4種園林植物修復河道疏浚底泥中重金屬污染的試驗研究

楊 丹， 劉 燕， 劉 勇

(貴陽學院生物與環境工程學院，貴州貴陽 550002)

隨著城市化進程的加快及工業的迅猛發展，河流、湖泊等受到了不同程度的污染，污染物沉積在底泥中，當環境條件發生變化時又重新釋放到水體中。環保疏浚是減少水環境污染和改善水質的重要途徑[1]。但疏浚和清淤產生的疏浚底泥中含有一定量的重金屬、有機物等污染物質，傳統的脫水、堆置等處理方法可能造成土壤和地下水污染，因此疏浚底泥的合理處置顯得尤為重要[2]。底泥重金屬污染已成為世界性問題[3-4]。目前國內外河道及湖庫底泥的重金屬污染治理有物理修復、化學修復、生物修復以及3種技術聯合，其中物理和化學修復方法日漸成熟，但由于物理修復經濟成本較高，化學修復易帶來二次污染等問題，其應用仍受到一定限制[5-6]。植物修復是利用植物通過吸收、沉淀、富集等作用降低底泥中的重金屬含量，相比處理成本昂貴的物理、化學修復技術，植物修復技術可以通過吸收、提取、遷移等過程將污染物從底泥中轉移，是處理疏浚底泥中重金屬污染的新興技術[7-8]。

南明河屬烏江水系，全長118 km，橫貫貴州省貴陽市城區，從20世紀90年代開始因受生活污水和工業廢水排污影響，水環境惡化，污泥淤積嚴重[9]，從2001年開始治理，主要采用環保疏浚清除水底淤泥，削減水體內源性污染物的釋放量[10]。有研究表明，南明河河道疏浚出的底泥存在不同程度的重金屬污染[11]，目前底泥是經脫水、干化后送至填埋場處理[12]，尚無針對南明河河道疏浚底泥重金屬污染的植物修復相關研究報道。因此，為研究植物修復重金屬污染河道疏浚底泥的潛力，選取4種生長適應性強、生長速度快、生物量大、養護成本低、具有景觀效果的園林植物為研究對象，對河道疏浚底泥中重金屬的吸收、分布及修復效率進行分析，為重金屬污染河道疏浚底泥的植物修復提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試底泥為貴州省貴陽市南明河水口寺河段河道疏浚底泥，pH值為7.6，全Cu含量179.64 mg/kg，全Zn含量 219.03 mg/kg，全Cd含量7.15 mg/kg，全Pb含量 58.28 mg/kg。 供試植物為綠蘿 (Epipremnumaureum)、 吊蘭

(Chlorophytumcomosum)、吊竹梅(ZebrinapendulaSchnizl)、花葉萬年青(DieffenbachiapictaLodd.)，均為生長1年的植株，購自貴陽市花鳥市場。

1.2 試驗方法

本試驗為盆栽試驗，試驗地點為貴陽學院實驗溫棚。河道疏浚底泥自然風干過2 mm篩，裝入高20 cm、內徑15 cm的塑料花盆，每盆裝泥2.5 kg，用去離子水調至70%左右持水率，每盆移栽5株植株，每種植物3次重復，種植時間60 d。

1.3 底泥和植物樣品測定

底泥樣品處理：種植植物前，取自然風干底泥磨碎，測定pH值時過1 mm篩，電位法測定[13]；測定重金屬含量時過 0.15 mm 篩，用HNO3-HF消解后采用AA-7000原子吸收分光光度法測定全量Cu、Zn、Cd、Pb含量[13]。植物收獲后花盆中底泥上、下層土壤混勻后自然風干，用四分法取約100 g磨碎，過0.15 mm篩，HNO3-HF消解后采用AA-7000原子吸收分光光度法測定種植植物后底泥中上述4種重金屬含量。

植物樣品處理：植物生長60 d后收獲，用自來水沖洗，根部土壤洗凈后再用去離子水清洗，濾干水分后將地上部分與地下部分分開，105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒質量。植物樣品烘干研磨后過0.20 mm篩，HNO3-HCl O4消解后采用AA-7000原子吸收分光光度法測定后植物中Cu、Zn、Cd、Pb含量[13]。

1.4 數據分析

數據經Microsoft Excel 2010統計分析后，采用OriginPro 8.5制圖。

2 結果與分析

2.1 河道疏浚底泥中重金屬含量

由表1可知，南明河水口寺河段河道疏浚底泥中全量Cu、Zn、Cd、Pb等重金屬含量均高于貴陽市土壤背景值；與GB 15618—1995《土壤環境質量標準》中自然背景值相比，底泥中全量Cu超標4.13倍，全Zn超標1.19倍，全Cd超標34.75倍，全Pb超標0.67倍。可見，河道疏浚底泥中Cu、Zn、Cd、Pb等重金屬均存在不同程度的污染，其中Cd污染最嚴重。

表1 河道疏浚底泥及土壤環境中重金屬含量

2.2 植物體內重金屬含量分布

由圖1可見，重金屬含量在4種植物中的分布狀況各不相同。植物體內Cu積累總量最高的是綠蘿，達到 147.60 mg/kg，積累含量最低的是吊竹梅，為59.52 mg/kg；Zn積累總量最高的也是綠蘿，為176.81 mg/kg，最低的是花葉萬年青，為86.09 mg/kg。Cd在4種植物體內的積累含量差異不大，為2.80～4.52 mg/kg，積累含量最高的是綠蘿，最低的是花葉萬年青和吊竹梅，分別為2.80、2.93 mg/kg；吊竹梅中積累的Pb含量最高，達31.92 mg/kg，綠蘿積累的最低，為24.83 mg/kg。一般植物體內積累的Cu含量為0.4～45.8 mg/kg，Zn含量為1.0～160.0 mg/kg，Cd含量為0.2～3.0 mg/kg，Pb含量為0.1～41.7 mg/kg[16]，可見4種植物對于重金屬Cu的積累能力均高于一般植物；另外，綠蘿對于重金屬Zn和Cd的積累能力、吊蘭對于Cd的積累能力也高于一般植物。

從重金屬Cu、Zn、Cd、Pb在4種植物體內的分布來看，綠蘿地上部分Cu和Zn的積累量都大于地下部分，吊蘭地上部分Cd的積累量都大于地下部分，其余均為地下部分重金屬的積累量高于地上部分，可見大部分植物根系對重金屬的吸收和積累能力較強[17-18]。4種植物對Pb的積累都集中在根部，這與棕竹、宛田紅花油茶、地瓜榕，以及劍麻、波斯菊、鳶尾等園林植物積累Pb 主要在根部的研究結果類似[19-22]。

2.3 植物對重金屬的富集和轉移特征

富集系數(bioacuumulation factor，BCF)是反映植物將重金屬吸收到體內植物中的能力的指標[8]，通常是指植物體內地上部分積累的元素含量與底泥中該元素含量的比值。雖然不同植物對重金屬Cu、Zn、Cd、Pb的富集系數均小于1(表2)，說明綠蘿、吊蘭、吊竹梅、花葉萬年青等4種植物都不滿足重金屬富集植物特征，但4種植物對各種重金屬均表現出了一定的富集效果。綠蘿對Zn的富集系數大于0.5，對于修復Zn污染是一種潛在的優勢植物。

重金屬在植物體內的積累與分布還跟植物對重金屬的耐性機制有關，轉移系數(translocation factor，TF)定義為植物地上部分某種重金屬含量與其地下部分該重金屬含量的比值，是間接衡量植物對重金屬耐性的指標，反映了重金屬在植物體內的分配比例，以及植物向地上部分遷移重金屬的能力[23]。4種植物對各種重金屬均表現出了一定的轉運效果。由表2可知，不同植物對重金屬Cu、Zn、Cd、Pb的耐性差異較大。綠蘿對Cu和Zn的轉移系數，以及吊蘭對Cd的轉移系數均大于1，說明綠蘿能較容易地從地下部分向地上部分遷移Cu和Zn，對Cu和Zn表現出較強的耐性，具有提取Cu和Zn的潛力；吊蘭對于Cd具有較強的耐性，對Cd具有植物提取的潛力。其余植物對重金屬Cu、Zn、Cd、Pb的轉移系數均小于1，可能是由于植物的自身排斥機制，阻止重金屬元素由根部向地上部分運輸[18]。

2.4 植物對重金屬的修復效率

植物對重金屬的修復效率是指種植植物前后河道疏浚底泥中重金屬含量的變化與種植植物前底泥中重金屬含量的比值。由表3可知，種植綠蘿、吊蘭、吊竹梅和花葉萬年青后，底泥中Cu、Zn、Cd、Pb含量均有不同程度的降低。4種植物對河道疏浚底泥中Cu的修復效率為22.1%～55.3%，其中綠蘿的修復效率最高，達到55.3%；4種植物對底泥中Zn的修復效率為26.9%～45.0%，綠蘿的修復效率最高，為45.0%；4種植物對底泥中Cd的修復效率為12.7%～23.5%，對Pb的修復效率差異不大，為25.4%～27.9%。

表2 不同植物對河道疏浚底泥中重金屬的富集系數和轉移系數

表3 不同植物對河道疏浚底泥污染的重金屬修復效率

注：“濃度”指的是種植植物后測得底泥中的重金屬濃度。

3 討論與結論

本研究結果表明，南明河水口寺河段河道疏浚底泥存在不同程度的Cu、Zn、Cd、Pb等重金屬污染，謝輝等對貴陽市南明河城區底泥中重金屬含量特征的研究[11]也得到相同結論。綠蘿、吊蘭、吊竹梅和花葉萬年青移栽到重金屬污染底泥中后均能正常生長，說明這4種植物對重金屬Cu、Zn、Cd、Pb具有一定的耐受性。有研究表明，吊蘭對Cu、Zn、Cd、Pb等重金屬具有較強耐受性[24-25]。從植物對重金屬的吸收方面來看，4種植物中，綠蘿對Cu、Zn和Cd的吸收能力最強，但對Pb的吸收能力較弱；吊竹梅的對Cu的吸收能力、花葉萬年青對Zn的吸收能力較弱，且這2種植物對Cd的吸收能力差異不大，均相對較弱；吊竹梅對Pb的吸收能力較強；另外，吊蘭對Cd也具有較強的吸收能力，這與王友保等的研究結論[26]一致。從重金屬在植物體內的分布來看，綠蘿吸收的Cu和Zn，以及吊蘭吸收的Cd主要分布在地上部分，說明綠蘿對Cu和Zn表現出較強的耐性，吊蘭對于Cd具有較強的耐性，Cu和Zn能較容易地從綠蘿的地下部分向地上部分遷移，Cd能較容易地從吊蘭的根系向莖葉遷移，吳丹等的研究也發現吊蘭對Cd的耐受性較強[27]。其余植物吸收的其他重金屬主要分布在根系中，可能是由于植物根系啟動了適應重金屬的忍耐機制，將重金屬元素滯留在根系，避免向上運輸，毒害植物地上部分的生長[18]。

冉建平研究植物對污泥中重金屬的修復，結果表明，吊蘭對重金屬的富集能力大小為Cd>Zn>Pb>Cu[24]，本研究中吊蘭對上述重金屬的富集系數結論與之相一致。從4種植物對Cu、Zn和Cd的富集系數來看，綠蘿、吊蘭、吊竹梅和花葉萬年青都不具備富集植物特征，但綠蘿對于Zn的富集系數超過了0.5，且綠蘿根系發達，生長適應性較好，繁殖較快，短時間內能積累較高的生物量，是值得關注的Zn污染修復優勢植物。綠蘿、吊蘭、吊竹梅和花葉萬年青對重金屬的轉移能力也各不相同，其中綠蘿對Cu和Zn的轉移系數、吊蘭對Cd的轉移系數均大于1，說明綠蘿和吊蘭具有通過收獲其地上部分將底泥中重金屬Cu、Zn和Cd轉移的潛力。

種植綠蘿、吊蘭、吊竹梅和花葉萬年青后，河道疏浚底泥中重金屬Cu、Zn、Cd、Pb的含量均有不同程度的降低，說明4種植物對河道疏浚底泥的重金屬污染具有一定的修復作用；其中，綠蘿對Cu和Zn、吊竹梅對Zn的修復效率相對較高，說明綠蘿對Cu和Zn污染具有較強的修復潛力，吊竹梅對Zn污染具有較強的修復潛力。

綜上所述，南明河水口寺河段河道疏浚底泥存在一定程度的Cu、Zn、Cd、Pb重金屬污染，綠蘿、吊蘭、吊竹梅和花葉萬年青在試驗期內生長正常，未呈現重金屬污染毒害作用，說明4種植物對重金屬污染河道疏浚底泥具有較好的耐性。其中，綠蘿對Cu、Zn和Cd的積累總量最高，吊竹梅中積累的Pb含量最高；綠蘿中積累的Cu和Zn、吊蘭中積累的Cd主要分布在莖葉中，其余植物積累的重金屬主要分布在根系中。綠蘿、吊蘭、吊竹梅和花葉萬年青雖然未達到重金屬富集植物標準，但對各種重金屬均表現出了一定的富集效果和轉運效果，綠蘿對Cu和Zn的富集效果和轉運效果最好，吊蘭對Cd的轉運效果最好，具有通過收獲其地上部分將底泥中重金屬Cu、Zn和Cd轉移的潛力。

因此，4種植物對河道疏浚底泥的重金屬污染均表現出一定的修復作用，其中綠蘿對Cu和Zn的修復效率較高，吊竹梅對Zn的修復效率較高。綜合4種園林植物對重金屬的耐性、吸收總量、富集和轉運特征，以及修復效率，除花葉萬年青外，綠蘿、吊蘭和吊竹梅對重金屬污染河道疏浚底泥的修復具有一定的修復潛力，為河道疏浚底泥的植物修復提供了一定參考。

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