水生植物對(duì)灌溉水中鎘去除作用的篩選及機(jī)制研究

李智義 彭亮 宋慧娟 李冰玉 畢軍平

摘要 灌溉水中懸浮態(tài)的鎘被認(rèn)為是湖南省農(nóng)田鎘污染的主要來(lái)源，通過(guò)比較紫背浮萍、美人蕉、狐尾藻和水葫蘆4種典型南方水生植物對(duì)懸浮態(tài)鎘去除的效果，篩選出效果更好的水葫蘆和狐尾藻，進(jìn)一步收集植物根部懸浮物、體系底泥，分析其鎘含量并開(kāi)展機(jī)制研究。結(jié)果表明，4種水生植物中狐尾藻鎘去除效果最佳，去除效率為94.42%。植物對(duì)鎘的去除主要通過(guò)助沉降和吸附，其中沉降部分所占比例最高，根系復(fù)雜的水生生物在去除灌溉水中鎘的方面顯示出良好的性能，狐尾藻沉降部分的鎘含量占81%左右。

關(guān)鍵詞 鎘;懸浮物;水生植物;去除作用;篩選;機(jī)制

中圖分類號(hào) X173? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2022）11-0077-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.11.020

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Screening and Mechanism Research of Aquatic Plants on the Removal of Cadmium from Irrigation Water

LI Zhi-yi1，PENG Liang2，SONG Hui-juan2 et al

（1.Hunan Ecological Environment Monitoring Center，Changsha，Hunan 410014;2.College of Resources and Environment，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128）

Abstract Suspended cadmium in irrigation water is considered to be the main source of cadmium pollution in farmland in Hunan Province.By comparing the effects of four typical southern aquatic plants（ Spirodela polyrrhiza，Canna indica，Myriophyllum spicatum ?and ?Eichhornia crassipes） ?on the removal of suspended cadmium，the ?Eichhornia crassipes ?and ?Myriophyllum spicatum ?with better effects were screened out，and the suspended solids in plant roots and system sediment were further collected，and the cadmium content was analyzed and the mechanism was studied.The results showed that among the four aquatic plants，the removal efficiency of cadmium from ?Myriophyllum spicatum ?was the best，and the removal efficiency was 94.42%.The removal of cadmium by plants was mainly through sedimentation and adsorption，in which the sedimentation part accounts for the highest proportion.Aquatic organisms with complex root systems showed good performance in removing cadmium from irrigation water.The cadmium content in the sedimentation part of ?Myriophyllum spicatum ?accounted for about 81%.

Key words Cadmium;Suspended solids;Aquatic plants;Removal;Screening;Mechanism

近10年來(lái)我國(guó)農(nóng)田土壤污染備受關(guān)注，2014年由環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部牽頭的全國(guó)范圍土壤污染狀況調(diào)查報(bào)告顯示，全國(guó)19%的農(nóng)田土壤受到重金屬污染，其中受到鎘污染的農(nóng)田約有2 600萬(wàn)hm2（超標(biāo)點(diǎn)位率為7%）[1]。Zhao等[1]通過(guò)調(diào)查研究表明，我國(guó)南方稻田中灌溉水的鎘污染是農(nóng)田鎘污染的主要來(lái)源，來(lái)自灌溉水的鎘自農(nóng)田環(huán)境輸入水稻，而富集至稻谷中輸出。通過(guò)食物鏈的生物富集和放大效應(yīng)進(jìn)入人體，鎘中毒會(huì)導(dǎo)致人腎功能紊亂，甚至死亡[2]。

鎘在自然水體中的形態(tài)主要為懸浮態(tài)，通常懸浮態(tài)鎘含量比溶解態(tài)鎘含量大103～106倍[3]。楊舒[4]認(rèn)為Cd在自然水體懸浮態(tài)所占比例為99%。Song等[5]研究發(fā)現(xiàn)自然水體懸浮物中重金屬地質(zhì)累積指數(shù)很高，懸浮物控制著整個(gè)水體環(huán)境中污染物的循環(huán)。關(guān)于水生植物對(duì)水體中懸浮物的助沉降作用和對(duì)水體重金屬的富集作用長(zhǎng)期以來(lái)亦有大量研究，流動(dòng)水體和靜態(tài)水體懸浮物的再懸浮會(huì)明顯受一些水生植物的抑制[6]。水生植物對(duì)重金屬的去除機(jī)理主要有植物吸收[7-9]、根系微生物活動(dòng)[8]、植物富集作用[10]。而水生植物通常是通過(guò)螯合和區(qū)室化等作用來(lái)耐受并吸收富集重金屬[11]。該試驗(yàn)按照湖南省本地生長(zhǎng)、易于繁殖培養(yǎng)、重金屬富集系數(shù)高和根系發(fā)達(dá)的原則，挑選了水葫蘆、狐尾藻、紫背浮萍和美人蕉這4種水生植物，研究其對(duì)模擬灌溉水中鎘的去除情況，分別比較其對(duì)水體中懸浮態(tài)鎘凈化作用，并篩選出去除作用較好的2個(gè)品種，進(jìn)一步開(kāi)展分析試驗(yàn)，探討其去除機(jī)制，以期為使用常見(jiàn)自然水生植物治理水環(huán)境鎘污染技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

四水硝酸鎘、鹽酸、硝酸，純度均為分析純，用水均為超純水（18M Milli-Q）;電子天平、數(shù)顯恒溫鼓風(fēng)干燥箱、721型可見(jiàn)分光光度計(jì)、pH計(jì)、便攜式電導(dǎo)率儀、ICP-OES。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 模擬灌溉水的配制和水生植物培養(yǎng)。先從湖南省長(zhǎng)沙市瀏陽(yáng)河采集自然水，同時(shí)采集河灘泥和流域附近池塘底泥混合備用。隨后按照每10 L水添加50 g河泥混合物配制并振蕩均勻，然后添加四水硝酸鎘至體系鎘濃度為20 μg/L，靜置3 d備用，另備有不添加四水硝酸鎘的模擬灌溉水用于無(wú)外源鎘試驗(yàn)。野外取長(zhǎng)勢(shì)良好的植物水葫蘆、狐尾藻、紫背浮萍、美人蕉，加入采集的瀏陽(yáng)河自然水和河泥混合物，于50 L塑料桶中在室外培養(yǎng)7 d。

1.2.2 沉降試驗(yàn)。

將長(zhǎng)勢(shì)良好且植株完整的水生植物150 g，使用配制好的模擬灌溉水，在帶刻度的5 L燒杯中，于氣溫為25～29 ℃的室內(nèi)進(jìn)行沉降試驗(yàn)，并設(shè)平行試驗(yàn)組和對(duì)照試驗(yàn)組。分別于試驗(yàn)開(kāi)始后1、6、12、24、48、72 h在2 000 mL刻度線處取樣，并用分光光度計(jì)于660 nm波長(zhǎng)處分析，了解懸浮物濃度隨時(shí)間變化的情況。

1.2.3 鎘去除試驗(yàn)。

取長(zhǎng)勢(shì)良好且植株完整的水生植物150 g，然后將其放入帶刻度的5 L燒杯中，加入提前配制好鎘濃度為20 μg/L的模擬灌溉水，混勻靜置，設(shè)3個(gè)平行試驗(yàn)和1個(gè)對(duì)照試驗(yàn)，于氣溫為25～29 ℃的室內(nèi)進(jìn)行。分別于試驗(yàn)開(kāi)始后1、6、12、24、48、72 h在2 000 mL刻度線處取樣兩組樣品，一組樣品通過(guò)王水水浴消解后，用石墨爐法測(cè)量其重金屬鎘的總濃度，另一組樣品先通過(guò)0.45 μm水性濾膜過(guò)濾，之后添加硝酸酸化，利用石墨爐法檢測(cè)其離子態(tài)鎘含量。取樣同時(shí)使用便攜式測(cè)試儀測(cè)量水體中的電導(dǎo)率和pH。

1.2.4 去除機(jī)制研究。為了確定懸浮物的去向，選取在沉降試驗(yàn)和鎘去除試驗(yàn)中效果較好的2種植物，增加無(wú)外源鎘的2號(hào)對(duì)照組（CK2）試驗(yàn)，分別收集去除鎘試驗(yàn)和無(wú)外源鎘試驗(yàn)沉降72 h后的根部的懸浮物、底部底泥，使用烘干稱重法計(jì)算其含水率，隨后使用土樣消解法制樣，利用ICP-OES檢測(cè)樣品的鎘含量，探究懸浮物和鎘的主要去除機(jī)制以及鎘的主要富集點(diǎn)位。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫背浮萍和美人蕉對(duì)懸浮物及懸浮態(tài)鎘的去除作用

從美人蕉和紫背浮萍對(duì)體系中懸浮物和鎘的去除情況（圖1）可以看出，試驗(yàn)開(kāi)始12 h后，美人蕉和紫背浮萍對(duì)體系中的懸浮物顯示出微弱的促沉降作用;美人蕉和紫背浮萍對(duì)懸浮態(tài)鎘的去除沒(méi)有明顯作用;重金屬鎘的去除趨勢(shì)與懸浮物沉降趨勢(shì)基本一致，符合既往研究中灌溉水中的鎘主要為懸浮態(tài)的結(jié)論[2]，也說(shuō)明通過(guò)沉降懸浮物的方法來(lái)去除鎘的思路可行。

從美人蕉和紫背浮萍對(duì)鎘的去除過(guò)程中整個(gè)體系的pH和電導(dǎo)率影響（圖2）可以看出，存在水生生物的體系的pH相比對(duì)照組呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，說(shuō)明水生植物的根系分泌了促沉降的酸性物質(zhì)[7]，電導(dǎo)率相比對(duì)照組存在變化也說(shuō)明2種水生植物在體系中表現(xiàn)出了生物活動(dòng)。

吳紅飛等[12]研究了苦草和伊樂(lè)藻懸浮物再懸浮的阻攔作用，許曉偉等[13]研究了蘆葦和伊樂(lè)藻對(duì)太湖懸浮物再懸浮的影響，這些研究表明，根系發(fā)達(dá)的植物能夠阻攔大量的懸浮物，同時(shí)分泌大量黏性的根系分泌物可以吸附懸浮物。而美人蕉和紫背浮萍的根系不夠發(fā)達(dá)，無(wú)法起到良好的助沉降作用。

2.2 狐尾藻和水葫蘆對(duì)懸浮物及懸浮態(tài)鎘的去除作用 從狐尾藻和水葫蘆對(duì)體系中懸浮物及懸浮態(tài)鎘的去除情況（圖3）可以看出，兩者對(duì)體系中的懸浮物有明顯的促沉降作用，反應(yīng)1 h后，兩者樣品的吸光度分別為0.73、0.72，48 h后整個(gè)反應(yīng)基本達(dá)到平衡，兩者吸光度分別為0.08、0.09;兩者通過(guò)助沉降作用對(duì)鎘的去除均有較為明顯的效果，經(jīng)過(guò)24 h水葫蘆去除效率能夠達(dá)到88.25%，狐尾藻去除效率為94.42%，2個(gè)體系的水鎘濃度均從20.0 μg/L分別下降至2.4和1.1 μg/L，達(dá)到農(nóng)田灌溉水質(zhì)出水標(biāo)準(zhǔn)。

從狐尾藻和水葫蘆對(duì)鎘的去除過(guò)程中整個(gè)體系的電導(dǎo)率和pH影響（圖4）可以看出，電導(dǎo)率隨沉降時(shí)間呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，48 h后狐尾藻體系的電導(dǎo)率趨于穩(wěn)定;而pH隨沉降時(shí)間呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，與電導(dǎo)率趨勢(shì)呈明顯負(fù)相關(guān)，48 h后2個(gè)體系均趨于穩(wěn)定。由此推測(cè)，電導(dǎo)率的上升一方面是因?yàn)閷?duì)電流傳導(dǎo)有阻隔作用的懸浮物被去除;另一方面是由于生物活動(dòng)，如根系分泌有機(jī)酸和共生細(xì)菌硝化作用等[14]，導(dǎo)致pH的下降、陽(yáng)離子濃度升高，故電導(dǎo)率提升。

植物根系環(huán)境復(fù)雜，植物根系的邊界細(xì)胞分泌包括多糖、蛋白質(zhì)、胞外DNA等組成的黏液層，與植物根系本身構(gòu)成了綜合的根系環(huán)境，起到抵御污染物質(zhì)和微生物侵害的主要作用[9]。這些高分子組分還對(duì)水體中的懸浮物具有橋連吸附[15]和電性中和作用[16]。

2.3 懸浮態(tài)鎘的去除機(jī)制 因?yàn)槿コЧ鼉?yōu)，篩選出水葫蘆和狐尾藻進(jìn)行懸浮態(tài)鎘的去除機(jī)制分析，經(jīng)過(guò)72 h沉降后，水葫蘆和狐尾藻的根系與底部的懸浮物含水量在44%～46%。比較兩者根部懸浮物和底部底泥含量的干重和濕重（表1）發(fā)現(xiàn)，狐尾藻均高于水葫蘆。原因是水生植物依靠水下部分根系攔截水體懸浮物，狐尾藻擁有更復(fù)雜的根系[17]和更高的水下部分占比，因此狐尾藻對(duì)懸浮物的攔截作用更明顯。

圖5是水葫蘆和狐尾藻的底泥鎘含量，其中對(duì)照組（CK）為添加負(fù)載鎘河泥的對(duì)照組，而2號(hào)對(duì)照組（CK2）為無(wú)外源鎘對(duì)照組。由圖5可知，CK、水葫蘆、狐尾藻和CK2組的重金屬鎘含量分別為5.83、5.90、5.39、2.12 mg/kg。結(jié)合表1中的底泥含量數(shù)據(jù)計(jì)算出環(huán)境本底樣品的鎘質(zhì)量，同理，無(wú)外源鎘試驗(yàn)中植物的組分中鎘質(zhì)量作為植物本底鎘質(zhì)量，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，試驗(yàn)組的水葫蘆和狐尾藻的懸浮物和底泥總鎘質(zhì)量分別為40.68和45.98 μg，對(duì)照組為27.93 μg，減去無(wú)外源組的鎘質(zhì)量，即排除植物富集點(diǎn)位本身含有的鎘質(zhì)量和底泥本底鎘質(zhì)量，水葫蘆和狐尾藻的總富集鎘質(zhì)量分別為24.99和27.94 μg，CK為17.80 μg。這說(shuō)明水葫蘆和狐尾藻助沉降去除鎘效果明顯，其中狐尾藻效果略強(qiáng)。

將水葫蘆和狐尾藻懸浮物、底泥的鎘質(zhì)量分別減去對(duì)應(yīng)無(wú)外源鎘組中的鎘質(zhì)量，得到其懸浮物和底泥2個(gè)富集點(diǎn)位的鎘質(zhì)量，與去除鎘總質(zhì)量求比值，分別比較其通過(guò)吸附作用和助沉降作用去除鎘的比例。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水葫蘆和狐尾藻底泥鎘質(zhì)量占比分別為79.67%、81.03%，這說(shuō)明水生植物主要依靠植物助沉降作用去除水體中鎘。占很小的一部分的鎘被物理吸附到植物根部，根系發(fā)達(dá)的狐尾藻在沉降水體中鎘的能力上更具優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

通過(guò)研究狐尾藻、水葫蘆、美人蕉和紫背浮萍4種南方常見(jiàn)水生植物對(duì)灌溉水中鎘的去除能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水生植物能夠通過(guò)根系環(huán)境主導(dǎo)對(duì)懸浮物的助沉降作用以及去除灌溉水中的鎘，其機(jī)理以根系分泌物的吸附作用為主導(dǎo)。其中狐尾藻的去除效果最為明顯，去除效率為94.42%，通過(guò)分析根部懸浮物和底部底泥的質(zhì)量和鎘含量發(fā)現(xiàn)，原因在于狐尾藻具有四者中最為復(fù)雜的根系系統(tǒng)。根系復(fù)雜的水生生物在去除灌溉水中鎘的方面顯示出良好的性能，為選取治理農(nóng)田灌溉水鎘污染的水生植物提供了參考。

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