沉水植物對Cu、Pb污染底泥的修復(fù)效果

　　鄱陽湖是中國最大的淡水湖。鄱陽湖流域主要由饒河、贛江、修河、撫河和信河這5大水系構(gòu)成。其流域內(nèi)礦產(chǎn)資源非常豐富，這就導(dǎo)致在采礦的過程中會產(chǎn)生大量的重金屬廢水。這些廢水積少成多，通過地表徑流的方式流入鄱陽湖，最終導(dǎo)致湖泊水體受到嚴重的污染。此外，由于大量工業(yè)廢水、生活污水的胡亂排放和工業(yè)化、城市化進程的迅速發(fā)展，大面積的湖泊水體遭到嚴重的重金屬侵害。由于重金屬具有難以降解的特點且重金屬污染現(xiàn)象普遍存在，越來越多的學(xué)者投入治理重金屬污染的研究當中。目前，針對鄱陽湖水體重金屬污染的大量研究中，成果集中表現(xiàn)于湖區(qū)水體的重金屬含量較低，但湖底底泥中的大部分重金屬含量卻嚴重超標，其中以Cu、Zn和Pb尤為嚴重。當重金屬濃度超過一定范圍時，會對水生植物的生長產(chǎn)生巨大影響，嚴重時甚至導(dǎo)致植物停止生長。

　　鄱陽湖濕地由于物產(chǎn)極為豐富，生物種類繁多，成為很多專家學(xué)者的研究對象。大面積湖區(qū)都有各種不同種類的沉水植物分布。沉水植物對水體重金屬有一定的富集作用大量文獻表明，由于苦草地下莖繁殖能力較強、金魚藻生長范圍廣和黑藻的無性繁殖等特點，使得這3種沉水植物成為了鄱陽湖濕地的優(yōu)勢。因此，苦草、黑藻和金魚藻的生理生長發(fā)展，對鄱陽湖濕地的生態(tài)環(huán)境發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。

　　由于沉水植物是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，且能夠修復(fù)重金屬污染嚴重的水體和底泥。很多學(xué)者提出以種植沉水植物的方式進行湖泊污染治理修復(fù)。鄱陽湖地區(qū)湖底底泥重金屬含量極高，污染嚴重，必須采取相應(yīng)的措施來解決這一問題。目前已經(jīng)有一部分學(xué)者針對此問題進行了研究。謝佩君等研究苦草、?藻和金魚藻對重金屬的富集效果發(fā)現(xiàn)：對Cu的富集，?藻是3種沉水植物中最強的，對Pb的富集苦草最強。這3種沉水植物不但在單種情況下對重金屬有較高的富集作用，且死亡后依然存在一定的吸附重金屬能力。本文采用不同的種植模式，探究沉水植物(苦草、黑藻和金魚藻)對重金屬污染下鄱陽湖底泥的修復(fù)效果，為找出最佳的種植模式提供理論依據(jù)。

　　一、材料與方法

　　1.1 樣品處理

　　于枯水期在饒河地區(qū)設(shè)置15個調(diào)查點。通過測其重金屬含量選取污染比較嚴重的沉積物作為實驗底泥材料。將底泥集中于白色塑料桶中。攪拌均勻后置于通風口處，風干、磨碎、過篩60目?；旌蠑嚢钄?shù)次后加一定量的水(使底泥中重金屬分布均勻)，使底泥處于可種植狀態(tài)。取一部分底泥測其重金屬背景值(Cu：316.8mg/kg;Pb：246.7mg/kg)。

　　實驗用沉水植物樣品苦草、黑藻和金魚藻均采于贛撫平原六干渠。選擇較為健壯，長勢相近的樣品作為實驗材料。采回樣品之后將底泥清洗干凈，選取材料長度為15cm左右，將材料放入Hoagland營養(yǎng)液中培養(yǎng)3d。

　　1.2 實驗設(shè)計

　　實驗采用室外模擬天然環(huán)境。不僅以苦草、黑藻和金魚藻的單種形式為例，還采用了9種不同的混種種植模式。同時，每個樣品組設(shè)置4個重復(fù)組(表1)。

　　整個實驗分為4個階段(6月中旬至9月下旬)，每個階段27d。所以，實驗在第27d，54d，81d和108d分別進行1次破壞性采樣，同時取其一定量的種植底泥。測定植物體和根部土樣的重金屬含量。重復(fù)3次，取其平均值作為最終數(shù)據(jù)。實驗共經(jīng)歷108d，蒸發(fā)的水分由暴曬的自來水補充。

　　1.3 樣品處理與測定

　　將植物樣品和底泥樣品風干后研磨，密閉保存，稱取0.1000g樣品進行HNO3JHC1O4消解，制備待測液，測定樣品中的Cu和Pb含量，繪制重金屬標準曲線，最后將待測樣品放入等離子質(zhì)譜儀中進行測定。

　　1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

　　生物富集系數(shù)(BSFA)表示生物積累沉淀物中污染物的能力，是衡量生物體富集底泥重金屬能力的重要指標?？捎煽嗖荨?藻和金魚藻3種沉水植物體內(nèi)的Cu、Pb含量與底泥中Cu、Pb含量之比來計算。

　　去除率可由下式計算：

　　式中R為去除率，C。為初始底泥中重金屬含量，C為實驗結(jié)束時底泥中的重金屬含量。

　　實驗最終數(shù)據(jù)以3次測定的平均值為準。數(shù)據(jù)使用EXCEL進行整理匯總，用SPSS19.0對植物體和底泥中的重金屬含量進行分析。

　　二、結(jié)果與分析

　　2.1 沉水植物對底泥中Cu和Pb的富集

　　2.1.1 沉水植物對底泥中Cu的富集

　　沉水植物苦草、黑藻和金魚藻按12種不同的種植模式培養(yǎng)。每種種植模式對重金屬Cu的富集能力都不相同，如表2所示。沉水植物單種情況下，?藻對底泥中Cu的富集能力是最強的，其富集量達到239.5mg/kg，說明3種植物中，?藻對Cu的富集效果是最好的。從混種角度來看，對Cu的富集最高的是苦黑(9：9)模式，達到278.9mg/kg，甚至優(yōu)于?藻單種模式?？嘟?6：12)和黑金(6：12)這兩種模式的Cu富集增量也較為顯著，其值分別為277.2mg/kg和241.95mg/kg，略低于苦黑(9：9)。整體上看，12種種植模式經(jīng)過4個階段的富集，其Cu富集量是原來的4~5倍。

　　綜上所述，就Cu富集能力而言，苦黑(9：9)的種植模式是最優(yōu)的。

　　2.1.2 沉水植物對底泥中Pb的富集

　　沉水植物對重金屬Pb的富集結(jié)果如表2所示。單種模式下，這3種沉水植物對Pb的富集相差不大，且主要體現(xiàn)在第3階段，苦草的Pb富集量最大，為126.2mg/kg;混種模式的富集能力主要體現(xiàn)在第一階段，最大富集量為苦黑(9：9)的130.8mg/kg，其余種植模式的富集量均在120mg/kg左右，并且Pb的富集量遠遠小于對Cu的富集。說明這3種沉水植物對Cu的富集能力高于Pb。

　　2.2 沉水植物對底泥中Cu和Pb的富集系數(shù)

　　2.2.1 沉水植物對底泥中Cu的富集系數(shù)

　　生物富集系數(shù)能夠反映植物體對重金屬的吸附和富集能力。不同種植模式下，沉水植物對底泥中Cu的富集系數(shù)各不相同，如表3所示。顯然，單種情況下，?藻的富集系數(shù)是最大的，其值為3.1?？嗖轂?.45，介于兩者之間。金魚藻最小。說明?藻對Cu的富集效果最好，混種模式中，苦黑(9：9)的生物富集系數(shù)尤為突出，為5.69，是其他種植模式的2到3倍?？嘟?6：12)的富集系數(shù)與?藻單種相當。其余種植模式的富集系數(shù)普遍在2.0左右。各個階段富集系數(shù)的增長差距不大。

　　2.2.2 沉水植物對底泥中Pb的富集系數(shù)

　　沉水植物對底泥中Pb的富集系數(shù)，如表3所示。單種模式下，苦草的富集系數(shù)大于?藻和金魚藻，說明苦草對Pb的富集效果最好，其值為1.19。混種模式中，苦黑(9：9)的富集系數(shù)最大，為1.23。其余種植方式對Pb的富集系數(shù)都相差不大。第1階段富集系數(shù)的增幅相對較大，是其他階段的3倍左右。第4階段的變化最小。對Pb的富集系數(shù)在數(shù)值上整體較Cu富集系數(shù)低，這里也說明沉水植物對Cu的富集能力高于Pb的富集。

　　2.3 沉水植物對底泥中Cu和Pb的去除率

　　對最終底泥中Cu和Pb的含量進行測定(表4)，找出對Cu、Pb去除效果最好的種植模式。

　　從表4可以看出：單種情況下，黑藻對Cu的去除效果是最好的，其去除率為72.31%；Pb去除率最大的是苦草，去除率為53.10%?？嗪?9：9)的混種模式對Cu和Pb的富集能力是所有混種模式中最高的，其去除率分別為82.13%和54.21%。因此，苦黑(9：9)的混種模式對Cu和Pb的去除效果分別優(yōu)于黑藻單種和苦草單種。其余混種模式對Cu和Pb的去除率普遍比黑藻單種低。整體來看，沉水植物苦草、黑藻和金魚藻對Cu的去除率較Pb的去除率高。

　　三、討論

　　(1)從單種的情況來看，3種沉水植物中對Cu富集效果最好的是黑藻，對Pb富集效果最好的是苦草。這里與李巧云的研究結(jié)果相符合。且苦草、黑藻和金魚藻對重金屬Cu的富集能力要高于對Pb的富集能力，可能是由于Cu是植物生長所需的微量元素之一，且有助于植物光合作用的原因。而pb不是植物生長必要的元素。

　　(2)從苦草、黑藻和金魚藻兩兩混種的模式來看，對重金屬Cu和Pb的富集量最高的是苦黑(9：9)的混種模式，最大值分別為278.9mg/kg和130.8mg/kg。另外苦黑(12：6)模式下的Pb富集量值為125.3mg/kg，僅次于苦黑(9：9)，但其Cu富集量卻比大多種植模式都低。這說明相同沉水植物按照不同比例搭配混種，可以對不同的重金屬產(chǎn)生不同的富集效果。這里與王激清和楊遠祥的研究成果搭配的很好。不足的是本次實驗所選擇的比例較少，只有9：9、6：12和12：6這3種，沒有更深層次的研究。

　　(3)從苦草、黑藻和金魚藻對重金屬Cu和Pb的富集階段來看?？嗖葜饕w現(xiàn)在第一階段，黑藻主要體現(xiàn)在第2階段，而金魚藻主要是第3階段。說明苦草、黑藻和金魚藻分別在6月中旬到7月上旬、7月上旬到7月底和7月底到9月中旬對重金屬Cu和Pb的富集效果最好。這可能與沉水植物的光強需求有關(guān)，也可能與植物的根系有關(guān)。因為苦草是帶根種植，而黑藻和金魚藻是不帶根種植。

　　(4)植物體對重金屬的富集能力與其生物富集系數(shù)成正比，對cu和Pb的富集3種植物都是逐漸上升增強的。其中，黑藻的Cu富集系數(shù)是最大的，為3.10。對Pb的富集能力最大的是苦草，其富集系數(shù)為1.19。這里也說明對Cu的富集強度高于Pb?；旆N模式中，苦黑(9：9)的種植模式對Cu和Pb的富集系數(shù)最大，分別為5.69和1.23。都遠遠高于其余種植模式。說明苦黑(9：9)的種植模式是12種中最優(yōu)的。

　　四、結(jié)束語

　　(1)從這3種沉水植物的整個生長周期來看，單種模式下，對Cu富集：?藻〉苦草〉金魚藻，對Pb的富集：苦草〉?藻〉金魚藻。按照不同比例的混種模式對重金屬的富集效果也各不相同，綜合底泥中重金屬富集量、生物富集系數(shù)和去除率這3個指標，苦黑(9：9)模式對Cu-Pb復(fù)合底泥的修復(fù)效果最佳。

　　(2)不管是單種模式，還是混種模式，這3種沉水植物對于Cu的富集效果都要高于Pb的富集。這說明，Cu-Pb復(fù)合污染情況下，Cu的重金屬吸附競爭能力大于Pb。(來源：南昌工程學(xué)院;水利與生態(tài)工程學(xué)院;土木與建筑工程學(xué)院;國際教育學(xué)院)