沉水植物菹草對含鉻廢水的修復實驗設計

王愛麗, 王 芳, 商書波, 李春輝, 王文強, 張存蘭

(德州學院 化學化工學院, 山東 德州 253023)

實驗教學是環境工程專業教學中十分重要的一個環節,通過理論和實踐的結合、知識和能力的結合,有效提升學生的實踐能力和創新意識[1-3]。在實驗教學中引入學科前沿,可以引導學生更加有效地學習和運用基礎知識,感受學以致用的樂趣,激發創新思維,培養創新能力[4-5]。

近年來,利用水生植物凈化水體的濕地研究得到了人們的重視,菹草是一種特殊的冬春季生活型水生植物,一般在4—5月開始繁殖,形成無性繁殖器官(石芽),6月起本體逐漸衰退腐爛。由于菹草莖葉發達,生物質比表面積較大,菹草的存在能有效去除水中的重金屬和有機污染物[6-9]。了解水生植物修復受污染水體的方法,有利于環境工程專業學生認識學科發展前沿、提升科研創新能力。

1 實驗材料與方法

1.1 材料

實驗所用沉水植物菹草采自德州市岔河,將采集到的菹草帶回實驗室用水沖凈,于采集的河水中培養。

1.2 實驗設計

實驗選用容積4 L的玻璃培養缸進行菹草的培養,向玻璃培養缸中分別加入4 L質量濃度分別為0.1、0.2、0.5、1.0 mg/L的Cr(Ⅵ)水溶液,平行做4份,每個玻璃培養缸中分別投放菹草鮮重為0、4、8、16 g,使菹草的濃度分別為0、1、2、4 g/L,不放菹草的作為空白對照。實驗在自然環境下進行,實驗過程中及時添加蒸餾水，補充由于蒸發損失的水分。實驗共7 d,實驗結束后測定各項指標,包括水中Cr(Ⅵ)濃度、菹草生物量及菹草中Cr(Ⅵ)濃度,并計算植物富集系數。

1.3 測定方法

水中Cr(Ⅵ)的測定采用二苯碳酰二肼分光光度法[10]。待測菹草樣品用去離子水洗凈，在烘箱中65 ℃烘干至恒重；將樣品粉碎后,60目的篩子過篩,置5 mL濃硝酸中過液,然后經200 ℃加熱10 min,冷卻；再加入濃硝酸和高氯酸的混合酸(體積比3∶1)10 mL,加熱置濃白煙產生后再蒸干；冷卻后用0.1 mol/L的硝酸溶解并定容至10 mL[11]。Cr(Ⅵ)的測定與水中Cr(Ⅵ)的測定方法相同。

菹草生物量的測定采用稱重法,以濕重計。

2 結果討論

2.1 菹草對Cr(Ⅵ)的去除

為了研究菹草對不同的Cr(Ⅵ)濃度的去除率,選取了4個Cr(Ⅵ)質量濃度進行實驗,同時還做了菹草的添加量對Cr(Ⅵ)去除的影響,實驗結束后,測得的Cr(Ⅵ)質量濃度和去除率見圖1。

圖1 菹草對Cr(Ⅵ)的去除

由圖1可知：在Cr(Ⅵ)質量濃度相同的條件下,隨著菹草添加量的增加,菹草對水中Cr(Ⅵ)的吸附和吸收增加；水中Cr(Ⅵ)的質量濃度降低,菹草對Cr(Ⅵ)的去除率增加,在Cr(Ⅵ)質量濃度為0.1 mg/L、菹草投加量為16 g時,菹草對Cr(Ⅵ)的去除率為67%；但Cr(Ⅵ)質量濃度不同,菹草添加量相同時,隨著Cr(Ⅵ)質量濃度的增大,菹草對Cr(Ⅵ)去除率減小；在Cr(Ⅵ)質量濃度為1.0 mg/L、菹草投加量為4 g時,菹草對Cr(Ⅵ)的去除率為9.9%,菹草投加量為16 g時,菹草對Cr(Ⅵ)的去除率為22.5%。

2.2 菹草生物量的變化

實驗結束后取出菹草用吸水紙吸干后稱重,記錄菹草的濕重數據,在不同質量濃度的Cr(Ⅵ)溶液中菹草生物量的變化見圖2。由圖2可知,在不同Cr(Ⅵ)質量濃度中添加相同量的菹草后,菹草的生物量隨Cr(Ⅵ)質量濃度的增加先升高后降低；在0.2 mg/L的Cr(Ⅵ)溶液中菹草的生物量達到最大,這可能是因為在低濃度Cr(Ⅵ)溶液中,Cr(Ⅵ)的存在可能會刺激菹草的生長,使得菹草的生物量增加。在高濃度的Cr(Ⅵ)溶液(如Cr(Ⅵ)濃度為1.0 mg/L)中,高濃度的Cr(Ⅵ)會對菹草造成傷害,使得菹草的生長受到阻礙,最終導致菹草的生物量降低。

圖2 菹草生物量

2.3 菹草內Cr(Ⅵ)含量的變化

不同初始濃度的Cr(Ⅵ)溶液中菹草體內Cr(Ⅵ)含量變化見圖3。由圖3可知：隨水中初始Cr(Ⅵ)質量濃度的升高,菹草中Cr(Ⅵ)的含量逐漸增大；水中Cr(Ⅵ)初始質量濃度相同時,隨著菹草投加量的增大,水中Cr(Ⅵ)的質量濃度降低(見圖1),說明菹草對Cr(Ⅵ)的吸收增大,但菹草的投加量增大,每克菹草內Cr(Ⅵ)的含量減小。

圖3 菹草內Cr(Ⅵ)的含量

2.4 菹草對Cr(Ⅵ)的富集

常用植物富集系數(plant concentration factor,PCF)來反映植物對污染物的富集能力,PCF值越大,富集作用越強。PCF為植物中的污染物濃度(濕重)除以水中污染物濃度。菹草對Cr(Ⅵ)的富集系數見圖4。由圖4可知：隨著Cr(Ⅵ)質量濃度的增加,相同菹草添加量的處理中,菹草對Cr(Ⅵ)的富集系數減小；Cr(Ⅵ)初始質量濃度相同時,隨著菹草添加量的增加,菹草對Cr(Ⅵ)的富集系數降低。

Cr(Ⅵ)不是植物生長的必需元素,而且是危害植物生長的一種重金屬元素,低濃度時即可對植物造成傷害。受重金屬毒害的植物其光合系統、保護酶系統、細胞超微結構等已受到嚴重損傷[12]。重金屬去除的多少主要決定于菹草對重金屬吸附能力的大小。當Cr(Ⅵ)初始質量濃度為0.1 mg/L時,受傷害較輕的菹草富集大量Cr(Ⅵ)；當Cr(Ⅵ)的質量濃度達到0.5 mg/L時,菹草的受害程度加重,對Cr(Ⅵ)的富集能力減弱,表現為水體Cr(Ⅵ)的去除率降低；當Cr(Ⅵ)的初始質量濃度進一步增大時,菹草受害嚴重,主動吸收減弱。

圖4 菹草對Cr(Ⅵ)的富集系數變化

實驗完成后學生以科技論文的形式上交實驗報告。本實驗讓學生充分了解科學研究中從調研、實驗 開展、結果討論到形成科技報告的基本流程,為學生今后從事創新性科研工作提供基礎。

3 實驗教學效果

通過本實驗,使學生了解含鉻廢水的來源及主要的處理方法,了解水生植物的分類及沉水植物菹草的形態、生活習性,掌握水中鉻的測定方法,掌握植物中鉻的提取與測定方法,掌握模擬菹草修復水污染的實驗方法。在具體實施過程中,菹草的葉片顏色發生變化,含鉻廢水的顏色也發生了變化,引起了學生的興趣和熱烈討論。前沿研究中的新方法的引入提升了實驗的新穎性,提高了學生對自身專業的認同感。教學實踐表明,本實驗在提升學生的創新意識和創新能力方面都有良好的效果。 學生還可以通過自主調研設計,將這種水生植物應用到其他水體,如有機物污染的水體。

4 結語

本實驗通過水生植物對受污染水體的修復,實驗設計兼顧學生基本實驗技能訓練和前沿研究引入。實驗內容上采用學生熟悉的鉻的測定, 操作簡單、易于完成,縮小了學生與前沿研究的距離,增強了學生參與科學研究的自信心。實驗中加入了植物中金屬元素的提取測定和植物對金屬的富集系數,內容豐富,結果討論深入,提高了學生綜合分析問題的能力。教學實踐表明,這種研究型實驗較受學生喜愛,不僅鞏固了學生的專業基礎知識,而且提高了學生的科研素養。