水中通氧對狐尾藻生長及鎘吸附的影響

黃曉波，姚幫松,*，張立成，阮三桂，蔣 鵬，程 峰，沈 維

(1.湖南農業大學 工學院，湖南 長沙 410128；2.湖南農業大學 資源環境學院，湖南 長沙 410128)

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水中通氧對狐尾藻生長及鎘吸附的影響

黃曉波1，姚幫松1,2*，張立成2，阮三桂1，蔣 鵬1，程 峰1，沈 維1

(1.湖南農業大學 工學院，湖南 長沙 410128；2.湖南農業大學 資源環境學院，湖南 長沙 410128)

摘要：對狐尾藻進行了加氧與不加氧對照處理，比較了它們在不同鎘離子濃度水體中的生長狀況。通過檢測水體中的鎘離子濃度值，研究了狐尾藻對鎘離子的吸附能力及其對鎘離子的富集系數，采用WinRHIZO軟件對狐尾藻的根系生長進行了分析，結果表明：在2種處理方式下，狐尾藻在鎘離子濃度小于5 mg/L時均能正常生長，且加氧處理可顯著提高其對鎘離子的吸附能力；狐尾藻在鎘離子濃度大于10 mg/L時均受鎘離子脅迫作用導致葉片枯萎，且加氧處理可顯著加快其對鎘離子的吸附速度；狐尾藻在不同鎘離子濃度下其最高富集系數為試驗設置的20 mg/L，而加氧處理可將最高富集系數提高13.35%。由此可知，加氧處理可促進狐尾藻根系生長，增強了狐尾藻對鎘離子的吸附能力，進一步提高了狐尾藻對鎘污染水體的凈化能力。

關鍵詞：狐尾藻；加氧處理；鎘污染；富集系數

植物的根系一般生長在土壤或者水體中，在生長過程中根系需要吸收營養元素，同時進行有氧呼吸，而土壤中氧氣含量在淹水灌溉條件下非常低，不能給根系生長提供充足的氧源。對植物加氧是近年來開展的研究，目的是提高植物根系周圍的氧氣含量，使其能進行充分的有氧呼吸，促進根系生長。加氧處理可促進旱地生物煙草及水生植物水稻的生長[1-2]，說明加氧處理對生物生長產生有效的作用。增氧灌溉可以促進南荻對土壤中重金屬鉛的吸收[3]。在重金屬污染的環境中，鎘是一種污染范圍廣、治理難度大的物質。在有色金屬礦石開采過程中，重金屬鎘以礦物質形態被開采出來，它是一種對動植物體毒害作用非常大的物質，常以離子化合態存在于土壤或水體中[4-6]。重金屬鎘污染由最開始的點污染，經過雨水的沖刷徑流作用變成面污染，最后進入水體中隨河水的流動擴散成區域性的污染。我國南方某些地區重金屬鎘污染現象非常嚴重，國內外有關專家學者提出了對于重金屬鎘污染治理的方式，并進行了相關的試驗研究，發現利用植物吸附重金屬是一種綠色環保、不產生二次污染的治理方式[7-12]。相關研究表明：大部分植物都能吸收土壤或水體中的重金屬，但與此同時，植物體也受重金屬物質的脅迫影響，它的生長狀況也隨之發生改變。對于水體中的重金屬鎘污染修復，一般采用沉水植物來進行吸附，以期降低水體中鎘離子含量。狐尾藻是一種多年生沉水草本植物，因其根莖發達且對環境適應性較強，是常用于凈化水體污染和生態修復的優選植物。李國新等通過研究穗花狐尾藻對重金屬鎘的吸附性能，得出狐尾藻是一種對重金屬鎘吸附性好且效率高的植物[13]。本文以狐尾藻作為研究對象，探究溶解氧對其在鎘離子水體中的生長狀況及吸附性能的作用。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗所選用的材料是從洪湖水草公司購買的狐尾藻。將所購回的狐尾藻在湖南農業大學工學院土力學試驗室進行培養，從12月份培養至第二年4月份。之后截取生長狀況一致且長度為12 mm的莖部，將所截得的每枝莖下部5 cm處的葉子剝落后，放入方形試驗桶中，試驗桶尺寸長寬高為：30 mm×25 mm×30 mm，并且在試驗桶上方放置一塊帶孔浮板以固定每株狐尾藻。每個試驗桶中加入純凈水18 L和適量的營養液，配置不同鎘離子濃度的CdCl2溶液于容量瓶中備用。

1.2試驗設計

試驗采用通氧和不通氧2種處理方式，其中，通氧方式是利用壓縮空氣泵向水體中加入通氣速率40 L/min的空氣。將長條形的氣泡石固定在試驗桶底部，并用塑料軟管與通氣泵連接起來。加氧處理組為每天10：00通氣1次，通氣量是根據所做的預試驗，通氣30 min后桶中水體含氧量達到飽和，因此試驗中通氣時長為30 min。試驗設置試驗桶中鎘離子濃度分別為0、2.5、5、10、20、40 mg/L。先將狐尾藻扦插在每個試驗桶中，待4 d后新根長出植株成活，再在每個試驗桶中加入配置液，使每個試驗桶中的鎘濃度達到試驗設置濃度。

圖1　試驗裝置示意圖

1.3檢測指標

用原子分光光度法檢測水中重金屬鎘離子含量。用根系掃描儀掃描根系并用軟件WinRHIZO分析根系生長指標。用分光光度計測定植物體中重金屬鎘離子含量。

2結果與分析

2.1加氧與不加氧處理對狐尾藻吸附重金屬鎘離子的影響

通過試驗觀察到，狐尾藻在含鎘離子水體中，隨著鎘離子濃度的升高，其生長狀況越差，主要表現在葉片枯萎、莖側向彎曲。在試驗桶中加入重金屬鎘離子后，每隔2 d測定水體中重金屬鎘離子的含量，直至水體中重金屬鎘離子含量趨于穩定值后停止測定。

從表1可看出，前4 d試驗桶水體中重金屬鎘離子濃度下降非常明顯，第6天已趨于穩定。狐尾藻在加入重金屬鎘離子后的第2天與第4天均未出現枯萎現象；第6天含鎘離子濃度為40 mg/L的試驗桶中狐尾藻開始出現枯萎現象；第8天鎘離子濃度20和10 mg/L的狐尾藻均開始出現枯萎現象，而鎘離子濃度為2.5和5 mg/L的試驗桶中狐尾藻均未出現枯萎現象。

每天最少5升液體飼料，最多6升/天；開食料對瘤胃上皮的發育有重要作用，喂6升奶比喂8升奶能促使犢牛多采食1磅/天的開食料。

表1不同鎘濃度下水體中重金屬鎘離子濃度比較

mg/L

從圖2、圖3可知，加氧處理能提高狐尾藻對重金屬鎘離子里的吸附能力。國外學者研究了狐尾藻在鎘離子濃度為64 mg/L水體中時，狐尾藻能夠將其濃度降低至5.96 mg/L，此時狐尾藻已經達到耐受重金屬鎘離子污染的閾值。狐尾藻對重金屬鎘離子表現出較強的吸附性，且吸附非常迅速。6 d后，當鎘離子濃度為5 mg/L時，在加氧條件下，狐尾藻使重金屬鎘離子濃度降至0.85 mg/L，而不加氧條件下鎘離子濃度只能降至1.43 mg/L。在鎘離子濃度小于5 mg/L時，加氧可顯著提高狐尾藻對重金屬鎘離子的吸附能力。由圖2可知，當重金屬鎘離子濃度為10 mg/L以上時，第4天與第6天水體中的鎘離子濃度變化不大，而圖3中鎘離子濃度有一定程度的下降，這說明在鎘離子濃度大于10 mg/L的水體中，加氧處理可加快狐尾藻的吸附速度，能夠在4 d內使水體中的鎘離子濃度趨于穩定，而在不加氧處理的條件下，鎘離子濃度需6 d才能趨于穩定。此外，在試驗中還發現，鎘離子濃度越高的試驗桶中，狐尾藻對重金屬鎘離子的吸附量越大，這表明鎘離子初始值濃度越高，越有利于狐尾藻對重金屬鎘離子的吸附。

圖2　加氧處理下狐尾藻吸附重金屬鎘離子后

2.2加氧與不加氧處理對狐尾藻根系生長的影響

植物根系的生長發育情況能夠反映根系上部的生長發育情況，只有根系存在活力，植株才可以存活。

狐尾藻是沉水植物，它的莖呈節狀，葉長于莖露出水面部分的每個節上，根長于莖沉在水底部分的每個節上。與污染物直接接觸的部分，有關學者稱之為環境污染物中的生物可及性部分。鎘離子對狐尾藻產生毒理作用首先是從根開始，根是狐尾藻與鎘離子直接接觸的部分。

圖3　不加氧處理下狐尾藻吸附重金屬鎘離子后

從圖4可知，重金屬鎘離子對狐尾藻的根系生長產生了影響，它對根系中的有機組織產生了破壞，導致根系的顏色變成暗黑色且根系數目減少。重金屬鎘離子被狐尾藻的根系吸收后，少部分向莖上部分緩慢轉移，而絕大多部分停留在根系附近。重金屬鎘離子被吸附后，只有少量鎘被轉移到莖上部分，這是狐尾藻耐受重金屬鎘離子的一個原因。狐尾藻在含鎘離子濃度高的水體中能生長，枯而不死，說明狐尾藻的根系有很強的耐鎘能力，并將重金屬鎘離子束縛住不使其轉移，從而減少了重金屬鎘離子在植株體中的累積含量。

圖4　不含鎘與含鎘水體中狐尾藻的根

試驗將狐尾藻從試驗桶中取出，剪取葉下部分的根莖，用Epson高清掃描儀掃描，再通過WinRHIZO軟件分析不同處理下的根總長與根總數。

從圖5可以看出，在不同處理方式下，狐尾藻在不同鎘離子濃度中，加氧處理組的總根長大于不加氧處理組的，這說明對水體中通氧能夠有效地促進狐尾藻的根生長。已有研究表明，通氧能夠促進植物根尖細胞的分裂，使根的長度增長，這與本試驗結果一致。在2種處理條件下，當水體中鎘離子濃度增加時，狐尾藻根的總長度下降，在鎘離子濃度為10 mg/L以下時，下降平緩；在鎘離子濃度為10 mg/L以上時，狐尾藻根總長急劇下降，這說明加氧處理雖能促進根系的生長，但狐尾藻根系仍受鎘離子濃度變化的影響。

通過圖5與圖6可知，加氧處理增加了狐尾藻的有氧呼吸，促進了根系的生長，減弱了鎘離子對狐尾藻根系生長的抑制作用。重金屬鎘離子通過與狐尾藻的根系接觸，通過生物膜進入細胞，使細胞失去活性而不能進行分裂，因而狐尾藻的生根數與根生長量減少。加氧處理是通過有氧呼吸促進根系生長，屬于物理作用促進生長，而重金屬鎘離子是通過生物化學作用抑制根系生長，兩者對狐尾藻根系產生的作用機制不同。

圖5　加氧與不加氧處理下狐尾藻在不同

2.3加氧與不加氧處理對狐尾藻在不同鎘濃度中富集系數的影響

狐尾藻生長15 d后，將每株狐尾藻從試驗桶中取出，將其根莖葉分開裝袋后，殺青12 h，然后置于65 ℃烤箱中風干。將取出的9株狐尾藻的莖葉分別磨細，用分光度計法檢測重金屬鎘離子在植物體內的含量。生物體對污染吸附量的大小用生物富集系數來表示，生物富集系數等于生物體中污染物的總濃度除以環境中污染物的總濃度。

由圖7可知，狐尾藻在不同鎘離子濃度的水體中，其生物富集系數差異不明顯，但在2種處理方式對比下，加氧處理的狐尾藻對重金屬鎘離子的富集系數高于不加氧處理組的。通過對狐尾藻根系生長及重金屬鎘離子濃度的分析，發現加氧處理既不阻隔也不促進重金屬鎘離子向狐尾藻中轉移，只促進了狐尾藻植物體的生長。由于狐尾藻在加氧條件下的根總長與根總數均高于不加氧處理組，而加氧處理使重金屬鎘離子在狐尾藻根系中的含量增加，導致加氧處理使狐尾藻的生物富集系數高于不加氧處理。

在不同鎘離子濃度下，加氧與不加氧處理對重金屬鎘離子富集系數值變化較小。在5種不同鎘離子濃度下進行比較，濃度為20 mg/L時狐尾藻的富集系數最大，加氧處理時富集系數最大值為85.662，不加氧處理時富集系數最大值為75.941。

圖7　加氧與不加氧處理狐尾藻對不同

3結論與討論

(1)試驗采用狐尾藻來吸附水體中重金屬鎘離子，當鎘離子濃度低于5 mg/L時，狐尾藻生長狀況正常；當鎘離子濃度高于10 mg/L時，狐尾藻葉子出現枯萎現象。在鎘離子濃度較低時，狐尾藻可產生合成蛋白，能自我緩解鎘對生物組織的毒性作用；在濃度較高時，狐尾藻合成抵抗重金屬鎘離子的蛋白質被破壞，并且體內的葉綠素含量下降。狐尾藻對水體中重金屬鎘離子的吸收速度非常快，狐尾藻在含鎘離子水體中吸附量4 d內趨于穩定。(2)加氧處理能夠促進狐尾藻的根系生長，而狐尾藻根系是吸附重金屬鎘離子的主要部分，從而加氧處理增加了狐尾藻根系對重金屬鎘離子的吸附量。(3)加氧處理可提高狐尾藻對重金屬鎘離子的富集系數，在5種不同鎘離子濃度下，對狐尾藻的富集系數進行比較，富集系數最高值出現在鎘離子濃度為20 mg/L時，而在這一濃度下，狐尾藻在加氧處理條件下，比不加氧處理條件下的富集系數值高11.35%。當鎘離子濃度繼續增加時，狐尾藻的富集系數則下降。

加氧處理促進了狐尾藻的生長，并且提高了狐尾藻對重金屬鎘離子的吸附能力，利用加氧措施同時可增加污水中的含氧量，與生物修復結合起來是一種很好的污水凈化方法。加氧處理促進了狐尾藻的生長及提高了狐尾藻對重金屬鎘離子的吸附力，對于這一現象，應更深入地開展研究，可以進一步探討加氧后，狐尾藻根系中的物質含量變化與根系周圍微生物的生長變化情況。

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(責任編輯：曾小軍)

Effects of Aquatic Aerobic Treatment on Growth and Cadmium Adsorption ofMyriophyllum

HUANG Xiao-bo1, YAO Bang-song1,2*, ZHANG Li-cheng2, RUAN San-gui1,JIANG Peng1, CHENG Feng1, SHEN Wei1

(1. College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China;2. College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

Abstract：Compared theMyriophyllumgrowth in the water containing different concentrations of cadmium by the oxygen and without oxygen treatment, studied theMyriophyllumadsorption capacity of cadmium and its bioaccumulation factor of cadmium, analyzed the root growth ofMyriophyllumby WinRHIZO software. The results showed that within the two treatments theMyriophyllumcould grow normally in cadmium concentration below 5 mg/L, the adsorption of cadmium was significantly increased with the increase of oxygen treatment. Leaf blight ofMyriophyllumunder cadmium stress when the concentration was more than 10 mg/L, and in this concentration, the oxygen treatment could accelerate the adsorption rate of cadmium. The bioaccumulation factor ofMyriophyllumwas variety in different cadmium concentrations, the highest value was 20 mg/L, while the oxygenated treatment could improve 13.35% of bioaccumulation factor ofMyriophyllum. Accordingly, adding oxygen treatment could promoteMyriophyllumroot growth, enhance the adsorption capacity of cadmium, improve theMyriophyllumon cadmium polluted water purification ability.

Key words：Myriophyllum; Oxygenation; Cadmium pollution; Bioaccumulation factor

收稿日期：2015-12-11

基金項目：國家自然科學基金項目(31272248)；國際科技合作項目(2013DFG91190)。

作者簡介：黃曉波(1989─)，女，湖南寧鄉人，碩士研究生，主要從事水資源與環境保護研究。*通訊作者：姚幫松。

中圖分類號：X171.1

文獻標志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)06-0100-05