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沉水植物对Cu、Pb污染底泥的修复效果

摘要:沉水植物对Cu、Pb污染底泥的修复效果,鄱阳湖是中国最大的淡水湖。鄱阳湖流域主要由饶河、赣江、修河、抚河和信河这5大水系构成。其流域内矿产资源非常丰富,这就导致在采

  鄱阳湖是中国最大的淡水湖。鄱阳湖流域主要由饶河、赣江、修河、抚河和信河这5大水系构成。其流域内矿产资源非常丰富,这就导致在采矿的过程中会产生大量的重金属废水。这些废水积少成多,通过地表径流的方式流入鄱阳湖,最终导致湖泊水体受到严重的污染。此外,由于大量工业废水、生活污水的胡乱排放和工业化、城市化进程的迅速发展,大面积的湖泊水体遭到严重的重金属侵害。由于重金属具有难以降解的特点且重金属污染现象普遍存在,越来越多的学者投入治理重金属污染的研究当中。目前,针对鄱阳湖水体重金属污染的大量研究中,成果集中表现于湖区水体的重金属含量较低,但湖底底泥中的大部分重金属含量却严重超标,其中以Cu、Zn和Pb尤为严重。当重金属浓度超过一定范围时,会对水生植物的生长产生巨大影响,严重时甚至导致植物停止生长。

  鄱阳湖湿地由于物产极为丰富,生物种类繁多,成为很多专家学者的研究对象。大面积湖区都有各种不同种类的沉水植物分布。沉水植物对水体重金属有一定的富集作用大量文献表明,由于苦草地下茎繁殖能力较强、金鱼藻生长范围广和黑藻的无性繁殖等特点,使得这3种沉水植物成为了鄱阳湖湿地的优势。因此,苦草、黑藻和金鱼藻的生理生长发展,对鄱阳湖湿地的生态环境发展有着至关重要的作用。

  由于沉水植物是水生生态系统的重要组成部分,且能够修复重金属污染严重的水体和底泥。很多学者提出以种植沉水植物的方式进行湖泊污染治理修复。鄱阳湖地区湖底底泥重金属含量极高,污染严重,必须采取相应的措施来解决这一问题。目前已经有一部分学者针对此问题进行了研究。谢佩君等研究苦草、黒藻和金鱼藻对重金属的富集效果发现:对Cu的富集,黒藻是3种沉水植物中最强的,对Pb的富集苦草最强。这3种沉水植物不但在单种情况下对重金属有较高的富集作用,且死亡后依然存在一定的吸附重金属能力。本文采用不同的种植模式,探究沉水植物(苦草、黑藻和金鱼藻)对重金属污染下鄱阳湖底泥的修复效果,为找出最佳的种植模式提供理论依据。

  一、材料与方法

  1.1 样品处理

  于枯水期在饶河地区设置15个调查点。通过测其重金属含量选取污染比较严重的沉积物作为实验底泥材料。将底泥集中于白色塑料桶中。搅拌均匀后置于通风口处,风干、磨碎、过筛60目。混合搅拌数次后加一定量的水(使底泥中重金属分布均匀),使底泥处于可种植状态。取一部分底泥测其重金属背景值(Cu:316.8mg/kg;Pb:246.7mg/kg)。

  实验用沉水植物样品苦草、黑藻和金鱼藻均采于赣抚平原六干渠。选择较为健壮,长势相近的样品作为实验材料。采回样品之后将底泥清洗干净,选取材料长度为15cm左右,将材料放入Hoagland营养液中培养3d。

  1.2 实验设计

  实验采用室外模拟天然环境。不仅以苦草、黑藻和金鱼藻的单种形式为例,还采用了9种不同的混种种植模式。同时,每个样品组设置4个重复组(表1)。

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  整个实验分为4个阶段(6月中旬至9月下旬),每个阶段27d。所以,实验在第27d,54d,81d和108d分别进行1次破坏性采样,同时取其一定量的种植底泥。测定植物体和根部土样的重金属含量。重复3次,取其平均值作为最终数据。实验共经历108d,蒸发的水分由暴晒的自来水补充。

  1.3 样品处理与测定

  将植物样品和底泥样品风干后研磨,密闭保存,称取0.1000g样品进行HNO3JHC1O4消解,制备待测液,测定样品中的Cu和Pb含量,绘制重金属标准曲线,最后将待测样品放入等离子质谱仪中进行测定。

  1.4 数据处理与分析

  生物富集系数(BSFA)表示生物积累沉淀物中污染物的能力,是衡量生物体富集底泥重金属能力的重要指标。可由苦草、黒藻和金鱼藻3种沉水植物体内的Cu、Pb含量与底泥中Cu、Pb含量之比来计算。

  去除率可由下式计算:

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  式中R为去除率,C。为初始底泥中重金属含量,C为实验结束时底泥中的重金属含量。

  实验最终数据以3次测定的平均值为准。数据使用EXCEL进行整理汇总,用SPSS19.0对植物体和底泥中的重金属含量进行分析。

  二、结果与分析

  2.1 沉水植物对底泥中Cu和Pb的富集

  2.1.1 沉水植物对底泥中Cu的富集

  沉水植物苦草、黑藻和金鱼藻按12种不同的种植模式培养。每种种植模式对重金属Cu的富集能力都不相同,如表2所示。沉水植物单种情况下,黒藻对底泥中Cu的富集能力是最强的,其富集量达到239.5mg/kg,说明3种植物中,黒藻对Cu的富集效果是最好的。从混种角度来看,对Cu的富集最高的是苦黑(9:9)模式,达到278.9mg/kg,甚至优于黒藻单种模式。苦金(6:12)和黑金(6:12)这两种模式的Cu富集增量也较为显著,其值分别为277.2mg/kg和241.95mg/kg,略低于苦黑(9:9)。整体上看,12种种植模式经过4个阶段的富集,其Cu富集量是原来的4~5倍。

  综上所述,就Cu富集能力而言,苦黑(9:9)的种植模式是最优的。

  2.1.2 沉水植物对底泥中Pb的富集

  沉水植物对重金属Pb的富集结果如表2所示。单种模式下,这3种沉水植物对Pb的富集相差不大,且主要体现在第3阶段,苦草的Pb富集量最大,为126.2mg/kg;混种模式的富集能力主要体现在第一阶段,最大富集量为苦黑(9:9)的130.8mg/kg,其余种植模式的富集量均在120mg/kg左右,并且Pb的富集量远远小于对Cu的富集。说明这3种沉水植物对Cu的富集能力高于Pb。

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  2.2 沉水植物对底泥中Cu和Pb的富集系数

  2.2.1 沉水植物对底泥中Cu的富集系数

  生物富集系数能够反映植物体对重金属的吸附和富集能力。不同种植模式下,沉水植物对底泥中Cu的富集系数各不相同,如表3所示。显然,单种情况下,黒藻的富集系数是最大的,其值为3.1。苦草为2.45,介于两者之间。金鱼藻最小。说明黒藻对Cu的富集效果最好,混种模式中,苦黑(9:9)的生物富集系数尤为突出,为5.69,是其他种植模式的2到3倍。苦金(6:12)的富集系数与黒藻单种相当。其余种植模式的富集系数普遍在2.0左右。各个阶段富集系数的增长差距不大。

4.jpg

  2.2.2 沉水植物对底泥中Pb的富集系数

  沉水植物对底泥中Pb的富集系数,如表3所示。单种模式下,苦草的富集系数大于黒藻和金鱼藻,说明苦草对Pb的富集效果最好,其值为1.19。混种模式中,苦黑(9:9)的富集系数最大,为1.23。其余种植方式对Pb的富集系数都相差不大。第1阶段富集系数的增幅相对较大,是其他阶段的3倍左右。第4阶段的变化最小。对Pb的富集系数在数值上整体较Cu富集系数低,这里也说明沉水植物对Cu的富集能力高于Pb的富集。

  2.3 沉水植物对底泥中Cu和Pb的去除率

  对最终底泥中Cu和Pb的含量进行测定(表4),找出对Cu、Pb去除效果最好的种植模式。

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  从表4可以看出:单种情况下,黑藻对Cu的去除效果是最好的,其去除率为72.31%;Pb去除率最大的是苦草,去除率为53.10%。苦黑(9:9)的混种模式对Cu和Pb的富集能力是所有混种模式中最高的,其去除率分别为82.13%和54.21%。因此,苦黑(9:9)的混种模式对Cu和Pb的去除效果分别优于黑藻单种和苦草单种。其余混种模式对Cu和Pb的去除率普遍比黑藻单种低。整体来看,沉水植物苦草、黑藻和金鱼藻对Cu的去除率较Pb的去除率高。

  三、讨论

  (1)从单种的情况来看,3种沉水植物中对Cu富集效果最好的是黑藻,对Pb富集效果最好的是苦草。这里与李巧云的研究结果相符合。且苦草、黑藻和金鱼藻对重金属Cu的富集能力要高于对Pb的富集能力,可能是由于Cu是植物生长所需的微量元素之一,且有助于植物光合作用的原因。而pb不是植物生长必要的元素。

  (2)从苦草、黑藻和金鱼藻两两混种的模式来看,对重金属Cu和Pb的富集量最高的是苦黑(9:9)的混种模式,最大值分别为278.9mg/kg和130.8mg/kg。另外苦黑(12:6)模式下的Pb富集量值为125.3mg/kg,仅次于苦黑(9:9),但其Cu富集量却比大多种植模式都低。这说明相同沉水植物按照不同比例搭配混种,可以对不同的重金属产生不同的富集效果。这里与王激清和杨远祥的研究成果搭配的很好。不足的是本次实验所选择的比例较少,只有9:9、6:12和12:6这3种,没有更深层次的研究。

  (3)从苦草、黑藻和金鱼藻对重金属Cu和Pb的富集阶段来看。苦草主要体现在第一阶段,黑藻主要体现在第2阶段,而金鱼藻主要是第3阶段。说明苦草、黑藻和金鱼藻分别在6月中旬到7月上旬、7月上旬到7月底和7月底到9月中旬对重金属Cu和Pb的富集效果最好。这可能与沉水植物的光强需求有关,也可能与植物的根系有关。因为苦草是带根种植,而黑藻和金鱼藻是不带根种植。

  (4)植物体对重金属的富集能力与其生物富集系数成正比,对cu和Pb的富集3种植物都是逐渐上升增强的。其中,黑藻的Cu富集系数是最大的,为3.10。对Pb的富集能力最大的是苦草,其富集系数为1.19。这里也说明对Cu的富集强度高于Pb。混种模式中,苦黑(9:9)的种植模式对Cu和Pb的富集系数最大,分别为5.69和1.23。都远远高于其余种植模式。说明苦黑(9:9)的种植模式是12种中最优的。

  四、结束语

  (1)从这3种沉水植物的整个生长周期来看,单种模式下,对Cu富集:黒藻〉苦草〉金鱼藻,对Pb的富集:苦草〉黒藻〉金鱼藻。按照不同比例的混种模式对重金属的富集效果也各不相同,综合底泥中重金属富集量、生物富集系数和去除率这3个指标,苦黑(9:9)模式对Cu-Pb复合底泥的修复效果最佳。

  (2)不管是单种模式,还是混种模式,这3种沉水植物对于Cu的富集效果都要高于Pb的富集。这说明,Cu-Pb复合污染情况下,Cu的重金属吸附竞争能力大于Pb。(来源:南昌工程学院;水利与生态工程学院;土木与建筑工程学院;国际教育学院)

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作者: 三六五环保公司

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