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青萍在Pb、Cu污染水体植物修复中的应用研究



全 文 :第 5 卷 第 10 期 环 境 工 程 学 报 Vol. 5,No. 10
2 0 1 1 年 1 0 月 Chinese Journal of Environmental Engineering Oct. 2 0 1 1
青萍在 Pb、Cu污染水体植物修复中的
应用研究
唐艳葵 韦星任 姚秋艳 蓝梓铭 李 婷
(广西大学环境学院,南宁 530004)
摘 要 以青萍种浮萍(Lemna perpusilla Torr.)为实验材料,以 Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)为染毒因子,设定金属离子浓度梯度
(Pb(Ⅱ) :0 ~ 40 mg /L,Cu(Ⅱ) :0 ~ 4 mg /L) ,考察了在不同金属离子浓度下青萍生长状况、叶片色素含量以及金属离子浓
度对青萍 N、P和金属离子吸收能力的影响。结果表明:金属离子浓度的越高,青萍生长受抑制越严重;Cu(Ⅱ)对青萍的毒
害大于 Pb(Ⅱ) ;在 Pb(Ⅱ)浓度为 40 mg /L,Cu(Ⅱ)浓度为 4 mg /L时,青萍对 Pb(Ⅱ)和 Cu(Ⅱ)的平均单位鲜重富集量
分别为 26. 09 mg /g和 2. 49 mg /g,但同时,青萍的生长受到严重抑制,叶绿素含量急剧下降,且 N、P从细胞中溶出。研究表
明,青萍比较适宜修复被低浓度 Pb(Ⅱ)污染的水体。
关键词 青萍 Pb(Ⅱ) Cu(Ⅱ) 污染 植物修复
中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1673-9108(2011)10-2209-06
Study of duckweed (Lemna perpusilla Torr.)for use in phytoremediation
of lead-and copper-contaminated water bodies
Tang Yankui Wei Xingren Yao Qiuyan Lan Ziming Li Ting
(College of Environment,Guangxi University,Nanning 530004,China)
Abstract Duckweed (Lemna perpusilla Torr.)was used as experimental materials and several physiologi-
cal responses of Lemna perpusilla Torr.,such as biomass growth,pigment contents,adsorption characteristics of
heavy metals,nitrogen and phosphorus,to elevated concentrations of Pb(Ⅱ) (up to 40 mg /L)and Cu(Ⅱ)
(up to 4 mg /L)were investigated. The results showed that high metal concentration might inhibit the growth of
Lemna perpusilla Torr. Copper was found to be more toxic to plants than lead. It was demonstrated that exposure
to high concentrations of lead and copper results in the high bioaccumulation of metals in Lemna perpusilla Torr.
(26. 09 mg /g of Pb in the plant grown in water with 40 mg /L Pb(Ⅱ)and 2. 49 mg /g of Cu in the plant grown
in water with 4 mg /L Cu(Ⅱ) ). At these levels the plant growth was significantly inhibited and the plant pig-
ment content significantly decreased. Also,a significant release of P and N was observed at these high levels of
metal stress. The results of this study confirm that Lemna perpusilla Torr. is a suitable candidate for the phytore-
mediation in low-level lead-contaminated water bodies.
Key words duckweed (Lemna perpusilla Torr.) ;Pb(Ⅱ) ;Cu(Ⅱ) ;pollution;phytoremediation
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51168001) ;广西大学科研
基金项目(XBZ090804)
收稿日期:2010 - 05 - 25;修订日期:2010 - 11 - 04
作者简介:唐艳葵(1965 ~) ,女,博士,高级工程师,研究方向:水污
染控制。E-mail:tangyankui101@ 163. com
浮萍为浮萍科水生维管束植物,在我国分布广
泛。广西的气候环境尤其适合浮萍生长。适宜环境
条件下,新的浮萍个体能够在短时间内大量繁殖,形
成一定规模的种群及群落。植株在生长繁殖过程中
大量吸收利用水体中的 N、P等营养物质的同时,对
重金属及各种化学污染物质等有毒有害物质也有一
定的富集[1]。来源于采选矿、冶炼、电镀等行业所
排放的废水中的重金属,对动植物和生态环境有极
大的危害。研究当地资源丰富的浮萍对金属离子的
吸收效果和耐受能力,考察其在受重金属污染水体
修复中的应用潜力,对探索一种低投资、低能耗、处
理过程与自然生态系统有良好协调性的环境修复技
术有着重要的现实意义。
重金属对浮萍属具有毒害作用[2,3],这是浮萍
应用于水体修复的最大障碍。文献报道表明,不同
环 境 工 程 学 报 第 5 卷
种属的浮萍对重金属的耐受限度有很大差别,例如,
在 Prasad 等[4]的研究中,镉的浓度达到 10 mmol /L
时,Lemna trisulca L.中的色素含量仍未发生显著变
化,而 Razinger等[5]的研究则表明,暴露在镉浓度为
0. 5 mmol /L的环境下 24 h,浮萍(Lemna minor)植株
鲜重和谷胱甘太(glutathione)含量会显著下降,并出
现植株死亡。Prasad 等[4]的研究认为铜对 Lemna
trisulca L.的毒性要大于镉;而 Hou 等[6]的研究则表
明,镉对浮萍 (Lemna minor)的毒性要大于铜;据此可
推测,不同种属的浮萍在水中富集重金属的能力也应
存在差异。目前,就修复铅、铜污染水体而言,对 Lem-
na minor 种浮萍的研究较多[7],而对浮萍青萍种
(Lemna perpusilla Torr.)在被铅、铜胁迫的同时,对 N、
P及金属离子本身吸收能力的研究还鲜有报道。
本文以青萍种浮萍(Lemna perpusilla Torr.)为
研究对象,通过 Pb(II) (非浮萍生长所需微量元素)
和 Cu(II) (浮萍生长所需微量元素)2 种重金属污
染对植株的生理影响,探索青萍用于受铅、铜污染水
体修复的潜力,此外还考察 Pb(II)和 Cu(II)浓度
变化对青萍 N、P吸收能力的影响。
1 材料和方法
1. 1 材 料
本实验的供试材料(Lemna perpusilla Torr.)采
自未受污染的较清洁的池塘中,属于浮萍属青萍种,
呈圆形或椭圆形,根须 1 ~ 3 条。经洗净后置于塑
料缸中用修改后的 Hoagland 培养液培养,在自然光
照和气温条件下生长,待其生物量扩大并适应实验
培养条件后做染毒处理。
1. 2 试 剂
实验所用试剂均为分析纯,Pb(II)和 Cu(II)溶
液分别由 Pb(NO3)2、Cu(SO4)2·5H2O配制而成。
1. 3 实验方法
分别在容量为 250 mL的塑料钵中加入 230 mL
配制好的含单一重金属的培养液,Pb(II)和 Cu(II)
浓度梯度设置基于文献和探索实验结果,每个浓度
设 2 个重复,以重金属浓度为 0 mg /L 的培养液(采
用修改的 Hoagland’s E-Medium,即缺微量元素 Ho-
agland营养液,使用时,将其稀释 10 倍后作为青萍
的培养液)作为对照。将青萍用去离子水洗净后,
在每个塑料钵中放入健壮的青萍,单位面积生物量
为 0. 46 g /dm2,总鲜重为 0. 3 g。在(25 ± 3)℃,自
然光照条件下培养,每种金属培养周期为 120 h,每
天用去离子水补充所损失的水分,定时取样测定各
项指标。
Pb(II)和 Cu(II)含量测定采用电感耦合等离
子体发射光谱(ICP,optima 5300DV,Perkin Elmer) ,
每个样品做 3 次平行,结果取平均值。总氮(TN)含
量采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法,总磷
(TP)含量采用钼酸铵分光光度法,均采用紫外可见
光分光光度计(UV-1800,Shimadzu)测定。叶绿素
含量的测定采用样品冷冻后用 50 ℃提取液提取
法[8]。参考该方法并稍做改动,具体为:称取 0. 2 g
鲜重青萍于 10 mL具塞离心管中,置冰箱中冷冻 1 h,
取出后加入 10 mL在水浴锅中加热至 50℃的 80%丙
酮,充分振荡后于暗柜中静置 3 h,取上清液在 663、
645和 440 nm下的测定吸光度值 A。色素的浓度按
照朱广廉[9]方法计算。
2 结果与讨论
2. 1 水中 Pb(II)、Cu(II)浓度对青萍增殖的影响
Pb、Cu污染 5日浮萍鲜重与色素变化列于表 1。
表 1 Pb、Cu污染 5 日浮萍生物质增量与色素含量变化
Table 1 Biomass growth and pigment contents of Lemna perpusilla Torr. after 5-day exposure to Pb and Cu
金属
金属浓度
(mg /L)
5 日增殖
(%)
叶绿素及类胡萝卜素含量(mg /L)
叶绿素 a 叶绿素 b 总叶绿素 类胡萝卜素
0 206. 03 ± 3. 82 8. 16 ± 0. 61 3. 05 ± 0. 11 11. 18 ± 0. 71 2. 83 ± 0. 66
10 180. 38 ± 3. 41 6. 87 ± 0. 58 2. 96 ± 0. 25 9. 804 ± 0. 22 2. 12 ± 0. 31
Pb 20 137. 93 ± 4. 52 2. 66 ± 0. 15 1. 22 ± 0. 53 3. 86 ± 0. 31 1. 09 ± 0. 17
30 8. 50 ± 1. 31 0. 97 ± 0. 08 0. 61 ± 0. 02 1. 57 ± 0. 12 0. 34 ± 0. 01
40 - 29. 97 ± 4. 01 0. 71 ± 0. 01 0. 48 ± 0. 01 1. 19 ± 0. 27 0. 22 ± 0. 00
0 107. 20 ± 7. 77 12. 70 ± 0. 71 4. 76 ± 0. 36 17. 46 ± 5. 01 3. 35 ± 0. 22
1 33. 53 ± 6. 23 4. 81 ± 0. 12 2. 70 ± 0. 31 7. 50 ± 0. 32 2. 27 ± 0. 02
Cu 2 - 16. 13 ± 4. 31 4. 07 ± 0. 13 1. 91 ± 0. 04 5. 98 ± 0. 17 0. 50 ± 0. 01
3 - 33. 03 ± 3. 63 2. 89 ± 0. 18 1. 79 ± 0. 03 4. 68 ± 0. 13 0. 13 ± 0. 00
4 - 39. 87 ± 3. 45 2. 59 ± 0. 11 1. 42 ± 0. 11 4. 01 ± 0. 15 0. 05 ± 0. 00
0122
第 10 期 唐艳葵等:青萍在 Pb、Cu污染水体植物修复中的应用研究
从表 1 中可见,Pb(Ⅱ)和 Cu(Ⅱ)单一污染对
青萍的生长有明显的抑制作用。随着浓度的增加,
Pb(Ⅱ)和 Cu(Ⅱ)对青萍的鲜重、叶绿素含量的影
响更加显著。
5 日耐毒实验中,Pb(Ⅱ)浓度分别为 10 mg /L
和 20 mg /L 时,青萍经过 120 h 污染暴露后生长仍
比较正常,实验结束时其鲜重均比初始鲜重高。以
30 mg /L的 Pb(Ⅱ)初始浓度对青萍染毒 72 h后,青
萍的生长开始受到抑制;随着 Pb(Ⅱ)浓度的增大,
青萍受影响程度加剧,出现坏死征状;实验结束时的
鲜重比原始鲜重降低;Pb(Ⅱ)浓度为 40 mg /L 时,
青萍鲜重急剧下降。实验观察到,在 30 mg /L 浓度
下,96 h 左右开始出现青萍断根及脱落现象,表明
青萍的根较易受到 Pb(Ⅱ)侵害。
青萍对 Cu污染很敏感,在 2 ~ 4 mg /L浓度范围
内,24 h即出现大部分脱体现象,叶状体绿色变浅,
叶片较对照组为小,但叶状体数基本没有变化;
48 h后青萍完全脱体,叶状体大部分失绿,且失绿从
叶片中央向四周扩散,72 h 后所有叶状体均呈白
色。而以 1 mg /L的 Cu(Ⅱ)作污染处理时,浮萍的
受害症状较上述浓度延迟 48 h出现。除 1 mg /L Cu
(Ⅱ)浓度下青萍终鲜重略高于原始鲜重外,其余浓
度下鲜重均显著降低,说明随着 Cu(Ⅱ)浓度的增
大,浮萍生长受到抑制并逐渐死亡。Cu(Ⅱ)可诱导
植物产生自由基如过氧化氢和超氧自由基,在浓度
较高时大量的自由基可以破坏植物体的生理代谢,
对植物体有致死效应[10],与 Cu 对紫萍(Spirodela
poly-rrhiza)的效应一致[11],但 Charles 等[12]研究中
所考察的浮萍 (Lemna aequinocitialis)受 Cu 毒害的
下限浓度仅为 0. 0032 mg /L,当铜浓度继续升高时,
生物量明显下降,而且茎的长度缩短,当铜浓度达到
0. 1 mg /L时植物已全部死亡。
Pb(Ⅱ)对浮萍的影响与 Cu(Ⅱ)的影响表观
现象不尽相同。受 Pb(Ⅱ)污染的浮萍叶状体主要
发生黄化和褪绿,而受 Cu(Ⅱ)污染的浮萍则呈现小
叶症状,且基本无新的叶状体产生。
水中 Pb(II)、Cu(II)浓度对青萍叶绿素 a、b 含
量比例的影响见图 1。
叶绿素作为光合色素中的主要色素分子,参与
了光合作用中对光能的吸收、传递和转化,具有重要
的地位。重金属胁迫下植物受到毒害的一个最重要
的特征是叶绿素含量降低。
从表 1 可看出,随着 Pb(Ⅱ)、Cu(II)浓度的升
图 1 不同初始浓度 Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)污染 5 日
对浮萍叶片 Chl. a /Chl. b的影响
Fig. 1 Effects of different initial concentrations
of Pb(Ⅱ)and Cu(Ⅱ)on Chl. a /Chl. b of
Lemna perpusilla Torr. after 5-day exposure
高,青萍色素含量均出现明显的降低趋势。这是因
为 Pb(Ⅱ)、Cu(II)作用于叶绿素生物合成途径中几
种酶肽链中所富含—SH 的部分,抑制了酶的活性,
故阻碍了叶绿素的合成[13]。另一个原因是 Pb 和
Cu原位替换叶绿素分子中的中心原子 Mg 而使其
结构遭到破坏,其生理功能受到抑制,导致光合作用
崩溃[14,15]。
Chl. a除大部分参与光能的吸收传递外,还有
一部分是参与光反应的中心色素,而 Chl. b 是集光
色素。Chl. a /Chl. b 的大小表明 Chl. a 含量的相对
变化大小,Chl. a /Chl. b 可作为叶片衰老的标志,同
时也是衡量叶片受重金属胁迫相对敏感的一个生理
指标。从图 1 中可以看出,Chl. a /Chl. b的值均随着
重金属浓度梯度的升高而降低,说明青萍 Chl. a 的
变化幅度明显大于 Chl. b,且 Chl. a所受到的伤害比
Chl. b 大。从图 1 中还可以发现,Cu(Ⅱ)污染处理
时,青萍体内 Chl. a 与 Chl. b 的比值下降幅度较 Pb
大,说明青萍受 Cu(Ⅱ)影响时,植株衰老死亡速度
较快,这与观察到的生长状况是一致的。当 Cu(Ⅱ)
的浓度为 2 mg /L 及更高浓度时,Chl. a /Chl. b 的值
均小于 1. 0,说明叶绿素 a 受到的破坏已相当严重,
其光合作用受到严重阻碍。虽然 Cu(Ⅱ)作为植物
必需的微量元素之一,是多种氧化酶活性的核心,参
1122
环 境 工 程 学 报 第 5 卷
与电子的接受与传递,在植物体内氧化还原反应中
起着重要作用,与叶绿体的形成以及碳水化合物、蛋
白质的合成有密切关系[16],但 Cu(Ⅱ)过量会造成
对青萍的严重损害。
而当 Pb(Ⅱ)浓度大于 20 mg /L 时,青萍的
Chl. a /Chl. b 才开始大幅下降,但即使在 30 ~
40 mg /L浓度范围内,Chl. a /Chl. b 仍大于 1。表明:
单一重金属处理对青萍叶绿素破坏的剂量效应强弱
顺序为 Cu(Ⅱ)> Pb(Ⅱ)。
2. 2 重金属浓度对青萍吸收水中 N、P能力的影响
青萍对水中 N、P吸收能力见图 2。N、P作为青
萍生物组织主要构成物质,其含量基本固定,因此生
物量增长的速率也可看成青萍从水中吸收转化 N、P
等营养物质的速率。
从图 2(a)中可见,Pb(Ⅱ)浓度为 10 mg /L 时,
120 h后青萍仍能吸收溶液中的 N 进行自身活动,
但与对照相比,其吸收能力有所下降。而在 20 ~
40 mg /L这一系列 Pb(Ⅱ)浓度的影响下,青萍正常
的生理活动受到较严重阻碍,120 h 后青萍向溶液
中释放 N,导致培养液中 TN浓度上升。
从图 2(b)中可见,虽受不同程度的 Pb(Ⅱ)污
染,青萍仍能对培养液中的 P 进行吸收,但吸收能
力与对照相组相比有所下降。
图 2(c)及图 2(d)表明,青萍对 Cu(Ⅱ)非常敏
感,在 Cu(Ⅱ)浓度低于 1 mg /L 时,与对照组相比,
青萍生长虽受到抑制,但尚能吸收培养液中的 N、P
进行自身生理活动。随着 Cu(Ⅱ)的增加,青萍受损
愈加严重,自身活动受阻,本身的蛋白质、磷脂、酶等
物质解体,从而向溶液中释放出 N、P。王爱丽等[17]
在实验中使用的浮萍(Lemna minor)在 Cu(Ⅱ)浓度
为 400 μg /L时,N、P代谢即受到显著抑制。
2. 3 青萍对重金属离子的去除
不同浓度梯度的 Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)溶液处理青
萍 120 h后,重金属初始浓度对青萍吸收 Pb(Ⅱ)、
Cu(Ⅱ)的结果列于表 2。
表 2 显示青萍对 Pb(Ⅱ)有很好的去除效果,
在浓度分别为 10、20 和 30 mg /L 的培养液中,去除
率均可达 80%以上,当浓度增大到 40 mg /L 时仍有
很好的去除效果(65%) ;青萍对 Cu(Ⅱ)也有一定
的去除,且浓度越高去除率越高;但是结合其长势
(图 1)与 TN(图 2c)、TP(图 2d)的变化影响,可以
看出:青萍吸收 Cu(Ⅱ)越多,其生长受到的抑制越
严重,并最终导致死亡。可见,青萍在 Cu(Ⅱ)污染
图 2 Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)初始浓度对青萍
TN、TP吸收能力的影响
Fig. 2 Effects of initial concentrations of Pb(Ⅱ)and
Cu(II)on TN and TP sorption of Lemna perpusilla Torr.
水体修复中适宜浓度范围过窄,即青萍不适合在含
Cu(Ⅱ)的水环境中生长,但可利用青萍对 Cu 敏感
的特点,研究其作为一种判定水体重金属污染的指
示植物。
若结合青萍的鲜重变化来考察可发现,随着金
属浓度的进一步增高,单位重量青萍对 Pb(Ⅱ)、Cu
(Ⅱ)的去除也升高:Pb(Ⅱ)浓度为 10 mg /L 时,单
位青萍鲜重对 Pb的富集容量仅仅为 1. 37 mg /g,而
Pb(Ⅱ)浓度为 40 mg /L 时,单位青萍鲜重对 Pb 的
富集容量除可达到 26. 39 mg /g;同样,Cu(Ⅱ)浓度
为 1 mg /L 时,单位青萍鲜重对 Cu 的富集容量为
0. 06 mg /g,而 Cu(Ⅱ)浓度为 4 mg /L时,单位青萍
2122
第 10 期 唐艳葵等:青萍在 Pb、Cu污染水体植物修复中的应用研究
表 2 青萍在不同初始浓度下对 Pb(II)、Cu(II)的富集
Table 2 Bioaccumulation of Pb(II)and Cu(II)by duckweed under different initial concentrations
实测初始浓度(mg /L) 5. 90 ± 0. 27 12. 05 ± 1. 01 25. 79 ± 5. 77 36. 61 ± 4. 59
120 h 浓度(mg /L) 1. 16 ± 0. 16 1. 83 ± 0. 30 4. 72 ± 0. 31 12. 78 ± 1. 81
Pb 青萍鲜重(g) 0. 84 ± 0. 01 0. 71 ± 0. 04 0. 33 ± 0. 01 0. 21 ± 0. 00
去除率(%) 80. 36 ± 6. 33 84. 84 ± 5. 27 81. 72 ± 6. 72 65. 09 ± 4. 38
单位鲜重去除(mg /g) 1. 30 ± 0. 11 3. 29 ± 0. 21 14. 89 ± 1. 33 26. 09 ± 3. 96
初始浓度(mg /L) 1. 01 ± 0. 11 1. 96 ± 0. 06 2. 55 ± 0. 41 3. 46 ± 0. 30
120 h 浓度(mg /L) 0. 91 ± 0. 01 1. 25 ± 0. 38 1. 44 ± 0. 04 1. 51 ± 0. 14
Cu 青萍鲜重(g) 0. 40 ± 0. 00 0. 23 ± 0. 01 0. 20 ± 0. 01 0. 18 ± 0. 01
去除率(%) 10. 45 ± 1. 02 36. 20 ± 2. 01 43. 55 ± 3. 38 56. 42 ± 4. 99
单位鲜重去除(mg /g) 0. 06 ± 0. 00 0. 73 ± 0. 01 1. 27 ± 0. 22 2. 49 ± 0. 11
鲜重对 Cu 富集容量却达到 2. 49 mg /g。这种现象
可解释为在临界浓度以下,Pb、Cu 离子主要与青萍
细胞核内染色质中的一些官能团结合,刺激青萍体
内抗氧化酶(SOD,POD,CAT)活性升高以清除体内
活性氧,从而减少因此引起的过氧化损伤,表现为染
色质出现凝聚状态;随着金属浓度的进一步增高,
Pb、Cu离子在浓度差下向细胞内部扩散,与细胞核
物质结合;过多的重金属离子在核内集聚,致使青萍
叶细胞的核仁解体分散,核质呈高电子密度的颗粒
或团块状态,最终出现细胞坏死,表现为核膜破裂,
染色质散出[18],其中的活性基团更易于与重金属离
子结合,使得单位重量青萍的重金属吸收吸附量显
著增加。
3 结 论
(1)Pb(Ⅱ)、Cu(II)污染均对青萍的生长起抑
制作用。青萍对 Cu(II)更为敏感,本研究中,Cu
(II)浓度大于 1 mg /L时生长即受到严重抑制,而当
Pb(Ⅱ)小于 20 mg /L时,青萍生长受到的抑制并不
显著。
(2)青萍在低浓度 Pb(Ⅱ)污染环境中对 TN、
TP仍有一定的吸收能力,而即使暴露在很低浓度的
Cu(II)中,青萍都无法利用 N、P 完成细胞合成;同
样也证明了虽然 Cu(II)是植物生长必需的微量元
素,但其对青萍的毒性要大于 Pb(Ⅱ)。
(3)青萍在 Pb(Ⅱ)、Cu(II)污染的水体中,尽
管其生长受到显著抑制,但仍能通过金属离子与细
胞物质结合将水中的 Pb、Cu 浓度降低;在 Pb(Ⅱ)
初始浓度为 40 mg /L时,单位青萍鲜重对 Pb的富集
容量达到 26. 39 mg /g;Cu(Ⅱ)初始浓度为 4 mg /L
时,单位青萍鲜重对 Cu富集容量可达 2. 49 mg /g。
(4)暴露在 Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)下的青萍细胞由凋
亡转向坏死,具有典型的“剂量-响应”关系。Cu(II)
对青萍的毒性效应显著大于 Pb(II) ,可利用青萍对
Cu敏感的特点,研究其作为一种判定水体重金属污
染的指示植物。
参 考 文 献
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