空心莲子草对污泥重金属的响应与吸附效应

林茂兹，邱雪芬，林能文，黄丽萍

(1.福建师范大学福清分校生化系，福建 福清 350300; 2.福建师范大学福清分校环境保护研究所，福建 福清 350300; 3.福建省福清市环境保护局，福建 福清 350300)

随着我国污水处理技术的推广，污泥产量日益增加。除了含水量高，体积庞大，成分复杂，有机质含量高，以及含有病原微生物、寄生虫卵等特点外，含有有毒有害的重金属是污泥引起二次污染的重大潜在危害因素，这也对生态安全造成巨大的潜在威胁。近年来，我国重金属污染产生严重的负面影响，2010年至今，已发生16起血铅事件[1]。所以，重金属综合防治技术受到各级领导和专家学者的高度重视。其中污泥重金属污染土壤的植物修复是污泥无害化、资源化处置中必须重视的环节。

重金属污染问题受到广大专家学者的广泛关注，已有的报道涉及的内容和层面如：Cd对植物的毒性研究[2]，高等植物对Cd毒性的响应[3]，城市污水处理厂污泥重金属的污染状况与特征[4]，植物修复的生理机制[5-11]，转基因植物在植物修复中的应用分析[12],土壤和水体中有毒痕量元素的植物修复[13]，水体受重金属污染的植物呼吸特性和机制[14]，燕麦(Avenasativa)、菘蓝(Lsatisindigotica)、苍耳(Xanthiumsibiricum)等草本植物对Cd、Pb和Zn等金属的耐受性评估[15]，垂柳(Salixbabylonica)对重金属污染土地的修复[10]。显然植物修复需要生物量大、抗逆性强、生长迅速、对重金属富集能力强的植物。杂草是一类人为或自然选择压力下产生的高度进化的类群，它们往往生长繁殖迅速、生物量大、抗性强。

空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)为苋科莲子草属宿根性多年生植物，是我国第一批外来入侵植物种之一，自1985年起就成为杂草防治的重点目标[16-17]。空心莲子草对牧草的危害表现在对其发芽和幼苗有不良影响[17]，在不同情况下，对乡土植物多样性会产生正面影响和负面影响[16]。空心莲子草易繁殖，可无性繁殖，生长迅速，抗性强，符合超富集植物[18-20]的一些条件。本研究以空心莲子草为材料，根据污泥作为肥料农用的实际情况，设定污泥与沙壤土的不同体积配比作为生长基质，研究其对重金属的响应和吸附效应，为土壤重金属污染的植物修复提供试验参考。

1 材料与方法

1.1试验设计 供试土壤为福建师范大学福清分校后山花圃基地的沙壤土，污泥由福清市融元污水处理厂提供。供试土壤与污泥分别按比例10∶0、19∶1、9∶1和8∶2均匀混合，得到每个处理的污泥体积配比分别为0、5%、10%和20%。每处理重复2次。供试土壤和污泥的重金属含量如表1所示。

表1 供试土壤和污泥的重金属含量

土壤与污泥(均经自然风干)混合均匀后，装入60 cm×40 cm×30 cm的塑料泡沫箱中，作为空心莲子草生长基质。每个塑料泡沫箱中的生长基质约25 kg。生长基质混匀后，在各泡沫箱中用五点取样法在箱体四周和对角线交叉处取样，并混匀。分别取少量各种污泥配比的基质保存于室温条件下，以备重金属含量测定用。

从福建师范大学福清分校花圃路旁边的阴湿地块采摘的空心莲子草，捡取2个茎节长度的幼嫩的空心莲子草，扦插入上述处理的基质中，扦插深度为一个茎节点埋入生长基质，另一个茎节点恰好露出生长基质。每箱平行扦插5株×6株。

扦插种植于2010年5月9日进行。试验全程各处理等量、适量浇水管理，拔除空心莲子草以外的杂草。第3个月开始对空心莲子草叶片进行叶绿素含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性和过氧化物酶(POD)活性等生理指标测定，每月测定1次，连续测定4次(2010年8-11月每月10日取样测定)。生理指标测定时，从相应的处理中随机取样，每个取样取叶片约3 g。每个指标的测定重复3次。

1.2空心莲子草生理指标的测定 叶绿素含量测定采用80%丙酮提取法[21]，SOD活性测定采用氮蓝四唑(NBT)法[22]，POD活性测定采用愈创木酚法[23]。

1.3空心莲子草对重金属的富集作用

1.3.1样品重金属含量测定 于2010年11月10日，取空心莲子草的根、茎、叶和备用的生长基质各约0.2 g烘干，进行重金属含量测定。

样品消解:称取适量待测样品于坩埚中，然后加入5 mL的浓硝酸并于加热炉中低温加热，待蒸发至剩下2 mL溶液，再加入3 mL盐酸和5 mL硝酸，中温加热直至冒白烟停止，冷却后加入2 mL高氯酸和2 mL氢氟酸，然后继续加热，直至坩埚内样品呈白色或淡黄色粘稠状物质为止。放置冷却至常温，再加入2 mL 10%硝酸溶液溶解后，倒入50 mL容量瓶中用蒸馏水定容，再倒入试剂瓶保存。

消解后的样品用Analyst 300原子吸收分光光度计(PE系统责任有限公司，华盛顿洲，美国)测定。操作按说明书进行。每个样品测定重复3次。

1.3.2重金属富集系数计算 重金属富集系数按下式计算:

式中，BCF为重金属富集系数;Cij为第i种重金属在植物j部位的浓度;Cik为第i种重金属在第k种生长基质中的浓度;i为Cd、Mn、Ni、Cu、Cr、Pb或Zn;j为根部、茎部或叶片;k为污泥含量的处理。

1.3.3数据处理 数据采用SPSS 11.5软件分析，先进行数据的方差齐次性检验，达到齐次性(P>0.05)用Duncan进行多重比较，否则选用Dunnett T3两两比较。

2 结果与分析

2.1污泥对空心莲子草叶片叶绿素含量的影响 不同时期不同处理下空心莲子草叶片叶绿素含量结果显示(图1)，各处理空心莲子草叶片叶绿素含量都随时间的延长而呈先升高后降低的变化趋势，在生长基质中生长第4、5个月(9、10月份)达到较高水平，而后叶绿素含量降低。在含污泥的生长基质中生长第4个月(9月份)，各种含污泥的生长基质处理的空心莲子草叶片中叶绿素a的含量均比无污泥处理的高；对于叶绿素b，除了10%污泥处理稍低于无污泥处理外，其余2个处理的空心莲子草叶片中叶绿素b含量均高于无污泥处理。在含污泥的生长基质中生长第5、6个月(10、11月份)，随着污泥体积配比的升高，空心莲子草叶片中叶绿素含量均先降低再升高，并超过无污泥处理。但是其促进作用在达到一定浓度(20%污泥)后才能显示出来，而在低浓度(5%和10%污泥)下没有促进作用。

2.2污泥对空心莲子草超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性的影响 不同时期不同处理下空心莲子草叶片中SOD和POD活性不同(图2)，在各处理中生长第3个月(8月份)，5%污泥处理的空心莲子草叶片SOD活性最高，其他的处理与无污泥处理相比，变化不大。在各处理中生长第4、5个月(9、10月份)，空心莲子草叶片SOD活性随着污泥体积配比的升高呈先略下降再升高的趋势。在各处理中生长第6个月(11月份)，除5%污泥处理外，其余各处理空心莲子草叶片SOD活性较前期均有较大幅度下降，且下降幅度顺序为20%污泥处理>10%污泥处理>无污泥处理。这是因为污泥中含有的重金属对空心莲子草的胁迫作用，但胁迫作用所显示出来的强度与污泥浓度(重金属含量)和重金属胁迫作用时间有关。一般植物体受到环境胁迫后，其体内的SOD活性随着胁迫时间或胁迫因子(底物)浓度递增先升高后降低。所以，在含重金属的生长基质中生长第6个月(11月份)，空心莲子草叶片中的SOD活性较前期有明显下降，且较高浓度污泥配比处理下的SOD活性下降更明显。

图1 不同污泥配比对空心莲子草不同生长期叶片叶绿素含量的影响

图2 不同污泥配比对空心莲子草不同生长期叶片超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性的影响

各处理中生长第3-5个月(8-10月)，空心莲子草叶片POD活性测定值除了9月，5%污泥处理较无污泥处理略有下降，其余处理均随着污泥体积配比浓度递增而升高。生长第6个月(11月)，空心莲子草叶片POD活性随污泥体积配比浓度递增先升高后下降，20%污泥处理略低于无污泥处理。这说明在植物可耐受的胁迫范围内，植物体内的POD活性随着环境胁迫因子(底物)浓度递增而升高。

2.3空心莲子草对污泥重金属的吸附作用 各处理空心莲子草不同部位和各处理生长基质重金属含量测定结果表明(表2)，无污泥处理下，空心莲子草的根、茎、叶也含有Mn、Cu、Cr、Zn等重金属，茎中检测到少量Pb。这与供试土壤环境背景值有关，也与空心莲子草生长需要吸收一些微量元素有关。相对于根和茎，各处理中空心莲子草叶片中Mn、Ni、Cr含量均较高。这说明空心莲子草的叶片主要富集Mn、Ni和Cr。空心莲子草的根、茎、叶部位检测到的Cu含量相对于其对应的生长基质含量均较低。仅在空心莲子草的茎中检测到少量的Pb。这说明空心莲子草很少吸收Cu和Pb。在5%、10%和20%污泥处理下，相对于根，空心莲子草的叶片和茎中的Zn含量均较高。仅在10%污泥处理空心莲子草的根中检测到Cd。

表2 不同污泥配比处理空心莲子草不同部位及生长基质重金属含量

3 讨论与结论

3.1空心莲子草污泥及其重金属的响应 叶绿素含量高低是植物生长的重要指标之一。关于青萍(Lemnaminor)水培条件下Cu、Cd、Pb 3种重金属对其叶绿素影响的研究结果表明，总体上，3种重金属都使青萍叶绿素和类胡萝卜素含量降低，低质量浓度(0.5 mg·L-1)的Cu可以使青萍叶绿素和类胡萝卜素含量轻微升高[24]。本研究结果表明，污泥体积配比升高，空心莲子草叶片叶绿素总体上有升高的趋势，这与污泥中含有各种有机质养分，对植物生长有一定的促进作用有关。污泥含有各种养分是污泥可以作为肥料进行农用的理论基础。在污泥配比低于20%之内，对空心莲子草叶片叶绿素含量升高总体有益。

超氧化物歧化酶、过氧化物酶是植物体内抗氧化酶系统中2个主要的保护酶，能清除细胞内过多的超氧化物阴离子自由基，保护细胞膜的结构完整性[25]。植物体内超氧化物歧化酶、过氧化物酶与过氧化氢酶、谷胱甘肽还原酶、维生素E、维生素C、辅酶Q、巯基化合物等组成了防御过氧化系统，能有效消除活性氧，防止细胞膜系统过氧化作用的发生，从而抵御外界环境胁迫或重金属等的毒害。本研究结果表明，随着污泥体积配比的增高，空心莲子草的超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性与无污泥处理相比，多数呈上升趋势；随着在含污泥重金属的生长基质中生长时间的积累，各处理空心莲子草的超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性总体呈先上升后降低的趋势，其超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性在暴露于含污泥重金属的生长基质中5个月(10月份)达最高峰，之后下降。超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性的升高是空心莲子草在重金属胁迫下生长的生理生化指标响应特征之一。

3.2空心莲子草对污泥重金属的吸收 寻找高效的重金属富集植物是植物修复技术研究领域的重要方面。美国能源部指出，能用于植物修复的植物应具有以下几个特征:一是即使在污染物浓度较低时也有较高的积累率;二是能在体内富集高浓度的污染物;三是能同时吸收几种重金属;四是生长快、生物量大;五是具有抗虫、抗病能力[18]。Baker等[19]较早于1983年提出超富集植物的参考值，即把植物叶片或地上部(干质量)中含Cd达到100 mg·kg-1，含Co、Cu、Ni、Pb达到1 000 mg·kg-1，Mn、Zn达到10 000 mg·kg-1以上的植物称为超富集植物，同时这些植物还应满足转运系数(植物地上部分某重金属含量与植物地下部分某重金属含量的比值)大于1的条件。本研究结果显示空心莲子草对各种重金属吸收后，其根、茎、叶的各种重金属含量均未达到超富集植物的标准，且根、茎、叶中各种重金属的富集系数(按本研究1.3.2重金属富集系数计算公式计算)均小于1。但是本研究结果也表明空心莲子草对Mn、Cr、Zn、Ni、Cu等重金属都有吸收，且在空心莲子草中的含量均是地上部分高于地下部分，即转运系数大于1。用于植物修复的植物还要生长较快，生物量较大[18，20]。空心莲子草可以进行无性繁殖，营养繁殖能力强，生长快速，地上部分易采收，且对Mn、Cr、Zn、Ni、Cu等重金属都有吸收，转运系数均大于1，故在含Mn、Cr、Zn、Ni、Cu等重金属污泥对土壤的二次污染的植物修复中仍有一定的参考作用。

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