全 文 ：第 42 卷第 4 期 中南大学学报(自然科学版) Vol.42 No.4
2011 年 4 月 Journal of Central South University (Science and Technology) Apr. 2011

垂序商陆对污染水体重金属去除潜力的研究

薛生国 1, 2，周晓花 1，刘恒 1，陈英旭 2

(1. 中南大学 冶金科学与工程学院，湖南 长沙，410083；
2. 浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州，310029)

摘要：以超积累植物垂序商陆为实验材料，通过温室实验，探讨其应用于污染水体的植物修复潜力。选取生长一
致的垂序商陆幼苗置于不同重金属水平(Mn2+，Zn2+和 Cd2+)的生长介质，分别在 0，2，4，6，8 和 10 d 测定溶液
中的重金属含量；10 d 后收获垂序商陆，并将植株分为地上部和根系，用原子吸收法测定植物不同部位的重金属
含量。研究结果表明：10 d 内垂序商陆对 Mn2+，Zn2+和 Cd2+的去除率分别为 35.4%~49.7%，38.1%~40.0%和
50.8%~53.7%；在不同条件下垂序商陆体内重金属含量不同，但均随着生长介质中重金属水平的提高而上升；垂
序商陆地上部分锰含量较高，而锌和镉则主要吸附在根系；垂序商陆对水体重金属的去除能力表现为植株吸收和
根系吸附作用的复合；利用垂序商陆种苗实施低浓度重金属废水的植物修复具有广阔的应用前景。
关键词：垂序商陆；重金属；污染水体；去除潜力
中图分类号：X171.5 文献标志码：A 文章编号：1672−7207(2011)04−1156−05

Potential of Phytolacca americana for removal of
heavy metals from contaminated waters

XUE Sheng-guo1, 2, ZHOU Xiao-hua1, LIU Heng1, CHEN Ying-xu2

(1. School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. College of Environmental and Resource Science, Zhejiang University, Hangzhou 310029, China)

Abstract: A greenhouse study was carried out to explore the potential of Phytolacca americana for removal of heavy
metals from contaminated waters. The uniform seedlings for each treatment group were selected and grown on the
nutrient solution supplemented with Mn2+, Zn2+ and Cd2+ of different concentrations. The metal concentrations in solution
were determined at 0, 2, 4, 6, 8 and 10 d, respectively; and after 10 d cultivation, the metal concentration was determined
in the plant using an atomic absorption spectrophotometer. After 10 d of the experiment, metal contents of Mn2+, Zn2+ and
Cd2+ in solution decreases by 35.4%−49.7%, 38.1%−40.0% and 50.8%−53.7%, respectively. Concentrations of heavy
metals in shoots and roots of phytolacca americana Linn all increase progressively with the increase of supply level. Mn
contents in shoots are invariably greater than those of Zn and Cd. Zn and Cd are mainly from the adsorption of roots.
Thus the ability of phytolacca americana Linn to remove heavy metals from contaminated waters results from plant
uptake and root adsorption. These results confirm that Phytolacca americana has great potential for removal of heavy
metals from contaminated waters.
Key words: Phytolacca americana Linn; heavy metals; contaminated waters; removal potential


自产业革命以来，重金属污染环境的程度日益加
剧，工矿业产生的 Mn，Pb，Cd，Se，Hg，As，Ni，
Zn 和 Cu 等重金属备受关注[1]。重金属因其不可降解
和持久性，通过食物链积累在动植物体内，对生物和
人体健康构成严重威胁。体内锰过量主要影响神经系
统，导致类帕金森氏综合症，也影响生殖系统、免疫

收稿日期：2010−04−20；修回日期：2010−06−25
基金项目：国家公益性(环保)行业科研项目(200909065)；国家自然科学基金资助项目(40771181)；中国博士后科学基金资助项目(20080430565)；中
国博士后科学基金特别资助项目(200801119)
通信作者：薛生国(1970−)，男，河南焦作人，博士，副教授，从事污染环境修复与金属矿山废弃地生态恢复技术研究；电话：13787148441；E-mail：
sgxue70@yahoo.com.cn
第 4 期 薛生国，等：垂序商陆对污染水体重金属去除潜力的研究 1157

系统和心血管系统[2−3] 。锌中毒则可能导致人体生长
发育受阻，食欲低下，引起胃肠炎、胰腺损伤、免疫
能力低下，甚至死亡。摄入过量的镉会导致肺障碍病
症、肾功能不良、骨损伤、癌症、心血管病等[4]。植
物修复技术以其潜在的高效、廉价及其环境友好性，
日益引起政府和企业的重视。随着人们环境保护意识
的增强，水体重金属污染的修复与防治工作逐渐得到
重视。水体重金属污染的修复是一项艰巨的工作，其
污染处理不可能像生活污水或工业废水那样，采用传
统的混凝沉淀、吸附、萃取、离子交换、膜分离等处
理工艺和设备对其进行集中处理。以往采用的物理及
化学修复方法虽然有一定的效果，但除付出高昂代价
外，现场施工过程复杂，对于大流域、低浓度的有害
重金属污染难以处理。近年来，利用植物去除水体环
境中重金属的植物修复技术以经济、有效、适合现场
操作以及环境友好性，正得到广泛关注和研究[5−9]。重
金属污染水体植物修复的主要机理是植物过滤。由于
陆生植物生物量比水生植物的生物量大，根系生长快，
植物过滤优先采用陆生植物。垂序商陆是在中国首次
发现的锰超积累植物，生物量大，适应性强[10−11]。本
研究拟通过温室实验，以垂序商陆为实验材料，利用
种苗过滤方法考察其对废水中的 Mn，Zn 和 Cd 的去
除潜力，探索超积累植物在污染水体修复中的应用可
行性，以期为重金属污染水体的植物修复和人工湿地
处理金属矿山废水提供理论依据。

1 研究材料和方法

1.1 研究材料
选 取 超 积 累 植 物 即 垂 序 商 陆 Phytolacca
americana Linn 为实验材料。
1.2 实验设计
在浙江大学人工智能温室内控制植物生长环境
(14 h 光照，温度为 25 ℃(白天)和 20 ℃(晚上)，相对
湿度为 70%~75%)。将垂序商陆种子播于消毒的沙基
质内，萌芽后选取生长良好的幼苗，用面积稍大于培
养容器瓶口的圆形塑料板做幼苗的水培载体，海绵固
定后直接放入体积为 1 L 的培养瓶中，依次在 0.25
Hoagland 营养液[12]和 0.50 Hoagland 营养液预培养 15
d，然后，选取生长一致的垂序商陆幼苗。每个容器栽
植 4 株、总鲜质量约 5.5 g，生长介质采用完全的
Hoagland 培养液 1 L，每天用 0.1 mol/L NaOH 或 0.1
mol/L HCl 调 pH 至 4.5，保持 24 h 通气。
选择 Zn，Cd 和 Mn 3 种元素，分别以 CdSO4，
Zn(NO3)2 和 MnCl2 形式加入；Zn2+浓度分别为 50 和
200 µmol/L；Cd2+浓度分别为 5 和 20 µmol/L；Mn2+
浓度分别为 50 和 200 µmol/L；另设对照组(不加 Mn2+，
Zn2+，Cd2+)。每个处理重复 3 次。在试验开始 0，2，
4，6，8 和 10 d 后分别用移液管移取 5 mL 液体，以
用于元素含量测定。
垂序商陆生长 10 d 后，将收获的植株根部置于吸
水纸晾干。将植株分成地上部和地下部，测定各部分
鲜质量。首先放于温度为 105 ℃烘箱内保持 30 min，
然后在 75 ℃下烘 48 h 至恒质量，用不锈钢剪刀剪碎，
供分析测定用。
1.3 原子吸收光谱分析
称取烘干植物样品(约 0.15 g)，采用湿法消化(混
合酸 15 mL HNO3+5 mL HCl+2 mL HClO4)，用原子吸
收分光光度计(AAnanlyst 100，Perkin Elmer，USA)分
别测定 Mn，Zn 和 Cd 元素含量。 原子吸收分光光度
计仪使用条件如下：空气流量为 10.0 L/min，乙炔流
量为 3.0 L/min，狭缝宽度为 0.7 nm；Mn，Zn 和 Cd
元素测定的波长分别为 279.5，213.9 和 228.8 nm。
1.4 数据处理
实验数据采用 Microsoft Excel 2003 进行分析。

2 结果与分析

2.1 温室培养条件下重金属对垂序商陆生长的影响
图 1 所示为不同重金属和不同供应水平条件下垂
序商陆生物量的变化情况(其中，CK 表示不加 Mn2+、
Cd2+和 Zn2+的培养液；Cd-5 表示加 5 µmol/L Cd2+的培
养液，其余类推)。由图 1 可见：在对照条件下，垂序


图 1 不同生长介质条件下垂序商陆生物量的变化
Fig.1 Biomass of phytolacca americana Linn in
different tested combinations
中南大学学报(自然科学版) 第 42 卷 1158
商陆幼苗在 10 d 内从 5.49 g 长至 26.92 g，增大约 4
倍；与对照组相比，Cd2+对垂序商陆有明显的抑制作
用。在 20 µmol/L 的 Cd2+浓度下，垂序商陆生物量只
有 21.03 g，下降最明显。在生长介质含 Mn2+ 50 和 200
µmol/L 条件下，垂序商陆生物量增加较多，长势良好，
叶片大而富有光泽，其生物量分别增至 29.48 g 和
30.01 g，平均鲜质量是培养前的 5 倍左右；生长在
Mn2+ 200 µmol/L 培养液中的垂序商陆生物量高于 50
µmol/L 时的生物量。这可能是由于 Mn 是植物必需的
微量元素，因而，在 Mn2+浓度较低时，Mn 的超积累
植物垂序商陆的生物量随 Mn2+浓度增加而增加。生长
在含 Zn2+ 200 µmol/L 培养液中的垂序商陆，其生长受
到一定的抑制，与对照组相比，生物量有所下降，说
明Zn2+浓度为200 µmol/L时对垂序商陆的正常生长产
生了一定的毒性效应。
2.2 不同处理条件下垂序商陆对重金属的富集
随着重金属供应水平(即不同重金属处理浓度)的
提高，垂序商陆的重金属含量也随之增加。总体看来，
Mn 和 Zn 在垂序商陆中的含量较高，而 Cd 含量较
低(图 2)。在不同重金属处理条件下，垂序商陆地下部
重金属含量都远远高于地上部重金属含量。
当培养液中 Mn2+浓度为 50 µmol/L 时，地下部 Mn
含量为 1 977 mg/kg，地上部 Mn 含量为 656 mg/kg；当
Mn2+浓度为 200 µmol/L 时，地下部和地上部 Mn 含量
分别高达 3 012 mg/kg 和 1 163 mg/kg。可见：地下部和
地上部Mn含量都随培养液中Mn2+浓度的增加而增加，
但地下部 Mn 含量明显高于地上部的 Mn 含量；在不同
Mn2+供应水平下，垂序商陆地下部 Mn 含量与地上部
Mn 含量之比均大于 2，在 Mn2+浓度为 200 µmol/L 时比
值为 2.59，浓度为 50 µmol/L 时比值达到 3.01。
当生长介质 Zn2+浓度为 50 µmol/L 时，地下部 Zn
含量为 2 750 mg/kg；当 Zn2+供应水平升至 200 µmol/L
时，地下部 Zn 含量高达 7 194 mg/kg。可见：地下部
Zn 含量随着培养液中 Zn2+浓度的增加而增加。在不同
的 Zn2+供应水平下，垂序商陆地下部 Zn 含量与地上
部 Zn 含量之比均大于 10，平均比值为 12.14，在 Zn2+
浓度 50 µmol/L 时比值为 11.88，浓度为 200 µmol/L
时比值达到 12.40。
在含有重金属 Cd2+的生长介质中，根系 Cd 含量
也远远高于地上部含量。当 Cd2+浓度为 5 µmol/L 时，
地下部和地上部 Cd 含量分别为 621.5 mg/kg 和 22.3
mg/kg，其比值高达 27.87；而在 20 µmol/L Cd2+生长
介质中，两者比值只有 11.23。虽然垂序商陆体内重金
属含量随着 Cd2+供应水平的升高而增加，但当生长介
质中镉水平为 20 µmol/L 时，已开始对垂序商陆生长
产生一定的抑制作用。


(a) Mn2+；(b) Zn2+；(c) Cd2+
图 2 不同生长介质下垂序商陆体内重金属含量
Fig.2 Concentration of Mn, Zn and Cd in biomass of
phytolacca americana Linn cultivated in medium contained
Mn2+, Zn2+ and Cd2+

2.3 不同生长介质中重金属浓度的变化
随着垂序商陆生长时间的延长，不同介质水平中
的重金属浓度均呈下降态势(见图 3)。由图 3 可见：在
2 d 内，生长介质金属离子浓度均明显降低。其原因可
能是根部的吸附作用(或过滤作用)，溶液中重金属浓
度降低水平在锰、锌和镉元素之间略微存在差异。
第 4 期 薛生国，等：垂序商陆对污染水体重金属去除潜力的研究 1159


(a) Zn2+；(b) Mn2+；(c) Cd2+
1—c(Zn2+)为 50 µmol/L；2—c(Zn2+)为 200 µmol/L；
3—c(Mn2+)为 50 µmol/L；4—c(Mn2+)为 200 µmol/L；
5—c(Cd2+)为 5 µmol/L；6—c(Cd2+)为 20 µmol/L
图 3 不同时期生长介质的重金属浓度变化
Fig.3 Concentration of examined metals in nutrient medium

当 Mn2+浓度为 50 µmol/L 时，第 2 天 Mn2+质量浓
度从初始的 2.86 mg/L 降至 2.42 mg/L，到第 8 天只有
1.82 mg/L，至试验结束时，Mn2+质量浓度为 1.44
mg/L；当生长介质 Mn2+浓度为 200 µmol/L 时，第 2
天Mn2+质量浓度就从11.21 mg/L降至9.13 mg/L，Mn2+
去除率达到 18.6%，此后，质量浓度逐渐下降到 7.24
mg/L，隔天去除 4%左右。生长 10 d 后，2 种浓度下
的 Mn2+去除率分别为 49.7%和 35.4%。
垂序商陆对 Cd2+的去除效果较显著。当 Cd2+浓度
为 5 µmol/L 时，营养液中 Cd2+质量浓度从 0.59 mg/L
降至 0.29 mg/L；当生长介质Cd2+浓度为 20 µmol/L时，
第 2 天 Cd2+质量浓度从初始的 2.27 mg/L 减少到 1.6
mg/L，去除 29.5%；垂序商陆生长 10 d 后，2 种溶液
的 Cd2+去除率分别为 50.8%和 53.7%，其趋势与 Mn2+
的去除略有差异。
当 Zn2+浓度为 50 µmol/L 时，垂序商陆生长 10 d
可以将生长介质中 Zn2+质量浓度从 3.31 mg/L 降至
2.05 mg/L，对 Zn2+的去除率达 38.1%；当生长介质 Zn2+
浓度为 200 µmol/L 时，Zn2+质量浓度从初始的 13.19
mg/L 减少到 7.91 mg/L，Zn2+去除率为 40%，其趋势
与 Mn2+的去除趋势相似。
从图 3 还可以看出：垂序商陆生长 8 d 后，由于
植株根系比较发达，与水体中重金属接触面积增大，
因此，生长介质中重金属锰、锌和镉的浓度又有一定
程度的下降。研究表明：垂序商陆对 Mn，Zn 和 Cd
污染水体具有一定的净化能力。垂序商陆对水体锌、
镉去除能力主要表现在根部吸附性能，而对锰的去除
作用则表现为吸附作用和积累作用的复合。

3 讨论

近年来，利用植物去除环境中污染物的植物修复
技术以更经济、更适合于现场操作及环境友好的特征
日益受到关注。植物对水体重金属和类金属的去除主
要是通过植物过滤作用来实现，而植物过滤包括根系
过滤和种苗过滤 2 种方式。根系过滤是植物根部对毒
害性金属元素的吸收、浓缩和沉淀，是比现行的化学
法及微生物沉积重金属法更具吸引力的一种含重金属
废水的处理方法。根系过滤主要是利用水生植物、半
水生植物和陆生植物根系的吸收能力和较大的表面积
或利用整个植株来去除大面积水体中低浓度的金属元
素(如 Pb2+，Cd2+，Cu2+，Fe2+，Ni2+，Mn2+，Zn2+，Cr6+)
和放射性元素(如 90Sr，137Cs，238U 和 236U)[13]。凤眼莲
(Eichhornia crassipes )纤维根系发达，生长快，能迅速
大量地富集废水中 Cd2 +，Pb2+，Hg2+，Ni2+，Ag+，Co2+
和 Sr2+等多种重金属。在乌克兰切尔诺贝利核电站旧址
上进行的试验中，向日葵的根系成功地去除了池塘中的
放射性污染物[14]。最近研究表明：将幼小的陆生植物
种苗用于水体中重金属的去除能力比根系的去除能力
更强，因此，种苗过滤(Blastofiltration)代表了第 2 代植
物修复技术用于含重金属废水处理的发展方向[15]。
超积累植物是一种极端的金属积累型，因其具有
超寻常的重金属积累能力而被广泛应用于污染环境修
中南大学学报(自然科学版) 第 42 卷 1160
复。本研究利用超积累植物对重金属超乎寻常的积累
能力模拟修复污染水体。在不同的生长介质生长 10 d
后，垂序商陆地下部分积累 Zn，Mn 和 Cd 分别为
2 750~7 194，1 977~3 012 和 621.5~980.7 mg/kg；地上
部分积累 Zn，Mn 和 Cd 的含量依次为 231.6~580.2，
656~1 163 和 22.3~87.3 mg/kg。总体来看，垂序商陆
对水体重金属具有一定的去除能力，但是，在不同重
金属间的去除能力存在差异。垂序商陆对锰的去除能
力表现为根部吸附和植物提取能力的复合，并将根部
吸收的锰大量转移至地上部分。Xue 等[10−11]研究表明：
垂序商陆体内吸收的锰有 89%~95%转移至地上部
分[10−11]。垂序商陆对锌和镉的去除能力则主要表现为
根系对重金属的吸附能力。在 10 d 内，垂序商陆对
Mn2+，Zn2+和 Cd2+的去除率分别为 35.4%~49.7%，
38.1%~40.0%和 50.8%~53.7%。Kamala 等[6]发现超积
累植物对污染水体 Hg2+，Fe2+，Cu2+和 Zn2+的去除率
分别达 99.8%，76.7%，41.62%和 33.9%，但是，其中
60.45%~82.61%的 Zn2+和 38.96%~60.75%的 Cu2+是以
沉淀形式去除的[6]。然而，对于用作种苗过滤的植物
其重金属累积不一定集中在地上部分(茎、叶)，根系
对重金属的去除能力同样起重要作用。因此，采用种
苗过滤法去除水体重金属时，可采取措施，增大植物
根系，以尽可能增加根系对重金属的吸附，提高对水
体重金属的去除能力。研究还发现：生长在Cd2+和Zn2+
介质中的垂序商陆生物量与对照组相比略有下降，表
明水体中Cd2+和 Zn2+对垂序商陆生长有一定的抑制作
用。Kamala 等[6]也发现 Ludwigina palustris 显著受到
重金属毒害。尽管如此，垂序商陆在去除水体重金属
方面仍然是一种优良的备选植物。

4 结论

(1) 在温室实验条件下，10 d 内垂序商陆对
Mn2+，Zn2+和 Cd2+的去除率分别为 35.4%~49.7%，
38.1%~ 40.0%和 50.8%~53.7%。
(2) 在不同条件下，垂序商陆体内重金属含量不
同，但均随着生长介质中重金属浓度的增大而增大。
(3) 垂序商陆地上部分锰含量较高，而锌和镉则
主要吸附在根系。垂序商陆对水体重金属的去除能力
表现为植株吸收和根系吸附作用的复合。

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(编辑 陈灿华)