全 文 ：第 33 卷 第 5 期
2012 年 10 月
首都师范大学学报(自然科学版)
Journal of Capital Normal University
(Natural Science Edition)
No． 5
Oct．，2012
水葱对矿山排水中重金属的去除研究
黄振东 靖德兵 * 王 东 王 昭
(首都师范大学生命科学学院，北京 100048)
摘 要
通过研究湿地挺水植物水葱(Scirpus validus)对矿山排水中重金属(Cu、Zn、Ni、Mn、Cd)的去除效果，发现水葱
对 Ni、Mn、Cd 的去除效果非常好，浓度去除率均达到 80%以上，对 Cu、Zn 的浓度去除率稍微偏低 ． 水葱吸收到体内
的重金属元素主要集中在地下根部;水葱对各种金属元素的去除存在一定的协同作用;水葱蒸腾量的增加在一定
程度上能促进水葱对重金属的去除 ．通过水葱处理后的重金属废水达到 GB 8978—1996 国家综合排放一级标准 ．
关键词:湿地植物，矿山排水，重金属，水葱 ．
中图分类号:X751
收稿日期:2012-03-06
* 通讯作者
长期以来，我国的矿产资源开发基本上走的是
一条以浪费资源和牺牲环境为代价的粗放式发展
道路 ．随着我国矿山建设的迅速发展，矿山环境的
污染和破坏越来越严重，而其中矿山废水是矿山环
境的主要污染源之一［1］． 据统计，我国矿山每年因
采矿、选矿而排放的废水量达 12 ～ 15 亿吨［2］． 大量
矿山废水排放到环境中，不仅造成严重的环境污
染，而且是一种巨大的水资源浪费 ．
矿山废水种类繁多，复杂多样，处理方法主要
有中和沉淀法、硫化沉淀法、微生物法、人工湿地法
等［3］．上述方法虽然达到了较为理想的处理效果，
但存在 pH 难以控制、处理费用高或运行不稳定等
缺点，相比之下，湿地法更具良好的环境、经济和社
会效益，逐渐得到广泛应用 ． 人工湿地处理工业废
水，尤其是含重金属的废水在近年来引起了广泛的
关注［4］．人工湿地已经被用于处理各种含重金属的
污水，包括垃圾渗滤液、工业污水、城市污水、暴雨
径流和矿山排水［5］． 其中，植物在重金属的去除方
面起到了重要作用，它是人工湿地的主要组成部
分，并在其中起着吸收利用、吸附、富集有机物和氧
的传输作用，还可以通过收割回收以达到一定经济
效益［6］．
有研究发现，水葱是一种潜在的 Cd 污染修复
植物，对 Cd 有很高的耐性，能适应较宽的 pH 变化
范围 ．同时，它还具有生物量大、适应能力强的特
点，尤其适于在渍水区或土壤贫瘠区生长，适合进
行矿渣及尾矿 Cd 污染土壤的修复和治理［7］． 但是
有关水葱对含 Cu、Zn、Ni、Mn、Cd 五种重金属污水的
净化效果的研究还鲜有报道 ．
本题选取湿地挺水植物水葱(Scirpus validus) ，
通过模拟人工湿地水环境对其进行模拟矿山排水
中重金属(Cu、Zn、Ni、Mn、Cd)的净化研究 ． 通过以
下各方面对实验结果和数据进行分析:植物对不同
重金属的去除效果分析;植物地下部分和地上部分
对重金属积累的差异;不同重金属之间的相互关系
对植物去除效果的影响;蒸腾效率与植物对重金属
去除效率之间的关系;植物的收割对重金属的去除
效果分析 ． 通过以上数据分析结果，得出湿地挺水
植物水葱对模拟矿山重金属废水的净化处理效果，
以期为重金属矿山废水的湿地处理技术提供理论
和科学依据 ．
1 材料与方法
1. 1 材 料
(1)植物材料 选取常见的湿地挺水植物水葱
作为实验材料，植物来源于北京市怀柔区军神园艺
场的苗圃水栽苗 ．
(2)药品 见表 1．
13
首都师范大学学报(自然科学版) 2012 年
(3)仪器 4. 5 L 大烧杯，酸度计，天平，量筒
1. 2 方 法
(1)试验采取水培法，重金属废水溶液根据 GB
8978—1996 国家综合排放三级标准配制 ． 进水 PH
设为 5．各种金属的浓度配制如表 1
表 1 重金属废水的进水浓度设计
元素
剂量
(mg·L － 1)
药品
剂量
(mg·L － 1)
Cu 2. 0 CuSO4·5H2 O 7. 8578
Zn 5. 0 ZnSO4·7H2 O 21. 9899
Ni 1. 0 Ni2 SO4·6H2 O 2. 2390
Mn 5. 0 MnSO4·H2 O 15. 6385
Cd 0. 1 3CdSO4·8H2 O 0. 2282
(2)用 4. 5 L 大烧杯培养植物，植物分为两组，
以鲜重相似为准则进行植物分配，分配方式如表 2．
每个烧杯中的进水量为 2 L．蒸馏水培养的植物组合
作为阳对照，同时设两个阴对照分别加入蒸馏水和
重金属溶液而不放植物
表 2 试验用植物分配方式(g)
植物组合 水葱
重金属溶液 171. 87
蒸馏水 160. 45
于 2010 年 4 月末开始用水培法进行幼苗预培
养，待其生长状况稳定后，于 2010 年 5 月 31 日正式
开始试验 ．试验地点在北京市南五环地区的温室大
棚中 ．
(3)每周换一次培养液，在换水之前先取一部
分植物重金属培养液用以检测其中的重金属含量 ．
换水之前对原有植物培养液进行补水，补至 2 L，用
以计算植物培养液的蒸散量 ． 采用 ICP-MS 进行水
样分析检测各重金属的浓度 ． 每周称一次植物鲜
重 ．试验进行 9 周，至 2010 年 8 月 2 日结束 ．
2 结果与分析
2. 1 重金属对水葱鲜重和蒸腾量变化的影响
一般重金属产生毒性的质量浓度范围大约在
1 ～ 10 mg·L － 1之间，毒性较强的则大约在 0. 001 ～
0. 01 mg·L － 1之间［8］． 有研究表明，低浓度的 Mn 污
染对大部分植物的生长并未产生毒害症状，相反试
验期间其生物量均有明显增长，这说明供试植物对
低浓度的 Mn 具有一定的耐性［9］．
由图 1、图 2 可以看出，两组水葱的鲜重变化并
不明显，重金属溶液培养的水葱鲜重甚至略有增
加 ．两组水葱的蒸腾量变化趋势也基本相似 ． 表明
图 1 不同溶液培养的水葱鲜重变化图
图 2 不同溶液培养的水葱蒸腾量变化图
实验浓度的重金属培养液没有对水葱构成胁迫，水
葱生长良好 ．
2. 2 水葱对重金属的去除
表 3 水葱对重金属去除效率变化
mg·kg － 1·d － 1
日期
重金属
Mn Ni Cu Zn Cd
5. 31 ～ 6. 7 8. 577 0. 76 2. 318 9. 175 0. 179
6. 7 ～ 6. 14 7. 213 0. 754 1. 134 7. 269 0. 161
6. 14 ～ 6. 21 6. 335 0. 605 1. 943 6. 547 0. 137
6. 21 ～ 6. 28 6. 647 0. 529 1. 652 6. 99 0. 158
6. 28 ～ 7. 5 7. 475 0. 628 1. 918 7. 831 0. 158
7. 5 ～ 7. 12 4. 835 0. 54 0. 593 5. 709 0. 107
7. 12 ～ 7. 19 5. 724 0. 502 0. 698 6. 491 0. 124
7. 19 ～ 7. 26 5. 282 0. 584 1. 173 4. 11 0. 131
7. 26 ～ 8. 2 5. 526 0. 592 0. 383 4. 351 0. 134
表 4 水葱对不同重金属浓度去除率变化 %
日期
重金属
Mn Ni Cu Zn Cd
5. 31 ～ 6. 7 99. 50853 96. 74807 97. 94324 95. 94482 97. 96943
6. 7 ～ 6. 14 98. 95773 94. 77828 86. 49327 93. 29367 94. 47933
6. 14 ～ 6. 21 97. 90478 89. 48002 95. 56683 88. 14358 90. 78647
6. 21 ～ 6. 28 96. 85539 86. 29548 92. 33418 87. 47833 91. 2087
6. 28 ～ 7. 5 96. 67931 88. 38836 93. 83837 91. 59986 88. 7175
7. 5 ～ 7. 12 96. 2624 88. 77986 62. 93611 88. 13667 92. 7925
7. 12 ～ 7. 19 95. 08968 87. 76661 72. 35063 88. 55777 87. 19368
7. 19 ～ 7. 26 96. 60608 86. 28509 81. 58085 75. 61954 81. 55412
7. 26 ～ 8. 2 99. 24613 92. 37432 55. 15363 91. 64065 97. 91114
根据目前研究，污水停留的 1 ～ 5 d 内人工湿地
植物对生活污水中的 Mn 能起到有效的处理效果，
停留时间越长，污水中锰的含量越低，在污染浓度
较低的情况下，经 3 ～ 5 d 大部分植物系统对 Mn 可
23
第 5 期 黄振东等:水葱对矿山排水中重金属的去除研究
达到基本完全去除的效果，去除率在 80% ～ 99%
之间［9］．
经过水葱处理后的溶液重金属含量达到 GB
8978—1996 国家综合排放一级标准 ．由表 3、表 4 得
出，随着实验的进行，水葱对各重金属的去除能力
也在逐步下降 ． 其中水葱对 Mn、Ni、Cd 的去除能力
相对比较稳定，在重金属溶液处理的每一个周期(7
天)结束后，水葱对 Mn 的去除效率在 4. 835 ～
8. 577 mg·kg － 1·d － 1 之 间，去 除 率 在 95. 09% ～
99. 51%之间;对 Ni 的去除效率在 0. 502 ～ 0. 76 mg·
kg － 1·d － 1之间，去除率在 86. 285% ～ 96. 748%之间;
对 Cd 的去除效率在 0. 107 ～ 0. 179 mg·kg － 1·d － 1之
间，去除率在 81. 554% ～ 97. 969%之间 . 说明水葱
对 Mn、Ni、Cd 能有一个持续的良好的去除效果 ．
水葱对 Zn、Cu 的去除能力下降较快，在重金属
溶液处理的每一个周期(7 天)结束后，水葱对 Zn 的
去除效率在 4. 11 ～ 9. 175 mg·kg － 1·d － 1之间，去除率
在 75. 62% ～ 95. 945% 之间，虽然去除效率前后差
距很大，但是去除率尚能维持在一个比较好的范围
内;水葱对 Cu 的去除效率在 0. 383 ～ 2. 318 mg·kg － 1·
d － 1之间，去除率在 55. 153% ～ 97. 943%之间，前期
去除效果比较理想，后期去除能力下降较明显 ．
2. 3 水葱地下和地上部分对重金属积累的差异
有研究表明，将有害离子积累于根部是植物阻
止其对光合作用及新陈代谢活性毒害的一种策
略［10］． Stolts 等研究认为重金属在湿地植物体内的
分布趋向于根部积累［11］． 大量研究表明，植株体内
的重金属含量都随着污染物浓度的增加而升高，地
下部分含量均高于地上部分含量［12］． 目前，在重金
属污染植物修复研究中，重金属主要积累在植物根
系部位，转移到地上部分的只是一小部分［13］．
表 5 实验结束后水葱体内重金属的积累含量
mg·kg － 1
重金属 地上 地下 比值(地上:地下)
Mn 183. 4 1629. 13 1∶ 8. 9
Ni 50. 291 228. 61 1∶ 4. 5
Cu 67. 92 682. 29 1∶ 10. 0
Zn 2. 4 2070. 48 1∶ 862. 7
Cd 3. 0618 50. 7201 1∶ 16. 6
由表 5 可以看出，水葱地下部分重金属的含量
明显高于地上部分，特别是 Zn 的地上地下含量比
达到 1 ∶ 863． 说明水葱主要将重金属离子积累与
根部 ．
2. 4 不同重金属之间的相互关系对水葱去除效率
的影响
研究证明当 Zn、Cd 混施时，Cd 的存在促进了大
豆叶片中 Zn 的积累［14］． 也有研究表明，植物 Cd 添
加量、土壤 Cd 含量与 Zn 吸收量之间没有显著相关
性，认为 Cd 对 Zn 的吸收并未产生抑制或促进作
用，可能是由于 Cd 含量远远低于 Zn 含量，Zn 是植
物的微量营养元素之一［15］．
表 6 水葱不同重金属去除效率的相关性表
重金属 Ni Cu Zn Cd
Mn 0. 759 * 0. 803＊＊ 0. 892＊＊ 0. 949＊＊
Ni 0. 484 0. 552 0. 738 *
Cu 0. 738 * 0. 749 *
Zn 0. 744 *
注:* 表示 p ＜ 0. 05;＊＊表示 p ＜ 0. 01．
由表 6 可以得出，水葱对 Mn、Cd 的去除率跟水
葱对其他重金属的去除率都有较高的正相关性 ． 水
葱对 Cu、Zn 的去除率也有较高的正相关性 ． 只有水
葱对 Ni 的去除率跟水葱对 Cu、Zn 的去除率正相关
性较低 ．说明在实验浓度条件下，不同重金属之间
在应对水葱的去除作用时不存在拮抗作用，可能存
在一定的协同作用 ．
2. 5 蒸腾效率与水葱对重金属去除率的关系
有研究表明，植物的蒸腾作用在对重金属的吸
收过程中具有重要作用，吴启堂认为，植物吸收重
金属的影响参数中，植物吸水量是除了根系表面积
之外的重要参数之一［16］，黄益宗等人研究认为，玉
米总吸收镉的量与水分蒸腾量之间呈极显著的线
性正相关关系［17］．
表 7 水葱对重金属的去除效率与鲜重变化和
蒸腾量之间的关系
重金属 Mn Ni Cu Zn Cd
蒸腾量 0. 842＊＊ 0. 418 0. 768 * 0. 776 * 0. 888＊＊
鲜重变化 0. 140 0. 503 0. 114 0. 215 0. 020
注:* 表示 p ＜ 0. 05;＊＊表示 p ＜ 0. 01．
由表 7 可知，水葱的蒸腾量与其对 Mn、Cu、Zn、
Cd 的去除率有较显著的正相关性，而水葱的鲜重变
化与其对重金属的去除效率基本不存在相关性 ． 说
明在实验浓度条件下，水葱对 Mn、Cu、Zn、Cd 的去
除效率会随着蒸腾量的增加而升高 ．
2. 6 重金属的去除途径
有研究表明，根表铁膜影响了湿地植物地下部
分、地上部分对锌的吸收，同时也影响了锌在湿地
植物中的积累与分配［18］． 还有研究表明，植物根系
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首都师范大学学报(自然科学版) 2012 年
泌氧作用在相当大的程度上影响着植物对重金属
的吸收能力［19］，另一方面，植物根系分泌物的酸化
作用也在相当大的程度上影响着植物对重金属的
吸收能力［20］．
表 8 水葱体内重金属含量与水葱对重金属去除量比较
重金属 Mn Ni Cu Zn Cd
植物体内含量 33. 98099317 4. 88826057 14. 18807721 42. 06109032 1. 045016095
去除量 84. 22018 8. 12358 16. 96458 83. 2248 1. 881652
实验结束后，水葱植物残体回收烘干送检，结
果如表 8 所示，除 Cu 以外，其他重金属在水葱体内
的积累量已经远远低于在污水中的去除量 ． 说明大
部分重金属通过根系的各种生物化学反应停留在
水葱根系微环境中 ．
3 讨 论
(1)有研究表明，在较低 Cd 浓度时，桐花树的
叶片叶绿素含量、光合速率和蒸腾速率都上升;但
Cd 浓度较高时，桐花树幼苗受到 Cd 胁迫，随着 Cd
浓度的增加，桐花树幼苗叶片叶绿素含量、光合速
率和蒸腾速率都下降［21］． 郭锋等研究表明，在低浓
度的情况下，Cr3 + 和 Pb2 + 处理对蒸腾速率、气孔导
度和胞间 CO2 浓度均有一定的促进作用
［22］． 由 2. 1
和 2. 5 的分析可以得出，实验用重金属浓度对水葱
的正常生理活动不存在抑制作用，而在实验重金属
浓度条件下水葱的蒸腾量与重金属的去除效率之
间存在较显著的正相关关系 ．
(2)陈明利等研究也表明，植物处理含 Zn2 + /
Cd2 +废水时，在处理的前 5 天内存在一个高效区
间，在该区间内植物的去除率可以达到 40% ～
60%［23］． 有研究表明水生植物对污染环境的修复主
要依赖环境、水生植物和微生物以及三者之间的联
合作用，通过一系列不同的途径，实现去除污染物
的目的［24］．由 2. 2 和 2. 6 的分析可以看出，虽然水
葱对重金属的去除效率一直在下降，但是水葱对重
金属尤其是 Mn、Ni、Cd 的浓度去除率却一直维持在
比较高的水平 ．由此得出水葱对溶液中重金属的去
除不只是依靠自身的吸收，更多的是依靠根系微环
境的作用 ． 由 2. 4 可以得出，各重金属元素尤其是
Cu、Zn、Mn、Cd 之间在水葱的去除过程中存在一定
的协同作用 ．
(3)由 2. 3 和和 2. 6 可以得出，水葱体内特别
是地上部分重金属的含量远远低于水葱对废水中
重金属的去除量，水葱收割对重金属的移除效果并
不明显，与前人研究相符［25］．同时，根据饲料卫生标
准 GB 13078—2001，饲料中 Cd 的含量不能超过
0. 5 mg·kg － 1，实验结束后水葱地上部分的 Cd 含量
为 3. 06 mg·kg － 1，不适宜做饲料 ． 还有研究表明，湿
地工程中，植物收割和自然凋落总会有部分植物残
体在湿地中滞留一段时间［26］，若不收割，残体滞留
量大，残体会溶出释放碳、氮和磷，恶化出水水质 ．
同时，湿地基质中有机质积累具有很高的引起阻塞
的可能［27］．由此可见，在湿地植物季节替换时，应将
其地下部分也一并清除，以保证湿地的长期运作
能力 ．
4 结 论
(1)经过水葱处理的重金属废水出水达到
GB 8978—1996国家综合排放一级标准，
(2)水葱吸收到体内的重金属元素主要集中在
地下根部;水葱对各种金属元素的去除存在一定的
协同作用;水葱蒸腾量的增加在一定程度上能促进
水葱对重金属的去除 ． 在植物换季时，应当对水葱
进行适当收割 ．
(3)水葱对废水中重金属(Cu、Zn、Ni、Mn、Cd)
有很好的去除效果，尤其是对 Ni、Mn、Cd 的去处效
果非常好，浓度去除率均达到 80% 以上，对 Cu、Zn
的浓度去除率稍微偏低 ． 因此水葱适用于人工湿地
对矿山重金属排水净化处理 ．
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The Removal Effection of Scirpus Validus on Heavy Metals
in Mine Drainage
Huang Zhendong Jing Debing* Wang Dong Wang Zhao
(College of Life Science，Capital Normal University，Beijing 100048)
Abstract
A hydroponic experiments for emergent plant Scirpus validus was carried out to measure it’s removal effection
on 5 heavy metals(Cu、Zn、Ni、Mn、Cd)in mine drainage． The results suggested that Scirpus validus had an effective
concentration removal rate on Ni、Mn、Cd，with a high rate exceed 80%;In addition，it’s concentration removal rate
on Cu、Zn was not so good． It was proved that the heavy metals absorbed into Scirpus validus were mainly gathered in
it’s root under ground，and there was a synergistic effect between 5 heavy metals when they been removed．
Meanwhile，a positive correlation between Scirpus validus’s transpiration and it’s removal effection on 5 heavy
metals has been proved． finally，after purify with Scirpus validus，the mine drainage has reached the first level of
integrated wastewater discharge standard(GB 8978—1996)．
Key words:wetland plants，mine drainage，heavy metal，scirpus validus．
作者简介 黄振东(1986 －) ，男，硕士研究生，首都师范大学生命科学学院生态学专业 ．导师:靖德兵 ．
(上接第 22 页)
Studies on the Fatty Acid Content of Gynura Procumbens
Dong Fang1 Zhu Mei2 Wang Yingfeng1
(1． Analysis and Test Center of Capital Normal University，Beijing 100048;2． Hospital of Capital Normal University，Beijing 100048)
Abstract
A comprehensive and scientific evaluation had been made on the fatty acid content of Gynura procumbens by
gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS)． The results showed that 12 fatty acids including myristic acid，
palmitoleic acid，palmitic acid，heptadecanoic acid，linoleic acid，linoleic acid，stearic acid，arachidic acid，
docosanoic acid，lignoceric acid，hexacosanic acid and octacosanoic acid were identified in the Gynura procumbens．
Moreover，The content of unsaturated fatty acids accounted for 68. 89% of the total fatty acids，suggesting that
Gynura procumbens is a medicine with high value of nutrition．
Key words:Gynura procumbens，gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS) ，fatty acid．
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