衡水湖湿地香蒲对重金属富集作用研究毕业论文.doc

密 级 公 开 学 号 _学院学院 毕业论文毕业论文 衡水湖湿地香蒲对重金属富集作用研究衡水湖湿地香蒲对重金属富集作用研究 论文作者： 指导教师： 系别 专业 ： ：生物科学 年级： 提交日期： 答辩日期： 毕业论文学术承诺毕业论文学术承诺 本人郑重承诺：所呈交的毕业论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不存在抄袭情况，论文中 不包含其他人已经发表的研究成果，也不包含他人或其他教学机构取得的研究成果。 作者签名： 日 期： 毕业论文使用授权的说明毕业论文使用授权的说明 本人了解并遵守 学院有关保留、使用毕业论文的规定。即：学校有权保留 或向有关部门送交毕业论文的原件或复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公开 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文及相关资料。 作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 2011 级生物科学专业毕业论文 I 论文题目：衡水湖湿地香蒲对重金属富集作用研究 摘摘 要要：本文利用微波消解法、火焰原子吸收分光光度计法研究衡水湖湿地常见水生 植物香蒲中不同部位的金属 Cu 和 Pb 的含量，了解衡水湖水体污染状况，植物富集重 金属的特性，探讨香蒲对环境中重金属的富集作用，以其选择适合重金属修复的植物， 为衡水湖的生态修复提供科学依据和基础材料。研究发现：香蒲植株不同器官对同一 重金属的富集能力不同，表现为根茎叶；同一器官对不同金属的富集能力也不同，表 现为 PbCu；pH 值以及温度均能影响香蒲对重金属的富集作用，在一定范围内香蒲对 重金属的富集能力随着 pH 值、温度的升高而增加。为避免香蒲的二次污染，要对香蒲 进行定期清理。 关键字： 衡水湖湿地；香蒲；重金属富集 李敏婧：衡水湖湿地香蒲对重金属富集作用研究 II TITLE:THe Study on Heavy Metal Accumulation of Typha orientalis in Hengshui Lake Wetlands Abstract:This subject is about on the contents of Cu and Pb in different parts of Typha orientalis to study heavy metal accumulation by microwave digestion and atomic absorption spectrootometer method,that would be known water pollution of Hengshui Lake and properties of heavy metal accumulation by plants.The study would offer scientific basis to slect suitable plant in order to recover the ecological environment of Hengshui Lake. The result showed that enrichment ability of different organs was different,presented as rootleaf. Enrichment ability of Pb is greater than Cu in the same organ. The heavy metal accumulation would increase with the increase of temperature and pH value in a certain range.The Typha orientalis need be harvested to prevent from polluting again. Keywords: Hengshui Lake Wetland; Typha orientalis; Heavy metal accumulation 2011 级生物科学专业毕业论文 III 目目 录录 摘 要I Abstract II 1 绪论1 2 材料与方法3 2.1 试验材料3 2.1.1 主要仪器和药品3 2.1.2 样品来源3 2.1.3 样品处理3 2.2 水样分析4 2.3 测定方法4 2.4 植物富集能力评价方法4 2.5 数据处理4 3 结果与分析5 3.1 样品中重金属含量5 3.2 不同组织中重金属元素的分布6 3.3 影响重金属离子富集的因素9 4 结论12 参考文献13 致 谢14 2011 级生物科学专业毕业论文 IV 2011 级生物科学专业毕业论文 第 1 页 共 14 页 1 绪论 随着工业污染和人类生活废水的大量排放，水体中重金属污染已经成为全球性的 环境污染问题。水污染是导致水资源再利用性降低、水域生态系统退化的重要因素之 一。进入环境中的重金属并不能像有机化合物那样可以自然降解、生物降解，往往参 与食物链的循环并在生物体内积累，破坏生物体正常的生理代谢。水生植物是水生态 系统重要组成部分和主要初级生产者，对生态系统物质和能量循环及传递起到调控的 作用，它还可以固定水中的悬浮物，起到潜在的去毒作用1,2。近年来植物修复技术以 其处理效果好等优点成为研究热点。环境植物修复技术就是通过在废水或受到污染的 天然水体中种植大量耐污染、净化能力较强的水生高等植物，使其通过自身的生命活 动将水体中的污染物分解迁化或富集到体内，然后去除，恢复水体中的养分平衡，改 善水质。该技术具有原位、不产生二次污染和成本低的优势。 目前国内外对于植物修复的研究主要集中在重金属污染修复方面。唐尚坚3研究表 明，植物将水体中的重金属吸收或吸附体内，实际为重金属的富集作用，植物的这种 富集使水体中的重金属含量有所降低，并且水生植物对有毒物质的吸收积累以及有毒 物质对水生植物的影响受温度、土壤和水的酸碱度等各种生态因子的制约。通过对污 染土壤的湿地植物进行筛选和研究,以开发适合本地污染土壤特点并具有广泛适应性的 重金属超富集植物4。本研究通过对衡水湖湿地水生植物香蒲(Typha orientalis Presl.) 对重金属的试验，探讨香蒲对重金属的富集能力，以期为改善衡水湖湿地重金属污染 提供科学依据和基本资料。 衡水湖湿地位于华北平原上的河北省衡水市境内，处于太行山麗平原向滨海平原 的过渡区，是华北平原惟一保持沼泽、水域、滩涂、草甸和森林等完整湿地生态系统 的自然保护区，也是珍稀鸟类等国家级保护动物极其理想的栖息地，生物多样性较为 丰富。衡水湖湿地在2000年被河北省政府批准为省级湿地和鸟类自然保护区；2003年6 月，被批准为国家级自然保护区，是华北平原上第一个国家级湿地自然保护区5,6。在 保护区建立之前人们的环保意识比较淡薄，以至于衡水湖周边工厂直接将工业废水排 进湖中，而这些工业废水含有大量的重金属，对水质造成直接污染。虽然近年来，政 府已将周边工厂迁走，并禁止在衡水湖周围建设工厂，但仍存在有个别附近居民将小 型作坊及生活污水偷排入湖的现象，因此湖水中仍有污染物残留；另外，衡水湖湿地 靠花巨资跨流域远途调水，沿途环境不一，由此带来大量泥砂和悬浮物并随引水输入 各种生物，造成水质复杂多变，加速了沼泽化进程。因此，衡水湖引水入湖前沿途已 受到污染，加之衡水湖周边工农业生产、生活和湖内网箱、拦网、围堰养殖以及水草 李敏婧：衡水湖湿地香蒲对重金属富集作用研究 第 2 页 共 14 页 腐烂造成的污染等，使衡水湖面临着污染、富营养化的严重威胁；此外，衡水湖临近 106国道，来往的机动车辆及越来越多的游人均加速了对衡水湖湿地的污染。衡水湖不 仅是衡水市及周边县市的饮用水和工业用水的水源地，而且它还影响着京津冀乃至华 北地区的生态安全。所以减缓衡水湖湿地重金属污染及预防、治理湖水富营养化的研 究刻不容缓。 2011 级生物科学专业毕业论文 第 3 页 共 14 页 2 材料与方法 2.1 试验材料 2.1.1 主要仪器和药品 主要仪器有AAnulyst700型原子吸收分光光度计、MDS-6型微波消解仪(上海新仪)、 分析天平(上海精科)、100目尼龙筛、烘箱、容量瓶、研钵以及Cu、Pb空心阴极灯， LD-500摇摆式粉碎机，剪刀，坩埚等。 主要试剂有浓HNO3(分析纯)、浓HF(分析纯)、浓HClO4(分析纯)、浓H2SO4(分析纯)、 二次蒸馏水等。 2.1.2 样品来源 本实验所用香蒲和底泥样品、水样均为2012年6月10日、8月20日以及10月20日采 于衡水湖冀州小湖。在采样点采集长势良好的香蒲植株，香蒲水下部位利用采样点附 近的湿地水现场冲洗，同时采集香蒲根系土壤土层深处0-20cm的底泥，分别装入干净 的聚乙烯塑料袋，做好标记。水样用玻璃采样瓶于水面以下0-20cm处采集，分别做好 标记，每次采集水样3份各1000ml。 2.1.3 样品处理 植物样品的处理 实验室内先用自来水冲洗香蒲3遍后，按根、茎、叶分离，再用 二次蒸馏水冲洗3遍，沥去水分，再用去离子水洗净。所有样品在BGZ-146电热鼓风干 燥箱75条件下烘干至恒重，干燥后用LD-500摇摆式粉碎机将样品粉碎成细碎纷末， 过孔径为0.15mm（100目）的尼龙筛。实验前在75条件下再次烘干至恒重后，称取 0.2500g(误差0.0003g)香蒲样品装入消解罐，并顺序添加2mL HNO3，0.5mL H2O2,6mL H2O，密封消解罐，放入Mars-5型微波消解器中，采用匀速升温消解程序进行三步密闭 消解，消解完全后，待消解罐冷却，将其取出移至通风橱放气。将消解所得溶液过滤 并移入比色管中，用去离子水定容至25mL，送原子吸收实验室摇匀测定。Cu、Pb重金 属元素均采用火焰原子吸收光谱法7测定，测试仪器为AAnalyst700原子吸收光谱仪分 析重金属Cu及Pb的浓度。 土壤样品的处理 将采集的底泥土壤样品除去砂石等杂质后，在实验室里自然风 干，而后用研钵将土样磨细过100目尼龙筛，用四分法缩分得土样，装入称量瓶，用分 析天平准确称取0.5000g样品，采用三酸(HNO3-HF-HClO4)微波消解法消解，然后将消 李敏婧：衡水湖湿地香蒲对重金属富集作用研究 第 4 页 共 14 页 解液移至100mL容量瓶中定容（量瓶事先用去离子水冲洗） ，备用。 2.2 水样分析 用滤网过滤掉水中的杂质，定容备用。 2.3 测定方法 于衡水市环境保护局环境监测站用 AAnalyst700 原子吸收分光光度计法测定不同 样品中重金属 Cu、Pb 的含量。 2.4 植物富集能力评价方法 植物对重金属富集能力大小采用富集系数(BF:bioaccumulation factor)和迁移系数 (TF:translocation factor)来评价。富集系数是指植物中某重金属污染物含量占土中该重 金属污染物含量的百分率，富集系数越大,则植物对该重金属的富集能力越强；迁移系 数是指植物地上部器官中某重金属污染物含量与植物根部中该重金属污染物含量之比， 迁移系数越大，则表明该重金属在植物体中迁移性越强。若植物对某重金属的迁移数 大于1，则表明植物具备了对该重金属的超富集特征。 2.5 数据处理 用Microsoft Excel 2000统计分析软件进行数据分析及差异显著性检验。 2011 级生物科学专业毕业论文 第 5 页 共 14 页 3 结果与分析 3.1 样品中重金属含量 将测得的水样中Cu、Pb含量分别与国家环境保护总局水和废水监测分析方法 (第 4 版)8相比，衡水湖湿地水域水体Pb的污染超过V类水质标准，说明采集该水域中 的水生植物来检测水环境具有一定的价值（表3-1） 。 表3-1 水样及地表水V类水质量金属含量 项目 日期Cu(mg/L)Pb（mg/L） 水样 6月10日 8月20日 10月20日 V类标准 0.016 0.011 0.020 1.000 0.150 0.110 0.177 0.100 将测得的土壤样品中Cu、Pb含量及其对照标准列于表3-2，土壤中Cu、Pb标准含 量依据1995年国家环保局南京环境科学研究所制定的土壤环境质量标准(GB15618- 1995)中的一级标准确定9。 表3-2 土壤样品中重金属含量项目Cu、Pb 项目 日期 Cu(mg/kg)Pb(mg/kg) 土壤 样本 6月10日 8月20日 10月20日 对照标准 56 39 46 35 57 51 55 35 从表3-1、3-2中可以看出衡水湖湿地重金属Pb、Cu的含量均高于环境质量标准， 说明衡水湖湿地受到Cu、Pb的污染，其原因，除受衡水湖自身有机物污染影响外，人 为影响也较大。其近几年旅游开发力度加大，衡水湖及附近人为活动频繁，加之衡水 湖的水源供给主要靠外流域调水，沿途环境不一，从而使水体水质受到影响10。 水生植物对重金属有很强的吸收积累能力。众多的研究表明，环境中的重金属含 量与植物组织中的重金属含量成正相关，因此可通过分析植物体内的重金属来指示环 境中的重金属水平11。表3-1、3-2中10月份水中重金属含量明显增加可能与衡水湖在9 月份时引黄调水有关：外来水源的引入沿途环境不一，对衡水湖的水质造成很大影响； 8月份水中重金属的含量是三个时期测得重金属含量最低的时期，原因可能为：7-8月 份为香蒲生殖生长旺盛期，吸收重金属能力增强有关。6月份重金属含量较高，可能是 李敏婧：衡水湖湿地香蒲对重金属富集作用研究 第 6 页 共 14 页 6月水温相对7、8月偏低，植物生长相对缓慢，因此吸收的重金属较少，同时由于年前 引入外源水，所以水体以及泥土中的重金属含量相对较高。 3.2 不同组织中重金属元素的分布 表 3-3 香蒲中不同组织中重金属的富集量 日期温度PH 值 金属 元素 叶 （mg/Kg） 根（mg/Kg）底泥 （mg/Kg） 水（mg/L） Cu5.10411.18045.5000.020 Pb26.827.65050.8900.110 8.2026.88.88 Cu4.0509.87039.9800.011 Pb22.423.68056.6350.150 6.1021.58.86 Cu2.1047.78045.5500.016 表3-4 香蒲中不同组织中重金属的迁移系数 日期温度PH值金属元素 叶的富集系数 （mg/kg） 根的富集系数 (mg/kg) 迁移系数 (mg/kg) Pb0.5381.7810.958 10.2016.59.0 Cu0.1120.2460.457 Pb0.5270.5430.969 8.2026.88.88 Cu0.1010.2470.410 Pb0.3960.4180.946 6.1021.58.86 Cu0.0460.1710.270 Tomsett等12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 可以通过两种途径：避性和耐性。一些植物可以通过某种外部机制保护自己，使其自 身不吸收环境中高含量的重金属，从而避免受毒害，称之为避性。在这种情况下植物 体内重金属含量并不高。而耐性是指植物体内具有某些特定的生理机制，是植物自身 能够生存于高含量的重金属环境中而不受其损害。此时植物体内具有较高浓度的重金 属。从表3-3中可以看出香蒲体内重金属含量均较高、长势较良好，说明香蒲对重金属 Cu、Pb具有一定的耐性。表3中10月样水中的Pb含量明显高于6月与8月，这与衡水湖在 9月左右引黄入衡有很大关系，以往衡水湖是在入冬前引黄经过一年的沉淀重金属含量 2011 级生物科学专业毕业论文 第 7 页 共 14 页 较多。 0 5 10 15 20 25 30 35 6月10日8月20日10月20日 采集样品时间 重金属含量 (mg/kg) 叶（Cu） 叶（Pb） 根（Pb 根（Cu） 图3-1 香蒲对不同重金属富集作用的含量比较 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 6月10日8月20日10月20日 时间 重金属含量 mg/kg 根对Pb富集系数 根对Cu富集系数 图3-2 香蒲根中不同重金属的富集系数 结合表3-3、3-4、图3-1、3-2 10月20日水中Cu的含量为0.020mg/L，底泥中Cu含量 为45.500mg/Kg，根中Cu富集系数为0.246mg/Kg，而叶中Cu富集系数为0.112mg/Kg； 水中Pb的含量为0.177mg/L，底泥中Pb的含量为54.640mg/Kg，根中Pb的富集系数为 1.781mg/Kg，叶中Pb的富集系数为0.538mg/Kg。说明香蒲对Pb的富集能力较强，能够 相对有效的从环境中吸收Pb。相比之下香蒲对Cu的富集系数较小，表明同一器官对不 同重金属的富集能力有明显差异，这与之前的相关报道相符合13。从实验数据可以看 出香蒲根中Cu与Pb的金属含量均大于叶中的重金属含量，说明香蒲根部对重金属富集 能力较强，而地上部分相对累积的较少，这使得香蒲茎叶不会四下扩散而污染周围的 环境，表现出较好的植物稳定作用。 李敏婧：衡水湖湿地香蒲对重金属富集作用研究 第 8 页 共 14 页 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 6月10日8月20日10月20日 时间 重金属含量 mg/kg 迁移系数（Pb） 迁移系数（Cu） 图3-3 香蒲中不同重金属的迁移系数 从图3-3中可以看出随着外部环境中重金属的浓度增加，香蒲对Pb的迁移系数并不 再增加，相反Cu的迁移系数升高，Cu是植物生长所必需的元素，香蒲在一定限度内吸 收Cu对其生长有促进作用或无大害，而Pb对于香蒲的生长发育是有害的，但在其吸收 量较小的情况下，危害不明显，吸收量过大，则造成香蒲中毒、枯萎，甚至死亡，这 可能与香蒲自身的避性有关。 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 6月10日8月20日10月20日 时间 重金属含量 mg/kg 根对Pb富集系数 迁移系数（Pb） 图3-4 香蒲中重金属Pb的富集系数和迁移系数 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 6月10日8月20日10月20日 时间 重金属含量 mg/kg 根对Cu富集系数 迁移系数（Cu） 图3-5 香蒲中重金属Cu的富集系数和迁移系数 2011 级生物科学专业毕业论文 第 9 页 共 14 页 重金属在植物体内的含量很低且极不均匀。表3-3中10月20日：Pb在叶中29.4 mg/Kg，在根中30.680mg/Kg；水生植物能够控制重金属在植物体内的分布，使得更多 的重金属积累在根部，因此根部的重金属含量一般都比茎叶高得多。这可能是植物对 重金属污染的一种适应，把水体中的有害的重金属大部分阻滞在根部，但也有例外的 情况，这可能与它们不同的吸收途径有关。从香蒲根茎的迁移系数上看，其迁移系数 均小于1，从图3-4、3-5中看出香蒲根的富集系数与其在植株体内的迁移系数成正比， 香蒲中重金属在根到叶中的迁移系数的升高能够促进香蒲从外界环境中富集重金属； 重金属在香蒲根茎之间的迁移成季节变化的特征，8月份迁移系数明显高于6月与10月， 是测得的三个时期中最高的，8月份时是重金属在地上以及地下积累量最高的时间，但 随着生育期的推移其地上与地下部分重金属的积累量相对减少，但减少幅度地下部分 不如地上部分大。与2009年郭长城15等人研究湿地植物香蒲体内氮、磷含量的季节变 化及适宜收割期中提到的营养迁移一致。说明香蒲对重金属的积累也表现出季节性的 变化特征。目前每年10月底至12月之间，衰老、死亡的植物残体如果不能被及时收获， 将会产生较为严重的二次污染，破坏衡水湖湿地的景观。 3.3 影响重金属离子富集的因素 0 10 20 30 40 50 60 21.526.816.5 温度 Pb含量 (mg/kg) 叶 根 底泥 水 ( 图3-6 不同温度对香蒲富集重金属Pb的影响 李敏婧：衡水湖湿地香蒲对重金属富集作用研究 第 10 页 共 14 页 0 10 20 30 40 50 21.526.816.5 温度 Cu含量 (mg/kg) 叶 根 底泥 水 图3-7 不同温度对香蒲重金属Cu的影响 由于水生植物对重金属具有吸收积累作用,因此只要在植物尚未被毒死的限度内, 其体内的重金属含量将会不断地增加，从图3-6、3-7中可以看出水、底泥中重金属浓 度增大，植物的富集重金属量亦随之增大。 温度是主要的生态因子，它直接影响水生植物对重金属的富集能力。6月至8月间 （温度：21.5-26.8）：香蒲叶对Pb的富集系数为0.396 mg/Kg和0.0.527 mg/Kg，对Cu 的富集系数分别为0.0460 mg/Kg和0.101 mg/Kg；香蒲根对Pb的富集系数分别为0.418 mg/Kg和0.0.543 mg/Kg，对Cu的富集系数分别为0.171mg/Kg和0.247mg/Kg；8月至10月 间（温度：26.8-16.5）：香蒲叶对Pb的富集系数分别为0.527mg/Kg和0.538mg/Kg， 对Cu的富集系数分别为0.101 mg/Kg和0.112 mg/Kg；香蒲根对Pb的富集系数分别为 0.543mg/Kg和1.781 mg/Kg，对Cu的富集系数分别为0.247mg/Kg和0.246 mg/Kg。表明在一定的温度条件下 香蒲对重金属Cu、Pb富集随温度的升高而增加。水生植物对重金属的富集量总是随温 度的升高而呈上升趋势，直到达到一定的温度后，其不随温度的变化而变化。温度升 高，加大分子的移动速率以及植物自身的酶的活性，加快了体系中分子、离子的扩散 14。 0 10 20 30 40 50 60 8.868.889pH值 Pb含量 (mg/kg) 叶 根 底泥 水 2011 级生物科学专业毕业论文 第 11 页 共 14 页 图3-8 不同pH值对香蒲富集重金属Pb的影响 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 8.868.889 pH值 Cu含量 (mg/kg) 叶 根 底泥 水 图3-9 不同pH值对香蒲富集重金属Cu的影响 随着温度的变化pH也相应的变化，pH值对水生植物的生长以及其对重金属的富集 有很大影响。6月至8月间（pH值：8.86-8.88）香蒲叶对Pb的富集系数为0.396mg/Kg和 0.0.527mg/Kg，对Cu的富集系数分别为0.046mg/Kg和0.101mg/Kg；香蒲根对Pb的富集 系数分别为0.418mg/Kg和0.543mg/Kg，对Cu的富集系数分别为0.171mg/Kg和 0.247mg/Kg；8月至10月间（pH值：8.88-9.0）香蒲叶对Pb的富集系数分别为 0.527mg/Kg和0.538mg/Kg，对Cu的富集系数分别为0.101mg/Kg和0.112mg/Kg；香蒲根 对Pb的富集系数分别为0.543mg/Kg和1.781mg/Kg，对Cu的富集系数分别为0.247mg/Kg 和0.246mg/Kg。 在6月至8月之间重金属累积量要比8月至10月之间重金属累积的含量要高，香蒲在 pH=8左右对Cu的富集与pH值的变化有关：在一定范围内pH越高，香蒲对Cu、Pb的富 集能力越强。水中pH降低，导致碳酸盐和强氧化物的溶解，H+离子的竞争作用增加了 重金属离子的解吸量。一般情况下，沉积物中重金属的释放量随着反应体系pH值的升 高而降低。其原因既有H+离子的竞争吸附作用，也有金属在低pH值条件下使金属难容 盐类以及配合物的溶解等15。另外在pH=8左右是香蒲的最适生长pH值，生长旺盛的香 蒲对重金属的吸收能力强。 李敏婧：衡水湖湿地香蒲对重金属富集作用研究 第 12 页 共 14 页 4 结论 衡水湖湿地中铅的污染相对严重，但水生植物香蒲在重金属含量高的水环境中没 有出现生长率下降或者死亡等毒害症状，且长势良好，说明水生植物香蒲对重金属 Cu、Pb具有一定的抗性，能够富集重金属，且在一定范围内，其吸收的量与水体中重 金属含量成正比。香蒲中重金属含量均高于水体背景值，由此可认为，香蒲可作为重 金属复合污染水体的修复植物。 试验数据表明香蒲植株的不同器官中的重金属含量有明显的区别：对重金属的吸 收能力表现为根茎叶；而香蒲植物的同一部位对不同重金属的吸收富集能力有明显差 异：对Pb的富集能力要强于对Cu的富集能力，说明植物对重金属的富集作用具有不同 的选择性。 发现香蒲对重金属的富集能力受外环境的因素影响：在一定的温度、pH值条件下 香蒲对重金属Cu、Pb富集随温度、pH值的升高而增加，而重金属在根到叶中的迁移系 数的升高能够促进香蒲从外界环境