水培條件下幾種水生植物對鉛的抗性研究

紀美辰張繼權彭越馬齊云

（1. 東北師范大學環境學院 自然災害研究所，長春130024；2. 西南民族大學化學與環境保護工程學院，成都 610041）

水培條件下幾種水生植物對鉛的抗性研究

紀美辰1張繼權1彭越2馬齊云1

（1. 東北師范大學環境學院 自然災害研究所，長春130024；2. 西南民族大學化學與環境保護工程學院，成都 610041）

水生植物能夠吸收重金屬污染物，凈化環境且具有較高的觀賞價值和經濟價值。本實驗選取常見的3種水生植物鳶尾、菖蒲、水葫蘆，采用水培方法，研究不同植物對Pb2+的抗性；以及在Pb-Zn復合污染下，Zn2+的存在對水葫蘆吸收Pb2+的影響。結果表明，單一污染時水葫蘆對較高濃度的含鉛廢液表現出一定的抗性，菖蒲對中低濃度含鉛廢液抗性較好，鳶尾次之。在復合污染條件下，水葫蘆對鉛、鋅的吸收在不同濃度范圍內分別存在著協同效應和拮抗效應。植物不同組織對鉛的吸收累積程度不同，3種水生植物體內的重金屬含量均呈現出地下部分高于地上部分，對重金屬鉛的體內轉移能力不明顯，不屬于超富集植物，因此這3種植物均不適合處理高濃度含鉛廢液。

重金屬；水生植物；Pb2+；復合污染；抗性

21世紀以來，隨著社會的不斷發展和進步，由自然過程或人類活動如采礦、工業和農業生產造成的重金屬污染已引起了廣泛的關注。在重金屬污染中，鎘和鉛的污染最為廣泛［1］。鉛是“五毒”重金屬元素之一，它能通過食物鏈的富集危害人類健康，以毒性高、滯留時間長，成為最受關注的重金屬污染元素之一。人工濕地被稱為天然的污水凈化器，人工濕地污水處理系統是利用自然生態系統中的物理、化學和生物等因素的協同作用得以實現污水凈化的［2］。與傳統的物理方法，化學方法和微生物方法相比較，人工濕地污水處理技術具有投資少、能耗低、生物量大、后續處理方便、減少二次污染、操作和維護簡單、處理效率高和可用于景觀等諸多優點。近些年來，人工濕地處理污水技術被國內外學者深入研究并廣泛應用［2］。

目前，我國在利用植物對重金屬污染進行修復方面尚處于起步階段，楊俊興等［3］通過水培試驗研究了Pb脅迫對18種挺水濕地植物的耐性及吸收的影響，表明不同濕地植物對Pb的吸收是差異顯著的；周桑揚等［4］總結、分析了對重金屬富集能力強的濕地植物種類及其去除廢水重金屬的機制，介紹了人工濕地中的植物凈化含重金屬廢水的作用和效果。植物是人工濕地技術的核心，如何正確選擇植物是重金屬高效去除的關鍵。結合前人的研究現狀，本研究選取常見的3種水生植物鳶尾（俗稱黃菖蒲）、菖蒲和水葫蘆，采用水培法，考察3種水生植物對污染物質的抗性及富集能力，以期為選擇處理廢水的人工濕地植物提供參考，為鉛污染防治植物修復技術提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

挺水植物鳶尾、菖蒲和浮水植物水葫蘆，濃硝酸，硝酸鉛，硝酸鋅，鉛標準儲備液，UP水，0.45 μm水溶性濾膜，火焰原子吸收分光光度計（TAS-990），馬弗爐。

1.2 方法

1.2.1 實驗設計 采用水培法將鳶尾、菖蒲和水葫蘆在清潔塑料桶內進行饑餓培養10 d，每桶內分別注入4.5 L自來水（曝曬1 d后的自來水配置而成，未含有待測重金屬離子），從3種植物中，分別選取生物量相近的植物移入桶內，使其根部浸沒入培養液中，每隔2 d換1次水。每桶內分別有鳶尾、菖蒲、水葫蘆各3株。之后模擬污染水質將自來水換成UP水（主要是由于Pb2+與自來水中的Cl-、SO4+、以及OH-、CO3

2-等離子結合產生白色懸浮物，因而要用UP水［5］）并加入重金屬鉛，污染物以Pb（NO3）2的形態添加。Pb2+的投加濃度分別為5、10、50、100和500 mg/L，實驗共設計5種處理，其中，不添加Pb（NO3）2的培養液為對照處理（Pb（NO3）2濃度為0 mg/L），水葫蘆，鳶尾，菖蒲各18株用于該組實驗。水葫蘆又再分了一組，是Pb（NO3）2和Zn（NO3）2的復合污染，Pb2+的投加濃度均是50 mg/L，Zn2+的投加濃度分別是5、10、50、100、500 mg/L，試驗共設5組處理，15株水葫蘆用于該組實驗，其中以Pb（NO3）2濃度為50 mg/L作為對照處理。

對植物的生長管理采用室內培養的方法，始終保持植物能夠獲得充足的光照和通風，室內氣溫變化范圍為8-18℃。每隔10 d取1次水樣，一共取4次樣。在第4次取水樣時，同時采集植物樣本，并對植物體內積累的重金屬含量進行測定。在此期間對植株的生長反應進行觀察、記錄。

1.2.2 分析方法 植物收取后分成地上、地下兩部分，洗凈105℃下殺青1 h，然后在80℃下烘干48 h至恒重，研磨。用四分法準確量取鳶尾、菖蒲和浮水植物水葫蘆樣品地上與地下部分粉末各（0.4000±0.000 1）g，放入5 mL坩堝內，先在低溫電爐上碳化粉末至不冒煙為止（約30 min），再將瓷坩堝轉入馬弗爐中在500℃下灰化6 h［6］；之后將植物樣消解、趕酸、過濾、定容，最后將所得溶液用火焰原子吸收法對Pb進行測定。

2 結果

2.1 濕地植物的生長狀況

以鳶尾和水葫蘆的凈株高為研究對象，由表1可以得出，在只有硝酸鉛廢液中培養的鳶尾和水葫蘆相比較，鳶尾的生長較為緩慢，并且隨鉛溶液濃度的增加，植株凈株高明顯受到影響，表現為生長緩慢，在鉛濃度為0、5、10 mg/L溶液中培養的鳶尾有新根長出，高鉛濃度溶液中的植株到培養后期沒有新根長出且有縮短的現象，500 mg/L廢液中的鳶尾根系變短較明顯，縮短了1 cm；水葫蘆生長較為明顯，隨鉛濃度的升高，植株的生長速度變緩，到后期高濃度培養液中的植物出現葉死、芽死、莖干、植株死亡的現象。

由于天氣溫度低，秋天霜降，菖蒲的葉子變黃，但有新芽長出，因新芽太小無法進行精確測量，用肉眼看見含有50 mg/L廢液中新芽數量少但長勢好、在含有0 mg/L廢液中新芽數量較多且沒有腐爛現象、含有500 mg/L廢液中新芽長出數量少且在培養的10 d左右開始腐爛。

Pb（NO3）2+Zn（NO3）2復合污染中的水葫蘆在前期Zn濃度小于50 mg/L植株的生長速度隨濃度的增加而加快，溶液中Zn濃度在100 mg/L、500 mg/L植株腐爛無法測量，總體來說生長速度明顯快于Pb（NO3）2單一污染的廢液中的水葫蘆。

表1 40 d后不同鉛濃度下鳶尾和水葫蘆的株高增加值（cm）以及Zn為變量復合污染下水葫蘆的株高增長率（%）

2.2 植物受害情況分析

植物鉛中毒表現在根功能受抑制，生長緩慢和葉卷曲、變黃長斑，嚴重者甚至枯萎腐爛。高濃度鉛還能干擾植物對其他必需礦物營養元素的吸收和運輸。由于本實驗是在秋季進行，溫度較低，在培養的第3 d各個濃度的菖蒲葉子枯萎變黃，但根系發育正常（圖1）。

2.2.1 葉片出現黃化、變軟現象 根據植物種類的不同黃化和變軟程度上會有差異。在各Pb濃度培養下，培養初期鳶尾就表現出受害癥狀，如葉片逐漸從葉尖開始變黃，直至整片葉子變黃失水且翻卷；在較低Pb濃度（≤50 mg/L）培養下，水葫蘆在培養后期，出現輕微的受害癥狀如葉片變黃、長斑等；在較高Pb濃度（≥100 mg/L）培養液中，水葫蘆在培養初期有輕微的受害癥狀，菖蒲長出的新芽培養初期開始腐爛。

2.2.2 根部變軟、腐爛的現象 在較低Pb濃度（≤50 mg/L）培養下的鳶尾在培養初期根系發霉，培養后期菖蒲原有根系表現出輕微腐爛癥狀；在較高Pb濃度（≥100 mg/L）培養下的鳶尾在培養后期根系基本腐爛、發霉，水葫蘆在培養后期有少許根部腐爛、變軟，菖蒲的原有根系在培養10 d左右開始變軟。

圖1 水葫蘆地上部分（A）和鳶尾地下部分（B）受害癥狀對照

2.3 植物對重金屬鉛的積累量

2.3.1 單一污染時植物對重金屬鉛的積累 對植物體中鉛含量的測定結果（表2）表明，不同種類的植物對鉛的富集、吸收能力不同。通過對植物中的Pb2+積累濃度與水體中的Pb2+濃度進行一元線性回歸分析可知，水葫蘆、鳶尾、菖蒲地下部分中的Pb2+積累濃度隨著水體中的Pb（NO3）2濃度的增加而增加，也都呈顯著正相關。由表2分析可知，各種植物對Pb2+的富集量的大小順序是：水葫蘆＞鳶尾＞菖蒲，這說明植物種類不同對Pb2+的富集量大小有很大的差異；各個植物的每個濃度下，地下部分重金屬Pb2+的富集量遠大于地上部分的富集量。

與前人研究提出的植物中有毒重金屬元素的毒性閾值相比，該實驗中水葫蘆和鳶尾兩種樣品體內Pb的質量分數均超出Pb元素的植物毒性閾值（100-400 mg/kg）［7］，尤其是水葫蘆體內鉛的質量分數是毒性閾值的3倍。

2.3.2 復合污染情況下Zn對Pb的影響 本研究將Pb-Zn復合污染與Pb單一污染條件下水葫蘆的生長狀態進行對比，復合污染情況下生長的水葫蘆較早的表現出了葉片變黃、起斑、根部腐爛等現象，并且隨著鋅添加濃度的增加，水葫蘆的受害現象愈加嚴重。Pb2+與Zn2+聯合毒性均為協同，即其聯合作用增加了對水葫蘆的毒性

表2 培養40 d后3種濕地植物不同組織中重金屬元素的質量分數（μg/g干重）

將復合污染處理中得到的植物體內重金屬濃度與單一污染處理中得到的植物體內重金屬濃度相比，得到一個比值Kpb。Kpb值與1比較表征了Zn的濃度對水葫蘆吸收Pb的影響，在鋅濃度小于100 mg/L的濃度范圍內Kpb的變化趨勢如圖2所示，在一定Zn濃度范圍內Kpb＜1表明抑制了植物對鉛的吸收，表現為拮抗作用；超過這個濃度范圍Kpb＞1表明促進了植物對鉛的吸收，表現為協同作用；在鋅的濃度為50 mg/L左右時Kpb值在1附近，表明該鋅濃度附近對水葫蘆吸收鉛的影響最小。

2.3.3 富集能力比較 植物和土壤間的富集系數是植物灰分中某物質的濃度與其所生長的土壤中該物質濃度的比值，即植物灰分中某物質的含量與土壤中該物質含量的比值。由表3可知，水體中鉛濃度不同時，植物各器官的鉛富集量和富集系數因植物種類的不同而有變化。水葫蘆的富集系數最大值出現在鉛濃度為10 mg/L，而后隨濃度的增大而減?。惠牌训母患禂底畲笾党霈F在鉛濃度為5 mg/L，而后隨濃度的增大富集系數呈現波動狀態，沒有固定的趨勢；鳶尾的富集系數最大值出現在鉛濃度為100 mg/L；在各個濃度階段水葫蘆的富集系數最大。

圖2 不同鋅濃度下植物體內鉛的濃度值

當水體濃度較低時，植物體中的鉛含量與富集系數隨水體中鉛濃度的增加而增加，但當水體鉛濃度較高時，植物體的鉛富集系數反而減少，例如鳶尾的地上部分，隨著水體鉛濃度由0 mg/L增加到100 mg/L，鉛富集系數相應增加，但當水體鉛濃度達到500 mg/L時，鉛的富集系數明顯減少，鳶尾是3種植物中受害最為嚴重的植物，到最后根部全部變軟腐爛葉子全部變黃，并且沒有新芽長出。

隨著水體鉛濃度的增加，植物體鉛富集量也相應的增加，包括水葫蘆、菖蒲，但富集系數卻有下降的趨勢。這說明植物對鉛的吸收是有一定限度的，這可能與鉛進入植物體后較穩定、很少轉運有關，同時也有可能與鉛對植物的毒害作用有關［8］。

在含有50 mg/L Pb2+的培養液中加入不同濃度的Zn2+，與空白組相比較水葫蘆地下部分對Pb的富集系數明顯減小，Zn的存在抑制了Pb的吸收（表4）。

表3 溶液培養下不同濃度鉛污染對植物鉛富集系數的影響

表4 添加不同濃度Zn情況下水葫蘆對Pb的富集系數

3 討論

目前重金屬污染的治理方法以物理化學方法為主［9］，而水生植物修復技術是一種更經濟、更高效、更環保的治理技術更是營造濕地景觀和園林水景的重要素材。植物修復在水環境污染控制與修復中具有重要的作用，應用前景十分顯著。

本研究對比了3種水生植物對鉛的富集能力及抗性。有研究表明［5］隨著水體濃度較低時，植物體中的鉛含量與富集系數隨水體中鉛濃度的增加而增加，但當水體的鉛濃度較高時，植物體的鉛富集量反而變小，本研究得出的結論與該結論相符。該實驗的3種植物在每個濃度下，地下部分重金屬Pb2+的富集量遠大于地上部分的富集量，說明有Pb2+被植物的根部吸附，并且鉛進入植物體后主要聚集在鉛的吸收器官——根部［10］。根據文獻［11-13］，重金屬主要與根皮層細胞壁結合，這可以看作是植物解毒的一種形態生理學機制，用低代謝活動將金屬限制在細胞區室，還有學者認為進入根部以后與細胞中過剩的非蛋白質性物質結合成絡合物，大部分被束縛在根部，很少向其他器官轉移［5］；Beckett等［14］提出植物體內的鉛含量大于27 mg/kg便會產生毒性，該實驗的3種水生植物樣品中的鉛含量均遠遠超過該閾值。植物對有毒重金屬元素的抗性是指植物能夠在有毒重金屬元素質量分數較高的環境中存活而不出現生長率下降或死亡等毒害癥狀，并且植物對有毒重金屬元素的抗性可以通過避性和耐性兩種途徑獲得；高志勇等［15］曾表明水葫蘆、浮萍屬植物、水芹菜、蒲草屬植物等具有降低廢水Cd、Hg和Pb含量的優勢。該實驗結果得出水葫蘆的富集系數和富集量最大，且對鉛污染的抗性較強，是各個濃度含鉛廢水的理想的凈化植物。

在國外，應用人工濕地處理含重金屬的廢水已有大量研究和較多的實例。如Nuruzzaman［16］等人利用人工濕地來工藝技術設施處理廢水中的銅污染，結果表明該人工濕地對廢水中銅的去除率高達70.9%；Kamarudzaman等［17］在實驗室中建立人工濕地模型來種植黃澤，用以處理垃圾滲濾液中的重金屬Fe和Mn，最終鐵和錳的去除效率分別高達99.2%-91.5%和99.8%-94.7%?？偨Y來看，目前國外在這方面的研究很廣泛，且重金屬去除率都能達到90%以上，又由于植物受環境變化影響大，夏天溫度過高、冬天寒冷結冰時都不利于植物生長，因此要進行植物品種間合理搭配的深入研究，這樣才能夠保證濕地系統更加穩定。

4 結論

本研究發現，在各個濃度條件下，水葫蘆的富集系數和富集量最大，且對鉛污染的抗性較強，富集量的大小關系為水葫蘆＞鳶尾＞菖蒲；3種植物相比較菖蒲具有一定的抗性，且生命力頑強；鳶尾具有一定的吸收和富集能力，且根系較發達，但抗性很弱，在低濃度時鳶尾對鉛的富集效果強于菖蒲。Pb-Zn復合污染增大了對水葫蘆的毒性，使得水葫蘆的長勢相比單一污染中的長勢較差，且影響程度與鋅的濃度有關。

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（責任編輯 李楠）

Research on the Resistances of Several Kinds of Hydrophyte to Lead in Hydroponic Condition

JI Mei-chen1ZHANG Ji-quan1PENG Yue2MA Qi-yun1
（1. Natural Disaster Research Institute，School of Environment，Northeast Normal University，Changchun 130024；2. College of Chemistry & Environment Protection Engineering，Southwest University for Nationalities，Sichuan 610041）

Hydrophytes absorbs and accumulates heavy metals and purifies the environment，therefore，owns high aesthetic and economic values. This study provided an important reference value for the selection of plant species for phytoremediation of heavy metal Pb pollution. This experiment selected 3 common hydrophytes called Iris tectorum Maxim，Acorus calamus L.，Eichhornia crassipes（Mart.）Solms to study their resistance capacities to Pb2+in different concentrations of Pb（NO3）2waste by using hydroponics. Then the effect of Zn2+on the absorption of Pb2+by water hyacinth was tested under the lead and zinc multiple-contamination. The results showed that the water hyacinth to higher concentration of Pb（NO3）2waste water presented a certain resistance，in the low and middle concentration of waste A. calamus showed better resistance，and followed by I. tectorum Maxim. Under the multiple-contamination condition，synergistic effect and antagonistic effect between lead and zinc in E. crassipes（Mart.）Solms were respectively observed in the terms of uptake in different range of concentration. Different plant tissues absorbed and accumulated the Pb differently. Moreover，the heavy metal content in the aboveground of 3 hydrophytes was higher than that in the underground part. The metastasis ability of lead inside plants was not obvious，thus they do not belong to hyper accumulator. Therefore，these 3 hydrophytes are not suitable for treatment of high concentration wastewater containing lead.

heavy metal；hydrophyte；Pb2+；multiple-contamination；resistance

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017-0199

2017-03-16

國家重大水專項（2014ZX07201-011-002）

紀美辰，女，碩士研究生，研究方向：環境風險評價；E-mail：1025274547@qq.com

張繼權，男，博士，教授，研究方向：環境與災害風險評估和管理；E-mail：zhangjq022@nenu.edu.cn