刁俊明,曾憲錄,鐘福生

(嘉應(yīng)學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，廣東 梅州 514015)

煤礦的開(kāi)發(fā)不僅直接造成大規(guī)模的山體和土壤破壞，而且煤矸石在風(fēng)吹、日曬、雨水的沖刷淋濾及人為作用下，部分重金屬發(fā)生化學(xué)變化并被溶出，隨流水滲入地下或流入地面水體、土壤和含水層中，從而降低土壤功能、污染水質(zhì)，造成嚴(yán)重的重金屬污染[1].重金屬污染現(xiàn)已成為危害最大的水污染問(wèn)題之一.由于重金屬具有難降解、易積累、毒性大等特點(diǎn)，還能被生物吸收進(jìn)入食物鏈危害人體健康[2]，因此在水環(huán)境中重金屬污染尤其受到人們關(guān)注.水污染是導(dǎo)致水資源可利用性降低、水域生態(tài)系統(tǒng)退化的重要因素之一[3].隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，各種工業(yè)(如冶煉、電鍍、采礦等)廢水和固體廢物滲濾液直接排入水體，致使河涌水體中重金屬含量日益升高[4].進(jìn)入水體的重金屬不能自然降解或被微生物分解，往往在水中或沉積到水域底部，又或被水生生物吸收，并通過(guò)食物鏈積累而損害動(dòng)物和人類健康[5].

修復(fù)重金屬污染環(huán)境的方法有很多(如物理、化學(xué)和生物方法)，但因植物修復(fù)( phytoremediation)技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)有效、環(huán)境友好和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[6].利用植物修復(fù)技術(shù)修復(fù)重金屬污染的關(guān)鍵是找到適合的重金屬超富集植物或耐性植物[7]，并且應(yīng)具有分布范圍廣、地上部生物量高、生命周期短、繁殖速率高等特點(diǎn)[8～9].目前，全球已發(fā)現(xiàn)500余種重金屬超富集植物.研究表明植物對(duì)金屬的適應(yīng)機(jī)制中，植物或是通過(guò)根部一定的結(jié)構(gòu)或生理特性限制有害重金屬離子從根部向地上部分轉(zhuǎn)移，保持地上部分較低的重金屬含量，使植物地上部分具有較高的生理活性，或是采取將有害重金屬積累到容易脫落部分，通過(guò)這些部分的脫落，使有害重金屬離開(kāi)植物體，這種耐性機(jī)制與植物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中產(chǎn)生了多種抵抗重金屬毒害的防御機(jī)制有關(guān)[10].

在粵東地區(qū)，由于開(kāi)采煤礦造成廢渣(特別是矸石)的大量堆積形成廢棄地，較多的礦區(qū)又沒(méi)有采取相應(yīng)措施治理，同時(shí)粵東多江河，季節(jié)性降水量較多，矸石浸出液易污染水源[11-12].因此，研究對(duì)重金屬具有高富集能力的植物對(duì)于煤矸石浸出液污染水體的凈化具有重大意義.目前有研究表明桐花樹(shù)(AegicerasCorniculatum)具有較強(qiáng)的重金屬富集能力[13～14].但其對(duì)煤矸石水浸液的耐性能力未見(jiàn)報(bào)道.本試驗(yàn)以水和煤矸石土相混合，配制成不同濃度的煤矸石浸出液進(jìn)行桐花樹(shù)栽培試驗(yàn)，對(duì)煤矸石浸出液以及桐花樹(shù)植物根部的3種重金屬含量進(jìn)行測(cè)定，以了解煤矸石浸出液重金屬污染程度和桐花樹(shù)根系對(duì)重金屬的富集特性.旨在為利用桐花樹(shù)治理煤矸石浸出液污染水體采取一定針對(duì)性的措施，降低重金屬對(duì)水體的污染提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

煤矸石采集于梅州市明山煤礦，該礦地處粵東梅縣境內(nèi)的丘陵地帶，地理坐標(biāo)為東經(jīng)116o18'、北緯24o15'，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候.年均氣溫21.3℃，年均降水量1 480 mm，75%以上的降雨集中在4月～9月，無(wú)霜期309d.該礦地處一條山?jīng)_中，三面環(huán)山，海拔500～600m，面積20 hm2，共有4個(gè)矸石堆積場(chǎng)，廢棄時(shí)間10～20 a.使用25kg容量編織袋采集煤矸石10袋以備試驗(yàn)用.選取嘉應(yīng)學(xué)院紅樹(shù)植物科研試驗(yàn)基地淡水濕地栽培的株高27～30 cm，生長(zhǎng)健壯、無(wú)病蟲(chóng)害、長(zhǎng)勢(shì)基本一致的1 a齡桐花樹(shù)苗為試驗(yàn)材料.

1.2 試驗(yàn)方法

把取自尾礦的煤矸石粉末分別稱重5 kg、10 kg、20 kg、30 kg放置在標(biāo)明A、B、C、D的培養(yǎng)箱中，分別與完全營(yíng)養(yǎng)液[15]配成30 L的培養(yǎng)液(標(biāo)記培養(yǎng)液的液面位置)，用來(lái)模擬自然環(huán)境的水體被煤矸石污染的程度.放置20 d，期間加適量水以補(bǔ)充蒸發(fā)的水，使煤矸石浸出液的重金屬含量析出最大且穩(wěn)定.在標(biāo)明CK的培養(yǎng)箱中加入30 L完全營(yíng)養(yǎng)液作為試驗(yàn)對(duì)照組.把1 a齡桐花樹(shù)苗分別種植于A、B、C、D、CK培養(yǎng)液中(用泡沫浮板固定)，每箱種植6株，將培養(yǎng)箱置于陽(yáng)光瓦試驗(yàn)大棚下，連續(xù)培養(yǎng)120 d，每7 d在培養(yǎng)箱內(nèi)加入適量水以補(bǔ)充蒸發(fā)的水；每40 d更換1次各自的培養(yǎng)液，以保證桐花樹(shù)的正常生長(zhǎng).培養(yǎng)時(shí)間為2012年7月至11月.在培養(yǎng)過(guò)程中，每40 d分別采取桐花樹(shù)的根樣品用于測(cè)定重金屬含量.

1.3 指標(biāo)測(cè)定方法

1.3.1 根長(zhǎng)和根數(shù)的測(cè)定

用直尺測(cè)量每株桐花樹(shù)的根長(zhǎng)(cm)，統(tǒng)計(jì)每株桐花樹(shù)的根數(shù)(按直徑≥0.10 cm以上計(jì)).

1.3.2 浸出液和根的重金屬含量測(cè)定

采集A、B、C、D浸出液，分別用試管儲(chǔ)存?zhèn)溆茫瑢⒉杉慕鲆河脼V膜進(jìn)行過(guò)濾，除去其他雜質(zhì)，放置在50 ml容量瓶?jī)?nèi)待測(cè).

將采集的各處理桐花樹(shù)部分根待測(cè)樣品先用自來(lái)水洗干凈，再用超純水清洗2次，于烘箱內(nèi)先用105℃殺青1 h，再用80℃烘干48 h至恒重，用研缽粉碎磨細(xì)，置于干燥器中保存.然后取干燥的植物粉末0.200 g置于消化罐中，加濃硝酸7 mL，過(guò)氧化氫3 mL，于xt-9900微波消解儀進(jìn)行消解，消解完于容量瓶中用超純水定容至50 mL.

重金屬的測(cè)定采用AA-400型原子吸收分光光度計(jì)分別測(cè)定處理好的溶液樣本與根樣品，得出數(shù)據(jù).

1.4 煤矸石浸出液重金屬污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

煤矸石水浸液重金屬污染的評(píng)價(jià)水平按國(guó)家環(huán)境總局發(fā)布的地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定(表1).

表1 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值(mg/L)

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用SPSS17.0漢化版軟件對(duì)組間數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析.采取sig雙側(cè)檢驗(yàn)，p<0.05，為差異顯著；反之，則差異不顯著.p<0.01，為差異極顯著.

2 結(jié)果與分析

2.1 煤矸石浸出液重金屬含量分析

由表2可知，A、B、C、D浸出液所含的各種重金屬濃度不同.Zn、Cu均超過(guò)I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[16]，而未超過(guò)II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；Mn除了在A浸出液外，其他梯度均超過(guò)II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在B、C、D浸出液分別超過(guò)II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的1.07、1.81、4.83倍.總體來(lái)說(shuō)，在同一個(gè)梯度內(nèi)，Mn濃度最大，Zn次之，Cu最小，重金屬濃度高低順序?yàn)镸n>Zn>Cu.可見(jiàn)，在A、B、C、D煤矸石浸出液中，煤矸石濃度比例增大，各種重金屬的含量也相對(duì)增加.

表2 煤矸石浸出液重金屬濃度(mg/L)

注：表內(nèi)數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差.同列處理間相同的小寫(xiě)字母表示差異不顯著(p>0.05)，反之則差異顯著(p<0.05).下同.

2.2 桐花樹(shù)根部的重金屬生物積累量

從表3可知，桐花樹(shù)根部重金屬含量的變化趨勢(shì)是Mn含量較高，Zn含量次之，而Cu含量較低.且桐花樹(shù)根部的Mn、Zn含量隨著煤矸石浸出液濃度的增大而升高.隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，Zn含量先降低后升高，在A和B較低濃度中，Zn含量先降低后上升，上升量明顯超過(guò)下降量，在C和D較高濃度中，先下降后上升，上升量未超過(guò)下降量，說(shuō)明在低濃度中，桐花樹(shù)對(duì)Zn的吸收效果較好；在CK組中，Zn含量也是先降后升，上升量未超過(guò)下降量，說(shuō)明桐花樹(shù)能夠吸收Z(yǔ)n；Mn含量在不同濃度的浸出液中變化趨勢(shì)不同，在A組較低濃度的浸出中Mn呈含量先降后升的趨勢(shì)，上升量未超過(guò)下降量，而在其它濃度均表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，但下降的速率均逐漸變緩，說(shuō)明低濃度浸出液中桐花樹(shù)對(duì)Mn的吸收效果較好；Cu含量在植株的根中無(wú)顯著差異，且在不同月份也無(wú)顯著變化.

表3 桐花樹(shù)根的重金屬含量(mg/kg)

2.3 煤矸石浸出液對(duì)桐花樹(shù)根的生長(zhǎng)影響

從表4可知，隨著煤矸石浸出液濃度的增加，在CK、A、B、C組中桐花樹(shù)的根數(shù)和根長(zhǎng)均沒(méi)有顯著差異，但在D組中有顯著差異，且D組的根數(shù)和根長(zhǎng)顯著大于其他組.可見(jiàn)，D組高濃度浸出液對(duì)桐花樹(shù)根的生長(zhǎng)有顯著的促進(jìn)作用.由表4還可看出，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，在CK、A組中，桐花樹(shù)的根數(shù)和根長(zhǎng)均無(wú)明顯變化；在B和C組中，桐花樹(shù)的根數(shù)和根長(zhǎng)均有所增加，但差異不顯著；而在D組中，桐花樹(shù)的根數(shù)和根長(zhǎng)均顯著增加.總體表明桐花樹(shù)對(duì)煤矸石浸出液具有較強(qiáng)的耐性.

表4 煤矸石水浸液對(duì)桐花樹(shù)根的生長(zhǎng)影響

3 討論

3.1 不同重金屬生物積累量的差異

由重金屬的生物積累量分析可知，在煤矸石浸出液中重金屬M(fèi)n、Zn、Cu三種含量較高，表現(xiàn)為Mn >Zn >Cu.重金屬含量在四種煤矸石培養(yǎng)溶液中呈現(xiàn)梯度性，溶液內(nèi)煤矸石含量越多，三種重金屬含量越高，推測(cè)煤矸石浸出液內(nèi)煤矸石含量會(huì)影響到浸出液中重金屬的含量[16].本試驗(yàn)表明在桐花樹(shù)根部的重金屬含量為Mn>Zn>Cu.且其對(duì)不同重金屬的積累量有一定的差異，其體內(nèi)的重金屬含量與溶液中的重金屬含量有一定關(guān)系.培養(yǎng)溶液中重金屬含量高，桐花樹(shù)體內(nèi)的重金屬含量也高，但不是完全的正比例關(guān)系，這可能與桐花樹(shù)本身對(duì)不同重金屬吸收積累差異有關(guān).影響植物重金屬吸收的因素有溫度、ph值、溶液濃度、植物種類和生長(zhǎng)期等[2]，各種因素對(duì)植物的影響有所不同，同時(shí)不同植物對(duì)不同元素的吸收也有所不同.其中溫度作為重要的非生物因子能夠?qū)χ参锷L(zhǎng)造成直接影響，而植物的生長(zhǎng)狀況也關(guān)系到其對(duì)重金屬元素的吸收.畢春娟等[18]發(fā)現(xiàn)，植物體對(duì)水體重金屬元素的吸收表現(xiàn)出了典型的季節(jié)特征，春夏季含量最高，秋季穩(wěn)步下降.而本次采樣的時(shí)間為7、9、11月，植物的代謝較為旺盛，對(duì)重金屬元素的吸收能力也較強(qiáng).因此，為了更好的了解植物對(duì)重金屬元素的吸收富集季節(jié)規(guī)律，我們還應(yīng)當(dāng)對(duì)不同季節(jié)條件下的植物重金屬元素吸收富集特征進(jìn)行深入研究.本試驗(yàn)主要是研究溶液重金屬濃度對(duì)桐花樹(shù)的生長(zhǎng)影響，同時(shí)應(yīng)該排除其他的干擾因素.在培養(yǎng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，桐花樹(shù)在煤矸石浸出液內(nèi)生長(zhǎng)狀況良好，而在不含煤矸石的對(duì)照組培養(yǎng)液中其生長(zhǎng)狀況差，葉片枯黃，根系不發(fā)達(dá)，主要原因是缺少植物必須元素.而試驗(yàn)組A、B、C、D中，桐花樹(shù)的生長(zhǎng)狀況良好，如圖1所示.推測(cè)煤矸石中有植物所需的大量元素.同時(shí)也有可能培養(yǎng)液中的重金屬濃度還沒(méi)有超過(guò)桐花樹(shù)忍耐的臨界范圍內(nèi)，所以對(duì)其生長(zhǎng)沒(méi)有發(fā)生太大影響[19].

本試驗(yàn)表明，桐花樹(shù)對(duì)不同重金屬的富集特點(diǎn)是Zn>Mn>Cu.其中Mn、Zn、Cu是植物所需的微量元素，對(duì)植物本身有一定的作用，但超過(guò)一定量時(shí)則對(duì)植物有害[20].桐花樹(shù)對(duì)三種元素的吸收量不同，且Zn的富集效果比較好，其對(duì)Mn、Zn富集作用明顯，而對(duì)Cu的富集作用不是很明顯.Cu是植物所需微量元素，但Cu的富集效果還是比較差的[17].這樣的原因可能與植物對(duì)重金屬的特殊適應(yīng)機(jī)制有關(guān)，根系是植物吸收礦物元素的主要通道，并且通過(guò)根系壓力和葉片的蒸騰作用，將所吸收的礦物元素以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到植物各部分，同時(shí)根系還能夠有效阻隔水體中的有毒物質(zhì)進(jìn)入到植物的莖葉部分，使植物莖葉部分保持較低的重金屬含量，減輕重金屬對(duì)植物有機(jī)體的毒害[20].

3.2 煤矸石水浸液對(duì)桐花樹(shù)根生長(zhǎng)的影響

在煤矸石浸出液中，桐花樹(shù)的根數(shù)在CK、A、B組中并沒(méi)有顯著的增加，而在高濃度的C組和D組中，根數(shù)和根長(zhǎng)卻有所增加，表明桐花樹(shù)能夠在C組和D組的重金屬濃度中生長(zhǎng).且根的長(zhǎng)度跟煤矸石浸出液的濃度梯度表現(xiàn)出有一定的正相關(guān)，當(dāng)濃度越高時(shí)，根長(zhǎng)就越長(zhǎng)(圖1).

圖1 桐花樹(shù)在不同濃度水浸液中的長(zhǎng)勢(shì)比較(11月份)

由圖1可見(jiàn)，桐花樹(shù)對(duì)重金屬具有一定的吸收與累積功能，而且在其耐性范圍內(nèi)的重金屬脅迫下，可以促進(jìn)其植株生長(zhǎng).高濃度的重金屬脅迫下，桐花樹(shù)的細(xì)胞膜透性增大，膜脂過(guò)氧化作用增強(qiáng)，但其在一定范圍內(nèi)可以啟動(dòng)自我保護(hù)系統(tǒng)，即通過(guò)保護(hù)酶體系的增強(qiáng)進(jìn)行防御.建議今后在重金屬污染濕地區(qū)，可進(jìn)一步擴(kuò)大桐花樹(shù)的種植力度[13].

綜上所述，桐花樹(shù)根系在煤矸石浸出液中能夠正常生長(zhǎng)發(fā)育，表明其對(duì)煤矸石浸出液的耐性較強(qiáng).本試驗(yàn)表明桐花樹(shù)對(duì)Mn、Zn是富集植物，可以考慮其作為凈化污水的植物.

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