八种水生植物对重金属富集能力的比较研究

生态学杂志Chinese Journal of Ecolog y 2006, 25(5) :541~545

八种水生植物对重金属富集能力的比较研究*

黄永杰 刘登义

**

王友保 王兴明 李 晶

(安徽师范大学生命科学学院生物多样性研究中心, 芜湖241000)

摘 要 通过野外采样和系统分析方法, 研究了芜湖市四褐山工业区附近水域中Cu 、P b 、Cd 、Zn 和M n 5种重金属的含量及其在8种水生植物体内的积累特性。结果表明, 工业区水体污染严重, 重金属含量严重超标, 分别为标准值的9、10. 1、400、3和438倍; 8种水生植物的重金属积累量均较大, 其中以水鳖根、茎叶的Cu 、Pb 、Cd 、Zn 含量最高, 分别为水体中重金属浓度的9. 12和2. 59倍、33. 41和5倍、0. 8和0. 3倍、26. 9和9. 1倍, 明显高于其它7种水生植物; 8种水生植物不同器官对Cu 、Pb 、Zn 的富集系数均>1, 富集能力较强。其中, 香蒲对Pb 、Cd 的吸收能力表现为茎叶>根。结果表明, 在Cu 、Pb 和Zn 等重金属复合污染水域的植物治理中, 浮萍、香蒲、水鳖、中华慈姑、芦苇、空心莲子草等植物有着较大的发展潜力和应用前景。

关键词 水生植物, 重金属, 富集

中图分类号 Q945112 文献标识码 A 文章编号 1000-4890(2006) 05-0541-05Heavy m etals accumulation by hydrophytes. HUA NG Yongjie, L IU Dengy i, WAN G Youbao , WAN G X ing -ming, L I Jing (Center of Biodiver sity Study , College of L if e Science, A nhui N or mal University , W uhu 241000, China) . Chinese Jour nal of Ecology , 2006, 25(5) :541~545.

With field sampling method, we measured the concentrations of Cu, Pb, Cd, Zn, and M n in the w aters around Siheshan industr ial area of W uhu, and compared the accumulatio n characteristics of these heavy metals in 8species of hydrophytes grow n there. T he results show ed that in the test waters, the concentrations of Cu, Pb, Cd, Zn, and M n w er e 9, 10. 1, 400, 3, and 438times hig her than t he standards, r espectiv ely, and all of the test hydrophytes could accumulate larger amounts of the metals. Hy drochar is dubia had the highest accumulatio n capability, with the concentr atio ns of Cu, Pb, Cd and Zn being 9. 12, 33. 41, 0. 8and 26. 9times higher in its r oot, and 2. 59, 5, 0. 3and 9. 1t imes hig her in its stem and leaf than in the waters, respectiv ely. T he bioaccu -mulat ion coefficients of Cu, Pb and Zn in differ ent o rgans of test plants w er e all larger than 1. For Ty p ha ori -entalis , its root had a hig her capability of accumulating Pb and Cd t han its stem and leaf. Lemna minor , Ty-p ha or ientalis , H . dubia, Sagittar ia tr if olia, Phr agmites austr alis and Gy nur a crep idioides had the g reater development potential and application prospect in the phyto -remediation of the w aters contaminated by heavy metals such as Cu, Pb and Zn.

Key words hydrophytes, heavy metal, accumulatio n.

1 引 言

水污染是导致水资源可利用性降低、水域生态系统退化的重要因素之一。随着工业的迅速发展, 各种工业(如冶炼、电镀、采矿等) 废水和固体废弃物的渗出液直接排入水体, 致使水体中重金属含量越来越高。重金属不能像有机化合物那样可自然降解或生物降解[13], 往往在水体或沉积到水域底部, 或被水生植物(浮游植物, 挺水植物) 吸收, 并通过食物链积累损害动物和人类的健康。

近20年来, 植物检测系统引起研究者的广泛兴趣, 尤其在敏感植物的筛选方面进行了大量的工作[6]。利用水生植物所具有的富集能力, 定期和持, [1]

善处理, 不仅可以净化水质, 而且能够对一些贵重金属进行回收利用, 是去除污水中的养分, 防止水体二次污染的有效途径[2, 9]。然而, 目前关于重金属超富集水生植物的报道较少, 给重金属污染水体的植物修复带来了诸多不便, 因此寻找高效的重金属富集植物仍然是重金属污染植物修复的关键。为此, 本文以芜湖市四褐山工业区附近水域中长势较好的8种水生植物为研究对象, 通过测试水生植物积累Cu 、Pb 、Cd 、Zn 、M n 5种重金属的能力, 并进行统计分析, 明确水生植物吸收富集重金属的特点, 探讨其在环境净化上的效率, 以期为重金属污染水域的植

*国家重点基础研究发展计划资助项目(2004CB418503) 。**通讯作者

:2005-27 接受日期2005-11-15

542 生态学杂志 第25卷 第5期

物修复提供科学依据和基础资料。2 研究地区与研究方法211 研究区概况

芜湖市位于安徽省东南部, 地处长江中下游南岸, 属亚热带湿润季风气候, 季节特点分明, 春季较短, 气候温和, 雨量充沛, 夏季多雨炎热, 年均气温1517~1610e , 全年平均太阳辐射量480164kJ #cm -2。研究区位于市郊四褐山区, 西临长江, 北为污灌农业区, 厂矿、企业排放的含重金属废渣对周边水域造成了一定的污染。212 植物及水样标本的采集

于2004年8~10月在芜湖市市郊四褐山工业区大鸡头附近水域中多次采集长势较好的水生植物, 每次同时采集该水域水样。采集整棵植株, 无菌密封袋保存, 立即带回实验室处理。每种植物采集20棵。水样用采样瓶于水面以下20cm 处采集, 每次采集水样3份各1000m l 。采集的植物为水鳖(Hydrochar is dubia ) 、空心莲子草(Gynur a crep id-ioides) 、中华慈姑(Sagittaria tr if olia) 、浮萍(L em -na minor ) 、香蒲(Typ ha orientalis ) 、莲藕(N elumbo nucif era) 、芦苇(Phr agm ites austr alis ) 、茭白(Ziz a -nia caducif lora ) 。213 研究方法

21311 植物样品分析 采集的植物分为根、茎叶, 分别用自来水充分冲洗, 以去除样品上的泥土和污物, 然后再用双蒸水冲洗3遍, 沥去水分, 之后放置到烘箱, 30e 风干, 然后在106e 下烘至恒重。将烘干后的植物磨碎, 过60目筛, 然后每个样品称取1g, 并采用三酸消化法(HNO 3-H 2SO 4-H ClO 4) 消化, 定容, 保存。用火焰原子吸收光谱法测定重金属Cu 、Pb 、Zn 、Cd 、Mn 的含量, 重复3次。

21312 水样分析 水样密封后带回实验室, 定容, 保存。用火焰原子吸收光谱法测定重金属含量, 重复3次。

21313 数据处理 用Microsoft Excel 2000和SPSS 1110统计分析软件进行数据分析及差异显著性检验。3 结果与分析311 水体重金属含量

将测得的水样中Cu 、Pb 、Zn 、Cd 、Mn 含量分别与(湖市四褐山工业区水域水体Cu 、Pb 、Cd 、Zn 、Mn 5种重金属均严重超过Õ类水质标准, 其中Cu 、Pb 、Cd 、Zn 、Mn 分别为标准值的9、1011、400、3和438倍, 说

明区域污染较为严重, 采集该水域中的水生植物来筛选水环境修复植物, 具有一定的价值(表1) 。

表1 水样及地表水V 类水质重金属含量(mg #L -1)

Tab. 1 Contents of heavy metals in water s amples and the water qu ali -ty standard of grade V 项目水样V 类标准

Cu 91001100

Pb 11010110

Zn 61002100

Cd 41000101

M n 4381001100

312 八种水生植物重金属积累的特性

Tomsett 等[23]认为, 植物对重金属的抗性, 即植物能生存于某一特定的含量较高的重金属环境中, 而不会出现生长率下降或死亡等毒害症状。植物对重金属抗性的获得可通过两种途径:避性和耐性。一些植物可通过某种外部机制保护自己, 使其不吸收环境中高含量的重金属, 从而免受毒害, 称之为避性。在这种情况下植物体内重金属浓度并不高。而耐性是指植物体内具有某些特定的生理机制, 使植物能生存于高含量的重金属环境中, 而不受损害。此时植物体内具有较高浓度的重金属[3, 5, 17]。由表2可以看出, 8种水生植物体内重金属绝对含量均较高、长势良好, 仅Cd 、Mn 含量低于水体背景值(水鳖根M n 含量除外) , 说明这些水生植物对重金属Cu 、Pb 、Cd 、Zn 、M n 具有一定的避性或耐性。

从植物对不同重金属的积累能力来看, 同种水生植物对不同重金属的吸收积累有明显的差异。8种水生植物不同器官对不同重金属(Cu 、Pb 、Cd 、Zn 、M n) 积累量见表2。由表2可见, 植物体内的重金属主要积累于根部, 茎叶部分含量相对较低, 这与以往诸多报道基本一致[8, 14, 24]。其中, 芦苇和香蒲根Zn 含量高于其它4种重金属(分别为49194和41169mg #kg -1) ; 其它水生植物的根Mn 含量最高(水鳖高达440126mg #kg ) , Cd 含量最低。

根据表2可以看出, 不同植物对同种重金属吸收也有较大差异。8种水生植物Cu 、Pb 、Zn 积累量都较大, 根、茎叶部的富集系数均大于1。就Cu 而言, 以水鳖根、茎叶的富集量最高, 分别为82104和2313mg #kg -1; 就Pb 而言, 根以水鳖积累最高, 为33174mg #kg -1, 茎叶以香蒲积累最高, 为9121mg #kg ; 就Zn 而言, 根、茎叶都以水鳖含量最高, 分别1-1; 就, -1

-1

黄永杰等:八种水生植物对重金属富集能力的比较研究

表2 8种水生植物不同部位重金属含量及富集系数(mg #kg -1)

Tab. 2 Contents of h eavy metal in variou s parts of 8species and their BCF 种名水 鳖空心莲子草中华慈姑芦 苇茭 白香 蒲浮 萍莲 藕

部位根茎叶根茎叶根茎叶根茎叶根茎叶根茎叶全株根茎叶

Cu (BCF) 82104(9112) 23130(2159) 37171(4119) 11183(1131) 34116(3180) 12175(1142) 26195(2199) 10191(1121) 54190(6110) 14124(1158) 22187(2154) 9119(1102) 74125(8125) 27120(3102) 9121(1102)

Pb (BCF) 33174(33141) 5105(5100) 8120(8112) 7132(7125) 2818(28151) 8127(3174) 7106(6199) 3178(3174) 16134(16118) 5188(5182) 5188(5182) 9121(9112) 19135(19116) 11121(11110) 2112(2110)

Cd (BCF) 3121(0180) 1118(0130) 0190(0123) 0184(0121) 2159(0165) 0162(0116) 0168(0117) 0136(0109) 1115(0129) 0142(0111) 0175(0119) 1104(0126) 0190(0123) 1112(0128) 0132(0108)

Zn (BCF) 161159(26193) 54133(9106) 55105(9118) 31147(5125) 68128(11138) 27162(4160) 49194(8132) 25175(4129) 60113(10102) 28138(4173) 41169(6195) 18197(3116) 70115(11169) 31102(5117) 24175(4113)

543

M n (BCF) 440126(1101) 104128(0124) 325152(0174) 150122(0134) 338130(0177) 63165(0115) 12195(0103) 34172(0108) 73130(0117) 71107(0116) 24179(0106) 62135(0114) 68130(0116) 76199(0118) 74112(0117)

茎叶的积累量较高, 分别为3121和1118mg #kg -1; 就Mn 而言, 植物根以水鳖的积累量最高, 为440126mg #kg

-1

度的9112和2159倍、33141和5倍、018和013倍、2619和911倍, 明显高于其它7种水生植物。

富集系数(bioaccumulation coefficient BCF) 是衡量植物重金属积累能力大小的一个重要指标, 富集系数越大, 其富集能力越强

[15, 16, 21, 22]

, 茎叶以空心莲子草的积累量较

高, 为150122mg #kg -1。因浮萍根系量很少, 本研究将其作全株处理, 发现其Cu 、Pb 、Zn 积累量较大, 而Cd 、M n 的积累量相对较小。由此可见, 在重金属Cu-Pb-Zn 复合污染水体中8种水生植物对重金

属Cu 、Pb 、Zn 有较强的积累能力。 研究表明, 水体中Cd 、Mn 含量(分别为4100和438mg #L -1) 大于8种水生植物体内的含量; Cd 在8种水生植物体内含量最低; Mn 含量除水鳖根为440126mg #L -1, 略高于水体中含量外, 其它植物体内含量均低于水中含量。这可能是由于植物根际连续氧化作用, 根表面及根质外体被氧化, 形成铁、锰胶膜, 防止Cd 2+、M n 2+过量吸收造成的毒害[4, 18~体低。

水生植物对重金属的忍受能力大小, 因植物生活类型不同而异, 一般认为, 挺水植物>漂浮、浮叶植物>沉水植物; 吸收积累能力是沉水植物>漂浮、浮叶植物>挺水植物, 根系发达的水生植物大于根系不发达的水生植物[7, 9, 11, 12]。但是, 漂浮植物的吸收积累能力并非所有种类都高于挺水植物, 如浮萍对Pb 、Cd 、Mn 的吸收就比中华慈姑低。313 八种水生植物对重金属富集的比较

不同植物以及同一植物的不同器官对重金属的富集有明显的差异。由表2可见, 水鳖根、茎叶的20]

。结果表

明, 不同水生植物以及同一水生植物的不同器官对各种重金属的吸收富集能力有明显差异(表2) 。由

表2可以看出, 仅水鳖根部Mn 富集系数>1(1101) , 其它水生植物根、茎叶的M n 富集系数皆

从植物根部和茎叶重金属富集系数看, 水生植物不同器官重金属富集能力有一定的规律, 与杂草富集能力基本一致[10], 即大多数水生植物表现为根部的富集系数大于茎叶的富集系数, 这可能是植物对重金属污染的一种适应, 把水体中有害的重金属阻滞在根部。但对某些重金属来说与此相反, 如芦苇的Mn 富集系数以及香蒲的M n 、Pb 、Cd 富集系数:茎叶>根(表2) 。香蒲对Pb 、Cd 的吸收能力也表现为茎叶>根。这表明Mn 从芦苇、香蒲根部向地上部位有较高的迁移率, Pb 、Cd 从香蒲根部向地上部位有很高的迁移率。其中, 香蒲不同器官对Cu 、Pb 、Zn 的富集系数均>1。可见, 芦苇、香蒲可, M , 从而使8种植物体内Cd 、Mn 含量较水

544 生态学杂志 第25卷 第5期

Cu 、Zn 复合污染的水体。

研究表明, 水体重金属含量顺序为M n>Cu>Zn>Cd>Pb 。其中, 8种水生植物体内不同器官重金属Cu 、Pb 、Zn 绝对含量都高于水体背景值, 富集系数均>1, 说明8种水生植物对Cu 、Pb 、Zn 的耐受性和富集能力均较强, 而这些水生植物在我国的分布广、生物量大, 适合于作为Cu 、Pb 、Zn 污染地区的植物修复材料。特别是挺水植物水鳖、中华慈姑、空心莲子草等, 其根部的Cu 、Pb 和Zn 富集系数分别为9112、33141和26193, 3180、28151和11138, 4119、8112和9118; 茎叶的Cu 、Pb 、Zn 富集系数分别为2159、5100和9106, 1142、8119和4160, 1131、7125和5125。浮游植物浮萍的Cu 、Pb 和Zn 富集系数是8125、19116和11169。因此, 上述4种植物较适用于Cu 、Pb 和Zn 等重金属复合污染地区的植物修复, 有进一步研究的价值。由此可见, 生于重金属污染水体中的植物并非都是超富集植物, 必须对其进行筛选, 才能找到符合条件的超富集植物。314 水生植物重金属含量与水体重金属含量关系依据表2数据, 计算了不同水生植物各器官的重金属平均含量, 并与水体中的重金属浓度进行了相关性分析(表3) 。结果表明, 水鳖茎叶部和茭白根部的Cu 含量、香蒲根部的Pb 含量、莲藕地下茎的Cd 含量与水体重金属含量呈极显著相关; 水鳖、空心莲子草、芦苇和茭白的茎叶以及香蒲根的Cu 含量, 水鳖根、香蒲茎叶的Pb 含量, 水鳖根、茎叶的Zn 含量, 茭白根的M n 含量与水体中重金属浓度呈

表3 8种植物各部位重金属含量与水体重金属含量的相关分析Tab. 3 Correlation of heavy metal content between plants and water 种名水 鳖

部位根

相关系数(r )

Cu 01999*01999

**

显著相关。这进一步说明了不同水生植物有不同的吸收富集特性, 即使是同一种植物对不同元素吸收、富集也不一样。富集系数一方面反映水生植物本身的富集特性; 另一方面也反映水体重金属元素在植物体内的迁移能力。4 结 论

研究区域属于工业区, 主要受厂矿、企业排放的含重金属废渣影响较大, 从而该区域水体重金属背景值很高。水体重金属含量顺序:M n>Cu>Zn>Cd>Pb 。8种水生植物在重金属含量很高的水环境中没有出现生长率下降或死亡等毒害症状, 且长势良好, 说明它们对重金属Cu 、Pb 、Cd 、Zn 、Mn 都具有一定的抗性。

不同水生植物以及同一水生植物的不同器官中的重金属含量绝对值有明显区别。8种水生植物仅有Cd 、M n 绝对含量低于水体背景值(水鳖根M n 含量除外) , 其它水生植物重金属含量都高于水体背景值。水鳖根的Cu 、Pb 、Cd 、Zn 、M n 含量最高。水鳖茎叶除Mn 含量低于空心莲子草外, 其它4种重金属含量明显高于其它7种水生植物。此外, 植物体内的重金属主要积累于根部, 茎叶部分含量相对较低。

不同水生植物以及同一水生植物的不同器官对不同重金属的吸收富集能力有明显差异。8种水生植物不同器官的重金属Cu 、Pb 、Zn 富集系数均大于1, 富集能力均较强。其中, 香蒲对Pb 、Cd 的吸收能力表现为茎叶>根。香蒲、水鳖、芦苇、中华慈姑、空心莲子草、浮萍等可作为重金属复合污染水体的修复植物。

Zn 01999*01999

[***********][***********][***********]3

**

*

Pb 01997*[***********][**************]53

Cd [***********][***********][***********][***********]655

M n [***********][***********]120201999*[***********][1**********]6

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[8] , , . 4茎叶

空心莲子草根

茎叶

中华慈姑芦 苇茭 白香 蒲浮 萍莲 藕

根茎叶根茎叶根茎叶根茎叶全株根茎叶

01999*[***********]98*01969

01999**0188501997*0196101999*[***********]07

01999**01999*[**************]

0190901982

注:1*101

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作者简介 黄永杰, 男, 1971年生, 硕士研究生, 讲师。主要从事污染生态学研究, 发表论文3篇。E -mail:yongjiehuang0108@163. com 责任编辑 梁仁禄