沈佳怡,高銘晶,劉 鈺,黃 洵,郭 浩,張新穎

(1.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,上海 200444;2.中國石油大慶石化公司質(zhì)量檢驗中心,黑龍江 大慶 163714)

由于工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展,大量含有氮磷營養(yǎng)鹽、有機(jī)質(zhì)、重金屬等的污水被排入城市河流,造成城市內(nèi)河黑臭污染[1-2].截至2017年10月,全國地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體共計2 100個,對城市居民的正常生活產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響[3].據(jù)統(tǒng)計,超過99%的重金屬在進(jìn)入水生生態(tài)系統(tǒng)后通過溶解、吸附、沉淀等復(fù)雜的物理化學(xué)過程儲存在河道底泥中,最終可能導(dǎo)致底泥中的重金屬濃度高于上覆水幾個數(shù)量級[4].底泥不僅是重金屬的匯,也是重金屬污染的潛在來源[5].當(dāng)水體發(fā)生擾動或者其他環(huán)境條件變化時,底泥中蓄積的重金屬很有可能會再次釋放至上覆水中,引起水體的二次污染,對動植物及人類健康造成威脅[6].

底泥疏浚是一種普遍采用的清除重金屬污染沉積物的方法[7].但是,簡單堆放的疏浚底泥會使重金屬再次轉(zhuǎn)移至環(huán)境中.此外,疏浚底泥與土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)相似,并含有豐富的養(yǎng)分,因此也可以采取有效措施去除底泥中的重金屬,對底泥進(jìn)行資源化利用.植物修復(fù)技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、綠色、對環(huán)境擾動較小的特點(diǎn),可以通過超富集植物的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和積累從土壤、沉積物或者水體中提取重金屬,從而達(dá)到修復(fù)污染的目的[8].目前已有報道的超富集植物有700多種,但這些植物通常具有生物量低、生長緩慢、富集重金屬專一的缺點(diǎn),限制了植物修復(fù)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用[9].同時,由于疏浚底泥脫水后孔隙度低,干燥后易龜裂,且常為多種重金屬的復(fù)合污染,因此修復(fù)植物能否在疏浚底泥中正常生長,是否對重金屬復(fù)合污染底泥具有良好的修復(fù)效果,仍需要進(jìn)行實(shí)驗研究.

草本植物具有適應(yīng)性強(qiáng)、生長速度快、生物量大且易于管理的優(yōu)點(diǎn),是備受關(guān)注的典型植物[10].白三葉(Trifolium repensL.)、高羊茅(Festuca arundinacea)、黑麥草(Lolium perenneL.)、披堿草(Elymus dahuricusTurcz.)、籽粒莧(Amaranthus hypochondriacusL.)和紫花苜蓿(Medicago sativaL.)是常見的草本植物,且對重金屬污染有一定的修復(fù)效果.本研究選擇上述6種典型草本植物對Cd-Zn-Cu復(fù)合污染的上海市某典型黑臭河道底泥開展了植物修復(fù)實(shí)驗.通過對比6種實(shí)驗植物的生長狀況、修復(fù)潛力和修復(fù)效果,篩選出修復(fù)能力較強(qiáng)的植物,為實(shí)際開展植物修復(fù)重金屬復(fù)合污染河道底泥提供技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗材料

1.1.1 實(shí)驗底泥及處理

實(shí)驗底泥取自上海市某典型城市黑臭河道沉積物,pH=7.02,重金屬Cd、Zn、Cu的初始含量分別為1.77、489.45、186.55 mg/kg.由于底泥中含有一定的營養(yǎng)物質(zhì),并且其結(jié)構(gòu)性質(zhì)也與土壤相似,具有資源化利用的可能,因此,以GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中的要求進(jìn)行修復(fù).根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)6.5＜pH≤7.5且農(nóng)用地類型為其他時,重金屬Cd、Zn、Cu的風(fēng)險篩選值分別為0.3、250、100 mg/kg.由此可見,該典型黑臭河道底泥中的重金屬Cd、Zn、Cu均存在不同程度的污染,需要采取措施進(jìn)行修復(fù).將實(shí)驗底泥除去石塊和其他雜物后,破碎、混勻、風(fēng)干并裝入0.7 m×0.5 m×0.6 m的PVC實(shí)驗箱內(nèi).在裝底泥時沿著箱體寬邊插入0.5 m×0.4 m×0.02 m的塑料片,將實(shí)驗箱分為2個0.35 m×0.5 m×0.6 m的種植區(qū)域.實(shí)驗箱置于上海大學(xué)寶山校區(qū)室外.該區(qū)域主要為典型的亞熱帶季風(fēng)氣候,四季分明、日照充分、雨水充足.

1.1.2 實(shí)驗所用植物

在本實(shí)驗中,選擇了白三葉、高羊茅、黑麥草、披堿草、籽粒莧和紫花苜蓿共6種典型草本植物作為實(shí)驗植物,其中高羊茅、黑麥草、披堿草、籽粒莧和紫花苜蓿的種子均為常見草本品種,白三葉幼苗采自上海大學(xué)寶山校區(qū)內(nèi).

1.2 實(shí)驗設(shè)計

在種植實(shí)驗植物前,將表層底泥充分翻耕.將顆粒飽滿、大小基本一致的高羊茅、黑麥草、披堿草、籽粒莧、紫花苜蓿種子均勻撒在種植區(qū)域內(nèi),隨后覆蓋厚約1 cm的底泥.將每10株為一簇的白三葉均勻移植至實(shí)驗箱內(nèi).實(shí)驗植物生長前40 d,在白天日照強(qiáng)烈時進(jìn)行遮陽.在實(shí)驗過程中,按照實(shí)驗植物的生長習(xí)性給予適當(dāng)養(yǎng)護(hù).

1.3 實(shí)驗植物樣品的采集與處理

在播種或移植100 d后收獲實(shí)驗植物.實(shí)驗植物樣品用自來水沖洗干凈后,再用去離子水沖洗3次.吸干殘留的水分,將實(shí)驗植物各個組織部位剪開,于105°C殺青30 min,再于70°C烘干至恒重并記錄數(shù)據(jù).分別將實(shí)驗植物的地上及地下部分粉碎、研磨,過100目尼龍篩后備用.

1.4 實(shí)驗植物樣品的測定與分析

實(shí)驗植物地上和地下部分的重金屬Cd、Zn、Cu含量測定方法如下:準(zhǔn)確稱取0.100 0 g實(shí)驗植物樣品,加入8 mL HNO3浸泡過夜后,加入4 mL HClO4,微微振蕩至黃煙冒盡,置于150°C石墨爐中加蓋回流消解;當(dāng)液體體積約為2 mL時再添加4 mL HClO4繼續(xù)消解,總消解時間為2 h;隨后開始趕酸,直到消解液體積約為1 mL或白煙冒盡;自然降溫后再用去離子水定容至10 mL,并過0.45μm濾膜;最后用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定重金屬濃度.

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel、Origin 8.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和繪圖.通過計算實(shí)驗植物對底泥中重金屬的富集系數(shù)(bioaccumulation factor,BCF)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(translocation factor,TF)、提取量和提取效率[11-12]來進(jìn)行比較和分析,其中底泥總量按照耕層厚度為20 cm進(jìn)行計算,具體計算公式如下:

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗植物的生長情況及生物量

以本實(shí)驗數(shù)據(jù)為依據(jù),按照大田實(shí)驗的種植密度進(jìn)行修正,6種實(shí)驗植物的生物量(干重)如圖1所示.

圖1 實(shí)驗植物的生物量(干重)Fig.1 Biomass of the experimental plants(dry weight)

植物的生物量在一定程度上會影響植物的修復(fù)效果[13].在實(shí)驗過程中,這6種植物的生物量特征為紫花苜蓿＞籽粒莧＞高羊茅＞黑麥草＞披堿草＞白三葉.紫花苜蓿與籽粒莧的生長情況較好,其生物量均大于100 t/hm2,分別可達(dá)134.82、117.76 t/hm2.謝開云等[14]的調(diào)查發(fā)現(xiàn),2013年北方主產(chǎn)區(qū)新疆的紫花苜蓿的第一茬平均產(chǎn)量高于10 000 kg/hm2,低于本實(shí)驗中收獲的紫花苜蓿地上部分的生物量.這個差異可能是由于播種密度、生長基質(zhì)和環(huán)境條件等因素引起[15-16].高羊茅、黑麥草和披堿草的生長速度較快,但在生長中后期均出現(xiàn)倒伏,收獲時的平均株高為70～80 cm,根長約為25 cm,其生物量依次減小,分別為97.82、80.25、72.35 t/hm2.部分白三葉移植后出現(xiàn)葉片潰爛、死亡的情況,生長情況較差,生物量不足30 t/hm2,其原因可能是移植密度較高而導(dǎo)致白三葉的死亡率增加[17].除此之外,韋新東等[18]的研究結(jié)果也表明,Cd會抑制白三葉幼苗的正常生長.

2.2 實(shí)驗植物對重金屬的吸收特征

6種實(shí)驗植物對底泥中Cd、Zn、Cu的積累特征(含量)和分布情況分別如圖2～4所示.可以看出:在6種實(shí)驗植物中,黑麥草體內(nèi)Cd與Zn的含量最高,分別為3.36、707.69 mg/kg;白三葉體內(nèi)Cd的含量最低,為1.00 mg/kg,僅為黑麥草的30%;Zn含量最低的是披堿草,為62.49 mg/kg,僅為黑麥草的9%;披堿草體內(nèi)Cu的含量最高,可達(dá)115.73 mg/kg;籽粒莧體內(nèi)Cu的含量最低,為21.06 mg/kg,僅為披堿草的18%.實(shí)驗植物體內(nèi)重金屬含量的差異可能與植物以及重金屬的種類有關(guān)[19].分析這6種實(shí)驗植物體內(nèi)重金屬的分布情況可知,除紫花苜蓿地上部分對Zn的積累量接近于地下部分外,其余實(shí)驗植物地下部分對重金屬的積累量均高于地上部分,即重金屬主要被吸收積累在植物的地下部分,從而固化了底泥中的重金屬.

圖2 實(shí)驗植物體內(nèi)Cd的含量與分布Fig.2 Concentrations and distributions of Cd in the experimental plants

圖3 實(shí)驗植物體內(nèi)Zn的含量與分布Fig.3 Concentrations and distributions of Zn in the experimental plants

圖4 實(shí)驗植物體內(nèi)Cu的含量與分布Fig.4 Concentrations and distributions of Cu in the experimental plants

2.3 實(shí)驗植物對底泥中重金屬的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)特性

為進(jìn)一步研究6種實(shí)驗植物對底泥中重金屬的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力,本實(shí)驗計算了植物對底泥中Cd、Zn、Cu的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù),結(jié)果如表1所示.

表1 實(shí)驗植物對Cd、Zn、Cu的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Table 1 BCF and TF of Cd,Zn and Cu in the experimental plants

富集系數(shù)(BCF)是指植物體內(nèi)重金屬含量與環(huán)境中重金屬含量的比值,是評價植物對重金屬吸收和富集能力的重要指標(biāo)[20].由表1可知:在本實(shí)驗中,高羊茅、黑麥草、披堿草和籽粒莧對Cd的富集系數(shù)均大于1,說明其對Cd有較強(qiáng)的富集能力;高羊茅和黑麥草對Zn的富集系數(shù)均大于1,說明其對Zn有較強(qiáng)的富集能力;所有實(shí)驗植物對Cu的富集系數(shù)均小于1,其中僅披堿草對Cu的富集系數(shù)大于0.5;白三葉、紫花苜蓿對3種重金屬的富集系數(shù)均小于1,說明其富集能力相對較弱.劉新蕾[21]的研究結(jié)果表明,經(jīng)兩茬收割后的黑麥草和披堿草對長江流域航道Cd污染疏浚底泥中Cd的富集系數(shù)均大于1,與本實(shí)驗結(jié)果相同.谷雨等[22]對湖南省某典型重金屬Cd污染區(qū)的田間實(shí)驗發(fā)現(xiàn),籽粒莧對Cd的富集系數(shù)可高達(dá)7.37,說明其對Cd具有較強(qiáng)的富集能力.谷超[23]的研究結(jié)果表明,黑麥草、高羊茅和紫花苜蓿對紅楓湖疏浚底泥中Cd的富集系數(shù)均大于1,而對底泥中Zn、Cu、Pb、Ni、Cr的富集系數(shù)均小于1,與本實(shí)驗結(jié)果略有不同.

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)是指植物地上部分重金屬含量與植物地下部分重金屬含量的比值,是評價植物對重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)能力的重要指標(biāo)[20].由表1可知:僅紫花苜蓿對Zn的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)接近于1,為0.97,說明其對Zn具有較好的植物提取潛力,可以較為容易地將Zn從地下部分轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部分;其余植物的轉(zhuǎn)運(yùn)能力則相對較差.谷超[23]的研究發(fā)現(xiàn),紫花苜蓿對紅楓湖疏浚底泥中Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.97,對Zn的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.63,與本實(shí)驗結(jié)果較為接近.李玉雙等[24]的研究結(jié)果顯示,紫花苜蓿對Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)僅為0.26,與本實(shí)驗結(jié)果相差較大.這可能是由于實(shí)驗底泥中多種重金屬之間相互影響,以及紫花苜蓿品種不同所導(dǎo)致的[25-26].

2.4 實(shí)驗植物對底泥中重金屬的修復(fù)效果

以本實(shí)驗數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),結(jié)合上海市氣候條件,6種實(shí)驗植物對底泥中Cd、Zn、Cu的提取量與提取效率分別如圖5～7所示.

由圖5～7可知:6種實(shí)驗植物對底泥中Cd的修復(fù)效果表現(xiàn)為籽粒莧＞黑麥草＞高羊茅＞披堿草＞紫花苜蓿＞白三葉;盡管黑麥草體內(nèi)的Cd含量可達(dá)3.36 mg/kg,但由于籽粒莧體內(nèi)的Cd含量也較高,且籽粒莧的生物量為黑麥草的1.20倍,因此綜合分析可知籽粒莧對Cd的修復(fù)效果最好,其對Cd的提取量為340.58 g/hm2,提取效率可達(dá)10.63%;黑麥草、高羊茅和披堿草對Cd的修復(fù)效果相對較好,對Cd的提取量分別為269.33、238.77、226.90 g/hm2,提取效率分別為8.41%、7.45%、7.08%.

圖5 實(shí)驗植物對Cd的提取量及提取效率(干重)Fig.5 Extraction amounts and efficiency of Cd by the experimental plants(dry weight)

圖6 實(shí)驗植物對Zn的提取量及提取效率(干重)Fig.6 Extraction amounts and efficiency of Zn by the experimental plants(dry weight)

圖7 實(shí)驗植物對Cu的提取量及提取效率(干重)Fig.7 Extraction amounts and efficiency of Cu by the experimental plants(dry weight)

6種實(shí)驗植物對底泥中Zn的修復(fù)效果表現(xiàn)為高羊茅＞黑麥草＞籽粒莧＞紫花苜蓿＞白三葉＞披堿草,其中僅有高羊茅和黑麥草對Zn的提取效率高于5%,分別為6.71%和6.41%,對應(yīng)的提取量分別為59 407.19和56 795.05 g/hm2.披堿草對Zn的提取效率最低,不足1%,主要原因是其對底泥中Zn的積累量最少.

與Cd、Zn相比,6種實(shí)驗植物對底泥中Cu的修復(fù)效果相對較差,其中披堿草對Cu的提取效率最高,為2.48%,提取量為8 372.87 g/hm2.在6種實(shí)驗植物中:白三葉的生物量最低,并且對底泥中Cd、Zn、Cu的富集能力均較弱,導(dǎo)致其對底泥中3種重金屬的修復(fù)效果均較差,提取效率均低于1%;高羊茅和黑麥草對底泥中的Cd、Zn、Cu均有較好的修復(fù)效果,可修復(fù)約30 cm深的污染底泥.谷超等[27]的研究結(jié)果也表明,高羊茅和黑麥草對紅楓湖重金屬污染疏浚底泥具有較強(qiáng)的修復(fù)潛力.

3 結(jié)論

針對Cd-Zn-Cu復(fù)合污染的黑臭河道底泥,本研究選擇了6種典型草本植物進(jìn)行植物修復(fù)實(shí)驗.通過分析實(shí)驗植物在底泥中的生長情況、體內(nèi)重金屬積累量、富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)以及對重金屬的提取量和提取效率等特征,得到以下主要結(jié)論.

(1)研究表明,除白三葉外的其余5種實(shí)驗植物生長情況良好,說明其對重金屬污染底泥的適應(yīng)能力較強(qiáng),具有一定的重金屬耐受性.

(2)在6種實(shí)驗植物中:黑麥草對底泥中Cd和Zn的吸收能力最強(qiáng),主要積累在地下部分,其體內(nèi)Zn含量高達(dá)707.69 mg/kg;披堿草對底泥中Cu的吸收能力最強(qiáng),主要積累在地下部分;白三葉對Cd、披堿草對Zn以及籽粒莧對Cu的吸收能力差.

(3)由富集系數(shù)可知,黑麥草、高羊茅對底泥中Cd、Zn的富集系數(shù)均大于1,說明其從底泥中富集Cd、Zn的能力較強(qiáng).由轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)可知,6種實(shí)驗植物均不具備超積累特性,僅紫花苜蓿對底泥中Zn的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)接近于1,說明其對Zn的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng).

(4)6種實(shí)驗植物對底泥中Cd、Zn、Cu的修復(fù)效果存在一定差異.綜合分析,高羊茅和黑麥草對底泥中Cd、Zn、Cu 3種重金屬的提取效率分別超過7%、6%、2%,說明其對修復(fù)Cd-Zn-Cu復(fù)合污染河道底泥具有較大的潛力.可以考慮將高羊茅和黑麥草應(yīng)用于該類復(fù)合污染黑臭河道底泥的實(shí)際修復(fù)中,并可采用刈割的方式增加植物的生物量,從而提高植物的修復(fù)效率.