湘江水生植物對三種重金屬的吸收研究

馬明英，曾 杭，徐麗思，伍檢寶，尹建雄，陳 莉

(1.長沙理工大學 水利工程學院，湖南 長沙 410114；2.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114)

湖南是全球極具盛名的“有色金屬之鄉”，湘江流域創造了湖南省75%的生產總值，大部分大、中型企業，尤其是有色金屬和稀有金屬礦藏的開采、冶煉企業在湘江流域齊聚，湘江重金屬污染與地方產業結構直接相關，形成的采選冶煉污染中心區[1]，是導致湘江重金屬污染的最主要原因。

隨著工業的不斷發展以及相關污染的處理設施投入的落后，重金屬帶來的污染問題越來越不容忽視，也已成為環境科學領域中的研究熱點之一。由于重金屬元素具有難降解、易積累、毒性大等特點，還易于被植物富集吸收從而進入食物鏈，進而危害到人類及各種動物的生命健康，因此當湘江的水污染問題日益嚴重時，如何預防和治理湘江的水污染問題是本論文研究的重要問題。傳統的水污染處理方法有生化法、換水法等，缺點是不夠環保，且不夠經濟。由于常規水處理方法有投資大、成本高、工藝復雜等缺點，以及重金屬污染物在水中濃度低等特點，因此國內外學者進而研究一種有效、低廉且簡便易行的水質凈化方法--生物處理法[2]。生物處理法是利用水生植物對重金屬元素的吸附作用進行污水處理的方法。水生植物不僅能在凈化污水方面有很顯著的效果，而且不會造成二次污染，利用水生植物凈化重金屬水污染是一種綠色環保的凈化方式。

本論文以重金屬水體污染較嚴重的湘江長沙河段為研究背景，采集當地種植的水生物種如蓼和水葫蘆，研究水生植物對重金屬元素的吸收降解程度。

1 實驗

1.1 采樣及培育過程

在湖南長沙市湘江一橋左、右兩岸分別設置五個采樣點[3]，每隔十米設置一個采樣點，根據采樣點附近水生植物的種類、位置和密度生長面積，以及當地水草種類，本論文選取水葫蘆和蓼兩種水生植物作為研究對象。采樣基本完整的水生植物100株，為修復在運移過程中受損的根系，需在清洗后移入清水中培養3天。將修復完整的水生植物移入標準營養液中進行為期一周的適應性培養，用于試驗。實驗前植物樣品先用3%的稀鹽酸和2%的漂白粉浸洗1～2min，以確保沒有殘留物和微生物的存在，然后用去離子水沖洗3次。

1.2 試劑和儀器

試劑：使用純試劑Cu(NO3)2、Zn(NO3)2、Pb(N03)2配制成濃度為4 mg/L的標準溶液。

儀器：火焰原子吸收光譜儀(AA-6800)、電子分析天平、容量瓶、量筒、燒杯、移液管、吸管、試管等。

1.3 實驗步驟

實驗場地：考慮光、風雨等自然條件對植物吸收的影響，本實驗在室內光線充足的實驗場地進行[4]。培養器皿使用3L的紅色塑料桶[5]。本實驗設置3組重復實驗組A、B、C，以實驗組A為例，針對蓼和水葫蘆兩種水生植物，分別標注為A1組(蓼)和A2組(水葫蘆)，實驗組A共設置8個3 L的紅色塑料桶，其中6桶均盛裝含霍格蘭營養液、濃度為2～5 mg/L的重金屬離子溶液的2L水樣。其中2桶只含污染物重金屬離子Cu，分別標注為A11和A21；2桶只含污染物重金屬離子Zn，分別標注為A12和A22；2桶只含污染物重金屬離子Pb，分別標注為A13和A23；余下2桶為空白對照組，盛裝的是含霍格蘭營養液的2L水樣(目的為對比有重金屬離子的條件下，植物的生長狀況)，不含任何重金屬污染元素，分別標注為A14和A24。因此，以A11為例，其中第一個字母A表示實驗組分類(A組)，第二個數字1表示研究的水生植物種類(蓼)，第三個數字1表示研究的重金屬離子水樣類別(Cu)。

重復實驗組B和C，以實驗組A一樣的方式進行命名展開實驗。具體實驗組列表見表1。

表1 3組重復實驗列表

盡量保證各組處理的塑料桶在實驗室的安放位置一致，保證采光、通風條件的大體一致性。自植物移入實驗組和空白組的小桶當中起，培養過程中每隔2日補充一定量的蒸餾水以彌補蒸發水分，保證各桶內的水位(水位線在注水時已經提前用馬克筆標記)[6]，保證水生植物的生長環境。每隔一日檢查是否有死亡枯萎的植物，若有，及時將死亡枯萎的植物移出水面，盡量減少二次污染。

1.4 測定

1.4.1 植物生理指標測定

水生植物的株高、根長、根數、鮮重、干重等生長指標，用米尺測量長度，電子天平秤測質量，確保生理指標一致。

1.4.2 溶液中重金屬含量的測定

水樣經過濾、稀釋，按《水和廢水監測分析方法》用火焰原子吸收光譜儀(AA-6800)測定Cu、Zn、Pb重金屬離子含量。測定原始重金屬離子含量，并每隔5日、8日后測定重金屬離子含量。

1.4.3 實驗數據分析

針對A、B、C組實驗，記錄每組實驗的每個器皿相對應的數據，測量相應組數據。根據這三組實驗組數據，利用Microsoft excel進行分析，計算每一種重金屬被同一種水生植物吸收降解的程度。

2 結果與討論

2.1 水生植物對重金屬離子的吸收率

A組實驗，其測定的重金屬離子含量見表2。

表2 A組實驗重金屬離子含量結果

注：植物培育適應過程中，其實驗鮮重相差正負3 g，在實驗合理范圍內。

以A組實驗數據為例，分析過程如圖1。圖1為蓼和水葫蘆降解后重金屬離子濃度變化折線圖。

圖1 A組實驗蓼和水葫蘆對重金屬元素吸收變化圖

由圖1表明，經蓼和水葫蘆兩種水生植物降解吸收后重金屬離子濃度直線下降，水生植物對高濃度的重金屬溶液吸收效果十分顯著，但是當濃度低到一定程度時，重金屬離子濃度卻有上升趨勢，即吸收效果開始有一定的下降。根據圖中，可以看出在蓼對Cu和Pb以及水葫蘆對Cu和Zn的吸收過程當中出現了第二次測量結果高于第一次測量的結果的現象，由于在試驗過程當中嚴格控制各實驗組當中的外來物(主要是重金屬元素)的混入，植物對此溶液中的重金屬吸收達到極限，出現析出現象。

保持各重金屬濃度和水生植物鮮重的比值不變，重復以上實驗，分別為B組、C組，其測定的重金屬離子含量分別見表3、表4。

表3 B組實驗重金屬離子含量結果

表4 C組實驗重金屬離子含量結果

分析方法同A組實驗分析一致，經分析B、C重復實驗組和A組重復實驗組的實驗結果趨勢大體一致，表明實驗結果合理且實驗具有可重復性。

將A、B、C三組重復實驗數據取平均值，圖2為蓼和水葫蘆降解后重金屬離子濃度變化折線圖。

(a)蓼對重金屬元素吸收變化 (b)水葫蘆對重金屬元素吸收變化

圖2 蓼和水葫蘆對重金屬元素吸收變化趨勢(三組實驗取平均值)

基于表2～4，圖3為兩種水生植物對三種重金屬元素的吸收率對比圖(吸收率以A、B、C三組5日后測得的濃度的平均值作為吸收最低點進行計算)，分析蓼和水葫蘆對三種重金屬元素的吸收率。蓼對重金屬元素吸收效果：蓼對銅的去除率達98%以上，對鉛的去除率為99%，表明蓼對銅和鉛的吸收效果非常顯著，能有效去除污水中絕大多數的銅和鉛，而對鋅的去除率最高為83%，可見蓼對鋅污水的凈化效果稍微減弱。水葫蘆對重金屬元素吸收效果：同一實驗條件下，用水葫蘆進行的實驗數據中，水葫蘆對銅和鉛的去除率分別可達94%和98%以上，因此水葫蘆可對這兩種重金屬污水有較好的凈化效果。和蓼一樣，水葫蘆吸收鋅的能力較弱，去除率最高不到75%。

圖3 蓼、水葫蘆對不同重金屬元素的平均吸收率

由圖3可得：在銅和鉛中，蓼和水葫蘆對鉛的凈化效果最為顯著。在實驗組中，水葫蘆對銅的去除率最高只有94%，所以蓼對銅的凈化強于水葫蘆。由于在蓼對鋅凈化的三個實驗組中，凈化效果最差的去除率也高于83%，故而對鋅的凈化效果也比水葫蘆好。雖然蓼和水葫蘆對鉛的去除率均很高，普遍為98%左右，但在蓼凈化效果最好的實驗組中，凈化率高達99.4%，故可認為蓼對鉛的吸收能力高于水葫蘆。

以上蓼、水葫蘆兩種水生植物對不同重金屬元素的富集作用實例，測量結果表明，所測植物對不同重金屬元素的富集作用都不盡相同，說明植物對重金屬元素的富集作用具有不同的選擇性。所以在重金屬污染段可以根據所含有的重金屬元素的種類及含量選取相應的水生植物配合種植，輔助治理污染河段。

2.2 實驗過程影響分析

重金屬在天然水體中的含量是很低的，一般在0.03 mg/L左右但由于冶金、電鍍、機器制造、金屬加工、油漆顏料及紡織工業等廢水中重金屬Cu、Zn、Pb含量很高，而又未處理或輕度處理就排入水體之中，因此，水體中的重金屬含量增加。基于測量湘江長沙河段的原水體重金屬濃度，故實驗濃度采用接近原水體重金屬濃度(介于重金屬濃度最大值和最小值之間)。實驗設置的重金屬濃度為2～5 mg/L，比實際污染河段重金屬含量擴大的10倍左右。在實驗過程中，河段水生植物吸收降解重金屬污染，若本身自然死亡不及時進行清理，河段水體依然存在相應的重金屬污染。故清理腐爛的水生植物，能有效防止重金屬再次污染水體[7]。

一般情況下，河段環境質量評價主要通過水質的衛生指標和污染物指標來體現。然而，由于水特有的流動性和稀釋擴散能力，水體中污染物(包括重金屬)的含量測量受測量地點、測量時間和工業排放能力等各種因素的影響，采集數據有很大的不確定性。相比水生植物，其固定的生長地點，在一定程度上提供短時間或稍長時間的客觀檢測數據。

3 結論與展望

本論文水生植物對重金屬吸附能力的實驗研究表明，水葫蘆和蓼兩種水生植物對銅、鋅、鉛三種重金屬元素均有不同程度較好的吸附能力，表明湘江長沙河段水生植物對重金屬水體污染有較好的凈化作用，也可為其他河流或河段重金屬污染提供科學合理的污染處理方式。并且在重金屬污染段可以根據所含有的重金屬元素的種類及含量選取相應的水生植物配合種植，輔助治理該河段，以達到減少水污染的目的。

不同種類的水生植物差異、同種水生植物不同植株的差異，采樣時間、植株培養環境條件的微小差異，在一定程度上可能對實驗結果產生不可控的客觀條件影響[8]。此次實驗針對整體性水生植物凈化重金屬污染的考察，為湘江重金屬污染生物處理工作提供一定的科學參考和依據，但針對某一特性的研究有待進一步的觀察研究。

[1]黃敦利.湘潭市湘江流域重金屬污染治理研究[D].南寧:廣西師范大學,2017.

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[4]史冬斌,張啟盟,吳 翠,等.松花江濕地植物對重金屬降解的實驗研究[J].黑龍江科技信息,2013(4):20.

[5]邱樹敏.水芹和菖蒲對Pb-Cd污染水體的凈化與修復試驗研究[D].贛州:江西理工大學,2010.

[6]張漢軍.人工濕地水生植物污水處理方面的應用研究[J].現代園藝,2016(23):92-93.

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(本文文獻格式：馬明英，曾杭，徐麗思，等.湘江水生植物對三種重金屬的吸收研究[J].山東化工,2018,47(7):161-164.)