高立娣，趙金明，陳慧瑩

（齊齊哈爾大學 化學與化學工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

水葫蘆對Cr（Ⅲ）污染的植物修復能力研究

高立娣，趙金明，陳慧瑩

（齊齊哈爾大學 化學與化學工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

探究水葫蘆對Cr（Ⅲ）污染水體的修復能力.水葫蘆在質(zhì)量濃度分別為5，10，15，20，25 mg/L的Cr（Ⅲ）培養(yǎng)液中生長4周后，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）測定了水葫蘆根和葉中Cr（Ⅲ）的質(zhì)量濃度，并計算了水葫蘆的生物富集系數(shù)（BCF）和轉(zhuǎn)移因子（TF）.水葫蘆對Cr（Ⅲ）表現(xiàn)出了較好的耐受性，生物量隨著Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度的增加而增加，但在Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度為25 mg/L時，根部葉片出現(xiàn)了萎黃現(xiàn)象.根的Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度高于1 000 mg/kg以上（培養(yǎng)液質(zhì)量濃度≥10 mg/L時），說明水葫蘆對Cr（Ⅲ）具有很強的富集能力.在Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度為20 mg/L時，根和葉的BCF最大，分別為213.23和5.86；在Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度為5 mg/L時，水葫蘆的最大TF值為0.066，表明Cr（Ⅲ）主要蓄積在根部.水葫蘆作為根和葉可以同時收獲的浮水作物，將其用于Cr（Ⅲ）污染水體修復是可行的.

水葫蘆；Cr（Ⅲ）；植物修復；重金屬污染

隨著城市化和工業(yè)化進程加速，我國水體重金屬污染問題越來越嚴重，已經(jīng)到了非治理不可的程度.傳統(tǒng)上用于水體修復的物理或化學方法一般需要投入大量資金，對于中國這樣的發(fā)展中國家實際上不可行.但我國具有多種多樣的水生植物，可以利用植物來實現(xiàn)水體的重金屬污染修復［1］.由于植物具有可持續(xù)、生態(tài)友好和性價比高等優(yōu)點，因此植物修復是目前廣受關(guān)注的可用于去除水體中污染物的修復技術(shù)［2］.水體中的重金屬大多對水生生物有毒害作用，且會污染食物鏈，如Cr，Cr（VI）的毒性大于Cr（III），針對Cr（VI）的相關(guān)研究更具有直接意義.但對植物而言，Cr（VI）通常在植物根部化學還原為Cr（III）并沉淀在根部，雖然Cr（III）毒性較小，但其能與自然界中存在的有機物質(zhì)發(fā)生絡(luò)合，增加其生物可利用性，當其在水體中達到一定質(zhì)量濃度時，水溶性的Cr（III）就會對水生生物產(chǎn)生毒性，尤其是魚類［3］.有報道用水葫蘆去除水體中的Cr（VI）效果非常好，可以達到99.00%（5 mg/L，培養(yǎng)16 d）［4］76.但自然環(huán)境中幾乎不存在Cr（VI），主要是人為活動釋放造成的，即便這樣，在空氣、水和土壤中，二價鐵化合物、硫化物及有機質(zhì)等還原劑通常也會將釋放到環(huán)境中的Cr（VI）還原成Cr（III）.可見，研究水體中Cr（III）污染的去除很有必要.就目前而言，有關(guān)水體中Cr（III）的植物修復報道很鮮見［5-7］.水葫蘆是一種在我國水體中大面積生長的水生植物，生長速度快，水體適應能力強，能吸收多種重金屬.因此，本研究以水葫蘆為修復植物，探究其對Cr（III）污染水體的修復能力.

1 材料與方法

水葫蘆（采集于未受污染水域中且新鮮的）；氯化鉻（分析純，天津市凱通化學試劑有限公司）.人工氣候培養(yǎng)箱（RTOP-300D，浙江托普儀器有限公司）；MDS-6微波消解儀（上海新儀微波化學科技有限公司）；電熱板（TP-1，上海正慧工貿(mào)有限公司）；ICP-MS（7500 ce，美國安捷倫公司）.

將水葫蘆用自來水清洗干凈后，置于自來水中培養(yǎng)1周，選擇長勢良好，葉片數(shù)量、根系長度和質(zhì)量相當?shù)乃J18株，分成6組.放入盛有1 L用30% Hoagland溶液配制的質(zhì)量濃度分別為5，10，15，20，25 mg/L的CrCl3溶液的培養(yǎng)杯中，同時，用不含Cr（Ⅲ）的30% Hoagland溶液作為空白培養(yǎng)液，每個培養(yǎng)杯中放入1株，每個培養(yǎng)質(zhì)量濃度下培養(yǎng)3株.置于人工氣候培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4周，培養(yǎng)條件見表1.培養(yǎng)過程中，為了維持培養(yǎng)液中Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度恒定，補充因蒸發(fā)和植物吸收而減少的培養(yǎng)液體積，需要每天添加2次去離子水，使培養(yǎng)液的體積保持在1 L.培養(yǎng)4周后，將收獲的植物分別用自來水、蒸餾水沖洗干凈，去除附著在植物上的藻類和其它雜質(zhì)，用剪刀在每株植物最下方的葉片下1 cm處剪斷，上部作為葉，下部作為根.置于80 ℃烘箱中烘干24 h，烘干前后要分別稱量葉部和根部的質(zhì)量.將烘干后的植物組織研碎，分別稱取0.1 g葉或根于混酸（7 mL HNO3+3 mL HF）中進行微波消解.消解后混合液于電熱板上趕酸至澄清透明，冷卻后，用1 mol/L HNO3定容至50 mL，用ICP-MS測定Cr（Ⅲ）的質(zhì)量濃度.實驗結(jié)果均以均值表示，用Excel 2003對數(shù)據(jù)進行作圖，相對標準偏差小于10%.

表1 培養(yǎng)箱培養(yǎng)條件

2 結(jié)果與討論

2.1 生物量

植物的生物量就是植物的干質(zhì)量.在4周的培養(yǎng)周期內(nèi)，除25 mg/L Cr（Ⅲ）培養(yǎng)液中植物根部葉片出現(xiàn)萎黃現(xiàn)象，其他植株全部生長正常.水葫蘆的葉和根生物量見圖1.由圖1可見，培養(yǎng)液中Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度增加，水葫蘆根和葉的生物量均呈現(xiàn)增加趨勢，說明Cr（Ⅲ）對植物的生長有促進作用［8］.就Cr（Ⅲ）考察質(zhì)量濃度范圍而言，根生物量增加比較緩慢，在25 mg/L時生物量最大，最大值為0.24 g，為空白對照組的2.18倍.葉生物量增加出現(xiàn)了階段性，在Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度從0～10 mg/L時增加較大，在10～25 mg/L間增加量減緩.在Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度為25 mg/L時，葉的生物量最大，最大值為1.11g，為空白對照組的2.41倍.盡管Cr（Ⅲ）不是植物的必需元素，但實驗證實Cr（Ⅲ）應該是影響到了植物的細胞分裂素或其它生長激素的質(zhì)量分數(shù)，進而提高了植物的生物量［9］.低質(zhì)量濃度的Cr（Ⅲ）在葉部的邊緣蓄積，而高質(zhì)量濃度的Cr（Ⅲ）卻蓄積在葉脈中，致使25 mg/L Cr（Ⅲ）培養(yǎng)液中植物根部葉片出現(xiàn)了萎黃現(xiàn)象［6］4095.

圖1 水葫蘆生物量

2.2 含水率

含水率是反映植物正常生長的重要參數(shù)，因為只有在一定的含水率下，植物的生理活動才能正常進行.水葫蘆的含水率見圖2.由圖2可見，與空白組相比，水葫蘆葉的含水量因含Cr（Ⅲ）而下降；且隨著培養(yǎng)液中Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度的增加而降低，在25 mg/L時，水葫蘆葉的含水率最低，為93.23%，是空白對照組的97%.可見，Cr（Ⅲ）的存在降低了水葫蘆根向葉運輸水分的能力或葉的儲水能力.水葫蘆根的含水量在Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度為5 mg/L的培養(yǎng)液中出現(xiàn)最大值，為94.54%.之后，隨著培養(yǎng)液中Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度的增加，含水率下降.由此可見，低質(zhì)量濃度的Cr（Ⅲ）可以促進水葫蘆根系對水分的吸收和貯存，刺激水葫蘆的新陳代謝，使其生長更旺盛，這與2.1中Cr（Ⅲ）促進了生物量的增加一致；但Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度（≥10 mg/L）過大，根的吸收和貯水能力卻下降，這是因為高質(zhì)量濃度的Cr（Ⅲ）與營養(yǎng)元素Fe（Ⅲ）相互競爭，致使根部生理活性下降引起的［10］.

圖2 水葫蘆含水率

2.3 根和葉中Cr（Ⅲ）的質(zhì)量濃度

水葫蘆葉和根中 Cr（Ⅲ）的質(zhì)量濃度見圖3.由圖3可見，根中Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度遠大于葉中的，說明Cr（Ⅲ）更易蓄積在水葫蘆根中，這與文獻報道相符［7，11］.根和葉中Cr（Ⅲ）的質(zhì)量濃度與培養(yǎng)液中Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度在≤20 mg/L范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系（見表2），相關(guān)系數(shù)分別為0.975 9和0.930 3.說明培養(yǎng)液中Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度較低時，根從培養(yǎng)液中吸收Cr（Ⅲ）并將其轉(zhuǎn)移到葉的比例主要受培養(yǎng)液中Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度的影響.而當Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度高達25 mg/L時，根和葉中Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度卻降低，致使線性相關(guān)系數(shù)下降，這可能是由于高質(zhì)量濃度Cr（Ⅲ）對根產(chǎn)生了毒害作用，抑制了根對其蓄積，進而影響Cr（Ⅲ）向葉轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的結(jié)果.值得注意的是，盡管根中Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度在20 mg/L培養(yǎng)液中最大（4 027.78 mg/kg），但葉中Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度卻在25 mg/L培養(yǎng)液中達到最大（303.03 mg/kg）.據(jù)研究，Cr（Ⅲ）很難被轉(zhuǎn)移到葉部，但一旦其進入植物的木質(zhì)素中，遷移就變得非常容易［11］211.據(jù)此推測在25 mg/L培養(yǎng)液中，由于水葫蘆的根部受到影響，有更多的Cr（Ⅲ）轉(zhuǎn)移入木質(zhì)素中，使葉中Cr（Ⅲ）質(zhì)量分數(shù)達到最大.此外，培養(yǎng)液中Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度≥10 mg/L時，根的Cr（III）質(zhì)量濃度均大于1 000 mg/kg，說明水葫蘆對Cr（Ⅲ）具有很高的富集能力.

圖3 植物根和葉中鉻的質(zhì)量濃度

表2 培養(yǎng)液中Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度與植物組織中Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度的關(guān)系

2.4 根和葉中Cr（Ⅲ）的吸收量

Cr（Ⅲ）的吸收量是水葫蘆根或葉中Cr（Ⅲ）的質(zhì)量濃度與其生物量的乘積.水葫蘆根和葉中Cr（Ⅲ）的吸收量見圖4.由圖4可見，隨著培養(yǎng)液中Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度的增加，水葫蘆根和葉中Cr（Ⅲ）吸收量也逐漸增加，其變化趨勢主要取決于生物量.當Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度為25 mg/L時，葉和根中Cr（Ⅲ）的吸收量最大，分別為0.30 mg和0.87 mg，相當于去除了培養(yǎng)液中Cr（Ⅲ）的1.2%和3.2%，遠低于文獻中采用水葫蘆對水體中Cr（Ⅵ）的去除率［4］80.這可能與水葫蘆對不同形態(tài)鉻的吸收機制和培養(yǎng)液中共存的成分不同有關(guān)［11］212.

圖4 根和葉中Cr（Ⅲ）的吸收

2.5 BCF和TF

BCF用來評價植物積累重金屬的能力.BCF=收獲的植物組織中重金屬質(zhì)量濃度（mg·kg-1）/培養(yǎng)液中添加的重金屬初始質(zhì)量濃度（mg·L-1）.除了在Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度為5 mg/L時，水葫蘆葉的BCF值異常大外，其它質(zhì)量濃度下，無論根和葉的BCF值都隨著Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度的增加而先增加后降低，并在Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度為20 mg/L時BCF值最大，分別為213.23和5.86（見表3）.較高的BCF值可以看出水葫蘆對Cr（Ⅲ）具有很強的富集能力，加之其數(shù)量龐大，適應能力強，生長速度快，可以將其作為Cr（Ⅲ）污染水體的修復植物［12］.

TF用來評價植物將重金屬從根運輸?shù)饺~的能力.TF=葉中重金屬的質(zhì)量濃度（mg·kg-1）/根中的重金屬的質(zhì)量濃度（mg·kg-1）.水葫蘆對于Cr（Ⅲ）的TF值隨著Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度的增加而降低，在Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度為5 mg/L時水葫蘆的TF值最大，僅為0.066（見表3）.對于土培超富集植物而言，TF值應該大于1.很明顯，就研究來說，水葫蘆不是Cr（Ⅲ）的超富集植物，但是由于水葫蘆是水生植物，用TF值來判斷其富集效率并不合適，僅作為參考即可.

表3 水葫蘆中Cr（Ⅲ）的BCF值和TF值

3 結(jié)論

一定質(zhì)量濃度的Cr（Ⅲ）促進了水葫蘆的生長；水葫蘆對Cr（Ⅲ）具有很強的的耐受性（可達20 mg/L以上）；水葫蘆根對Cr（Ⅲ）具有很強的蓄積能力，根中Cr（Ⅲ）的質(zhì)量濃度大于1 000 mg/kg（在Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度高于10 mg/L的培養(yǎng)液中），BCF值高達213.23（Cr（Ⅲ）質(zhì)量濃度20 mg/L的培養(yǎng)液）.而且水葫蘆數(shù)量龐大，易于培養(yǎng)，生長迅速，所以水葫蘆可作為去除水體中Cr（Ⅲ）的修復植物.

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Study on Cr（Ⅲ）phytoremediation potential of water lettuce

GAO Li-di，ZHAO Jin-ming，CHEN Hui-ying
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

The objective of this study was to investigate Cr（Ⅲ）phytoremediation ability of water lettuce.The experiment was conducted with 5，10，15，20，25 mg/L CrCl3in hydroponic system for 4 weeks and the Cr（Ⅲ）concentration in the root and shoot tissues were estimated by inductively coupled plasma mass spectrometer（ICP-MS）.The values obtained were used to evaluate the bioconcentration factor（BCF）and translocation factor（TF）of this plant.The plant showed high Cr（Ⅲ）tolerance and there was a general trend of increase in biomass，but the lower leaves appeared chlorosis at 25 mg/L.Cr（Ⅲ） concentration in roots was higher 1 000 mg/kg，which means that the plant has high accumulation capacity for C（rⅢ）.The maximum BCF values for root and shoot tissues were 213.23 and 5.86 respectively，obtained for 20 mg/L Cr（Ⅲ）.The TF maxima was found to be 0.066 at 5 mg/L Cr（Ⅲ），which points the vast majority of Cr（Ⅲ） was accumulated in the root of the plant.Water lettuce，as floating plant，can be recommended for phytoremediation purposes of Cr（Ⅲ）-contaminated water.

water lettuce；Cr（Ⅲ）；phytoremediation；heavy metal pollution

S555+.5

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.06.013

1007-9831（2016）06-0044-04

2016-04-29

教育部第48批“留學回國人員科研啟動基金”項目

高立娣（1980-），女，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，碩士，主要從事土壤環(huán)境監(jiān)測與污染控制研究.E-mail：gaolidi@163.com