水生植物组合培植对水体中重金属富集效果研究

陆东芳

魏凌伟

沈钦炜

熊慧锦

郑郁善*

随着采矿业、加工业、制造业等的不断发展，大量含重金属废液排出污染水环境和土壤环境，导致水体中金属含量超标，严重威胁到人类健康和生态平衡[1-2]。目前，全球50多亿人喝不到符合标准的水，水体污染导致每年约20亿人患病、500万儿童死亡[3-4]。因此，水体污染治理已迫在眉睫[5-7]。

利用水生植物原位修复水体中的污染物质是一种安全、绿色、无须加入化学试剂，集生态与景观于一体的新型模式[8-9]，且操作运营成本低，特别对低浓度污染水体治理效果较佳[10-11]。但是水生植物对污染物的富集具有选择性，且单一的水生植物治理水体时受水体环境、气候、季节等影响较大[12]。因此，引发了将不同植物搭配治理水体污染的研究。王丽莎等[13]将绿狐尾藻(Myriophyllum elatinoides)分别与铜钱草(Hydrocotyle vulgaris)、梭鱼草(Pontederia cordata)、水芋头(Colocasia antiquorum)组合治理生活污水，发现其对TN、TP、COD具有很好的净化效果。张泽西等[14]研究发现2种或多种植物组合的人工浮岛对TN、TP去除效果显著好于单种植物的人工浮岛。李侠等[15]研究发现黑麦草(Lolium perenne)与紫花苜蓿(Medicago sativa)组合有利于TN、TP和Cd的富集，对Cd的富集量是单独培植的2.1倍。林海等[16]研究了水生植物组合对Cr、Cd、Pb和V的富集效果，发现植物组合不仅影响富集量，而且影响金属在植物中的转运系数。从以上研究，发现水生植物组合系统具有物种多样性，对污染水体的治理更具优势[17-18]。

本文研究了蔺草、水菖蒲、凤眼莲和慈姑两两组合培植对水中Cr6+、Zn2+、Pb2+、Ni2+和Cu2+的富集效果和转运系数，试图探寻高富集Cr6+、Zn2+、Pb2+、Ni2+和Cu2+的水生植物组合。

表1 水生植物单独培植和组合培植对Cr的富集量以及溶液pH值

1 材料与方法

1.1 试验材料

蔺草采集于福州闽侯、水菖蒲采集于福州于山、凤眼莲采集于福州闽江、慈姑采集于福州南江滨公园。将采集的植物充分清洗后，置于Hoagland营养液中做适应性培养10d，待用。

表2 水生植物单独培植和组合培植对Zn的富集量以及溶液pH值

1.2 试验方案设计

从经适应性培养的水生植物中选择株型大小(同种水生植物)较接近的植物两两组合分别放置于10mg/L的K2Cr2O7、Pb(NO3)2、Zn(NO3)2、NiCl2、Cu(NO3)2溶液中，并置于通风、避雨及阳光充足的条件下培养，每组试验设3个重复，试验期间通过添加蒸馏水来补充蒸发和植物蒸腾的水分，培养2周后取出水生植物，并用蒸馏水充分冲洗、杀青、80℃下烘干至恒重，置于马沸炉中焙烧灰化，再进行消化处理，通过原子吸收分光光度法测量金属浓度。对照试验，在不外加金属污染物的营养液中培植水生植物，其他条件相同。采用PHS-3C型酸度计测定溶液pH值。水生植物中金属含量表示方法为：水生植物中重金属元素的重量(mg)/水生植物的绝干重量(kg)。

1.3 消解试验方法

参照文献[7，19]报道方法，采用硝酸-高氯酸消解法消解待测样品。

1.4 重金属浓度分析方法

参照文献[7，19]报道方法，采用TAS-990原子吸收分光光度计分别在324.8、213.8、217.0、357.9和232.0nm处测量Cu、Zn、Pb、Cr和Ni吸光度值，根据郎伯-比耳定律计算金属浓度。

2 结果与讨论

2.1 水生植物组合培植对重金属Cr的富集

表1为单种水生植物以及水生植物组合对水中Cr富集结果。可以看出，(蔺草‖凤眼莲)、(蔺草‖慈姑)组合对Cr富集量比单独培植富集量之和增加，(蔺草‖凤眼莲)和(蔺草‖慈姑)组合富集量是单独培植富集之和的1.43和1.29倍，该组合对Cr富集起促进作用。凤眼莲与慈姑组合富集量小于单独培植吸附量之和，该组合对Cr富集起抑制作用。(蔺草‖水菖蒲)、(水菖蒲‖凤眼莲)、(水菖蒲‖慈姑)组合富集量与单独培植富集量之和相近。蔺草、凤眼莲和慈姑单独培植对Cr富集量为129.9、53.4和155.6mg/kg，而(蔺草‖凤眼莲)组合时蔺草和凤眼莲的富集量是168.6和93.1mg/kg，是单独培植富集量的1.30和1.74倍；(蔺草‖慈姑)组合时蔺草和慈姑对Cr富集量是177.4和191.1mg/kg，是单独培植富集量的1.37和1.23倍。蔺草与凤眼莲和慈姑组合时对Cr的富集起相互促进作用，但蔺草对凤眼莲的促进程度大于蔺草对慈姑、凤眼莲对蔺草及慈姑对蔺草的促进作用。(凤眼莲‖慈姑)组合对Cr的富集量比凤眼莲和慈姑单独培植富集量降低14.2%和17.4%。水菖蒲与蔺草、凤眼莲和慈姑组合时，蔺草促进水菖蒲富集Cr，水菖蒲促进凤眼莲和慈姑富集Cr，而凤眼莲对水菖蒲富集Cr起抑制作用，慈姑对水菖蒲富集Cr影响不大。

2.2 水生植物组合培植对重金属Zn的富集

表2为单种水生植物和水生植物组合对水中Zn富集结果。可以看出，(蔺草‖水菖蒲)、(蔺草‖慈姑)和(凤眼莲‖慈姑)组合对Zn富集量比单种培植富集量之和增加，(蔺草‖水菖蒲)、(蔺草‖慈姑)和(凤眼莲‖慈姑)组合的富集量是单独培植富集Zn量之和的1.32、1.37和1.36倍，说明该组合促进对Zn的富集；而(蔺草‖凤眼莲)、(蔺草‖慈姑)、(水菖蒲‖凤眼莲)组合的富集量与单独培植富集量之和相近。蔺草和水菖蒲单独培植对Zn的富集量分别为171.1和85.0mg/kg，而(蔺草‖水菖蒲)组合时，蔺草和水菖蒲对Zn的富集量是195.5和142.4mg/kg，是蔺草单独富集Zn量的1.14和1.68倍。慈姑单独培植富集Zn的量为60.1mg/kg，其与水菖蒲、凤眼莲组合时对Zn的富集量分别97.7和128.1mg/kg，是单独培植富集量的1.63和2.13倍，说明该组合培植对慈姑富集Zn起促进作用。

2.3 水生植物组合培植对重金属Pb的富集

表3为单种水生植物以及水生植物组合对水中Pb富集结果。可以看出，(凤眼莲‖慈姑)组合对Pb的富集量单独培植富集量之和的1.29倍，说明该组合促进对Pb富集；凤眼莲和慈姑单独培植对Pb的富集量为56.7和44.9mg/kg，而(凤眼莲‖慈姑)组合对Pb富集量分别是99.2和72.4mg/kg，是单独培植富集量的1.75和1.61倍。说明凤眼莲与慈姑组合对Pb富集相互促进。(蔺草‖凤眼莲)和(蔺草‖慈姑)组合对Pb富集量与单独培植富集量之和相近；但蔺草富集量较单独培植时低，而凤眼莲和慈姑富集量增加，由此可见蔺草对凤眼莲和慈姑富集Pb起促进作用，而凤眼莲和慈姑对蔺草富集Pb起抑制作用。(蔺草‖水菖蒲)、(水菖蒲‖凤眼莲)和(蔺草‖慈姑)组合富集Pb量比单独培植富集量之和减小14.8%、20.8%和22.6%，且该组合水生植物对Pb富集量都比单独培植时富集量小，由此可见该组合起相互抑制作用。

图1 水生植物组合根茎叶对重金属的富集量

2.4 水生植物组合培植对重金属Ni的富集

表4为单种水生植物以及水生植物组合对水中Ni富集结果。可以看出，(蔺草‖凤眼莲)和(蔺草‖慈姑)组合对Ni富集量比单独培植富集Ni量之和增加，(蔺草‖凤眼莲)、(蔺草‖慈姑)组合对Ni富集量是单独培植富集量之和的1.30和1.79倍，说明该组合对Ni富集起促进作用；蔺草与凤眼莲和慈姑组合时，蔺草富集量提高了14.8%和14.1%，而凤眼莲和慈姑富集量基本一致，由此可见凤眼莲和慈姑促进蔺草对Ni富集。(水菖蒲‖慈姑)组合培植富集量比单独培植量之和降低19.2%，说明该组合对Ni富集起抑制作用；且该组合两种植物富集量较单独培植富集量都降低，该组合对Ni富集起相互抑制作用。而(蔺草‖水菖蒲)、(水菖蒲‖凤眼莲)、(凤眼莲‖慈姑)组合对Ni富集量与单独富集量之和相近。

2.5 水生植物组合培植对重金属Cu的富集

表5为单种水生植物和水生植物组合培植对水中Cu富集结果。可以看出，(蔺草‖凤眼莲)、(蔺草‖慈姑)和(水菖蒲‖慈姑)组合对Cu富集量比单独培植富集量之和增加，(蔺草‖凤眼莲)、(蔺草‖慈姑)和(水菖蒲‖慈姑)组合的富集量是单独培植富集之和的1.40、1.64和1.84倍，说明该组合促进Cu的富集；蔺草与凤眼莲和慈姑组合时蔺草富集量是单独培植的1.93和1.05倍，而凤眼莲和慈姑富集量提高了1.22和2.37倍。由此可见蔺草促进凤眼莲和慈姑对Cu的富集，凤眼莲对蔺草富集Cu起促进作用，而慈姑对蔺草富集Cu影响不明显。(凤眼莲‖慈姑)组合对Cu富集量小于单独培植富集量之和，比单种培植富集量之和降低了19.2%，说明该组合对Cu富集起抑制作用；且组合中2种植物富集量都低于单独培植富集量，该组合对Cu富集起相互抑制作用。(蔺草‖水菖蒲)和(蔺草‖凤眼莲)组合对Cu富集量和单独培植富集量之和相近。

2.6 水生植物组合培植根茎对重金属富集量

图1a为蔺草与水菖蒲、凤眼莲和慈姑组合时，蔺草根、茎富集量结果。蔺草与水菖蒲组合时蔺草茎叶对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的95.7%、111.0%、82.1%、108.2%和110.9%；蔺草与凤眼莲组合时蔺草茎叶对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的123.1%、103.9%、83.2%、151.7%和184.3%；蔺草与慈姑组合时蔺草茎叶对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的130.3%、106.0%、85.2%、146.3%和105.2%。蔺草与水菖蒲组合时蔺草根对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的98.6%、118.9%、78.2%、128.5%和112.3%；蔺草与凤眼莲组合时蔺草根对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu的富集量是单独培植的141.1%、101.0%、87.2%、143.0%和205.1%；蔺草与慈姑组合时蔺草根对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu的富集量是单独培植的147.1%、88.3%、88.0%、135.6%和104.3%。

图1b为水菖蒲与凤眼莲、慈姑和蔺草组合时，水菖蒲根、茎富集量结果。水菖蒲与凤眼莲组合时水菖蒲茎对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的77.6%、108.7%、84.8%、106.9%和173.4%；水菖蒲与慈姑组合时水菖蒲茎对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的76.6%、136.9%、73.1%、85.7%和153.2%；水菖蒲与蔺草组合时水菖蒲茎对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的106.8%、182.8%、91.3%、103.6%和71.6%。水菖蒲与凤眼莲组合时水菖蒲根对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的89.7%、98.3%、90.7%、100.6%和114.9%；水菖蒲与慈姑组合时水菖蒲根对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的111.7%、104.7%、83.5%、84.0%和118.2%；水菖蒲与蔺草组合时水菖蒲根对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的141.6%、155.2%、93.7%、104.4%和89.7%。

图1c为凤眼莲与慈姑、蔺草和水菖蒲组合时，凤眼莲根、茎富集量结果。凤眼莲与慈姑组合时凤眼莲茎对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的47.5%、94.8%、283.7%、157.5%和73.2%；凤眼莲与蔺草组合时凤眼莲茎对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的225.9%、114.5%、187.7%、112.3%和140.8%；凤眼莲与水菖蒲组合时凤眼莲茎对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的148.1%、112.4%、58.1%、102.2%和67.3%。凤眼莲与慈姑组合时凤眼莲根对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的101.9%、100.7%、114.3%、111.5%和101.1%；凤眼莲与蔺草组合时凤眼莲根对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的152.7%、98.8%、124.7%、103.4%和111.4%；凤眼莲与水菖蒲组合时凤眼莲根对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的147.3%、106.9%、67.6%、101.6%和90.6%。

图2 水生植物组合培植对重金属富集转运系数影响

表3 水生植物单独培植和组合培植对Pb的富集量以及溶液pH值

表4 水生植物单独培植和组合培植对Ni的富集量以及溶液pH值

图1d为慈姑与凤眼莲、水菖蒲和蔺草组合时，慈姑根、茎富集量结果。慈姑与凤眼莲组合时慈姑茎对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的83.2%、241.8%、161.5%、87.0%和39.6%；慈姑与水菖蒲组合时慈姑茎对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的119.8%、154.9%、55.2%、76.0%和253.5%；慈姑与蔺草组合时慈姑茎对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的114.2%、109.0%、122.6%、95.5%和237.7%。慈姑与凤眼莲组合时慈姑根对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的81.4%、161.0%、161.0%、92.0%和47.3%；慈姑与水菖蒲组合时慈姑根对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的108.5%、176.5%、94.8%、75.1%和325.5%；慈姑与蔺草组合时慈姑根对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu富集量是单独培植的141.3%、176.1%、156.7%、102.0%和233.6%。

2.7 水生植物组合培植对重金属转运能力影响

图2a为蔺草与水菖蒲、凤眼莲和慈姑组合时，Cr、Zn、Pb、Ni和Cu转运系数试验结果。蔺草与水菖蒲组合时，Pb在蔺草中的转运系数提高6.0%，Zn和Ni在蔺草中的转运系数降低6.7%和15.5%；蔺草与凤眼莲组合时，Zn和Ni在蔺草中的转运系数提高3.4%和6.1%，Cr和Cu在蔺草中的转运系数降低12.5%和10.1%；蔺草与慈姑组合时，Zn和Ni在蔺草中的转运系数提高20.1%和7.8%，Cr在蔺草中的转运系数降低11.3%。

图2b为水菖蒲与凤眼莲、慈姑和蔺草组合时，Cr、Zn、Pb、Ni和Cu转运系数试验结果。水菖蒲与凤眼莲组合时，Zn、Ni和Cu在水菖蒲中的转运系数提高11.3%、6.5%和51.4%，Cr和Pb在水菖蒲中的转运系数降低13.6%和7.0%；水菖蒲与慈姑组合时，Zn、Ni和Cu在水菖蒲中的转运系数提高31.3%、2.6%和30.6%，Cr和Pb在水菖蒲中的转运系数降低31.8%和12.7%；水菖蒲与蔺草组合时，Zn在水菖蒲中的转运系数提高31.9%，Cr和Cu在水菖蒲中的转运系数降低25.0%和19.4%。

图2c为凤眼莲与慈姑、蔺草和水菖蒲组合时，Cr、Zn、Pb、Ni和Cu转运系数试验结果。凤眼莲与慈姑组合时，Pb和Ni在凤眼莲中的转运系数提高146.4%和40.3%，Cr和Cu在凤眼莲中的转运系数降低52.4%和27.8%；凤眼莲与蔺草组合时，Cr、Zn、Pb、Ni和Cu在凤眼莲中的转运系数提高47.6%、16.0%、50.0%、8.5%和27.8%；凤眼莲与水菖蒲组合时，Zn在凤眼莲中的转运系数提高4.1%，Pb和Cu在凤眼莲中的转运系数降低14.3%和25.9%。

图2d为慈姑与凤眼莲、水菖蒲和蔺草组合时，Cr、Zn、Pb、Ni和Cu转运系数试验结果。慈姑与凤眼莲组合时，Zn在慈姑中的转运系数提高50.0%，Ni和Cu在慈姑中的转运系数降低5.8%和16.6%；慈姑与水菖蒲组合时，Cr在慈姑中的转运系数提高10.2%，Zn、Pb和Cu在慈姑中的转运系数降低12.1%、42.1%和22.1%；慈姑与蔺草组合时，Cr、Zn和Pb在慈姑中的转运系数降低19.1%、37.9%和21.9%。

表5 水生植物单独培植和组合培植对重金属Cu的富集量以及溶液pH值

3 讨论与结论

3.1 讨论

从以上研究可知，水生植物组合对金属的富集具有专一性，蔺草、水菖蒲、凤眼莲和慈姑两两组合培植对水中Cr6+、Zn2+、Pb2+、Ni2+、Cu2+的富集量和转运系数存在较大的差异。其可能与植物新陈代谢过程中根系向外界释放的有机物(如有机酸、氨基酸等)以及微生物等不同有关[17-18]，而这些有机物分子中含有供体原子S、N和O所形成的含硫官能团S-H、S-O，含氮官能团N-H，含氧官能团C-O(醇式羟基和醚)、C=O(酮、内酯和羰基)，C(=O)-O结合物(酯、羧基和羧酸酯)被认为是金属离子的螯合配体。不同的植物组合时，一种植物的根系分泌所释放出的有机物种类和含量，及根系周围微生物群落结构受到另一者影响。由于这些根系环境的改变，导致螯合态金属量发生变化，进而改变植物对金属的富集效果[7-8，16，18]。(凤眼莲‖慈姑)组合有利于富集Pb2+，其原因是(凤眼莲‖慈姑)组合时促进有机酸分泌，以增加水中Pb2+的浓度。(蔺草‖凤眼莲)和(蔺草‖慈姑)组合有利于富集Cu2+，其原因是Cu2+对凤眼莲和慈姑的毒害较大，当Cu2+在植物体内累积到一定量时，会抑制其生长、甚至造成死亡；而蔺草对Cu2+具有较好的抗性和富集效果，因此蔺草和凤眼莲、慈姑组合时在一定程度上可降低Cu2+对凤眼莲和慈姑毒害。(蔺草‖凤眼莲)和(蔺草‖慈姑)组合有利于富集Cr6+，而Cr6+在溶液中主要以Cr2O72-和CrO42-形式共存，在溶液中存在式(1)的动态平衡，而水生植物更容易富集CrO42-[20]。凤眼莲和慈姑在水中培植时容易释放出有机酸，促进式(1)的平衡往正向移动，提高水中Cr2O72-的浓度，而蔺草根系所分泌的物质含碱性，可以平衡凤眼莲和慈姑分泌的有机酸，从而增强富集效果。

3.2 结论

研究了蔺草、水菖蒲、凤眼莲和慈姑两组合培植对水中Cr、Zn、Pb、Ni、Cu的富集量以及相互影响情况。结果表明如下。1)水生植物组合培植对金属的富集具有相对的专一性，选择适宜的水生植物组合有利于提高植物对金属的富集。(蔺草‖凤眼莲)、(蔺草‖慈姑)组合有利于富集Cr；(蔺草‖水菖蒲)、(水菖蒲‖慈姑)和(凤眼莲‖慈姑)组合有利于富集Zn；(凤眼莲‖慈姑)组合有利于富集Pb；(蔺草‖凤眼莲)和(蔺草‖慈姑)组合有利于富集Ni；(蔺草‖凤眼莲)、(蔺草‖慈姑)和(水菖蒲‖慈姑)组合有利于富集Cu。2)不同水生植物组合时，对Cr、Zn、Pb、Ni和Cu的转运系数影响较大；且还会改变金属在植物根、茎(叶)中的分布。