空心蓮子草對污泥重金屬的響應與吸附效應

林茂茲，邱雪芬，林能文，黃麗萍

(1.福建師范大學福清分校生化系，福建 福清 350300; 2.福建師范大學福清分校環境保護研究所，福建 福清 350300; 3.福建省福清市環境保護局，福建 福清 350300)

隨著我國污水處理技術的推廣，污泥產量日益增加。除了含水量高，體積龐大，成分復雜，有機質含量高，以及含有病原微生物、寄生蟲卵等特點外，含有有毒有害的重金屬是污泥引起二次污染的重大潛在危害因素，這也對生態安全造成巨大的潛在威脅。近年來，我國重金屬污染產生嚴重的負面影響，2010年至今，已發生16起血鉛事件[1]。所以，重金屬綜合防治技術受到各級領導和專家學者的高度重視。其中污泥重金屬污染土壤的植物修復是污泥無害化、資源化處置中必須重視的環節。

重金屬污染問題受到廣大專家學者的廣泛關注，已有的報道涉及的內容和層面如：Cd對植物的毒性研究[2]，高等植物對Cd毒性的響應[3]，城市污水處理廠污泥重金屬的污染狀況與特征[4]，植物修復的生理機制[5-11]，轉基因植物在植物修復中的應用分析[12],土壤和水體中有毒痕量元素的植物修復[13]，水體受重金屬污染的植物呼吸特性和機制[14]，燕麥(Avenasativa)、菘藍(Lsatisindigotica)、蒼耳(Xanthiumsibiricum)等草本植物對Cd、Pb和Zn等金屬的耐受性評估[15]，垂柳(Salixbabylonica)對重金屬污染土地的修復[10]。顯然植物修復需要生物量大、抗逆性強、生長迅速、對重金屬富集能力強的植物。雜草是一類人為或自然選擇壓力下產生的高度進化的類群，它們往往生長繁殖迅速、生物量大、抗性強。

空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)為莧科蓮子草屬宿根性多年生植物，是我國第一批外來入侵植物種之一，自1985年起就成為雜草防治的重點目標[16-17]。空心蓮子草對牧草的危害表現在對其發芽和幼苗有不良影響[17]，在不同情況下，對鄉土植物多樣性會產生正面影響和負面影響[16]。空心蓮子草易繁殖，可無性繁殖，生長迅速，抗性強，符合超富集植物[18-20]的一些條件。本研究以空心蓮子草為材料，根據污泥作為肥料農用的實際情況，設定污泥與沙壤土的不同體積配比作為生長基質，研究其對重金屬的響應和吸附效應，為土壤重金屬污染的植物修復提供試驗參考。

1 材料與方法

1.1試驗設計 供試土壤為福建師范大學福清分校后山花圃基地的沙壤土，污泥由福清市融元污水處理廠提供。供試土壤與污泥分別按比例10∶0、19∶1、9∶1和8∶2均勻混合，得到每個處理的污泥體積配比分別為0、5%、10%和20%。每處理重復2次。供試土壤和污泥的重金屬含量如表1所示。

表1 供試土壤和污泥的重金屬含量

土壤與污泥(均經自然風干)混合均勻后，裝入60 cm×40 cm×30 cm的塑料泡沫箱中，作為空心蓮子草生長基質。每個塑料泡沫箱中的生長基質約25 kg。生長基質混勻后，在各泡沫箱中用五點取樣法在箱體四周和對角線交叉處取樣，并混勻。分別取少量各種污泥配比的基質保存于室溫條件下，以備重金屬含量測定用。

從福建師范大學福清分校花圃路旁邊的陰濕地塊采摘的空心蓮子草，撿取2個莖節長度的幼嫩的空心蓮子草，扦插入上述處理的基質中，扦插深度為一個莖節點埋入生長基質，另一個莖節點恰好露出生長基質。每箱平行扦插5株×6株。

扦插種植于2010年5月9日進行。試驗全程各處理等量、適量澆水管理，拔除空心蓮子草以外的雜草。第3個月開始對空心蓮子草葉片進行葉綠素含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性和過氧化物酶(POD)活性等生理指標測定，每月測定1次，連續測定4次(2010年8-11月每月10日取樣測定)。生理指標測定時，從相應的處理中隨機取樣，每個取樣取葉片約3 g。每個指標的測定重復3次。

1.2空心蓮子草生理指標的測定 葉綠素含量測定采用80%丙酮提取法[21]，SOD活性測定采用氮藍四唑(NBT)法[22]，POD活性測定采用愈創木酚法[23]。

1.3空心蓮子草對重金屬的富集作用

1.3.1樣品重金屬含量測定 于2010年11月10日，取空心蓮子草的根、莖、葉和備用的生長基質各約0.2 g烘干，進行重金屬含量測定。

樣品消解:稱取適量待測樣品于坩堝中，然后加入5 mL的濃硝酸并于加熱爐中低溫加熱，待蒸發至剩下2 mL溶液，再加入3 mL鹽酸和5 mL硝酸，中溫加熱直至冒白煙停止，冷卻后加入2 mL高氯酸和2 mL氫氟酸，然后繼續加熱，直至坩堝內樣品呈白色或淡黃色粘稠狀物質為止。放置冷卻至常溫，再加入2 mL 10%硝酸溶液溶解后，倒入50 mL容量瓶中用蒸餾水定容，再倒入試劑瓶保存。

消解后的樣品用Analyst 300原子吸收分光光度計(PE系統責任有限公司，華盛頓洲，美國)測定。操作按說明書進行。每個樣品測定重復3次。

1.3.2重金屬富集系數計算 重金屬富集系數按下式計算:

式中，BCF為重金屬富集系數;Cij為第i種重金屬在植物j部位的濃度;Cik為第i種重金屬在第k種生長基質中的濃度;i為Cd、Mn、Ni、Cu、Cr、Pb或Zn;j為根部、莖部或葉片;k為污泥含量的處理。

1.3.3數據處理 數據采用SPSS 11.5軟件分析，先進行數據的方差齊次性檢驗，達到齊次性(P>0.05)用Duncan進行多重比較，否則選用Dunnett T3兩兩比較。

2 結果與分析

2.1污泥對空心蓮子草葉片葉綠素含量的影響 不同時期不同處理下空心蓮子草葉片葉綠素含量結果顯示(圖1)，各處理空心蓮子草葉片葉綠素含量都隨時間的延長而呈先升高后降低的變化趨勢，在生長基質中生長第4、5個月(9、10月份)達到較高水平，而后葉綠素含量降低。在含污泥的生長基質中生長第4個月(9月份)，各種含污泥的生長基質處理的空心蓮子草葉片中葉綠素a的含量均比無污泥處理的高；對于葉綠素b，除了10%污泥處理稍低于無污泥處理外，其余2個處理的空心蓮子草葉片中葉綠素b含量均高于無污泥處理。在含污泥的生長基質中生長第5、6個月(10、11月份)，隨著污泥體積配比的升高，空心蓮子草葉片中葉綠素含量均先降低再升高，并超過無污泥處理。但是其促進作用在達到一定濃度(20%污泥)后才能顯示出來，而在低濃度(5%和10%污泥)下沒有促進作用。

2.2污泥對空心蓮子草超氧化物歧化酶和過氧化物酶活性的影響 不同時期不同處理下空心蓮子草葉片中SOD和POD活性不同(圖2)，在各處理中生長第3個月(8月份)，5%污泥處理的空心蓮子草葉片SOD活性最高，其他的處理與無污泥處理相比，變化不大。在各處理中生長第4、5個月(9、10月份)，空心蓮子草葉片SOD活性隨著污泥體積配比的升高呈先略下降再升高的趨勢。在各處理中生長第6個月(11月份)，除5%污泥處理外，其余各處理空心蓮子草葉片SOD活性較前期均有較大幅度下降，且下降幅度順序為20%污泥處理>10%污泥處理>無污泥處理。這是因為污泥中含有的重金屬對空心蓮子草的脅迫作用，但脅迫作用所顯示出來的強度與污泥濃度(重金屬含量)和重金屬脅迫作用時間有關。一般植物體受到環境脅迫后，其體內的SOD活性隨著脅迫時間或脅迫因子(底物)濃度遞增先升高后降低。所以，在含重金屬的生長基質中生長第6個月(11月份)，空心蓮子草葉片中的SOD活性較前期有明顯下降，且較高濃度污泥配比處理下的SOD活性下降更明顯。

圖1 不同污泥配比對空心蓮子草不同生長期葉片葉綠素含量的影響

圖2 不同污泥配比對空心蓮子草不同生長期葉片超氧化物歧化酶和過氧化物酶活性的影響

各處理中生長第3-5個月(8-10月)，空心蓮子草葉片POD活性測定值除了9月，5%污泥處理較無污泥處理略有下降，其余處理均隨著污泥體積配比濃度遞增而升高。生長第6個月(11月)，空心蓮子草葉片POD活性隨污泥體積配比濃度遞增先升高后下降，20%污泥處理略低于無污泥處理。這說明在植物可耐受的脅迫范圍內，植物體內的POD活性隨著環境脅迫因子(底物)濃度遞增而升高。

2.3空心蓮子草對污泥重金屬的吸附作用 各處理空心蓮子草不同部位和各處理生長基質重金屬含量測定結果表明(表2)，無污泥處理下，空心蓮子草的根、莖、葉也含有Mn、Cu、Cr、Zn等重金屬，莖中檢測到少量Pb。這與供試土壤環境背景值有關，也與空心蓮子草生長需要吸收一些微量元素有關。相對于根和莖，各處理中空心蓮子草葉片中Mn、Ni、Cr含量均較高。這說明空心蓮子草的葉片主要富集Mn、Ni和Cr。空心蓮子草的根、莖、葉部位檢測到的Cu含量相對于其對應的生長基質含量均較低。僅在空心蓮子草的莖中檢測到少量的Pb。這說明空心蓮子草很少吸收Cu和Pb。在5%、10%和20%污泥處理下，相對于根，空心蓮子草的葉片和莖中的Zn含量均較高。僅在10%污泥處理空心蓮子草的根中檢測到Cd。

表2 不同污泥配比處理空心蓮子草不同部位及生長基質重金屬含量

3 討論與結論

3.1空心蓮子草污泥及其重金屬的響應 葉綠素含量高低是植物生長的重要指標之一。關于青萍(Lemnaminor)水培條件下Cu、Cd、Pb 3種重金屬對其葉綠素影響的研究結果表明，總體上，3種重金屬都使青萍葉綠素和類胡蘿卜素含量降低，低質量濃度(0.5 mg·L-1)的Cu可以使青萍葉綠素和類胡蘿卜素含量輕微升高[24]。本研究結果表明，污泥體積配比升高，空心蓮子草葉片葉綠素總體上有升高的趨勢，這與污泥中含有各種有機質養分，對植物生長有一定的促進作用有關。污泥含有各種養分是污泥可以作為肥料進行農用的理論基礎。在污泥配比低于20%之內，對空心蓮子草葉片葉綠素含量升高總體有益。

超氧化物歧化酶、過氧化物酶是植物體內抗氧化酶系統中2個主要的保護酶，能清除細胞內過多的超氧化物陰離子自由基，保護細胞膜的結構完整性[25]。植物體內超氧化物歧化酶、過氧化物酶與過氧化氫酶、谷胱甘肽還原酶、維生素E、維生素C、輔酶Q、巰基化合物等組成了防御過氧化系統，能有效消除活性氧，防止細胞膜系統過氧化作用的發生，從而抵御外界環境脅迫或重金屬等的毒害。本研究結果表明，隨著污泥體積配比的增高，空心蓮子草的超氧化物歧化酶、過氧化物酶活性與無污泥處理相比，多數呈上升趨勢；隨著在含污泥重金屬的生長基質中生長時間的積累，各處理空心蓮子草的超氧化物歧化酶、過氧化物酶活性總體呈先上升后降低的趨勢，其超氧化物歧化酶和過氧化物酶活性在暴露于含污泥重金屬的生長基質中5個月(10月份)達最高峰，之后下降。超氧化物歧化酶和過氧化物酶活性的升高是空心蓮子草在重金屬脅迫下生長的生理生化指標響應特征之一。

3.2空心蓮子草對污泥重金屬的吸收 尋找高效的重金屬富集植物是植物修復技術研究領域的重要方面。美國能源部指出，能用于植物修復的植物應具有以下幾個特征:一是即使在污染物濃度較低時也有較高的積累率;二是能在體內富集高濃度的污染物;三是能同時吸收幾種重金屬;四是生長快、生物量大;五是具有抗蟲、抗病能力[18]。Baker等[19]較早于1983年提出超富集植物的參考值，即把植物葉片或地上部(干質量)中含Cd達到100 mg·kg-1，含Co、Cu、Ni、Pb達到1 000 mg·kg-1，Mn、Zn達到10 000 mg·kg-1以上的植物稱為超富集植物，同時這些植物還應滿足轉運系數(植物地上部分某重金屬含量與植物地下部分某重金屬含量的比值)大于1的條件。本研究結果顯示空心蓮子草對各種重金屬吸收后，其根、莖、葉的各種重金屬含量均未達到超富集植物的標準，且根、莖、葉中各種重金屬的富集系數(按本研究1.3.2重金屬富集系數計算公式計算)均小于1。但是本研究結果也表明空心蓮子草對Mn、Cr、Zn、Ni、Cu等重金屬都有吸收，且在空心蓮子草中的含量均是地上部分高于地下部分，即轉運系數大于1。用于植物修復的植物還要生長較快，生物量較大[18，20]。空心蓮子草可以進行無性繁殖，營養繁殖能力強，生長快速，地上部分易采收，且對Mn、Cr、Zn、Ni、Cu等重金屬都有吸收，轉運系數均大于1，故在含Mn、Cr、Zn、Ni、Cu等重金屬污泥對土壤的二次污染的植物修復中仍有一定的參考作用。

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