慕凱, 羅明良

西華師范大學國土資源學院, 南充 637009

三里七湖水生植物重金屬富集作用研究

慕凱, 羅明良*

西華師范大學國土資源學院, 南充 637009

通過野外采樣和實驗分析, 研究了黃石市三里七湖流域中的底泥、水樣和九種水生植物的Cr、Cu、Mn、Pb、Zn五種重金屬的含量及其在植物體內的富集特征。測定分析結果表明: 底泥的重金屬含量嚴重超標, Cr、Cu、Mn、Pb、Zn五種重金屬的含量分別達到國家標準值的 1.43、6.40、1.64、3.33、9.65倍。水體中的重金屬 Cr、Pb、Zn分別超過了國家標準值的22.3、9.0、1.35倍, Cu、Mn達標。香蒲、水芹菜、水花生、黑三棱、水蓼、菰和狐尾藻中Zn 的含量最高, Cu含量最低; 蘆葦的Pb含量最高, Cr的含量最低; 菹草的Mn含量最高, Cu含量最低。同一水生植物對不同的重金屬富集作用具有選擇性; 而不同的水生植物對同一重金屬的富集能力存在較大的差異性; 水生植物中的香蒲、蘆葦、菰、狐尾藻等可作為重金屬復合污染流域水體的修復植物。

重金屬富集; 底泥; 水生植物; 水樣; 三里七湖

1 前言

水生植物對重金屬Zn、Cr、Pb、Cd、Co、Ni、Cu等有很強的富集作用[1]。同時重金屬可以抑制整株植物或植物某些部位的生長, 對根部的抑制是最為強烈的[2]。但是重金屬不可能和有機化合物一樣,通過自然、生物或者其他方式進行降解, 存在于水體內部或者是沉積到水體的底部, 或者被水生植物進行吸收, 并且以物鏈的積累方式來損害植物的生長和人類的身體健康[3]。

關于水生植物的重金屬的污染, 國內外的許多學者都已經有了很深入的研究。Tomset等對植物重金屬進行了耐性機理研究[4]。黃永杰等人對安徽省的蕪湖的八種水生植物進行了重金屬富集能力的調查研究[5], 采用了火焰原子吸收分光光度計測定了水生植物的重金屬的含量, 但是未涉及水生植物生長的底泥和水中中重金屬的含量研究。魏樹和等研究重金屬對七種雜草植物(三葉鬼針草等)富集特征[6]; 用盆栽實驗的方法研究了雜草和提取栽培土壤的重金屬含量和特征; 簡敏菲等人對鄱陽湖水生植物的重金屬污染進行檢測與評價[7], 采用了火焰原子光譜法研究鄱陽湖水生植物和土壤重金屬含量, 也未研究水生植物生長水域的重金屬含量。祝愛民等人對白馬湖水生植物體內的重金屬進行了調查[8], 采用了石墨爐原子吸收分光光度計的方法單純的研究了水生植物重金屬含量。而對于三里七湖重金屬污染的研究比較少; 20世紀80年代王華東等人研究了三里七湖底泥重金屬Cu、Pb、Zn、Cd、As的分布和遷移轉化規(guī)律, 經研究表明: 三里七湖的湖水和底泥中重金屬含量很高, 其污染主要來源是該湖周圍的有色金屬礦產公司的化工廠和冶煉廠排放的廢水所致, 而且與自然的污染源有關[9]。張信華等人探討了三里七湖水和底泥重金屬Cu、Cd、Pb、Zn的形態(tài)及轉化規(guī)律, 研究表明: 三里七湖的底泥中的重金屬對水環(huán)境的潛在危險相當的大, 不但要控制污染源, 而且要重視底質的潛在危害, 這樣有利于改善水環(huán)境質量[10]。近年來, 毛欣等人對大冶市城市湖泊(三里七湖、尹家湖、紅星湖)表層水體中重金屬的分布特征及其來源進行了研究。經研究表明在三個湖泊中三里七湖的水體處于重度污染狀態(tài)[11]。但很少有人研究三里七湖的水生植物重金屬的富集情況。

三里七湖是大冶湖的子湖之一, 位置處于長江流域中游。大冶湖流域的重金屬礦藏豐富, 全流域內已經探測到礦產43種, 其中以Au、Cu、S、Mo、煤等礦產資源的蘊藏量居多, 使得采選礦、黑色和有色金屬的冶煉業(yè)是相當的發(fā)達, 是我國重要的有色金屬冶煉業(yè)基地之一。大冶湖是黃石市區(qū)、大冶、陽新三地的連接點, 兼具漁業(yè)養(yǎng)殖、農業(yè)灌溉、工業(yè)取水、防洪調蓄和航運等多種功能。由于礦產資源的開采, 尤其是冶煉業(yè)的無序發(fā)展, 導致大冶湖湖沿線森林覆蓋率下降, 水土流失十分嚴重。大量廢渣、剝離土、生活垃圾、尾礦砂及重金屬物被雨水沖刷流入湖泊、港渠中, 致使河床抬高, 重金屬污染加重。造成了該區(qū)域的水質過度營養(yǎng)化、水面積大面積萎縮、重金屬污染嚴重、生態(tài)嚴重破壞等一系列的環(huán)境問題。三里七湖、內湖和外湖共同組成了大冶湖的水面。三里七湖湖區(qū)上游和西岸分布著大量的礦產資源和工業(yè), 排放工農業(yè)“三廢”物質到湖區(qū), 其中的污染物直接或者間接的排入了三里七湖流域, 主要是某有色金屬公司化工廠、某鐵礦尾礦壩和某有色金屬公司冶煉廠的廢水[9–10], 這對該區(qū)域的工農業(yè)生產和發(fā)展造成了較大影響。三里七湖是淡水養(yǎng)殖湖泊, 對該區(qū)域人民的生活具有非常大的影響。所以對三里七湖水生植物重金屬富集作用的研究具有現實的意義。

2 材料與方法

2.1 主要儀器設備

主要儀器有HITACHI Z-2300火焰原子吸收分光光度計(日本島津)、CEM MARS密閉微波消解儀(上海新儀)、分析天平(上海精科)、100目尼龍篩、烘箱、研缽、100 mL容量瓶、聚四氟乙烯坩堝等。主要使用的試劑有濃 HNO3(優(yōu)級純)、濃 HF(優(yōu)級純)、濃HCl(分析純)和去離子水等。

2.2 樣品來源

圖1 三里七湖采樣點位置分布Fig. 1 Location of sampling sites in Sanliqi Lake

表1 研究樣區(qū)采樣點概況Tab. 1 Sampling points in the study area

本實驗所用水生植物、水樣和底泥樣品均于2015年4月在三里七湖流域采得。具體采樣區(qū)域和樣品詳見圖 1和表 1。在采樣點采集了具有代表性底泥樣品(1、7、8、9)和水樣(2、3、4、5、6), 以及9種長勢較好的水生植物, 分別是: 香蒲(Typha orientalis Presl)、水花生(Alternanthera philoxeroides)、水芹菜(Oenanthe javanica (Blume) DC)、水蓼PolygonumhydopperL.)、菰(Zizania latifolia(Griseb.)Stapf)、蘆葦(Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud)、黑三棱(Sparganium stoloniferum(Graebn.)Buch.-Ham. ex)、狐尾藻(Myriophyllum spicatumL.)、菹草 Potamogeton crispus L.)。對其中重金屬 Cr、Cu、Mn、Pb、Zn的含量進行了測定和分析。

2.3 樣品處理

本試驗中底泥的處理方法采用簡敏菲等人研究水生植物對銅、鉛、鋅等重金屬元素富集作用的評價中使用的方法[7]; 水生植物和水樣品的處理方法參考黃永杰等人對八種水生植物重金屬富集能力的比較研究中使用的方法[5]。

2.3.1 底泥樣品的處理

將采集的底泥樣品用烘箱 106 ℃烘干至恒重,用研缽把底泥樣品磨細并且過 100目尼龍篩, 裝入聚乙烯塑料袋, 取適量樣品放入稱量紙置于天平稱取0.2000 g樣品, 采用8 mL王水(HNO3: HCl=1: 3)和 2 mLHF在微波消解儀中消解, 然后把消解的溶液在通風柜上用聚四氟乙烯坩堝趕酸, 將趕酸后的溶液移至100 mL容量瓶中進行定容待測。

2.3.2 水樣品處理

將采集的水樣密封后帶回實驗室, 取25 mL的水樣, 采用和底泥一樣的試驗試劑進行消解并且趕酸后定容至100 mL保存。用火焰原子吸收分光光度計測定其重金屬濃度。

2.3.3 植物樣品的處理

采集的植物樣品先用自來水將表面的泥土等雜物沖洗干凈, 而后再用去離子水沖洗 3遍, 瀝去其水分, 對香蒲、蘆葦、水芹菜、菰和狐尾藻的根、莖和葉分別處理; 黑三棱等植物整棵進行處理, 再置于烘箱中用 106 ℃ 烘干至恒重。用研缽把烘好的九種植物磨成粉末狀, 過 100 目尼龍篩, 用聚乙烯塑料袋裝入密封待測[5]。用天平準確的稱量0.20 g采用和底泥同樣的消解方法得到待測溶液。根據《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2002)中提供的方法,采用火焰原子吸收分光光度計測定其中的 Cr、Cu、Mn、Pb、Zn濃度, 重復3次。

2.3.4 植物富集能力評價方法

本文采用富集系數(Biological Enrichment Factor BCF: BCF=Cp/Cs, 其中, Cp為水生植物的重金屬含量, Cs為底泥中重金屬含量); 以及遷移系數(Translocation Factor TF: 水生植物莖葉中重金屬含量/根部重金屬含量)。如果富集系數愈大, 則表明該水生植物對此種重金屬的富集能力愈強[12–15]; 如果遷移系數越大, 就表明某一種重金屬在植物體體中的遷移性越強[16]。值得注意的是如果某種植物對某一種重金屬元素的含量的遷移系數＞1, 也就說明了某種水生植物已具備這種重金屬的超富集特征[17]。

3 分析與討論

3.1 底泥樣品中的重金屬

底泥中重金屬含量主要來源于兩方面, 一是周圍地區(qū)的有色金屬冶煉廠以及化工廠排放的廢棄物,二是近年來, 大冶市人口的增加、城鎮(zhèn)化進程的加快、當地畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展以及流域內環(huán)保設施建設的相對滯后, 加劇了該湖水污染程度。在底泥樣品中重金屬Cr、Cu、Pb、Mn、Zn的含量和國家的標準值對比詳見表2, 底泥中重金屬Mn的含量是參考湖北省土壤重金屬背景值, Cr、Cu、Pb、Zn標準含量按照 1995年國家環(huán)保局南京環(huán)境科學研究所制定的《土壤環(huán)境質量標準》(GB15618—1995)中的三級標準確定[18]。

表2 底泥樣品中重金屬含量Tab. 2 Contents of heavy metals in sediments quality

由表2可知, 在采樣點1、7、8和9底泥中重金屬的含量均高于背景值, 其中在 1號采樣點的重金屬Cu和9號采樣點重金屬Pb的含量達到了其他樣點的 2倍之多; 同時底泥樣品中五種重金屬含量的均值與標準含量相比較, Zn的含量高達標準含量的9.65倍; Pb、Mn和Cu的含量分別達到了標準含量的3.33、1.64和6.4倍。表明該流域底泥中的重金屬Pb、Mn、和Cu污染嚴重。

3.2 水樣品中的重金屬

水樣品中重金屬Cr、Cu、Pb、Mn、Zn的含量和標準含量的對比詳見表3, 水樣中重金屬Cr、Cu、Pb、Mn、Zn的含量是參考2002年國家環(huán)境保護部制定的《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2002)。

測得的水樣中Cr、Cu、Pb、Mn、Zn含量分別與國家《地表水環(huán)境質量標準(GB3838—2002)相比,三里七湖水域域水體中Cr、Pb、Zn3種重金屬超過V類水質標準, 分別超過了標準值的22.3、9.0、1.35倍; 而Cu、Mn達標。說明了該區(qū)域水體重金屬Cr、Pb、Zn污染嚴重。因此三里七湖的水生植物重金屬富集作用進行調查研究, 對污染的水環(huán)境進行植物修復是具有很大的現實意義。

3.3 水生植物中重金屬富集狀況分析

本文調查、采集三里七湖的9種水生植物并且對其進行了重金屬含量的測定分析, 從水生植物的不同器官分析了對重金屬的富集能力的不同, 目的是更進一步找出三里七湖水域的水生植物對重金屬的富集作用的一般規(guī)律。

3.3.1 同種水生植物對不同重金屬的富集作用

三里七湖的九種水生植物重金屬含量和富集系數詳見表 4, 分析同一水生植物對不同重金屬的富集作用。由表 4可知: 香蒲、水芹菜、水花生、黑三棱、水蓼、菰、狐尾藻中Zn的含量最高, Cu含量最低; 蘆葦的Pb含量最高, Cr的含量最低; 狐尾藻的 Mn含量最高, 這與李先會等人對大型水生植物對重金屬的富集能力研究的結果相一致[19]; Cu含量最低。其中香蒲和水芹菜對于5種重金屬的富集系數均大于 1, 說明這兩種水生植物對重金屬的富集能力很強。對表中數據的數據加以分析可知: 對同一種水生植物而言, 不同重金屬的含量是不同, 同種水生植物有選擇性的富集不同種重金屬; 水樣和沉積物的重金屬對水生植物的重金屬的富集能力的影響顯著; 這一結果與白莉等人對于太湖優(yōu)勢水生植物對重金屬的富集與響應的研究結論大致相同[20]。

表3 水樣及地表水V類水質重金屬含量Tab. 3 Contents of heavy metals in water samples and the water quality standard of grade V

表4 九種水生植物樣品中重金屬的含量及其富集系數(BCF)Tab. 4 Contents of heavy metal in various 9 aquatic plants and BCF

圖2 不同水生植物對Cr富集作用Fig. 2 Cr enrichment of different aquatic plants

圖3 不同水生植物對Cu富集作用Fig. 3 Cu enrichment of different aquatic plants

3.3.2 不同水生植物對同一重金屬的富集作用

圖4 不同水生植物對Mn富集作用Fig. 4 Mn enrichment of different aquatic plants

圖5 不同水生植物對Pb富集作用Fig. 5 Pb enrichment of different aquatic plants

圖6 不同水生植物對Zn富集作用Fig. 6 Mn enrichment of different aquatic plants

九種水生植物對Cr、Cu、Mn、Pb、Zn的富集作用比較見圖2—6。從圖中可看出, 對Cr富集能力最強的是菰(1052 mg·kg-1, BF=2.53), 其富集系數達到了2.53, 表明菰對重金屬Cr的富集能力很強, 最弱的菹草(115 mg·kg–1, BF=0.28); 對 Cu富集能力最強的是水蓼(1067.10 mg·k–1BF=0.62), 最弱的是菹草(99.85 mg·kg–1, BF=0.06); 對 Mn 的富集能力最強的是狐尾藻(10454.25 mg·kg–1, BF=9.41), 其富集系數高達 9.41, 表明狐尾藻對重金屬 Mn的富集能力特別強, 最弱的是黑三棱(514 mg·kg–1, BF=0.46); 對Pb富集能力最強的是蘆葦(6117.2 mg·kg–1, BF=4.44),其富集系數達到了4.44, 表明蘆葦對重金屬Pb的富集能力很強, 最弱的水花生(452.45 mg·kg–1，BF=0.33); 對Zn富集能力最強的是香蒲(146855 mg·kg–1,BF=2.90)。其富集系數達到了2.9, 表明香蒲對重金屬Zn的富集能力很強。這說明同一種重金屬對不同的水生植物對其的富集也存在很大的差異, 其中蘆葦、香蒲的重金屬Zn、Pb的含量與黃永杰等人對八種水生植物對重金屬富集能力的比較研究中的相比較[5], 三里七湖水生植物蘆葦中的Pb、Zn的含量達到他們研究的中的583.7和83.7倍之多, 香蒲中的Pb、Zn則達到了53.94和135.96倍, 所以該區(qū)域的蘆葦和香蒲重金屬的富集程度已經達到了超富集植物的要求, 可以篩選為該區(qū)域重金屬Pb、Zn污染的修復植物。這也再次表明了水生植物有選擇性的對重金屬進行富集。

3.3.3 同一植物不同部位對重金屬的富集作用

由表2和圖2-6可知: 香蒲、蘆葦、水芹菜、菰和狐尾藻對Cr、Cu、Mn、Pb、Zn的富集能力較強,這與王小玲等人對鄱陽湖南磯水生植物年周期變化及重金屬污染現狀分析中的研究分析大致相同[21]。所以再本次的實驗中, 對其的根、莖、葉分別進行了處理, 并且對不同部位對重金屬的富集作用進行了詳細的分析統(tǒng)計, 詳見表5。

從表5可知: 對Cu和Pb而言, 香蒲、狐尾藻和水芹菜都表現為: 根＞莖＞葉, 其遷移系數均小于1; 這與周雪玲等人對樂安河-鄱陽湖段濕地水生植物對重金屬的富集效應研究中Pb的含量結論相一致[22–23]; 對于 Cr, 香蒲、菰表現為: 葉＞莖＞根, 而水芹菜、蘆葦則表現為: 莖＞根＞葉, 其遷移系數遠＞1; 對于 Zn, 香蒲、水芹菜均表現為根＞莖＞葉, 遷移系數＜1; 蘆葦和狐尾藻分別表現為: 莖＞葉＞根和莖葉＞根, 遷移系數遠＞1; 對于Mn, 香蒲、菰、狐尾藻均表現為: 根＞葉＞莖, 其遷移系數＜1, 而水花生和水芹菜均表現為莖＞根＞葉, 遷移系數＞1。表明水生植物的根、莖和葉對重金屬富集作用和遷移能力具有不同的表現。遷移性最強和最差的重金屬元素分別是Pb、Zn和Mn。蘆葦和狐尾藻的遷移能力比較強, 其遷移系數遠＞1, 具備了重金屬Pb、Zn的超富集植物特性。但是這兩種水生植物是否能成為重金屬Pb、Zn的超富集植物, 這需要進一步的研究。這與代軍等人對鄱陽湖水生植物對重金屬Cu、Pb、Zn的富集作用研究的相關結論一致[24]。簡敏菲[7]等人對水生植物兩棲蓼、羊蹄的不同器官的重金屬Pb、Zn的富集進行了研究。結果表明根＞葉＞莖; 董志成等人對大冶市銅礦區(qū)水生植物蘆葦進行了不同器官重金屬元素Cu、Pb、Zn 的富集研究, 結果表明重金屬Cu、Zn表現為根＞葉＞莖, 重金屬Pb表現為根＞莖＞葉[25]。本次調查的結果與此相一致, 水生植物的根、莖和葉對重金屬Cu、Pb、Zn等的富集存在差異, 對重金屬Cu、Pb的富集能力根＞莖葉。但在本文中, 對Cr而言, 蘆葦、水芹菜和狐尾藻都表現為葉＞莖＞根, 其遷移系數均遠大于1, 因為水生植物對于不同重金屬的遷移能力不相同。Cu和Pb的沉積性強, 容易累積在植物的根部, 而Zn的沉積性弱, 遷移能力較強, 易運輸至植物的莖葉部。同時重金屬主要積累于水生植物體內的根部, 莖和葉的部分含量相對比較低, 這與其他的相關報道基本相同[12–14]。

表5 5種水生植物重金屬的含量及其遷移系數(TF)Tab. 5 5 kinds of heavy metals content of aquatic plants and TF

4 結論

(1) 三里七湖底泥受重金屬污染嚴重, 采樣點的底泥中重金屬含量均值高于標準值, 含量順序為Zn＞Cu＞Pb＞Mn＞Cr。其中8號采樣點的Cu、Mn和Pb三種重金屬的含量均高于其他的幾個采樣點的重金屬含量; 筆者認為這是三里七湖中這三種重金屬污染長期沉積的結果。水樣重金屬含量順序: Zn＞ Cr＞Pb＞Cu＞Mn, 其中采樣點水中Cr、Pb、Zn含量均高于國家標準值, 而Cu和Mn的含量達標, 說明了三里七湖的水體受到了不同程度的污染。雖然三里七湖的重金屬的污染很嚴重, 但是采集的9種水生植物的生長率和死亡等其他毒害狀況均未出現, 而且長勢非常好, 表明了三里七湖的水生植物對重金屬Cr、Cu、Mn、Pb、Zn具有一定的抗性。

(2) 三里七湖九種水生植物中重金屬的含量存在很大的差異, 香蒲、蘆葦、水芹菜、菰和黑三棱的重金屬富集能力較強, 分別達到了20112.85 mg·kg–1、14035.655 mg·kg–1、15847.155 mg·kg–1、10341.455 mg·kg–1和6685.65 mg·kg–1; 而對重金屬富集作用較弱的是水花生和菹草, 分別達到了5495.2 mg·kg–1和2467.8 mg·kg–1。其中對重金屬富集能力最強和最弱的水生植物分別是是狐尾藻和水蓼, 重金屬總含量分別為18250.04 mg·kg–1和4745 mg·kg–1。表明不同水生植物對重金屬的富集作用是不同, 水生植物對重金屬有選擇性的富集。

(3) 同一水生植物的不同部位對重金屬的遷移性不同, Cu和Pb的遷移能力較弱, Zn的遷移能力較強, 蘆葦、狐尾藻和菰的遷移系數均大于1, 表明這三種水生植物已經具備了重金屬 Zn超富集植物的基本特征; 有待于更進一步研究, 開發(fā)作為湖泊植物修復用的重金屬Zn含量超標的超富集植物。因此香蒲、蘆葦、菰、狐尾藻、等可作為三里七湖重金屬污染流域水體的修復植物。但是水生植物的修復技術目前還不成熟, 需要在研究和實際應用過程中更進一步探討[26–27]。

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Heavy metals enrichment of aquatic plants in Sanliqi Lake, Huangshi City of Hubei Province

MU Kai1, LUO mingliang1,*
Land and Resource College, China West Normal University, Nanchong 637009, China

Based on field sampling and experimental analysis, this paper studied the contents of five heavy metals (Cr, Cu, Mn,Pb, Zn) in the sediments, water samples and nine aquatic plants in the Sanliqi Lake of Huangshi City, Hubei Province.Meanwhile, accumulation characteristics of the five heavy metals in aquatic plants were also detected. The results showed that he contents of Cr, Cu, Mn, Pb, Zn in the sediment were severely over standard, which were 1.43, 6.40, 1.64, 3.33, 9.65 times of he national standard value respectively. By contrast, the contents of Cr, Pb, Zn in the lake water were 22.3, 9.0, 1.35 times of he national standard value respectively, while the contents of Cu, Mn in the lake water were not exceeding the national standard.Of all the five heavy metals, the content of Zn was the highest in the Typha orientalis, Oenanthe javanica (Blume) DC.,Alternanthera philoxexoides, Parganium stoloniferum, Polygonumhydropiper, Zizania latifolia and Myriophyllum spicatum,while the content of Cu was the lowest. But in the Phragmites australis and Potamogeton crispus, the results were somewhat different, with the highest value of Pb and Mn, and the lowest value of Cr and Cu. The same aquatic plant was selective for the concentration of different heavy metals; and different aquatic plants were obvious discrepant for the concentration of the same heavy metal. Typha orientalis, Phragmites australis, Zizania latifolia, Myriophyllum spicatum in the aquatic plant can be used as the remediation plants in the lake water contaminated by heavy metals.

heavy metals enrichment; sediments; aquatic plants; water samples; Sanliqi Lake

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.03.012

X52

A

1008-8873(2017)03-082-08

慕凱, 羅明良. 三里七湖水生植物重金屬富集作用研究[J]. 生態(tài)科學, 2017, 36(3): 82-89.

MU Kai, LUO mingliang. Heavy metals enrichment of aquatic plants in Sanliqi Lake, Huangshi City of Hubei Province[J]. Ecological Science, 2017, 36(3): 82-89.

2015-11-14;

2016-01-19

國家自然科學基金(41101348); 西華師范大學基本科研業(yè)務項目(15C002); 西華師范大學科研啟動項目(12B015)

慕凱(1990—)男, 碩士研究生, 主要從事GIS和水土保持監(jiān)測方面研究, E-mail: hunsilang@163.com

*通信作者:羅明良, 男, 博士, 教授, 主要研究方向為GIS及數字地形, E-mail: lolean586@163.com