喬云蕾， 李銘紅*， 謝佩君， 晏麗蓉， 朱劍飛

(1.浙江師范大學(xué)行知學(xué)院， 浙江 金華 321004； 2.浙江師范大學(xué) 生態(tài)研究所， 浙江 金華 321004)

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沉水植物對(duì)受重金屬鎘、鋅污染的水體底泥的修復(fù)效果

喬云蕾1,2， 李銘紅1,2*， 謝佩君2， 晏麗蓉2， 朱劍飛2

(1.浙江師范大學(xué)行知學(xué)院， 浙江 金華 321004； 2.浙江師范大學(xué) 生態(tài)研究所， 浙江 金華 321004)

為了探究常見(jiàn)沉水植物對(duì)水體底泥中重金屬污染的富集效果，選取浙江水域較為常見(jiàn)的3種沉水植物苦草(Vallisnerianatans(Lour.) Hara)、黑藻(Hydrillaverticillata(Linn.f.) Royle)、金魚(yú)藻(CeratophyllumdemersumL.)，在模擬天然水體環(huán)境中，將3種沉水植物培養(yǎng)在含有重金屬Cd、Zn的底泥中生長(zhǎng)一個(gè)生活周期.依據(jù)沉水植物對(duì)重金屬Cd、Zn的富集量和生物-沉積物生物富集因子(biota-sediment accumulation factor, BSAF)等指標(biāo)，篩選出對(duì)2種重金屬元素富集效果較好的沉水植物，為受重金屬污染底泥生態(tài)修復(fù)的植物選擇提供一定的參考.結(jié)果表明：3種沉水植物對(duì)重金屬Cd、Zn的耐受性均較強(qiáng)，同時(shí)對(duì)重金屬Cd、Zn都有較高的富集能力，生物富集因子大于1，對(duì)底泥中的Cd、Zn均具有較好的祛除效果；由相關(guān)分析可知，3種沉水植物體中的Cd、Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其根部底泥中Cd、Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著的負(fù)相關(guān)(p<0.01)，因此這3種植物均可作為重金屬Cd、Zn污染的修復(fù)物種.苦草對(duì)重金屬Cd、Zn的富集量及BSAF均大于黑藻和金魚(yú)藻，對(duì)重金屬Cd的富集量分別達(dá)到了黑藻和金魚(yú)藻的1.90和3.02倍.因此可考慮苦草作為水體底泥Cd、Zn復(fù)合污染生態(tài)修復(fù)的先鋒物種.

苦草；黑藻；金魚(yú)藻；底泥；鎘；鋅；富集作用

隨著我國(guó)工業(yè)的迅速發(fā)展，各種重金屬污染物不斷進(jìn)入水體[1].底泥是河流、湖泊等水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是環(huán)境污染物的聚集場(chǎng)所.進(jìn)入水環(huán)境的重金屬主要通過(guò)吸附、絡(luò)合、沉淀等復(fù)雜的界面交換和反應(yīng)遷移至底泥中，使底泥沉積物中的重金屬含量遠(yuǎn)高于水相.當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，沉積于底泥中的重金屬很可能被釋放，造成二次污染[2]，惡化水質(zhì)，毒害水生生物，并可能通過(guò)食物鏈直接或間接影響人類和動(dòng)物的健康[3].目前底泥的重金屬污染治理主要采用物理、化學(xué)和生物修復(fù)手段.其中植物修復(fù)與傳統(tǒng)的物理和化學(xué)修復(fù)相比，具有成本低、不易引起二次污染等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以減輕重金屬污染，還可以美化環(huán)境，尤其適合大面積需異位處理的底泥[4].

在修復(fù)水體和底泥重金屬污染的眾多植物中，水生植物格外受到關(guān)注.水生植物可將重金屬離子吸收進(jìn)體內(nèi)，其體內(nèi)的谷胱甘肽、植物螯合素、金屬硫蛋白、有機(jī)酸等成分可以降低重金屬離子的毒性[5]，通過(guò)絡(luò)合及區(qū)域化作用，使重金屬離子在植物體內(nèi)存留并富集，從而降低其對(duì)環(huán)境的污染.因此，利用水生植物修復(fù)受重金屬污染的底泥是綠色環(huán)保的，其中沉水植物起非常重要的作用.沉水植物生活在水中，其根、莖、葉均可蓄積較高含量的重金屬[6]，其富集能力強(qiáng)于浮水植物和挺水植物.苦草、黑藻、金魚(yú)藻為浙江水域常見(jiàn)沉水植物，生物量大且繁殖能力強(qiáng)，因此選用這3種沉水植物作為實(shí)驗(yàn)材料.

之前關(guān)于重金屬修復(fù)的研究大多注重單一重金屬的環(huán)境效應(yīng)，對(duì)多種重金屬共存于同一環(huán)境以及相互作用所形成的環(huán)境污染效應(yīng)重視不夠[7].Cd和Zn具有相近的核外電子構(gòu)型，易發(fā)生同晶代替，它們的化學(xué)性質(zhì)及生物行為也頗為相似，因此在自然界中，Cd一般與Zn共生，構(gòu)成Cd、Zn的復(fù)合污染[8].針對(duì)湖泊、河流等水體底泥中重金屬污染越來(lái)越嚴(yán)重的問(wèn)題，本研究以3種沉水植物為材料，采用生態(tài)模擬方法，通過(guò)沉水植物對(duì)底泥中重金屬Cd、Zn的吸附作用，比較3種沉水植物對(duì)重金屬Cd、Zn的富集能力，初步篩選出吸附效果較好的沉水植物，為底泥中重金屬污染的生態(tài)修復(fù)提供一定的科學(xué)依據(jù).

1　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)植物苦草(Vallisnerianatans(Lour.) Hara)、黑藻(Hydrillaverticillata(Linn.f.) Royle)和金魚(yú)藻(CeratophyllumdemersumL.)為我國(guó)東南地區(qū)常見(jiàn)的3種沉水植物，均采自浙江水域.實(shí)驗(yàn)用水為經(jīng)過(guò)暴曬后的自來(lái)水.

將采自浙江師范大學(xué)周邊水體的實(shí)驗(yàn)底泥混勻、風(fēng)干后測(cè)得2種重金屬Cd、Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.82，187.52 mg·kg-1.隨后將2種重金屬鹽的混合溶液(用分析純的重金屬鹽[CdCl2·2.5H2O、Zn(NO3)26H2O]配制而成)倒入原始底泥中，攪拌均勻后風(fēng)干.經(jīng)過(guò)處理的底泥中2種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：Cd 35.82 mg·kg-1、Zn 387.52 mg·kg-1，均達(dá)到JENSEN底泥污染評(píng)價(jià)級(jí)別的重度污染水平.

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1沉水植物培養(yǎng)方法

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)模擬天然水體環(huán)境，在玻璃制生態(tài)缸(長(zhǎng)60 cm，寬30 cm，高50 cm)內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)實(shí)驗(yàn).在生態(tài)缸內(nèi)鋪入厚約10 cm的配制好的底泥，加入50 L暴曬過(guò)的自來(lái)水，將相同株數(shù)(本實(shí)驗(yàn)均為36株)的3種沉水植物植入污染底泥中.實(shí)驗(yàn)中蒸發(fā)的水分用暴曬的自來(lái)水補(bǔ)充.實(shí)驗(yàn)共設(shè)置15個(gè)生態(tài)缸，其中1#～5#植入苦草，6#～10#植入黑藻，11#～15#植入金魚(yú)藻.每個(gè)生態(tài)缸劃分為3個(gè)小區(qū)域，分別在3個(gè)小區(qū)域取樣，作為實(shí)驗(yàn)的3個(gè)重復(fù).實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行一個(gè)生長(zhǎng)周期(105 d)，分5個(gè)階段取植物樣、植物根部底泥樣.采樣階段、釆樣時(shí)間及采樣區(qū)域見(jiàn)表1.

表1　采樣階段、采樣時(shí)間及采樣區(qū)域

1.2.2重金屬測(cè)定方法

將采集的植物樣品用超純水沖洗干凈，105 ℃下殺青30 min，90 ℃烘干至恒重，將烘干后的植物樣磨碎后過(guò)60目篩.取植物根部底泥，90 ℃下烘至恒重，將烘干的底泥磨成粉末狀過(guò)100目篩.取植物和土壤樣品各約0.25 g待用.采用硝酸-高氯酸消解法消解待測(cè)樣品后用電子耦合等離子發(fā)射法(inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry, ICP-AES)測(cè)定Cd、Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

1.3數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Origin8、SPSS17.0等軟件工具進(jìn)行分析處理.

1.3.1植物生長(zhǎng)率的計(jì)算

生長(zhǎng)率是衡量植物生物量變化的一個(gè)量化指標(biāo)，當(dāng)生物量為w，時(shí)間為t時(shí)，生長(zhǎng)率(GR)=dw/dt，即單位時(shí)間內(nèi)生物量增加的部分為生長(zhǎng)率.

1.3.2沉水植物對(duì)重金屬的吸附速率

沉水植物對(duì)重金屬的吸附速率為單位時(shí)間內(nèi)植物體內(nèi)的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加的數(shù)值.

1.3.3沉水植物吸收重金屬的生物-沉積物生物富集因子(BSAF)計(jì)算

分別在5個(gè)取樣階段采集相應(yīng)生態(tài)缸中3個(gè)小區(qū)域的植株及其根部底泥，測(cè)定樣品中重金屬Cd、Zn的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù).BSAF為沉水植物體內(nèi)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其相應(yīng)的根部底泥中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值.

1.3.4沉水植物對(duì)重金屬的去除率計(jì)算

沉水植物對(duì)重金屬的去除率為實(shí)驗(yàn)結(jié)束后培養(yǎng)3種沉水植物的底泥中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與相應(yīng)原始底泥中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值.

2　研究結(jié)果

2.13種沉水植物生長(zhǎng)及生物量變化情況

黑藻和金魚(yú)藻在實(shí)驗(yàn)初期長(zhǎng)勢(shì)較好，葉片綠而茂盛.實(shí)驗(yàn)初期苦草葉片生長(zhǎng)并不茂盛，且根部有繁殖芽出現(xiàn).隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，3種植物生長(zhǎng)狀況良好.在實(shí)驗(yàn)后期，3種植物多數(shù)葉片出現(xiàn)發(fā)黃癥狀，且植物葉片表面都有藻類附著，沉水植株受害癥狀明顯.

實(shí)驗(yàn)期間3種植物的生物量有明顯的增加.實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)苦草生物量鮮重的增加量為633.90 g，黑藻的增加量為452.58 g，金魚(yú)藻的增加量為589.01 g.3種沉水植物在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段的生長(zhǎng)率最低，隨后逐漸增加.苦草和黑藻在第4階段時(shí)生長(zhǎng)率達(dá)到最高，金魚(yú)藻在第3階段內(nèi)生長(zhǎng)率達(dá)到最大.實(shí)驗(yàn)的最后階段3種沉水植物的生長(zhǎng)率雖然有所下降，但仍維持在較高水平(見(jiàn)圖1).

圖1　沉水植物的生長(zhǎng)率時(shí)間動(dòng)態(tài)Fig.1　Temporal dynamics of growth rate of submerged plants

2.2沉水植物對(duì)底泥中鎘、鋅的富集效應(yīng)分析

2.2.13種沉水植物對(duì)鎘的富集效應(yīng)

自然狀況下，重金屬Cd在供試植物苦草、黑藻、金魚(yú)藻中質(zhì)量分?jǐn)?shù)都比較低，背景值分別為3.90，2.35，2.35 mg·kg-1，差異不顯著.實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)苦草、黑藻、金魚(yú)藻中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增加，分別為背景值的23.28，20.33，12.78倍，苦草中重金屬Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于黑藻和金魚(yú)藻(見(jiàn)圖2)，是黑藻和金魚(yú)藻中的1.90和3.02倍.通過(guò)對(duì)3種沉水植物不同天數(shù)之間重金屬Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行多重比較知：苦草中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)除21 d與42 d之間、42 d與63 d之間差異不顯著(p>0.05)外，其余兩兩之間均差異顯著(p<0.05)；黑藻中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)除 0 d與21 d之間、84 d與105 d之間差異不顯著(p>0.05)外，其余兩兩之間均差異顯著(p<0.05)；金魚(yú)藻中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)除0 d與21 d之間差異不顯著(p>0.05)外，其余不同天數(shù)之間均差異顯著(p<0.05).

第1階段內(nèi)苦草的生長(zhǎng)率最低，但苦草吸附Cd的速率較大，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第4階段時(shí)，苦草的生長(zhǎng)率達(dá)到最高，吸附Cd的速率急劇增加，在第5階段達(dá)到最大；實(shí)驗(yàn)期間金魚(yú)藻吸附Cd的速率較低，金魚(yú)藻的生長(zhǎng)率在第3階段達(dá)到最大，在第4階段吸附Cd的速率最大；黑藻的生長(zhǎng)速率與對(duì)Cd的吸附速率基本保持一致(見(jiàn)圖2).

圖2　3種沉水植物對(duì)Cd的富集效應(yīng)Fig.2　Enrichment effect for Cd of three submerged plants柱狀圖為植物中重金屬Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖，拆線圖為重金屬Cd吸附速率圖.

2.2.23種沉水植物對(duì)鋅的富集效應(yīng)

3種沉水植物苦草、黑藻、金魚(yú)藻中重金屬Zn的背景值分別為246.41, 318.33, 321.43 mg·kg-1，差異不顯著.3種植物中重金屬Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加.實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，3種植物中重金屬Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為初始值的3.83，1.92，1.82倍，苦草中重金屬Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于黑藻和金魚(yú)藻(見(jiàn)圖3)，說(shuō)明苦草對(duì)重金屬Zn的富集能力強(qiáng)于黑藻和金魚(yú)藻.對(duì)3種沉水植物不同天數(shù)之間重金屬Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行多重比較可知：苦草中Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)任意天數(shù)之間均差異顯著(p<0.05)；黑藻中Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)除21 d與42 d之間差異不顯著(p>0.05)外，其他天數(shù)之間均差異顯著(p<0.05)；金魚(yú)藻中Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)在任意天數(shù)之間均差異顯著(p<0.05).

實(shí)驗(yàn)中苦草吸附重金屬Zn的速率明顯高于黑藻和金魚(yú)藻.苦草在第1階段的生長(zhǎng)率最低，吸附Zn的速率最大，在第4階段的生長(zhǎng)率最高，此時(shí)吸附Zn的速率卻很??；黑藻在第1階段的生長(zhǎng)率最低，此時(shí)吸附Zn的速率最大.第2階段內(nèi)黑藻吸附Zn的速率最小，幾乎為0；金魚(yú)藻在第2階段內(nèi)吸附Zn的速率達(dá)到最大，但金魚(yú)藻的生長(zhǎng)率較低(見(jiàn)圖1與3).

圖3　3種沉水植物對(duì)Zn的富集效應(yīng)Fig.3　Enrichment effect for Zn of three submerged plants柱狀圖為植物中重金屬Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖，拆線圖為重金屬Zn吸附速率圖.

2.3沉水植物吸收重金屬的生物富集因子及動(dòng)態(tài)

沉積物生物富集因子(BSAF)是衡量植物對(duì)重金屬富集能力的重要指標(biāo)之一.BSAF值越大，表示植物對(duì)重金屬的富集能力越強(qiáng)[10-12].本研究采用BSAF值來(lái)衡量沉水植物去除底泥中重金屬的能力.

2.3.1沉水植物吸收鎘的生物富集因子及動(dòng)態(tài)

苦草、金魚(yú)藻對(duì)Cd的BSAF逐漸增加，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)達(dá)到最大.黑藻對(duì)Cd的BSAF也逐漸增加，在第4階段時(shí)達(dá)到最大.苦草對(duì)重金屬Cd的生物富集因子在1.02～19.66，且在最后階段BSAF值顯著大于前4個(gè)階段.黑藻和金魚(yú)藻分別在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第3和第4階段時(shí)對(duì)Cd的BSAF值才大于1，2種植物此前對(duì)重金屬Cd沒(méi)能起到生物富集作用(見(jiàn)圖4).

統(tǒng)計(jì)分析表明，苦草、黑藻、金魚(yú)藻3種沉水植物中重金屬Cd與底泥中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到極顯著負(fù)相關(guān)(苦草、黑藻、金魚(yú)藻的相關(guān)系數(shù)分別為：γ=-0.95，p<0.01；γ=-0.98，p<0.01；γ=-0.99，p<0.01).

圖4　3種沉水植物對(duì)Cd的生物富集因子Fig.4　BSAF for Cd of three submerged plants

2.3.2沉水植物吸收鋅的生物富集因子及動(dòng)態(tài)

實(shí)驗(yàn)期間，苦草、黑藻、金魚(yú)藻對(duì)重金屬Zn的BSAF都逐漸增大，說(shuō)明在一定時(shí)間內(nèi)，3種沉水植物對(duì)重金屬Zn的富集能力逐漸增強(qiáng).苦草對(duì)Zn的生物富集因子在2.23～19.29，黑藻對(duì)Zn的生物富集因子在2.36～7.08，金魚(yú)藻對(duì)Zn的生物富集因子在1.22～5.37(見(jiàn)圖5).由此可知，3種沉水植物對(duì)重金屬Zn都有很好的富集作用.

統(tǒng)計(jì)分析表明，苦草、黑藻、金魚(yú)藻3種沉水植物中重金屬Zn與底泥中Zn質(zhì)量數(shù)分達(dá)到極顯著負(fù)相關(guān)(苦草、黑藻、金魚(yú)藻相關(guān)系數(shù)分別為：γ=-0.99，p<0.01；γ=-1.00，p<0.01；γ=-1.00，p<0.01)

圖5　3種沉水植物對(duì)Zn的生物富集因子Fig.5　BSAF for Zn of three submerged plants

2.4沉水植物對(duì)底泥中重金屬的去除率

由表2可知，3種沉水植物對(duì)重金屬Cd、Zn均有較高的去除率.其中黑藻對(duì)Cd的去除率最大，苦草對(duì)Cd的去除能力與黑藻相近，金魚(yú)藻最弱；苦草對(duì)Zn的去除率明顯高于黑藻和金魚(yú)藻，黑藻次之，金魚(yú)藻最低.同時(shí)可知，苦草對(duì)Cd的去除率略小于對(duì)Zn的去除率；黑藻和金魚(yú)藻對(duì)Cd的去除率顯著大于Zn.

表2　3種沉水植物對(duì)底泥中重金屬Cd、Zn的去除率

3　分析與討論

已有研究證明，植物對(duì)有毒有害物質(zhì)的吸收以被動(dòng)吸收為主，植物對(duì)重金屬的吸收存在濃度或時(shí)間效應(yīng)，即隨著環(huán)境中重金屬離子濃度的升高或處理時(shí)間的延長(zhǎng)，植物富集的重金屬量增加[13].因而延長(zhǎng)植物和污染底泥的接觸時(shí)間，可提高植物對(duì)其的去除率.本研究考察了3種沉水植物在105 d內(nèi)對(duì)重金屬Cd、Zn的富集情況，基本覆蓋了3種沉水植物的整個(gè)生長(zhǎng)周期.

相較于挺水植物和浮水植物，沉水植物更容易吸收和富集水體中的重金屬，相對(duì)地也就更容易出現(xiàn)毒害癥狀.重金屬毒害植物的一個(gè)重要特征是使其葉綠素減少、植物失綠[14].本研究觀察到苦草最先出現(xiàn)葉片枯萎發(fā)黃，即最先表現(xiàn)出受害癥狀，這與張飲江等[15]對(duì)3種沉水植物對(duì)水體重金屬鎘去除效果的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.這可能與苦草在實(shí)驗(yàn)初期吸附重金屬Cd、Zn的速率較快有關(guān).隨后3種沉水植物褪綠癥狀逐步明顯.這一方面可能是由于Cd2+抑制了葉綠素合成所必需的原葉綠素酸酯還原酶(Protochlophyllide reductase)的活性和影響氨基-g-酮戊酸(Aminolaevulini acid)的生物合成[16]；另一方面也可能由于Cd2+在細(xì)胞內(nèi)積累過(guò)多，與葉綠體中蛋白質(zhì)上的—SH基結(jié)合，或取代其中的Fe2+、Zn2+、Mg2+等，破壞了葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能[17].同時(shí)Zn2+可對(duì)葉綠體被膜產(chǎn)生影響，進(jìn)而破壞葉綠體的結(jié)構(gòu)，也對(duì)葉綠素合成有關(guān)酶系統(tǒng)和電子傳遞造成了一定的影響.

由于不同的沉水植物所吸附的重金屬分布于體內(nèi)不同部位，對(duì)重金屬的反應(yīng)各異[15]，表現(xiàn)出的耐受能力也各不相同，其生物量變化也各異.而耐受能力是篩選重金屬富集植物的一個(gè)重要指標(biāo)，因此可根據(jù)3種沉水植物的生物量變化篩選富集重金屬Cd、Zn能力強(qiáng)的植物.本研究中，苦草的生物量增量最大，因此苦草相較黑藻和金魚(yú)藻對(duì)重金屬Cd、Zn的耐受性更強(qiáng).

由3種沉水植物對(duì)Cd的富集量及BSAF值可知，苦草富集重金屬Cd的能力最強(qiáng).苦草對(duì)Cd的富集能力大于黑藻這一結(jié)果與陳國(guó)梁等[18]的研究不同.植物對(duì)重金屬元素吸附的差異與植物自身所處的環(huán)境有關(guān)，重金屬沉積物間的差異，導(dǎo)致不同地域植物對(duì)重金屬的富集能力不同[19].陳國(guó)梁等的數(shù)據(jù)[18]是在廣西刁江流域取沉水植物樣后直接測(cè)定的，而本研究的取樣植物是模擬室外天然水體環(huán)境培養(yǎng)的.2組實(shí)驗(yàn)的光照強(qiáng)度、水中溶氧量、溫度、水體pH值、底泥中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其他影響因素均不同，從而導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異.黑藻中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)及對(duì)Cd的BSAF值在84 d時(shí)達(dá)到最大，說(shuō)明黑藻對(duì)Cd的吸收機(jī)能受到阻礙，這可能與Cd對(duì)黑藻體內(nèi)的氧化還原酶系統(tǒng)有較強(qiáng)的抑制作用有關(guān),使活性氧的產(chǎn)生速率明顯加快，從而造成黑藻的功能性損傷[20].因而在本研究中可以得出黑藻對(duì)Cd的最大富集量為48.95 mg·kg-1.苦草和金魚(yú)藻對(duì)重金屬Cd的富集隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行逐漸增強(qiáng)，因而對(duì)Cd的富集量沒(méi)能達(dá)到閾值.苦草在最后階段BSAF值顯著大于之前，表明其對(duì)重金屬Cd的富集作用主要集中在苦草生長(zhǎng)周期的后期.黑藻和金魚(yú)藻分別在第3和第4階段對(duì)Cd的富集因子大于1，此前2種植物對(duì)Cd沒(méi)有生物富集作用.黑藻和金魚(yú)藻對(duì)重金屬的富集作用也主要集中在生長(zhǎng)周期的中后期.因而從生物富集因子角度考慮，在84 d內(nèi)黑藻對(duì)重金屬Cd的富集能力最強(qiáng)；在105 d內(nèi)苦草對(duì)重金屬Cd的富集能力最強(qiáng).水生植物對(duì)沉積物的修復(fù)效果隨修復(fù)時(shí)間尺度的變化而變化[19].因此需要根據(jù)修復(fù)時(shí)間選擇適宜的沉水植物.

本研究中，3種植物重金屬Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及對(duì)Zn的富集因子均隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加.苦草中重金屬Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)及BSAF值明顯高于黑藻和金魚(yú)藻，表明苦草對(duì)重金屬Zn的富集能力強(qiáng)于黑藻和金魚(yú)藻.3種沉水植物在實(shí)驗(yàn)的各個(gè)階段對(duì)重金屬Zn的生物富集因子均大于1，因此3種植物對(duì)重金屬Zn均可以起到很好的富集作用.苦草對(duì)Zn的BSAF值在最后階段達(dá)到最大，因而苦草對(duì)重金屬Zn的富集作用與對(duì)重金屬Cd的富集作用類似，主要集中在生長(zhǎng)后期.這可能與沉水植物在生長(zhǎng)后期生物量較大有關(guān).

苦草在實(shí)驗(yàn)第1階段生長(zhǎng)率最低，但是富集重金屬Cd、Zn的速率較大，且富集Zn的速率明顯大于Cd.這可能與實(shí)驗(yàn)初期苦草吸附重金屬Cd、Zn的量較少，其體內(nèi)有充足的吸附位點(diǎn)活性基團(tuán)，能夠滿足對(duì)二者的吸附有關(guān)[21].隨后苦草吸附Cd的速率降低，84 d之后逐漸加快，在最后階段達(dá)到最大.這可能是因?yàn)殡S著苦草體內(nèi)重金屬Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，毒害作用增強(qiáng)，損害了其細(xì)胞膜的完整性，從而喪失了對(duì)Cd吸收的選擇性，因而大量Cd被動(dòng)流入了苦草體內(nèi)[22]，造成了苦草對(duì)Cd吸附速率的加快和吸附量的急速增加.黑藻吸附Cd、Zn的速率表現(xiàn)出明顯的差別，說(shuō)明同一植物對(duì)不同的重金屬元素的吸附動(dòng)力學(xué)不同.這可能與重金屬在植物體內(nèi)的分布、化學(xué)形態(tài)等有關(guān).Cd在黑藻細(xì)胞壁中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)多于原生質(zhì)體,而毒性相對(duì)小的Zn在原生質(zhì)體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則大于細(xì)胞壁[22].同時(shí)黑藻體內(nèi)Cd和Zn都以NaCl溶液提取態(tài)為主,Cd的NaCl溶液提取態(tài)占比顯著大于Zn[20].金魚(yú)藻的生長(zhǎng)率高于黑藻，其吸附重金屬Cd、Zn的速率均低于黑藻.金魚(yú)藻根部的退化可能是導(dǎo)致這一結(jié)果的原因.根是植物富集重金屬的主要部位，水生植物的根系越發(fā)達(dá)對(duì)重金屬的富集能力也越強(qiáng).

3種沉水植物對(duì)重金屬Zn的富集量及吸附速率顯著高于Cd，這可能與底泥初始態(tài)的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān).不同植物對(duì)重金屬的富集有一定的選擇性，其富集作用與土壤背景值有一定的相關(guān)性，土壤中重金屬的背景值越高，植物對(duì)重金屬的富集量就越高[23].而且Zn是植物體的必需元素，而Cd是非必需元素，因而植物對(duì)Zn的吸附量及吸附速率會(huì)明顯高于Cd.作為過(guò)渡金屬，Zn與Cd具有相似的電荷排布和某些類似的化學(xué)性質(zhì)，因此，適量Zn的供應(yīng)能夠通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)植物體對(duì)Cd的吸收，減少植物富集Cd的量[24].BUNLUESIN等[25]報(bào)道了高Zn/Cd比例有助于降低Cd的積累. 汪鵬合[24]通過(guò)研究適量Zn2+對(duì)浮萍Cd2+毒害的緩解效應(yīng)，指出Zn的增加對(duì)Cd脅迫下的浮萍體現(xiàn)出一定的緩解效應(yīng).然而除了苦草對(duì)Cd的去除率略小于Zn外，黑藻和金魚(yú)藻對(duì)Cd的去除率均顯著大于Zn.這可能與2種重金屬的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān).

本實(shí)驗(yàn)中，3種沉水植物的Cd、Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)與相應(yīng)底泥中的Cd、Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間都存在極顯著的負(fù)相關(guān)性.通過(guò)分析3種沉水植物富集Cd、Zn的量、富集系數(shù)以及去除率知，污染修復(fù)能力排序?yàn)榭嗖?黑藻>金魚(yú)藻.苦草對(duì)重金屬Cd、Zn的高富集能力可能與重金屬在苦草體內(nèi)分布較為均勻有關(guān).同時(shí)苦草也是長(zhǎng)江中下游湖泊水生植物中的優(yōu)勢(shì)種.因此，可考慮將苦草作為浙江水域底泥Cd、Zn復(fù)合污染生態(tài)修復(fù)的先鋒物種.

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A study on the absorption of cadmium and zinc in the water sediments with submerged plants.

QIAO Yunlei1,2, LI Minghong1,2, XIE Peijun2, YAN Lirong2, ZHU Jianfei2

(1.XingzhiCollegeZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,ZhejiangProvince,China; 2.InstituteofEcology,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,ZhejiangProvince,China)

Journal of Zhejiang University(Science Edition), 2016,43(5):601-609

Three common submerged plants in Zhejiang province, namelyVallisnerianatans(Lour.) Hara,Hydrillaverticillata(Linn.f.) Royle andCeratophyllumdemersumL., are investigated to explore their enrichment effects of heavy metals in the sediments of water. During the study, a simulated outdoor natural water environment was setup, three different submerged plants were cultivated for 105 d in the sediments of water which containing high concentration of cadmium (Cd) and zinc (Zn), the accumulation amount and biota-sediment accumulation factor (BSAF) of two heavy metals were measured to identify the species with best enrichment effect, providing a theoretical reference for selecting suitable plants that could restore ecologically contaminated sediments. The results show that BSAF for Cd and Zn are both greater than 1 for all species after for 105 d, suggesting that these submerged plants had powerful absorption ability, good removal effect on Cd and Zn in sediments, and a strong tolerance for the combined pollution of Cd and Zn. Meanwhile, there was a significant negative correlation between the content of Cd and Zn in sediment and that in these three plants (all withp<0.01), Therefore,Vallisnerianatans(Lour.) Hara,Hydrillaverticillata(Linn.f.) RoyleandCeratophyllumdemersumL. could be considered as common species to lieve the sediment pollution caused by Cd and Zn. In particular,Vallisnerianatans(Lour.) Hara can be selected as a pioneer plant for ecological restoration of Cd and Zn jointly polluted sediments in water.

Vallisnerianatans(Lour.) Hara;Hydrillaverticillata(Linn.f.) Royle;CeratophyllumdemersumL.; sediment; cadmium; zinc; accumulation

2015-11-23.

浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2008C23093).

喬云蕾(1988-)，ORCID:http://orcid.org/0000-0001-6598-511x，女，碩士研究生，主要從事重金屬污染治理研究,E-mail: 919003710@qq.com.

，ORCID: http://orcid.org/0000-0001-5070-3220，E-mail: sky82@zjnu.cn.

10.3785/j.issn.1008-9497.2016.05.018

X 524；Q 948.1

A

1008-9497(2016)05-601-09