植物和玄武巖對水體重金屬的生態凈化效果
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摘要 [目的]分析不同基質對水體重金屬的凈化效果。[方法]以?？谑醒蛏剿畮旄浇缓此鳛檠芯堪悬c，建立模擬生態小湖，并將湖泊水、玄武巖以及水生植物引入生態小湖，跟蹤監測不同環境下生態小湖內水體中重金屬含量的變化。[結果]玄武巖、再力花和箭葉雨久花的組合對水體中重金屬有顯著的凈化作用，對Cd的凈化效果可達58%。時間因素（7、14、21 d）對水體重金屬的凈化效果影響不大，各處理對重金屬的吸收（吸附）基本在7 d內完成。[結論]再力花對重金屬的吸附能力優于箭葉雨久花，且富集主要集中在根部。
關鍵詞 湖泊水;玄武巖;植物;重金屬;生態凈化
中圖分類號 X52文獻標識碼 A
文章編號 0517-6611（2019）10-0060-04
Abstract [Objective] To explore the purification effect of different substrates on metal in water.[Method]Small simulated ecological lakes were established using the lake water near Yangshan Reservoir in Haikou City.Basalt and two aquatic plant species were added as absorbing substrates and the amounts of heavy metal in each environment were evaluated and compared.[Result]The combination of basalt，Thalia dealbata and Monochoria hastata had significantly reduced the amounts of heavy metal in water，and the purification effect of Cd was up to 58%.The duration factor had little effect on the degree of purification，and all absorption of heavy metals seemed to have completed in 7 days.[Conclusion] Thalia dealbata was superior to Monochoria hastatain purifying heavy metals，which were mainly concentrated in the roots.
Key words Lake water;Basalt;Plant;Heavy metal;Ecological purification
在水體污染問題中，重金屬污染十分嚴重，據統計，我國江河湖庫底質的污染率高達80.1 %[1]。2014年對我國主要河流的重金屬污染排海狀況監測表明，我國四大海域主要重金屬污染總量達2.1萬t，鋅是最主要的金屬污染物，污染量達1.462萬t，汞的污染量最小達44 t，但汞的危害最大[2]。丁之勇等[3]對我國31個主要湖泊沉積物重金屬污染特征進行研究，結果表明Cd和Hg在多個湖泊沉積物中達中度到重度污染，平均含量最高的是重金屬Zn和Cu，分別達36.89和99.52 mg/kg。重金屬進入自然或人工水體后，除部分被水生物、魚類吸收外，其他大部分易被各種有機和無機膠體及微粒物質所吸附，再經聚集沉降沉積于水體底部[4]。因此重金屬污染水體的危害不但持續時間很長，又由于水的流動特性，使得污染的范圍很廣。重金屬對生物和生態環境的危害體現在當生物體內重金屬積累達到一定數量后，會出現生理受阻、發育停滯甚至死亡，并使整個水生生態系統和陸生生態系統的結構和功能受損，進而對水體、土壤、大氣等環境造成危害[5]。重金屬對人類也有各種直接或間接的影響： 一方面，重金屬元素毒性大，通過飲用水或生活用水可直接作用于人體;另一方面，重金屬進入食物鏈后，由于其難降解性，經放大富集到人體，造成慢性中毒[6]。
近年來，植物修復法被廣泛應用于水體重金屬污染的凈化中。植物修復法主要是通過水生植物根濾、揮發、吸收和富集等作用去除水環境中的重金屬離子，或降低污染物中的重金屬毒性，以達到降低污染程度、修復或治理水體的目的[7]。對比其他物理化學凈化法，植物修復法具有設備工藝簡單，運行和操作條件要求較低，投資小、分布廣、針對性強、吸附量大、污染小、效率高等優點，尤其對于低濃度及一般方法不易去除的重金屬可以選擇性地去除，因而具有顯著而獨特的經濟價值和生態效益[8-10]。
海南是我國海洋面積最大的省份，海岸線長達1 617.8 km，所轄海域面積200多萬km2，可供養殖的灘涂3萬hm2，淡水養殖面積3.67萬hm2[11]，水資源極為豐富，養殖業有巨大潛力。近年來，海南東部一些河流、河口及近岸水域已呈現輕度重金屬污染狀況[12-14]，辛成林等[12]研究顯示，萬泉河重金屬污染較輕，而文昌/文教河Cr、Ni相對富集，污染嚴重。杜克梅[13]研究表明海南近岸海域的重金屬污染較重，使得貝類累積重金屬水平較高，尤其是重金屬Pb在文昌、澄邁、洋浦、東方和陵水海域的貝類體內超標率分別為84.2%、100.0%、85.7%、57.1%和62.5%。根據海南水質的污染現狀，如果能將生態凈化技術應用于重金屬的治理中，就地取材，對重金屬污染的水體進行生態凈化，則有望達到高效治理、成本低廉、維護簡單的效果。筆者以海口市羊山水庫附近一湖泊水為研究對象，選取海南分布較為廣泛的玄武巖及適合熱帶地區生長、常見栽培、成活率較高的水生植物再力花和箭葉雨久花構建生態小湖，利用玄武巖的物理吸附及挺水植物吸收重金屬的特性，分析不同凈化方式及不同處理時長下湖水的凈化效果，揭示玄武巖、再力花、箭葉雨久花等對水體重金屬的凈化機制。 1 研究區概況與研究方法
1.1 研究區概況
?？谑械靥幒Ｄ蠉u北部，位于110°10′～110°41′E、19°32′～20°05′N，該地區玄武巖分布廣泛，屬于熱帶季風氣候，年日照時數達2 000 h，年均氣溫22～26 ℃，水溫年變化幅度小，年均降雨量1 600～2 000 mm。試驗所用水質來源于海口市龍華區羊山水庫（平均海拔16.3 m）上游附近10 m處的一天然小湖（110°33′E、19°94′N，海拔18.5 m）。其水質情況接近地表水環境Ⅲ類水限值但尚未構成嚴重污染。該湖水體一旦受到污染，勢必影響到下流的水庫水。因此該研究以該湖泊水作為該試驗凈化的水樣來源。
1.2 試驗材料
1.2.1 玄武巖。試驗所用玄武巖來自?？谑杏^瀾湖景區，該景區位于海南島的萬年火山巖地貌之上，保留了火山巖地區的原始風貌及植被，擁有天然火山資源形成的玄武巖溫泉[15-18]。
1.2.2 再力花（Thalia dealbata Fraser）。
試驗所用再力花來源于海口市觀瀾湖景區1號球場湖水岸邊，在其生長初期采集，株高90～100 cm，長勢良好但未開花[19-21]。
1.2.3 箭葉雨久花（Monochoria hastata）。
試驗所用箭葉雨久花同樣來源于?？谑杏^瀾湖景區1號球場湖水岸邊，在其生長初期采集，株高90～100 cm，長勢良好但未開花[20]。
1.3 試驗方法 構建長60 cm、寬60 cm、高80 cm的A、B、C 3個水池，并分別注入0.216 m3的湖水水樣，使得每個水池的水深為60 cm。A池底輔一層厚15 cm的玄武巖石基質，為增加玄武巖巖的表面積，將玄武巖破碎成體積約為10 cm×7 cm×5 cm，并栽種上挺水景觀植物再力花和箭葉雨久花，選取單株生物量為0.3 kg左右的再力花和雨久花各7棵，為了減少其根系所攜帶泥土對水體的污染，移植前將再力花和箭葉雨久花的根系進行清洗，然后將再力花和箭葉雨久花插入漂浮在水池內平整的聚苯乙烯泡沫塑料板孔隙內，泡沫板長47.0 cm、寬41.0 cm、厚3.0 cm，按“5×3”布局均勻打孔15個（株行距5 cm，孔徑4 cm）;B池底僅輔一層厚15 cm的玄武巖石基質;C池作為空白對照池。試驗池旁設蒸發皿，試驗期間根據每天蒸發量，用純凈水對3個小池進行水體補給。
1.4 測定項目與方法 于2017年3月7日將羊山水庫旁邊的湖泊水采集后分別注入A、B、C 3個池，跟蹤監測試驗池中的水質變化，每7 d取一次水樣進行重金屬的檢測，取水深度為20 cm，取水量為10 mL。取水后將等量的原湖泊水分別加入3個試驗小池。試驗開始前，提取部分移植的再力花、箭葉雨久花及玄武巖、原湖泊水進行檢測，作為本底值，具體方法：將采回來的同一塊玄武巖均敲成2部分，一部分直接研磨后檢驗，另一部分放入水池中參與凈化。將采回來的若干同一束根生的再力花、雨久花植物分別掰成2束，其中一束在凈化前風干、研磨、消解測試，另一束放入水池中參與凈化。在對植物的重金屬檢測中，均分為根、莖、葉3部分獨立取樣分析。
水樣檢測方面，按照國家地表水的檢測方法對湖泊水及生態小池內的水質進行典型性采樣及跟蹤監測分析。采用ICP-MS電感耦合等離子質譜儀分別檢測水體中的重金屬污染物Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Cd、Pb、Hg的含量。用SAS軟件對水體重金屬的凈化效果和3種吸附物的重金屬含量進行成對t檢測分析。
2 結果與分析
2.1 不同時間及不同處理對水體重金屬的凈化差異
為了對比A、B、C 3種處理方式對水體重金屬的凈化差異，將A處理與B處理、B處理與C處理、A處理與C處理的重金屬含量分別進行成對t檢測分析，結果見表1。從表1可以看出，只有A處理對水體中重金屬有顯著降低作用，說明A處理對水體重金屬有很好的凈化效果。A處理相對于B處理有明顯的顯著性，說明植物對水體重金屬的凈化效果優于玄武巖。
2.2 3種凈化材料對水體重金屬的凈化效果
2.2.1 玄武巖。
分別取凈化前和參與凈化21 d后的玄武巖各3塊，檢測每塊玄武巖的重金屬含量，將凈化前后的3個樣本量分別取平均值，并對凈化前后玄武巖的重金屬含量進行對比，結果見圖1。從圖1可以看出，參與凈化的玄武巖，其重金屬含量明顯升高，統計結果也顯示凈化前后玄武巖重金屬含量存在顯著差異（t=4.81，P=0.000 4）。
2.2.2 再力花。
為了分析植物各部分對重金屬的富集程度，隨機選取再力花各3棵，分別在凈化前、后截取再力花植株的根、莖、葉，并對其重金屬含量進行檢測。再力花根、莖、葉凈化前、后重金屬含量值的成對t檢測分析結果見圖2、3、4，從圖2可以看出，凈化后再力花根部重金屬含量有升高趨勢（t=2.21，P=0.047 5），表明再力花對重金屬的吸收主要在根部;從圖3和圖4可以看出，凈化后再力花的莖和葉重金屬含量變化不顯著（莖：t=0.11，P=0.912 0;葉：t=0.16，P=0.872 3），表明重金屬被再力花根部吸收后并未主動運輸到莖葉等部分。
3 結論與討論
?。?）玄武巖、再力花和箭葉雨久花組合（A處理）對水體內重金屬有明顯的凈化作用。植物可通過根系吸收，也可直接通過莖、葉等器官的體表吸收，將重金屬吸收到體內，其蓄積量甚至達到很高時植物仍不會受害。關于再力花對重金屬的吸附作用，Jiang等[19]研究表明，再力花根系表面積在1 400 cm2以上時對Cu、Mn、Zn、Pb有良好的富集作用。朱四喜等[21]研究表明在Cr濃度為60 mg/L時，再力花根對Cr的富集最高為6 257.26 μg/株。付佳佳等[22]研究再力花對銅污染環境修復潛力，結果表明根據其發育花期等因素，每年再力花可以收割2次，每次切割可吸收土壤中的銅2.06 mg。而在該試驗中，再力花根部對Cu的富集率[（凈化21 d后的重金屬含量-凈化前的重金屬含量）/凈化前的重金屬含量]約達43 %，Co的富集率達44 %，對Pb、Se、Ni的富集率分別為25 %、20 %、25 %，對其余重金屬也均有一定的富集效果。而國內關于雨久花對重金屬吸附作用的研究較少，在該試驗中再力花對水體重金屬的凈化效果優于箭葉雨久花。此外，通過對2種植物根、莖、葉的吸附效果對比發現2種植物的莖、葉對水體重金屬的吸附能力不如根部，表明2種植物對重金屬的富集均主要集中在根部。李冬香等[23]在研究鋅在再力花體內的富集性時也證明再力花地上部Zn含量始終比根系Zn含量小，轉運系數均<1，這表明再力花不能有效地將Zn運輸到地上部，Zn主要積累在根部。這也為凈化后2種植物的后續處理提供了方便，可直接將植物根部拔除，簡單、快捷。 ?。?）研究表明玄武巖對水體重金屬具有一定的吸附作用，這是由于玄武巖具有空隙率和比表面積較大的特性，致使其表面對水體中的微生物吸附能力較強并能在較短時間內形成生物膜，因此玄武巖具有水體凈化能力[16]。該試驗中，玄武巖對重金屬Cd、As、Pb、Ni、Hg的富集率分別達33%、27%、25%、20%、18%，對其余重金屬也均有一定的富集效果。凈化21 d后植物和玄武巖中的重金屬含量明顯高于凈化前，表明水中的重金屬轉移到了植物和玄武巖中。該試驗結果表明玄武巖、再力花和箭葉雨久花組合對水體凈化21 d后重金屬Cd的凈化效果可達58%，蓄積含量約達37 μg/mL。而對Cd有很好的蓄積能力的植物菱（Trapa bispinosa）在Cd濃度為0.11 μg/mL的水體中，蓄積含量達13.05 μg/g。該組合=的凈化效果也優于單獨用長苞香蒲（Typha angustata）、水雍（Ipomea agugtica）等植物[8]。
該研究的不足之處在于吸附的時間處理上，鑒于幾乎全部的吸附均發生在移入玄武巖和植物7 d內，可適當縮短對水體重金屬檢測的時間間隔，進一步探究不同處理下時間因素對水體重金屬凈化效果的影響。
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