水生植物对水体重金属污染的监测和生态修复

水生植物对水体重金属污染的监测和生态修复惠峰;王良桂【摘要】Aquaticplantshaveexcellentabilityinbiomonitoringandecologicalrestoringheavymetalpollutedwater.Bryophytesareexcellentbiomonitorsofheavymetalpollution,sotheycanbeusedtomonitorandevaluatetheheavymetalcontaminationlevelofthestudiedwater.Moreover,fourlifeformsofaquaticplants(includingemergent,free-drifting,floating-leavedandsubmergent)allhavecertainaccumulationcapacityonheavymetals,sotheyareappropriatematerialsforecologicalrestoringofheavymetalpollutedwater.Usingaquaticplantstotreatheavymetalpollutedwaterisasimpleandlowcostmethod,andwon'tbringsecondarypollution.Thisphytoremediationmethodcannotonlyrestoreheavymetalpollution,butalsoprettifytheenvironmentandbringdirectandindirecteconomicbenefits.%水生植物对水体重金属污染具有良好的监测和生态修复功能苔藓植物是重金属污染良好的生物监测器，可用于水体重金属污染状况的监测和评价.同时,4种生活型的水生植物(挺水、浮叶、漂浮和沉水植物)对重金属都有一定的富集能力,对重金属污染水体有生态修复作用.利用水生植物对水体进行生态修复具有简便易行、成本较低、不易形成二次污染的优势，在修复水体重金属污染的同时还可以美化环境,并可产生直接或间接的经济效益.【期刊名称】《安徽农业科学》【年(卷)，期】2013(041)005【总页数】3页(P2234-2236)【关键词】水生植物;重金属;监测;生态修复【作者】惠峰;王良桂【作者单位】南京林业大学风景园林学院，江苏南京210037【正文语种】中文【中图分类】S682.32随着工业化进程的加快，特别是矿石开采、金属冶炼、机械制造、化工等行业的快速发展，重金属污染物的排放日益增多，有相当一部分的重金属污染物未经处理就直接排放进了水体。重金属具有不可降解性，会长久的存在于环境中，一旦造成污染就不易清除，当水体中的重金属含量达到一定程度后就可能通过食物链对人类和其他动物的健康造成伤害，所以对重金属污染的监测和治理问题需引起足够的重视。根据植物的形态结构特征和生活类型，水生植物可分为三大类群:水生维管植物、水生藓类和高等藻类。藓类植物已被证实是重金属污染良好的生物监测器，欧洲、北美洲、亚洲等地的许多国家已将其应用于重金属污染的监测工作中，利用苔藓植物对水体重金属含量进行监测，可以对研究区域水体重金属污染程度作出评价，是一种简便易行的监测方法。利用传统的化学、物理法处理水体重金属污染成本高且效果不稳定，目前，已有很多的研究证实了水生植物对水质有很好的净化修复作用[1-4],其中对重金属污染水体的修复作用是水生植物净化水体的重要方面。利用水生植物对重金属的富集作用，可将重金属从污染水体中移除，与物理和化学方法相比，这种生态修复技术具有简便易行、成本较低、不易形成二次污染的优势，在修复受污染水体的同时也营造出良好的景观效果，还可以从富含金属的植物残体中回收贵重金属，取得直接的经济效益，因而这种生态修复技术越来越受关注。1水生植物对水体重金属污染的监测作用1.1监测方法水样中重金属的浓度具有可变性，因此直接通过水样检测水体中重金属元素浓度的方法效率较低。生物监测技术是一种有效的监测水环境污染的途径，苔藓植物是一种良好的水体重金属监测材料。苔藓监测水体重金属污染的途径主要有两种:一是通过水体中自然生长的苔藓植物监测水体重金属污染情况，称为活藓监测法;二是当被监测水体本身没有苔藓植物生长时，可将从清洁水环境中的采集的水生苔藓植物制成藓袋放置到被监测的水体中进行监测研究，称为藓袋监测法。已有研究证实，藓袋监测法对于监测河流中重金属元素导致的慢性污染非常有效［5-6］。由于不是所有的被监测水体中都有自然生长的苔藓植物，因此藓袋法是更为常用的一种监测方式，具体的实施方法是:把从相对清洁地区采集的一定种类的苔藓植物经过适当处理后制作成藓袋，暴露在被监测的水域中的各个样点一定时间后，将藓袋回收并测定苔藓植物体内元素成分变化，从而监测和评估所研究水体的重金属污染状况和变化。与活藓监测法相比，藓袋法具有许多优点:①可以准确地限定藓袋暴露于污染环境中的时间;②可在暴露前测定采自清洁区的苔藓植物样品内各元素的背景浓度，从而可以反映出污染物沉积的相对速率，污染程度及范围;③可根据所监测水体的实际情况和不同的监测目的，灵活设定监测点的数量和具体的监测地点;④统一制作藓袋具有相同的吸收污染物的结构和表面，排除了不同吸收表面积对监测结果的影响［7］。目前国内夕卜藓袋法监测环境的苔藓植物种类中最常见的是泥炭藓(Sphagnum)。泥炭藓植物体表层拥有大量的离子交换官能团(Functionalgroup)，对存在于空气中或水体中的金属物质有较高的吸附和累积能力，因而被多国用于空气和水环境的污染监测。水藓(Fontinalis)主要用于水体的监测研究中［8］。有学者利用水生藓黄色水灰藓(Hygrohypumochraceum)监测美国北部的阿肯色河上游和下游的水质［9］，研究者将该烘干的苔藓样品放入尼龙网袋中，在各个监测点分别用一块砖状物将其吊入水中，保证其与水充分接触，19d后取回，用ICP法测定了苔藓植物体内镉、铜、铅和锌的含量，同时也测定了水体中这些元素的含量，结果表明不同的监测点各种元素的含量差异极显著。苔藓植物体内的元素含量高于水体，并且对于水体中微量的、难以测定的元素，在苔藓植物体的组织中较容易测得，因此苔藓植物对水体重金属污染有很好的监测指示作用［10］。1.2评价指标采用相对累积因子(Relativeaccumulationfactor,RAF)可以对藓袋监测数据进行评价，计算公式为:RAF=(Ce-Ci)/Ci。式中，Ce和Ci分别为藓袋暴露后和初始元素含量。根据RAF值的大小，可评价各重金属污染程度，RAF值越大表明污染越严重，同时也反映不同元素的累积差别。有学者将RAF值划分为若干区间，以此来评价藓袋对不同元素的累积能力和重金属污染程度［7］。2水生植物对水体重金属污染的生态修复2.1水生植物对重金属的富集作用2.1.1挺水植物。挺水植物根生泥中，下部或基部在水中，茎、叶等光合部分挺出水面，暴露在空气中。茎秆一般直立，维管束发育相对良好，能有效行使疏导作用。该类群的植物处于水陆过度地带，其中有的植物生长于潮湿的岸边，因而这类植物在空气中的部分表现出与陆生植物相似的结构，具有表皮毛、角质层、气孔。常见的挺水植物类群有禾本科的芦苇属、菰属等及香蒲科、泽泻科、睡莲科莲属、木贼科、雨久花科、莎草科莎草属和荸荠属、灯芯草科等［11］。挺水植物大多有粗壮的根系，还有许多发达的不定根，主要通过根系蓄积底泥中的重金属，根部净化效果明显大于叶部［12］。任珺等的研究表明，水葱、菖蒲、芦苇均能够有效吸收水体中的Cd，对Cd的去除最高分别可达10074.17、14759.33和4620.00mg/kg，其中菖蒲的吸收能力显著高于水葱和芦苇，三者均可作为修复重金属污染水体的植物材料［13］。另有研究表明，宽叶香蒲(Typhalatifolia)对废水中Pb去除率为90%,Zn和Cd去除率为84%，所处理废水中其他重金属如Cu、Fe和Al等也都有不同程度的降低，是一种优良的治理重金属废水的植物材料［14］。长苞香蒲(Typhaangustata)体内也可以蓄积很高浓度的重金属，可以作为重金属污染水体的植物修复物种［15］。2.1.2浮叶植物。浮叶植物植株扎根基底，光合作用部分仅叶漂浮于水面或仅其部分叶漂浮于水面。常见的浮叶植物类群有睡莲科(睡莲属、萍蓬草属、芡实属等)、菱科菱属、苦菜科等［11］。利用睡莲(Nymphaeaspontanea)处理Cr6+污染废水，发现其对1pmol/LCr6+去除率可达93%［16］。在Cd、Pb浓度分别为0.11、0.7项g/ml的水体中，菱(Trapabispinosa)对这两种元素的蓄积含量分别可达13.05、87.75pg/g，表明菱对Cd和Pb有很好的蓄积能力，而莲(Nelumbonucifera)则对Cu和Zn有很强的蓄积能力［17］。2.1.3漂浮植物。漂浮植物整个植物体浮悬水面，根沉水中，但根不着生在底泥中。常见的类群中蕨类植物占绝大多数，如萍科、满江红科、槐叶苹科、苹科、水蕨科等，还有部分水瞥科的植物，以及苔藓植物门钱苔科叉钱苔等［11］。漂浮植物的根和叶都可蓄积重金属［18］。黄永杰等研究比较了8种水生植物对重金属的富集能力，结果表明水瞥根、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，在Cu、Pb和Zn等重金属复合污染水域的治理中有较大的应用前景［19］。凤眼莲(Eichhorniacrassipes)是国际公认的一种有效治理污染的水生漂浮植物，它繁殖能力很强，能迅速并大量地富集水体中Cd、Pb、Hg、Ni、Ag、Co、Sr等多种重金属元素［4］。Zayed等研究了浮萍对废水中微量元素的累积能力，结果表明浮萍对Cd、Se、Cu有良好累积效果，对Cr的累积能力一般，对Ni和Pb累积能力较差［20］。2.1.4沉水植物。沉水植物大部分生活周期内营养体全部沉没水中，有性繁殖部分可沉水、浮水或挺立于水面，主要包括眼子菜科、金鱼藻科、水瞥科的黑藻和苦草、茨藻科，水马齿科、水鼓科、小二仙草科的狐尾藻属和毛茛科的梅花藻属、轮藻科等［11］。由于完全沉水，该类群植物表现出典型的适应水环境的特性，叶面上的气孔已丧失功能或没有气孔，通气组织特别发达，有利于在水中缺乏空气的情况下进行气体交换。沉水植物的根部和叶部都可蓄积很高含量的重金属［12］。龙须眼子菜对镉、铅的最大吸附量分别高达32368和24776mg/kg,能有效地去除溶液中的镉和铅，是一种良好的修复水体镉、铅污染的植物材料［21］。Keskinkan等的研究结果表明，狐尾藻和金鱼藻可将重金属Zn、Pb和Cu元素从溶液中移出，因而可用于从水体中去除重金属［22-23］。黄亮等发现，苦草、黑藻、微齿眼子菜、蓖齿眼子菜、金鱼藻对重金属Zn、Cr、Pb、Cd、Co、Ni和Cu有很强的吸收积累能力［24］。一般而言，不同生活型水生植物对重金属的富集能力顺序为:沉水植物>漂浮(浮叶)植物>挺水植物［25-26］。沉水植物较其他生活型水生植物有更好的富集水体重金属的效果，这可能是由于沉水植物的表皮细胞没有角质层、蜡质层，因而能直接吸收水分、气体、矿质营养和重金属元素等。水生植物不同器官重金属富集能力有一定的规律，大部分水生植物根部的重金属含量比茎、叶部分高［19,27-28］，原因是根中的重金属元素运输是在质外体中进行的，所以重金属向植物地上部分转移时主要受到内皮层细胞凯氏带的限制，并且在重金属胁迫条件下，植物会合成植物螯合肽，该物质可以强烈地螯合重金属离子或作为一种运输工具把过多的重金属离子从细胞质运送到液泡中去，从而保护植物的新陈代谢功能和减少重金属向地上部分迁移［25］，这可能是植物对重金属污染的一种适应特性，把水体中有害的重金属阻滞在根部，以减轻重金属对地上部的毒害。2.2水生植物对重金属富集能力评价指标2.2.1富集系数。富集系数(Bioaccumulationcoefficient,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。对于不同生活型的水生植物，富集系数的计算也有所差异。挺水植物和浮叶植物，根生泥中，主要从底泥中吸收重金属元素，因此重金属富集系数计算公式:重金属富集系数=植物根（或茎叶）重金属含量/底泥中该元素含量。漂浮植物整个植物体浮悬水面、根沉水中，但不接触基底，因此漂浮植物重金属富集系数计算公式如下:重金属富集系数=植物根（或茎叶）重金属含量/水中该元素含量。对于沉水植物，根和叶共同去除水体中重金属，有些沉水植物的根不发达甚至退化，所以其重金属富集系数计算公式如下:重金属富集系数=植物全株重金属含量/水中该元素含量。2.2.2综合污染指数。在采样点不是单一的情况下，由于在不同采样点采集的植物重金属的质量分数各不相同，而且种类各异，为了便于比较，可采用重金属污染指数（MPI）（又称综合污染指数）作为评价指标［29］,MPI计算公式为:MPI=（Cf1xCf2x......xCfn）1/n,式中，Cfn某重金属在样品中的质量分数，即为各种重金属元素的实测残留量。2.2.3迁移系数。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［30］。沉水植物由于根部退化甚至消失，因此不考虑迁移系数。挺水、浮叶、漂浮植物迁移系数=植物地上部重金属含量/根部该元素含量。3结语利用水生植物尤其是水生苔藓植物监测水体重金属污染，是一种便捷有效、成本较低的技术措施。利用水生植物对重金属污染水体进行生态修复，不仅不会造成二次污染，而且投资成本少、治理效率高、灵活性高、针对性强，在治理水环境的同时还能美化环境，并且产生直接或间接的经济效益。因此，水生植物在水体重金属污染的监测和生态修复方面有很广阔的应用前景。参考文献[1]田如男，朱敏，孙欣欣，等.不同水生植物组合对水体氮磷去除效果的模拟研究[J].北京林业大学学报，2011(6):191-195.[2]方云英，杨肖娥，常会庆，等.利用水生植物原位修复污染水体[J].应用生态学报，2008(2):407-412.[3]叶旭红，申秀英.水生植物对受污水体净化作用的研究进展[J].海洋湖沼通报，2011(3):111-116.[4]韩志萍，张建梅，姜叶琴，等.植物整治技术在重金属废水处理中的应用[J].环境科学与技术，2002(3):46-48.[5]CENCIRM.Theuseofaquaticmoss(Fontinalisantipyretica)asmonitorofcontaminationinstandingandrunningwaters:Limitsandadvantages[J].JournalofLimnology,2001,60(S1):53-61.[6]FIGUEIRAR,RIBEIROT.Transplantsofaquaticmossesasbiomonitorsofmetalsreleasedbyamineeffluent[J].EnvironPollut,2005,136(2):293-301.[7]ANICICM,TASICM,FRONTASYEVAMV,etal.ActivemossbiomonitoringoftraceelementswithSphagnumgirgensohniimossbagsinrelationtoatmosphericbulkdepositioninBelgrade,Serbia[J].EnvironPollut,2009,157(2):673-679.[8]曹同，王敏，娄玉霞，等.监测环境污染的藓袋法技术及其应用[J].上海师范大学学报:自然科学版，2011(2):213-220.[9]LABOUNTYJF,SARTORISJJ,KLEINLD,etal.AssessmentofheavymetalspollutionintheupperArkansasRiverofColorado:BureauofReclamation,Denver,CO(UnitedStates)[R].EngineeringandResearchCenter,1975.[10]魏海英，方炎明.苔藓植物与环境重金属污染监测研究进展[J].南京林业大学学报:自然科学版，2004(5):77-81.[11]吴振斌.水生植物与水体生态修复[M].北京:科学出版社，2011.[12]王谦，成水平.大型水生植物修复重金属污染水体研究进展[J].环境科学与技术，2010(5):96-102.[13]任瑁，陶玲，杨倩，等.菖蒲和水葱对水体中Cd富集能力的研究[J].农业环境科学学报，2010(9):1757-1762.[14]叶志鸿，陈桂珠，蓝崇钰，等.宽叶香蒲净化塘系统净化铅/锌矿废水效应的研究[J].应用生态学报，1992(2):190-194.[15]KUMARLJIN.MacrophytesinphytoremediationofheavymetalcontaminatedwaterandsedimentsinPariyejCommunityReserve,Gujarat,India[J].TurkishJournalofFisheriesandAquaticSciences,2009,8(2):193-200.[16]CHOOTP,LEECK,LOWKS.Accumulationofchromium(VI)fromaqueoussolutionsusingwaterlilies(Nymphaeaspontanea)[J].Chemosphere,2006,62(5):961-967.[17]KUMARM,CHIKARAS,CHANDMK,etal.Accumulationoflead,cadmium,zinc,andcopperintheedibleaquaticplantsTrapabispinosaRoxb.andNelumbonuciferaGaertn[J].BEnvironContamTox,2002,69(5):649-654.[18]MISHRAVK,UPADHYAYAR,PANDEYSK,etal.ConcentrationsofheavymetalsandaquaticmacrophytesofGovindBallabhPantSagarananthropogeniclakeaffectedbycoalminingeffluent[J].EnvironMonitAssess,2008,141(1):49-58.[19]黄永杰，刘登义，王友保，等.八种水生植物对重金属富集能力的比较研究[J].生态学杂志，2006(5):541-545.[20]ZAYEDA,TERRYN,GOWTHAMANS.Phytoaccumulationoftraceelementsbywetlandplants:!.Duckweed[J].JEnvironQual,1998,27(3):715-721.[21]彭克俭，秦春，游武欣，等.沉水植物龙须眼子菜(Potamogetonpectinatus)对镉、铅的吸附特性[J].生态环境，2007(6):1654-1659.[22]KESKINKANO,GOKSUM,YUCEERA,etal.Heavymetaladsorptioncharacteristicsofasubmergedaquaticplant(Myriophyllumspicatum)[J].ProcessBiochem,2003,39(2):179-183.[23]KESKINKAN