商娟，伍紅強，鄒小麗

（1. 皖江工學院土木工程學院，安徽 馬鞍山 243000；2. 中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；3. 南昌理工學院工程管理學院，南昌 330044）

0 引 言

砷是自然水環(huán)境中的一種常見污染物，具有很強的毒性和致癌性。 1997 年美國生態(tài)環(huán)境部將其列為A 類致癌物質(zhì)[1]，2004 年國際癌癥研究協(xié)會又將其列為一類致癌物[2]。1993 年，WHO 將飲用水中砷的指標由 50 μg/L 降至 10 μg/L[3]，我國《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749-2006） 規(guī)定砷含量不能超過10 μg/L[4]，《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）Ⅲ類水體水質(zhì)標準要求砷含量小于50 μg/L[5]。

水體環(huán)境中的砷來源復雜，礦山作業(yè)是其重要來源之一。有色金屬礦山在開采開發(fā)過程中有大量的伴生礦物砷裸露于地表，或含砷礦石長期露天堆放，經(jīng)過風化、氧化及淋溶作用，使得礦區(qū)水體環(huán)境中砷含量增加，對水體環(huán)境產(chǎn)生一定威脅。因此，降低礦區(qū)水體環(huán)境中的砷含量意義重大。

目前，礦山含砷廢水的處理技術有化學法沉淀法、吸附法、生物法等[6-9]，但這些方法有的會產(chǎn)生二次污染，有的則受限于處理成本，均不便長期采用。近年來，植物修復理論越來越受到人們的重視，即利用植物固定、降低或者去除環(huán)境中的污染物[9]，是一種環(huán)境友好、綠色經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的技術。關于植物修復砷污染水體的研究很多，如：Yu 等[10]認為，某種水生植物生長在礦山水域區(qū)可以吸收富集大量的砷；Robinson B 等[11]研究表明，新西蘭某些地區(qū)的水生植物體內(nèi)砷的累積能力高達1000 mg As/kg；Huang 等[12]認為，砷的超累積植物可以將水體中的砷含量降低到10 μg/L。

柳樹易繁殖、生長旺盛、根系發(fā)達[13]，適應性強，喜濕，并對有毒重金屬元素有很強的吸收和積累能力，因此在植物修復應用中有很大的發(fā)展?jié)撃?。國?nèi)外學者研究發(fā)現(xiàn)柳樹在環(huán)境污染修復中起著重要作用，并可通過栽種柳樹后短期輪伐、間伐或定期收獲等方法來去除污染物[14-16]，但關于柳樹對砷污染礦區(qū)水體的修復作用研究較少。 文章探討了柳樹對水體中砷的吸收、耐受和累積情況，對含砷礦區(qū)廢水進行了植物修復試驗，為柳樹修復砷污染水體提供一定的理論基礎，具有一定的研究意義。

1 材料與方法

1.1 試驗用水

試驗用水共兩類，一類為對霍蘭德營養(yǎng)液進行改進、人工配制的含有不同濃度砷的營養(yǎng)液。 另一類則取自安徽省某硫鐵礦區(qū)廢水，廢水中砷含量為320 μg/L，超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）Ⅲ類水體水質(zhì)標準要求。

1.2 柳樹培育

柳樹（Salix inregra）引種自江蘇南京某研究所，在溫室實驗室培養(yǎng)。 選擇長勢良好、粗細均勻的柳樹枝條扦插，插條長約15 cm，固定于塑料泡沫板上后放置于盛有25 L 人工配制營養(yǎng)液的容器內(nèi)培養(yǎng)。自然光照，晝夜溫差控制在15~25 ℃。培養(yǎng)8 周后，柳樹長高至1.2~1.5 m，待用。

1.3 試驗設計

1.3.1 柳樹對砷的吸收動力學試驗

試驗于人工氣候培養(yǎng)箱中進行。 選取長勢良好、一致的待用柳樹，分別置于 0、15、30、60、120、240、480 μg/L 7 種不同砷濃度的人工配制營養(yǎng)液中，其中砷含量為0 作為對照組。 每個濃度試驗設置3 個重復，每個重復種植3 株柳樹。 設置光照/黑夜時間分別為 16 h/8 h，設置溫度 15~30 ℃，設置光照強度 260 μmol/（m2·s），設置濕度 60%。依據(jù)需要定時定點測量人工配制營養(yǎng)液中砷的濃度。

1.3.2 柳樹對砷的耐受能力試驗

選取長勢良好、一致的待用柳樹，分別置于0、15、30、60、120、240、480 μg/L 7 種不同砷濃度的人工配制營養(yǎng)液中，其中砷含量為0 作為對照組。 每個濃度試驗設置3 個重復，每個重復種植6株柳樹。 營養(yǎng)液更換周期為10 d，30 d 后收獲柳樹植株。 將收獲的柳樹植株沖洗干凈，測量每棵柳樹植株的平均根長、平均根表面積、平均根體積，平均根直徑和平均根尖數(shù)。

1.3.3 柳樹對砷的累積能力試驗

試驗方法同1.3.2，于30 d 后收獲柳樹。將收獲的柳樹植株洗凈，將其根部浸入洗脫液中20 min，蒸餾水再次沖洗，后用吸水紙吸干植株表面水分。 分離每棵柳樹植株的根系、莖、葉，稱量，記錄各部分鮮重。 步驟完成后，將被分離的柳樹各部分殺青、烘干、稱量，記錄各部分干重。 記錄完成后，將被分離的各部分消煮，測量各部分的砷含量。

1.3.4 柳樹對含砷廢水的植物修復試驗

選取長勢良好、一致的待用柳樹置于容器中，容器中含5 L 所采礦區(qū)廢水。 試驗設置3 個重復，每個重復種植6 棵柳樹，處理周期為60 d。 分別在第 0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60 d 定時從瓶內(nèi)吸取5 mL 溶液，后補入相同體積的礦山廢水，測定各點所采集樣品中的砷含量，分析柳樹對含砷廢水的植物修復作用。

1.4 分析方法

1.4.1 柳樹生物量測定

分別用自來水、蒸餾水將柳樹植株洗凈，用吸水紙吸干柳樹植株表面水分。按地上部分和地下部分將柳樹分離成根、莖葉，將其放入烘箱于105 ℃下殺青30 min，于70 ℃烘至恒重，再分別稱量其干重，記錄試驗數(shù)據(jù)。

1.4.2 砷含量測定

將被烘干的柳樹各部分磨碎，稱取一定量放入錐形瓶中，加入適量硝酸和高氯酸消煮，至溶液澄清透明。 冷卻，定容，用原子熒光光度計測定砷含量，同時作空白。

1.4.3 廢棄柳樹處理

試驗中所廢棄的柳樹植株，因其體內(nèi)含不同濃度的砷，可能會對環(huán)境造成一定的影響，不可隨意丟棄。 本試驗過程中將對廢棄的柳樹植株進行回收，定點焚燒處理。

2 結果與討論

2.1 柳樹對砷的吸收動力學

由學者Michaelis 和Menten 提出的米氏方程研究了酶促反應動力學[17]，為更好地研究植物細胞對某些元素的吸收速率，現(xiàn)將其改進如下：

其中：V 為反應速率，即植物根系細胞吸收離子的速率；C 為底物濃度，即植物細胞外可溶的離子濃度；a 為線性部分的吸收速率；Vmax為最大反應速率，即植物根系細胞對離子的吸附速率的最大值，Km為特征常數(shù)。

若將整株柳樹看作一個完整的酶細胞體系，柳樹對砷的吸收動力學則可由該方程進行擬合。擬合后所得的V 數(shù)值大小與柳樹根系吸收砷的潛力大小呈正比關系，Km值則與植物根系對離子的親和能力呈反比關系[18]。

按照試驗設計，1 h 結束后，分別取7 種不同砷濃度培養(yǎng)液適量，測其中砷含量C，而后運用改進的米氏方程進行擬合，結果見圖1。 圖1（a）所示為不同初始砷濃度下，柳樹吸收水體中砷的反應速率，且隨著水中砷濃度的增加，柳樹對砷的吸收速率逐步增大，即柳樹根系吸收砷的潛力隨著水中初始砷濃度的增加而提高。 圖1（b）為擬合后該方程的線性部分和曲線飽和部分，線性部分表示由細胞壁結合不能被洗脫的砷，曲線部分表示由細胞膜載體輸送遷移而被植物吸收的砷。該試驗中，方程擬合后 R2為 0.98，Km的值為（14.82 ± 0.89） nm，低于已有報道中此類對砷污染有較好耐性和積累性的植物，證明利用柳樹去除水體中的砷污染具有實際可行性[19-20]。

圖1 1 h 后柳樹對水體中砷的吸收動力學

2.2 柳樹對水體中砷的耐受

柳樹對水體中砷的耐受能力是衡量柳樹植物修復作用的重要指標之一，其能力大小主要表現(xiàn)在根系的生物量、不定根數(shù)量及長度等[21-22]。按照試驗設計，柳樹在含0~480 μg/L 砷的7 組人工配制營養(yǎng)液中進行培養(yǎng)，30 d 后收獲柳樹植株。 在培養(yǎng)期間，參考對照組，觀察發(fā)現(xiàn)其余6 組試驗組中柳樹長勢良好，外觀并未出現(xiàn)斑駁、黃化、枯萎等砷毒害癥狀。 為較直觀地表示柳樹對水體中砷的耐受能力，分別記錄柳樹植株的相關生物量，具體數(shù)據(jù)結果見表1、表2。

表1 所示為不同砷濃度下柳樹的生物量，結果表明，柳樹生物量幾乎不受水中砷濃度大小的影響。 至試驗結束，柳樹植株總生物量保持在21~23 g，葉生物量穩(wěn)定在2.2~2.4 g，莖生物量穩(wěn)定在12.1~12.4 g，根系生物量穩(wěn)定在6.7~9.2 g，根冠比穩(wěn)定在48%~62%，與對照組相比無明顯差異。 表2所示為不同砷濃度下柳樹根系指標，結果表明，與對照組相比，根系各指標均為正常。Zhang 等[23]學者研究無根萍去除水體中砷的試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當培養(yǎng)液中的砷濃度達到（181.66 ± 20.12） μg/L 時，出現(xiàn)半數(shù)無根萍的死亡現(xiàn)象。而本試驗中，柳樹在0~480 μg/L 的砷濃度范圍內(nèi)，生物量穩(wěn)定，長勢良好，可見柳樹對水體中砷污染有較強的耐受能力。

表1 不同砷濃度下柳樹的生物量(干重，DW)

表2 不同砷濃度下柳樹根系指標

2.3 柳樹對砷的累積

柳樹對砷的累積能力也是反映柳樹修復能力的重要指標。 水體中的砷被柳樹吸收后，逐漸由地下部分（根系）向地上部分（莖、葉）運輸轉移，柳樹的根、莖、葉中都有砷的累積。 按照試驗設計進行7 組試驗，試驗結果見圖2。

圖2 不同砷濃度下柳樹體內(nèi)的砷含量

由圖2 知，柳樹體內(nèi)累積的砷含量與人工配制的培養(yǎng)液中砷濃度大小呈正比。 圖2（a）所示為柳樹根系中砷的累積量變化情況，初始溶液中砷濃度為15 μg/L 時，根系中累積的砷為（40.75±0.31） μg/gDW，至初始溶液中砷濃度達480 μg/L 時，根系中累積的砷高達（994.87±0.68） μg/g DW。 圖 2（b）所示為柳樹莖、葉中砷的累積量變化情況，莖中砷累積量從 0 逐漸升高至（22.47±0.56） μg/g DW，葉中砷累積量從 0 逐漸升高至（42. 18±0.56） μg/g DW。在此期間，參考對照組，發(fā)現(xiàn)柳樹生長正常，可見柳樹對水體中的砷污染具有較強的累積能力。

2.4 柳樹對含砷礦區(qū)廢水的植物修復

按試驗設計，利用柳樹植株處理安徽省某硫鐵礦區(qū)低濃度含砷廢水。 60 d 后，礦區(qū)廢水中砷含量變化如圖3 所示。

隨著處理時間的延長，礦山廢水中的砷含量逐漸降低。 20 d 內(nèi)，礦區(qū)廢水中的砷含量由320 μg/L降至 127 μg/L，處理效率達 56.21%。 至第 30 d，該礦區(qū)廢水中砷含量低至71 μg/L，隨后砷的去除效率趨于平穩(wěn)，至60 d 結束，該礦區(qū)廢水中砷含量已低至 45 μg/L，達到 《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）Ⅲ類水體水質(zhì)標準要求，且柳樹沒有表現(xiàn)出任何中毒癥狀，正常生長。

圖3 60 d 內(nèi)柳樹對含砷礦區(qū)廢水的植物修復效果

3 結 論

1）柳樹處理水體環(huán)境中的砷，其吸收動力學可用改進后的米氏方程擬合，發(fā)現(xiàn)柳樹對砷具有較強的親和力和較快的吸收速率，利用柳樹修復含砷廢水具有實際可行性。

2） 柳樹對砷污染有良好的耐受能力和累積能力。 在 0 至 480 μg/L 的砷濃度下人工培養(yǎng) 30 d后，柳樹正常生長，生物量沒有明顯變化，且柳樹根系、莖、葉中都有砷累積，沒有葉黃、枯萎的毒害癥狀，可作為水體環(huán)境中砷污染的植物修復物種。

3） 柳樹處理某礦區(qū)廢水中低濃度砷60 d，廢水中砷含量由320 μg/L 降至45 μg/L，處理效率達84.48%，達到 《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）Ⅲ類水體水質(zhì)標準要求，且柳樹生長正常。

4）利用柳樹處理某礦區(qū)低濃度含砷廢水，效果良好，經(jīng)濟環(huán)保，具有良好的發(fā)展前景。在項目的后續(xù)研究中，將適當延長試驗周期，考察在長期作用下，柳樹的生長情況及柳樹對砷污染的耐受和累積能力。