型對(duì)單一水生植物去除效率影響分析。運(yùn)用單因素方差分析研究水生植物種類、Hg濃度對(duì)去除率的影響，結(jié)果表明，即濃度類型對(duì)去除率的影響不顯著(P>0.05)，水生植物種類對(duì)去除率的影響極顯著(P<0.01)。對(duì)各水生植物種類之間，進(jìn)行去除率多重比較，檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示，穗花狐尾藻的去除率和金魚藻、鳳眼蓮、美人蕉、黃菖蒲差異極顯著(P<0.01)；穗花狐尾藻的去除率與水芙蓉之間差異不顯著(P>0.05)；金魚藻與鳳眼蓮之間差異不顯著(P>0.05)；金魚藻與美人蕉、黃菖蒲之間差異極顯著(P<0.01)；美人蕉與黃菖蒲之間差異顯著(P<0.05)。

表3 不同單一水生植物去除率的差異性比較 %

3.2 組合水生植物去除效果分析

1) 組合水生植物去除率的時(shí)間動(dòng)態(tài)。組合水生植物在Hg高濃度下，前14d，B1，B5,B7的日平均去除率接近，去除率分別為B1(2.68%)，B5(2.67%)，B7(2.65%)；14d至28d期間，8種組合水生植物的凈化能力均下降，B1,B3,B4的凈化能力趨于一致，日平均去除率分別為B1(1.29%)，B2(1.3%)，B4(1.31%)；在70d時(shí)，8個(gè)水生植物組合的水體濃度為B1(1.053 4ng/mL)，B2(0.871 4ng/mL)，B3(1.060 4ng/mL)，B4(1.133 6ng/mL)，B5(0.674 5ng/mL)，B6(0.744 8ng/mL)，B7(0.796 2ng/mL)，B8(0.853 6ng/mL)；8種水生植物組合的總?cè)コ史謩e為，B1(89.46%)，B2(91.29%)，B3(89.4%)，B4(88.66%)，B5(93.26%)，B6(92.55%)，B7(92.04%)，B8(91.46%)。去除率最大的組合水生植物為B5，其次為B6，如圖4所示。

圖4 組合水生植物在高濃度下試驗(yàn)水體Hg濃度變化

在Hg中濃度組合水生植物水體中，在前14d，8種組合水生植物的日平均去除率達(dá)到最大，其中日平均去除率最大的是B5(3.2%)，最小的是B3(2.48%)；在14d之后，8種組合水生植物的凈化能力明顯下降。14d至56d期間，每種組合水生植物的凈化能力下降緩慢；在56d至70d期間，8種組合水生植物的凈化能力達(dá)到最低，日平均去除率最大為B6(0.6%)，最小為B2(0.32%)；在70d時(shí)，8個(gè)水生植物組合的水體濃度為B1(0.411 4ng/mL)，B2(0.513 3ng/mL)，B3(0.456 9ng/mL)，B4(0.531 1ng/mL)，B5(0.322 4ng/mL)，B6(0.402 5ng/mL)，B7(0.391 6ng/mL)，B8(0.417 3ng/mL)；8種組合水生植物的總?cè)コ史謩e為，B1(91.77%)，B2(89.73%)，B3(90.86%)，B4(89.38%)，B5(93.55%)，B6(91.95%)，B7(92.17%)，B8(91.65%)。去除率最大的組合水生植物為B5，其次為B7，如圖5所示。

圖5 組合水生植物在中濃度下試驗(yàn)水體Hg濃度變化

在Hg低濃度組合水生植物水體中，在前14d，8種組合水生植物的凈化能力達(dá)到最大，其中日平均去除率最大的是B5，達(dá)到3.44%，日平均去除率最低的是B4，為1.36%；在14d至28d之間，B4的日平均去除率變大，高于另外7種組合，日平均去除率達(dá)到2.69%；在70d時(shí)，8個(gè)組合水生植物的水體濃度為B1(0.011 5ng/mL)，B2(0.004 8ng/mL)，B3(0.009 1ng/mL)，B4(0.001 9ng/mL)，B5(0.002 8ng/mL)，B6(0.000 9ng/mL)，B7(0.000 4ng/mL)，B8(0.001 4ng/mL)；8種組合水生植物的總?cè)コ史謩e為，B1(88.21%)，B2(93.49%)，B3(92.99%)，B4(91.41%)，B5(93.88%)，B6(94.18%)，B7(93.98%)，B8(91.79%)。去除率最大的組合水生植物為B6，其次為B7和B5，如圖6所示。

圖6 組合水生植物在低濃度下試驗(yàn)水體Hg濃度變化

2) 濃度和植物類型對(duì)組合水生植物去除效率影響分析。運(yùn)用單因素方差分析研究水生植物種類、Hg濃度對(duì)去除率的影響，結(jié)果表明，濃度類型對(duì)去除率的影響不顯著(P>0.05)，水生植物種類對(duì)去除率的影響顯著(P<0.05)。對(duì)各水生植物種類之間，進(jìn)行去除率多重比較，檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示，B5的去除率和B6、B7、B8、B2差異不顯著(P>0.05)；B5與B1、B4之間差異極顯著(P<0.01)；B5與B3之間差異顯著(P<0.05)；B3與B6、B7、B8、B2、B4、B1之間差異不顯著(P>0.05)。

表4 不同水生植物組合去除率的差異性比較 %

4 討論

本試驗(yàn)對(duì)于單一水生植物凈化Hg研究發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，水生植物對(duì)Hg的去除能力不斷加深。其中穗花狐尾藻對(duì)于Hg的平均去除率最大，達(dá)到94.77%，并且顯著差異于金魚藻、鳳眼蓮、黃菖蒲、美人蕉，說明沉水植物穗花狐尾藻相比于其它水生植物更具有優(yōu)勢(shì)。可能是由于穗花狐尾藻的根系退化，其主要依賴莖葉來吸收水分，吸收水體的面積增大；浮水植物水芙蓉也具有一定良好的凈化效果，其平均去除率達(dá)到93.32%，并且顯著差異于挺水植物黃菖蒲、美人蕉，這可能與水芙蓉發(fā)達(dá)的根系有關(guān)。在不同濃度梯度下，水生植物的去除率差異不顯著。

不同類型植物組合在一起構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)既充分利用了空間，又能合理利用各種植物的優(yōu)勢(shì)，還能避免重金屬耐性低一些的植物因直接接觸高濃度重金屬廢水中毒死亡[27]，同時(shí)多種植物組合相較于單種植物具有更合理的物種多樣性，能夠保持生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，其對(duì)污染水體的適應(yīng)性，耐受性更強(qiáng)[28]，能夠長(zhǎng)久穩(wěn)定的凈化水體。本試驗(yàn)中，各組組合水生植物均具有一定良好的去除率，其中B5對(duì)于Hg的凈化效果最好，平均去除率達(dá)到93.56%，并且顯著差異于B4、B1。通過對(duì)6種單一水生植物和8種組合水生植物的去除率比較，組合水生植物的去除率整體優(yōu)于單一水生植物，各組組合水生植物均顯著優(yōu)于挺水植物黃菖蒲、美人蕉(P<0.05)。但是，最優(yōu)組合水生植物中B5與最優(yōu)單一水生植物穗花狐尾藻的凈化效果并無明顯差異(P>0.05)。因此，對(duì)于篩選出凈化能力顯著強(qiáng)于穗花狐尾藻的水生植物組合，有待進(jìn)一步的探討和研究。

本試驗(yàn)空白對(duì)照組中，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，Hg的濃度略有下降。主要原因可能是由于溶解態(tài)Hg的化學(xué)性質(zhì)較活潑，溫度、pH的變化，以及陽光的輻射導(dǎo)致Hg的釋放，同時(shí)部分Hg可能附著在桶壁[29-30]。本研究是在室內(nèi)靜水條件下通過對(duì)供試水體中Hg含量的檢測(cè)了解各水生植物對(duì)Hg的去除效果，可能和自然條件下水生植物凈化水質(zhì)效果有所差異。因?yàn)樽匀粭l件下水體底泥吸附以及微生物降解等作用也會(huì)對(duì)水體中重金屬去除起一定效果[31]。

5 結(jié)論

(1)單一水生植物中穗花狐尾藻凈化效果最好，且具有極強(qiáng)的顯著性，組合水生植物中B5(穗花狐尾藻+美人蕉+水芙蓉)的凈化效果最好，具有一定的顯著性。綜合考慮水生植物的凈化效果和富集系數(shù)，可以選擇穗花狐尾藻作為修復(fù)水體Hg污染的優(yōu)勢(shì)物種。組合水生植物相較于單一水生植物具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，未來可以穗花狐尾藻和B5組合為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究其組合水生植物的凈化能力。

(2)本試驗(yàn)中重金屬濃度參考城鎮(zhèn)污水排放標(biāo)準(zhǔn)和地表水排放標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)以后城市河道重金屬污染提供一定的參考，對(duì)水體生態(tài)治理有一定的實(shí)踐意義。通過對(duì)6種水生植物及其組合的試驗(yàn)研究，為后續(xù)生態(tài)浮床、人工浮島的設(shè)計(jì)及最優(yōu)水生植物組合提供理論支撐，使生態(tài)浮床能夠應(yīng)用于水體Hg污染治理，實(shí)現(xiàn)該研究實(shí)際工程價(jià)值。