濕地蘆葦對有毒重金屬元素的吸收和累積
摘要：通過對大冶市銅綠山銅礦區人工濕地中蘆葦的野外調查和Cu、Pb、Zn、cd、Cr 5種有毒重金屬元素的測試分析發現，該區蘆葦對有毒重金屬元素具有良好的抗性。同時，該濕地蘆葦對5種重金屬元素的吸收和累積表現出兩種不同的模式：①蘆葦植物體內Zn、Cu、Cd質量分數及分配百分比表現為根>葉>莖，且根組織中Zn、Cu、Cd的質量分數及分配百分比遠遠高于其他組織(莖、葉)，而葉組織中略高于莖組織；②蘆葦體內Pb和cr質量分數及分配百分比表現為根>莖>葉，根、莖、葉組織中的質量分數及分配百分比均較高且基本相當，差異不明顯。生物富集系數的計算結果顯示，蘆葦不同組織(根、莖、葉)對有毒重金屬元素的生物富集能力存在較大差異，根組織的生物富集能力最大，且容易富集Pb和Cd；而莖、葉組織的生物富集能力較低，易富集Pb。
關鍵詞：有毒重金屬；吸收累積模式；生物富集能力；抗性；蘆葦；濕地
濕地系指不問其為天然或人工、長久或暫時之沼澤地、濕原、泥炭地或水域地帶，帶有或靜止或流動、或為淡水、半咸水或咸水水體者，包括低潮時水深不超過6 m的水域。濕地對生態環境的改善與保護以及人類的生存和發展都具有重要的作用和意義。當今，礦山環境問題日益引起人們的關注，而利用濕地對有毒重金屬元素污染進行植物修復已成為環境研究領域中的熱點。蘆葦作為一種大型的挺水植物，被廣泛且成功地應用于濕地中有毒重金屬元素污染的植物指示、植物修復、植物萃取等研究。目前，國外學者對蘆葦中有毒重金屬元素的吸收、分布、遷移和釋放規律及毒害效應等有了一定的認識L2刮；而國內對濕地蘆葦中有毒重金屬元素的研究尚處于起步階段。綜合來看，國內外大多基于室內培養實驗的模擬研究，野外研究較少；對大型礦山濕地環境蘆葦中有毒重金屬元素的研究甚少；同時，未見從吸收和累積模式角度的研究。因此，筆者嘗試進行銅綠山銅礦尾砂庫外人工濕地中蘆葦對有毒重金屬元素吸收和累積模式的研究，另外對蘆葦不同組織(根、莖、葉)對有毒重金屬元素的富集能力以及蘆葦的抗性進行探討。
1研究區概況及研究方法
1．1研究區概況
研究區為位于湖北省大冶市銅綠山銅礦尾砂庫東側的人工濕地，主要承納尾砂庫廢水。廢水經濕地凈化后，與三里七湖、天子湖及大冶湖水體連通(圖1)。尾砂庫西為大冶市銅綠山銅礦露天采場，礦石加工及選礦車間也位于附近，礦塵較多。
 |
1．2樣品采集及測試分析
如圖1所示，于2006年8月下旬(蘆葦處于前生殖生長期)在濕地中7個采樣點，配套采集蘆葦和底泥樣品，共計28件。其中，每個點位至少采集10株長勢良好的蘆葦，蘆葦水下部位利用采樣點附近的濕地水現場沖洗。室內先用自來水沖洗蘆葦3遍后，按根、莖、葉分離，再用二次蒸餾水沖洗3遍。所有樣品在75。C條件下烘干至恒重，粉碎成細碎粉末過孑L徑為o．28mm(60目)的尼龍篩。實驗前在75℃條件下再次烘干至恒重后，稱取0.2500g(誤差±0000 3 g)蘆葦樣品裝入消解罐，并順序添加2 mL HNO。(優級純)，o．5 mL HO。，6 mL H：O，密封消解罐，放入Mars 5型(美國CEM公司)微波消解器中，采用勻速升溫消解程序進行三步密閉消解[7]，消解完全后，待消解罐冷卻至50。C以下，將其取出移至通風櫥放氣。將消解所得溶液過濾并移入比色管中，用去離子水定容至25 mL，送原子吸收實驗室搖勻測定。Cu、Pb、Zn、Cd、Cr 5種重金屬元素均采用火焰原子吸收光譜法測定，測試儀器為PE800—AAS型原子吸收光譜儀(美國PE公司)。實驗樣品的制備、前處理以及測試分析均在中國地質大學(武漢)生物地質與環境地質教育部重點實驗室完成。
2不同組織中重金屬元素的質量分數
蘆葦不同組織中重金屬元素質量分數見表1。各元素在蘆葦不同組織的分布特征見圖2，線段分別指7個樣品中各重金屬元素質量分數的最小值、平均值和最大值。
 |
由圖2可以看出，同一種重金屬元素在蘆葦根組織中的平均質量分數最高，而莖、葉組織中的平均質量分數則相對偏低。蘆葦同一組織中各種重金屬元素的質量分數也有較大差異。
 |
蘆葦根組織中5種重金屬元素的平均質量分數依次為：叫(Cu)>(Zn)>(Pb)>(Cr)>(Cd)。其中，Cu和Zn是植物生長的必需元素，其在蘆葦根組織中的平均質量分數較高，分別為447．94，439．90 mg／kg；最高質量分數分別高達670．90，633．20 mg／kg。Pb、Cr和Cd的平均質量分數則相對偏低，分別為154．61，31．33，6．45 mg／kg；其最大值分別為202．80，45．20，10．46 mg／kg。蘆葦莖組織中5種重金屬元素的平均質量分數依次為：(Pb)>(Zn)>(Cu)>(Cr)>(Cd)。(Pb)平均為147．04 mg／kg，最大為278．70 mg／kg。Zn和Cu的平均質量分數也較高，分別為139．94，87．34 mg／kg，最大分別為168．28，131．15 mg／kg。Cr、Cd的平均質量分數分別為29．56，1．33 mg／kg和最高質量分數分別為41．94，3．15 mg／kg。
蘆葦葉組織中5種重金屬元素的平均質量分數依次為：Zn>Pb>Cu>Cr>Cd。Zn、Cu和Cd的平均質量分數均低于根組織而高于莖組織，分別為175．43，114．74，1．96 mg／kg；最大值分別為303．60，174．00，3．13 mg／kg。而Pb和Cr的平均質量分數分別為126．56，24．23mg／kg，兩者均依次低于莖組織和根組織平均質量分數。
與前人研究提出的植物中有毒重金屬元素的毒性閾值(表2)相比，此研究中蘆葦樣品Cu、Zn的質量分數已超出Kabata—Pendias等提出的毒性閾值，并遠遠高于Borkert等提出的毒性閾值。叫(Cd)雖介于Kabata—Pendias等提出的毒性閾值內，但已接近其上限。蘆葦地上組織中Zn Outridge等提出的植物地上組織中Zn平均質量分數的兩倍多；Pb是未受污染的淡水植物中質量分數的10多倍，Beckett等認為植物體內的Pb>27 mg／kg便會產生毒性，筆者所研究的蘆葦樣品中叫(Pb)遠遠超過該閾值，但未超出Kabata—Pendias等提出的植物毒性閾值。植物對有毒重金屬元素的抗性是指植物能夠在有毒重金屬元素質量分數較高的環境中存活而不出現生長率下降或死亡等毒害癥狀，并且植物對有毒重金屬元素的抗性可以通過避性和耐性兩種途徑獲得。Tomsett等很早就提出蘆葦對重金屬元素有較高的抗性。
因此，通過以上比較分析發現，蘆葦對大冶濕地中高質量分數的有毒重金屬元素(尤其是Cu、Zn、Cd、Pb等)具有良好的抗性。
 |
3不同組織對有毒重金屬元素的吸收和累積模式
據蘆葦不同組織對有毒重金屬元素吸收和累積的研究表明：蘆葦根組織更容易吸收和累積各種有毒重金屬元素。大冶濕地中蘆葦對各種有毒重金屬元素的吸收和累積也遵循這一規律。另外，Aksoy等提出有毒重金屬元素在植物不同組織中的累積規律為：根>莖>葉。江行玉等也發現蘆葦幼苗中伽(Pb)遵循該規律。但與前人研究結論有所不同，據圖2，3可知，筆者所研究的蘆葦樣品對不同重金屬元素的吸收和累積表現出兩種模式。
對元素Zn、Cu、Cd而言，蘆葦根組織中的質量分數(圖2)及分配百分比(圖3)最高，分別高達56．94％，66．68％和60．25％。Romheld[19]曾提出，禾本科植物根組織能夠分泌一種缺鐵性分泌物——麥根酸類(phytosiderophores)，這種物質在活化底質中難溶性Fe元素的同時，也能夠活化Cu、Zn、Cd及Mn等其他金屬元素，從而促進根組織對這些元素的吸收。與蘆葦根組織相比，莖、葉組織中Zn，Cu，Cd 3種重金屬元素的分配百分比(圖3)較低，大致為12．73％左右，最高也僅為24．12％，但葉組織均高于莖組織。目前，Aksoy等。發現，植物中有毒重金屬元素質量分數應該是莖組織大于葉組織，但Vymazal等心陽在比較研究人工濕地與天然濕地中蘆葦、稿草兩種植物中的重金屬元素質量分數時發現，葉組織中含量高于莖組織，這與大冶濕地蘆葦的情況相吻合。結合大冶當地的實際情況，筆者認為其可能原因有兩個：①濕地附近有銅綠山銅礦露天采場和礦石加工冶煉廠以及尾砂庫周圍的私人二次選礦廠，采礦、選礦及礦石加工冶煉等過程均會產生大量粉末礦塵，濕地蘆葦通過葉面吸收和吸附這些金屬礦塵從而造成葉組織的zn、Cu、Cd質量分數高于莖組織；②可能與蘆葦植物本身的生理特性有關，例如蘆葦在進行光合作用時，通過吸收水分和無機鹽的形式，將Zn、Cu、Cd從根、莖組織遷移并富集到葉組織，而較少在莖組織中累積，從而造成葉組織中這3種元素質量分數高于莖組織。同時，Clemens等研究發現，植物葉組織中的液泡更容易富集重金屬元素。
 |
而對于Pb和Cr元素，蘆葦各組織間的分配百分比(圖3)均較高，分配比例大致均為30％。與前一種吸收和累積模式相同，根組織中質量分數及分配百分比也高于地上組織(莖、葉)，但明顯不同的是：這兩種有毒重金屬元素在蘆葦各組織間的分配大致相當，且莖組織中元素的分配百分比高于葉組織。對蘆葦中有毒重金屬的研究表明：蘆葦的地上組織(莖葉)不容易富集Pb和Cr[22]。但Fitzgerald等采自愛爾蘭舒爾河河口的蘆葦樣品中Pb在各組織中質量分數及分配百分比也基本相當。另外，筆者所在的課題組于2004年獲得的洞庭湖濕地數據(未公開發表)也表明蘆葦各組織中叫(Pb)及分配百分比均較高且相差不大。對于植物體內Pb、Cr質量分數高且組織問分配均勻的現象及其原因，目前的文獻基本未見報道。結合大冶濕地的環境條件以及周圍的實際情況，筆者認為這種現象可能主要是由人工濕地中蘆葦的植物學和生理學特性造成的；另外也可能與重金屬元素的地球化學性質以及當地的水環境條件(包括底泥的理化性質等)有較大的關系。研究表明，植物的種群、種類、年齡和生長階段、季節變化、組織差異、根部有無鐵錳膠膜等均決定著植物對重金屬元素的吸收和累積[23屯“。宋阿琳等朝研究發現不同水稻品種對重金屬元素吸收與累積的差異很大，這說明對于同一類植物，物種的變異(變種蘆葦)會很大程度地影響植物對于重金屬元素的吸收和累積，這可能是大冶人工濕地蘆葦對Pb、Cr的吸收和累積模式出現差異的主要原因。
4 不同組織的生物富集能力比較結論
目前，關于植物對有毒重金屬元素富集能力的研究主要通過計算和比較生物富集系數來實現。筆者所涉及到的生物富集系數是指有毒重金屬元素在蘆葦不同組織(根、莖、葉)中的質量分數與對應底泥中該元素質量分數的比值(表3)。分析生物富集系數(圖4)可以發現，一方面，蘆葦根組織對各種有毒重金屬元素的生物富集能力大于莖、葉組織。對于Cu、Zn、Cd而言，被蘆葦植物吸收后，絕大部分被富集在根組織中，僅有少量向莖、葉組織遷移，根組織充當了3種元素在植物體內遷移的“生理一生物化學障”[26]；蘆葦不同組織對3種有毒重金屬元素的生物富集能力表現為：根>葉>莖。但是，蘆葦不同組織對Pb、Cr的生物富集能力則表現為：根>莖>葉，同時蘆葦不同組織對Pb的生物富集能力均較大(生物富集系數均大于1)且相當。另一方面，蘆葦根組織對不同重金屬元素的生物富集能力遵循：Pb>Cd>Zn>Cr>Cu；而莖、葉組織則循：Pb > Cr > Zn > Cd > Cu。
總之，大冶濕地中蘆葦根組織對重金屬元素的生物富集能力最大，且比較容易富集Pb和Cd；莖、葉組織生物富集能力較低，易于富集P10。
 |
(1)研究區蘆葦根、莖、葉組織中5種有毒重金屬元素質量分數依次分別為：Cu>Zn>Pb>Cr>Cd；Pb>Zn>Cu>Cr>Cd；Zn>Pb>Cu>Cr>Cd。
(2)研究區蘆葦對有毒重金屬元素的吸收和累積遵循兩種不同的模式：zn、Cu、Cd在蘆葦植物體內的質量分數及分配百分比表現為根>葉>莖，且
它們在根組織中的質量分數及分配百分比遠遠高于其他組織(莖、葉)，葉組織略高于莖組織；而蘆葦對Pb和Cr吸收和累積則遵循：根>莖>葉，根、莖、葉組織問Pb和Cr的質量分數及分配百分比較高且基本相當，差異不明顯。
(3)研究區蘆葦中Cu、Zn、Cd的質量分數遠遠超過前人研究提出的植物中有毒重金屬元素的毒性閾值，硼(Pb)雖未超過毒性閾值標準，但也是未受污染的淡水植物中質量分數的10多倍。由此，說明蘆葦對濕地中高質量分數的有毒重金屬元素(尤其是Cu、Zn、Cd、Pb等)具有良好的抗性。
(4)比較生物富集系數發現：根組織對重金屬元素的生物富集能力最強，且比較容易富集Pb和Cd；而莖、葉組織的生物富集能力較低，易富集Pb。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
