許雙燕，胡琪悅，董慧蕓，汪 泉，丁 文，張 素，吳勝春,2，梁 鵬,2

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省土壤污染生物修復(fù)重點實驗室，浙江 杭州 311300）

汞（Hg）是具有強烈毒性的重金屬污染物之一,也是唯一一種主要以氣態(tài)形式存在于大氣中的重金屬污染物。所有的汞化合物對人類和動物都具有極強的毒性，其中以有機汞化合物的毒性最大［1］。甲基汞（MeHg）能夠通過食物鏈以生物積累和生物放大作用在不同生物體中進行富集，當(dāng)人們攝入甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的魚類或其他食物時，甲基汞會在人體內(nèi)積累，對人類健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害。汞在水生生態(tài)系統(tǒng)中具強生物富集特性，許多研究報道了汞在海洋或者湖泊等水系統(tǒng)中的分布、遷移以及形態(tài)轉(zhuǎn)化過程［2－3］。近年來，陸地生態(tài)系統(tǒng)，特別是土壤中汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐年增高,并且此種污染是一個不可逆的過程［4］。2014年全國土壤污染調(diào)查公告顯示，中國已有1.6%農(nóng)田受汞污染［5］，土壤汞污染所帶來的問題已經(jīng)對水體和農(nóng)作物造成了嚴(yán)重威脅［6－7］。對于受汞污染的土壤，傳統(tǒng)的治理方法包括固定法、淋洗法、客土法等物理化學(xué)方法，但是這些方法成本高，并且會造成二次污染［8］。植物修復(fù)是指將某種特定的植物種植在受污染的土壤中,利用植物特有的吸收、降解、揮發(fā)、根濾、穩(wěn)定等作用機制，從環(huán)境中富集或者吸收某種污染物,而維持正常的代謝活動,不對自身產(chǎn)生毒害作用［8］。近年來,植物修復(fù)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，其費用低廉、不破壞場地結(jié)構(gòu)、不會對地下水造成二次污染，而且能對環(huán)境起到美化作用。HORVAT等［9］報道顯示：酸模Rumex induratus和歐夏至草Marrubium vulgare對汞污染土壤的去除能力為12.9和27.6 g·hm－2；而大麥Hordeumspp.，多葉羽扇豆Lupinus culinaris，鷹嘴豆Cicer arietinum等對汞的去除量僅分別為4.7，2.8和 0.4 g·hm－2。與全球汞污染土壤的平均富集度（100.0 kg·hm－2）相比，可忽略不計［10］。中國學(xué)者也對汞污染土壤修復(fù)進行了研究。龍育堂等［11］嘗試將污染水稻田改種旱作苧麻Boehmeria nivea，雖然苧麻地上組織中的汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)不及水稻Oryza sativa高，但其土壤凈化的速度要比種植水稻快8.5倍，無法在水生環(huán)境修復(fù)中應(yīng)用。水稻植株可以從土壤中富集汞。水稻植株對汞的富集實際上是一個 “根吸收-莖轉(zhuǎn)運-葉賦存-子實累積”的動態(tài)過程［2，12－13］。相比于在土壤中賦存時期較長的“舊汞”，水稻更易于吸收從大氣中新沉降到土壤中的 “新汞”［2］。此外，其他一些對汞有較強富集能力的植物主要包括懸鉤子Rubusspp.和野嵩Artemisia argyi［14］， 乳漿大戟Euphorbia esula［15］和大米草瓜子Spartina anglica［16］等。硒（Se）是生物體內(nèi)必需的一種微量元素，ZHANG等［17］的研究證明了土壤中的硒可以抑制植物對汞的吸收，并且硒可以在一定程度上減少汞對生物體的毒害作用［18－19］。張華等［20］在中國萬山汞礦區(qū)對水稻的研究結(jié)果進一步表明：水稻根部土壤中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加可能會對水稻莖、葉和果實對根圍無機汞（IHg）和甲基汞的富集產(chǎn)生拮抗作用。節(jié)能燈生產(chǎn)過程中會使用大量的汞，從而造成當(dāng)?shù)丨h(huán)境汞污染?，F(xiàn)有研究表明：節(jié)能燈生產(chǎn)地區(qū)水稻中汞的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于當(dāng)?shù)厥惺燮渌麃碓此局泄馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)［21］。因此，本研究選取浙江省杭州市臨安區(qū)高虹鎮(zhèn)典型節(jié)能燈生產(chǎn)聚集區(qū)2條河道內(nèi)主要水生植物為研究對象，在研究區(qū)域內(nèi)共采集了16個點的不同水草樣品并對水草不同部位的無機汞、甲基汞和硒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進行了測定。通過分析這些數(shù)據(jù)，比較不同水草富集無機汞和甲基汞的能力差異，并尋找對汞富集能力較強的水草種類，同時分析水草中硒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對水草富集汞的影響，觀察植物體內(nèi)硒的存在是否對汞的富集起到了抑制作用。

1 研究流程與方法

1.1 樣品采集及處理

根據(jù)高虹鎮(zhèn)當(dāng)?shù)氐牡匦魏蜌夂蚯闆r、產(chǎn)業(yè)分布特征和節(jié)能燈生產(chǎn)區(qū)的密集程度，以流經(jīng)境內(nèi)的仇溪和猷溪2條支流進行布點采樣。采樣時間為2016年5月。選取16個采樣點，采樣點1，2，3，4，5，6，11，12，13等因周圍沒有節(jié)能燈廠作為非污染對照點，采樣點7，8，9，10和采樣點14，15，16等因周圍節(jié)能燈廠相對密集作為污染點，采樣點10周圍有污水處理廠（具體布樣點見圖1）。水草樣品選取當(dāng)?shù)刂饕锓N，包括空心蓮子草Alternanthera philoxeroides，雙穗雀稗Paspalum paspaloides，一點紅Emilia sonchifolia，石菖蒲Acorus tatarinowii和稗草Echinochloa crusgalli等5個種。在各個采樣點，采集植株3～5株·種－1。采集時將水草連根拔起，整株放入無色透明的聚乙烯塑料袋中，運回實驗室。用自來水和超純水先后將樣品沖洗干凈，特別是將根表面的底泥沉積物洗凈，并對水草的根、莖、葉各部分分袋裝好，再放入冰箱冷凍保存。同時，在植物生長區(qū)周圍采集沉積物，也裝入聚乙烯袋中，放入冰箱保存。植物與沉積物都用Freezone冷凍干燥機（美國Labconco公司）對樣品進行干燥處理，將已凍干的樣品磨成粉過100目篩，然后放入無色透明的聚乙烯塑料袋密封保存待測。

圖1 水草采樣點分布圖Figure 1 Sampling sites for all of aquatic plants

1.2 實驗方法

1.2.1 甲基汞的測定 樣品甲基汞測定根據(jù)USEPA［22］和MENG等［2］建立的方法，準(zhǔn)確稱取樣品0.1～0.2 g（精確到萬分位）置于50.0 mL離心管中，加入5.0 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%氫氧化鉀溶液。將離心管放入水浴鍋內(nèi)消解3.0 h以上（消解溫度為75～80℃），至完全溶解，取出離心管冷卻至室溫，緩緩滴加濃鹽酸3.0～5.0 mL，以pH試紙測試溶液呈酸性。再加入10.0 mL二氯甲烷，稱量，密封后充分振蕩30 min。離心分離（3 000 r·min－1）25 min，抽掉上部廢液，轉(zhuǎn)移萃取液到50.0 mL離心管內(nèi)，稱量，加入適量超純水（45.0 mL）。置水浴鍋內(nèi)，水浴升溫50℃，氣化二氯甲烷，以竹簽去氣泡，待氣泡消失時，升溫至不超過80℃，吹入氮氣，約8 min。定容至50.0 mL，搖勻待測。

1.2.2 無機汞的測定 樣品中無機汞測定采用差減法，即使用樣品總汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)減去甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)。樣品總汞測定方法根據(jù)馮新斌等［1］和 USEPA［23］建立的方法。用電子天平準(zhǔn)確稱取樣品0.1～0.2 g（精確到萬分位）于25.0 mL之酸凈化過的比色管中，向比色管中加入5.0 mL工藝超純硝酸，在95℃水浴鍋消解6.0 h以上。待樣品完全消解后，加入少許超純水，再向比色管中加入體積分?jǐn)?shù)為0.5%氯化溴。用超純水準(zhǔn)確定容至25.0 mL，搖勻，放置過夜待測?？偣臏y定采用冷原子熒光光譜法，儀器采用ModelⅢ（美國Brooks Rand公司）。

1.2.3 硒的測定 準(zhǔn)確稱取樣品0.2 g（精確到千分位）于25.0 mL經(jīng)凈化處理的比色管中，向比色管中加入現(xiàn)配的王水10.0 mL，并在比色管口放上經(jīng)處理的小漏斗，過夜。將比色管放入消解器進行消解，消解溫度約130℃，消解約8.0 h，待樣品完全消解后，向比色管中加入體積分?jǐn)?shù)為1%的硝酸溶液定容至25.0 mL，搖勻。過濾至無色50.0 mL離心管中，再轉(zhuǎn)移10.0 mL溶液于15.0 mL離心管內(nèi)待測。硒元素的測定采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（Prodigy 7,美國Leeman公司）。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析與質(zhì)量控制 采用生物樣品標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)Tort-3（加拿大NRCC公司）、方法空白、樣品平行和加標(biāo)回收率等方法進行質(zhì)量控制?？偣瘻y定方法的最低檢出限為0.006 ng·g－1，甲基汞測定方法的最低檢出限為0.002 ng·g-1?？偣c甲基汞的樣品平行誤差率分別為10.1%和12.9%，總汞與甲基汞的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)回收率分別為84.2%～102.0%和95.1%～109.0%。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 每種植物的根、莖、葉為各個指標(biāo)需要測定的樣品，每種樣品的值為選取的3個平行樣品的平均值。文中數(shù)據(jù)用軟件Excel 2013進行整理，采用SPSS 21.0軟件進行數(shù)據(jù)分析。圖表制作采用 SigmaPlot 12.5和 Excel 2013。

1.3 生物富集系數(shù)的計算

植物對汞富集的程度可用生物富集系數(shù)反映，其富集系數(shù)越大說明植物對汞富集能力越強。采用公式 “生物富集系數(shù)＝植物樣品中根系的汞/沉積物中的汞”進行計算。

2 數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

2.1 水草中汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征

表1和表2分別表明了在各地區(qū)中空心蓮子草、雙穗雀稗、一點紅、石菖蒲、稗草各部位的無機汞和甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布特征。其中無機汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)為雙穗雀稗＞空心蓮子草＞稗草＞石菖蒲＞一點紅，甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)為雙穗雀稗≈空心蓮子草＞稗草＞石菖蒲＞一點紅。由此說明：雙穗雀稗不管是對無機汞還是甲基汞的富集能力都是較強的，高于其他品種水草對汞的富集能力。無機汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高點出現(xiàn)在8號采樣點。

圖2和圖3則反映了未污染地區(qū)和污染地區(qū)不同品種水草各部位之間總汞和甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布特征。其中除了一點紅較為特殊，在未污染地區(qū)各部位甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)為葉＞莖＞根，總汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)在根、莖、葉中無明顯差異以外，其余品種水草在未污染地和污染地根部的總汞和甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)均明顯高于莖和葉中總汞和甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)，說明這些品種水草主要還是從根部對汞進行富集。這表明水生植物對汞的吸收主要是根而不是莖或者葉。

表1 不同植物組織中無機汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 IHg concentrations in different plant tissues

水草不同部位對汞的富集能力也有所不同。雙穗雀稗、石菖蒲和稗草在未污染地和污染地各部位中甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布為根＞莖＞葉，空心蓮子草各部位中甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布為根＞葉＞莖?？招纳徸硬荨㈦p穗雀稗、石菖蒲和稗草在未污染地和污染地各部位總汞分布為根＞葉＞莖，根部汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于莖和葉汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但莖和葉之間無明顯差異。一點紅比較特殊，在未污染地各部位甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)還有所不同，而在污染地各部位總汞和甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)均無明顯差異。

表3表明：這些水草對不同形態(tài)的汞表現(xiàn)出不同的富集特征，從未污染地和污染地對甲基汞和總汞的富集系數(shù)可知這些水草對甲基汞具有較強的富集能力，對總汞的富集能力相對較弱。其中雙穗雀稗在污染地對甲基汞和總汞的富集能力均顯著高于未污染地，而稗草和空心蓮子草在未污染地已經(jīng)呈現(xiàn)出較好的富集汞能力，所以在污染地并沒有表現(xiàn)出明顯強于未污染地的富集能力。石菖蒲在未污染地和污染地均沒有表現(xiàn)出較強的富集能力。由此可得：雙穗雀稗可作為該地區(qū)用來富集汞的潛在水草品種。

表2 不同植物組織中甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 MeHg concentrations in different plant tissues

圖2 未污染地各水草根、莖、葉中汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Figure 2 Mercury concentration in root,stern and leaf of different aquatic plant in non-mercury contamination sites

圖3 污染地各水草根、莖、葉中汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Figure 3 Mercury concentration in root,stern and leaf of different aquatic plant in mercury contamination sites

2.2 水草中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征

圖4反映了5種水草根、莖、葉中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布。雙穗雀稗、一點紅的根部硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，空心蓮子草和稗草的葉中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，但與根中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異，總體來說水草根部的硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比莖和葉較低（表 4）。

不同水草相同部位硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，根部硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布為空心蓮子草＞一點紅＞石菖蒲＞稗草＞雙穗雀稗；莖中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布為空心蓮子草＞雙穗雀稗＞一點紅＞稗草＞石菖蒲；葉中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布為雙穗雀稗＞空心蓮子草＞一點紅＞石菖蒲＞稗草。同種水草不同部位硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)也不同，其中雙穗雀稗各部位硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布為根＜莖＜葉，空心蓮子草各部位硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布為葉＜根＜莖，一點紅各部位硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布為根＜葉＜莖。總體來說，水草根部的硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比莖和葉較低，即使部分水草根中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于葉中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但也無顯著差異。

從圖5可得出：空心蓮子草根、雙穗雀稗、石菖蒲和稗草中甲基汞與硒之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但關(guān)系并不顯著（R＝－0.700，P＞0.05，n＝8；R＝－0.637，P＞0.05，n＝9；R＝－0.158，P＞0.05，n＝4；R＝－0.589，P＞0.05，n＝8）。一點紅根中甲基汞與硒之間呈正相關(guān)關(guān)系， 但關(guān)系也不顯著（R＝0.427，P＞0.05，n＝5）。從圖6可知：空心蓮子草、雙穗雀稗、一點紅、石菖蒲和稗草根中總汞與硒之間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系， 但關(guān)系并不顯著（R＝－0.688，P＝0.087＞0.05，n＝7；R＝－0.297，P＝0.476＞0.05，n＝8；R＝－0.816，P＝0.092＞0.05，n＝5；R＝－0.461，P＝0.434＞0.05，n＝5；R＝－0.761，P＝0.079＞0.05，n＝6）。

表3 各水草根對不同形態(tài)汞的富集系數(shù)關(guān)系Table 3 Bioaccumulation factor of different speciation mercury in aquatic plants from mercury contamination sites and nonmercury contamination sites

圖4 水草各部分中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Figure 4 Selenium concentration in root,stern and leaf of different aquatic plants

表4 不同植物組織中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Table 4 Selenium concentration in different plant tissues

上述分析中空心蓮子草、雙穗雀稗、石菖蒲和稗草根中甲基汞和總汞與硒兩者之間雖然沒有呈顯著關(guān)系，但是它們均顯示負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明當(dāng)水草根部硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加很有可能可以降低水草對汞的富集。這表明：硒能對水生生物體中汞的富集產(chǎn)生抑制作用相一致。一點紅根中甲基汞與硒之間沒有呈負(fù)相關(guān)關(guān)系可能是由于本研究中采集到的一點紅樣品的數(shù)量過少導(dǎo)致。其他種水草未呈顯著關(guān)系，可能是因為實驗過程的誤差和樣品數(shù)量較少。

圖5 水草根中甲基汞和硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系Figure 5 Correlation between methyl mercury and selenium concentration in the roots of aquatic plants

圖6 水草根中無機汞和硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系Figure 6 Correlation between inorganic mercury and selenium concentration in the roots of aquatic plants

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

杭州市臨安區(qū)高虹鎮(zhèn)研究區(qū)域內(nèi)未污染地和污染地5種水草除一點紅較特殊以外，其余水草的根部總汞和甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著高于莖和葉中總汞和甲基汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)，說明這些水草主要還是從根部對汞進行富集。水草對不同形態(tài)的汞的富集能力也有所不同，所研究的這些品種水草對甲基汞的富集能力要比對總汞的富集能力強。雙穗雀稗在污染地對總汞和甲基汞的富集能力均明顯強于其他種的水草，并且雙穗雀稗在污染地的富集能力顯著強于未污染地，所以可以用來作為該地區(qū)修復(fù)汞污染地的潛在水草種類。

3.2 討論

植物中硒與汞之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加很可能抑制植物對汞的吸收。根系對汞吸收減小是硒和汞在根系環(huán)境中形成了難溶的汞硒（HgSe）復(fù)合物。一種可能的解釋是，在營養(yǎng)栽培條件下，硒和汞更容易形成汞硒復(fù)合物，從而顯著抑制了植物對汞的吸收；另一方面，汞離子（Hg2+）和亞硒酸離子（SeO32-）均是通過水通道進入植物細胞的，這就造成了兩者的競爭吸收。所以硒的存在使植物對汞的吸收有所減少，從而減輕汞對植物或者人體的危害。

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