全 文 ：农业环境科学学报 2008,27(4):1514-1518
JournalofAgro-EnvironmentScience
摘 要:李氏禾(LeersiaHexandraSwartz)是中国境内发现的第一种铬超富集植物。通过水培实验,评价了李氏禾对水中 Cr、Cu、Ni
的去除潜力。结果表明,李氏禾能够有效去除水体中的Cr、Cu、Ni污染物,重金属初始浓度分别为10和20mg·L-1的营养液,10d后
Cr浓度降低到原子吸收分光光度法检出限以下,10d后 Cu浓度降低到 1.02mg·L-1和 1.25mg·L-1,20d后 Ni浓度降低到 1.10和
2.14mg·L-1。收获的植物根、茎、叶中重金属含量均较高,根中重金属含量显著高于茎、叶。单株生物量的比较结果表明,含Cr培养
液中生长的李氏禾生物量与对照相比无显著减少(P>0.05) ,含 Cu、Ni营养液中生长的李氏禾生物量均显著低于对照(P<0.05) ,表
明李氏禾对Cr的耐性强于Cu和Ni。李氏禾适宜于湿生环境中生长,能对多种重金属产生大量富集,对Cr、Cu、Ni等重金属污染水
体的修复表现出较强的潜力。
关键词:植物修复;李氏禾;重金属污染水体;铬;铜;镍
中图分类号:X173文献标识码:A 文章编号:1672-2043(2008)04-1514-05
收稿日期:2007-11-15
基金项目:国家自然科学基金项目(40663002) ;广西科学研究与技术
开发计划项目(桂科攻0719005-2-2A) ;广西科学基金项目
(桂科青0728095)
作者简介:陈 俊(1980—) ,男,博士生,主要研究方向为固体废弃物
处理与植物修复。E-mail:chenjun1104@126.com
通讯作者:王敦球 E-mail:wangdunqiu@glite.edu.cn
李氏禾修复重金属(CrCuNi)污染水体的潜力研究
陈 俊 1,2,3,王敦球 1,张学洪 1,刘 杰 1,梁延鹏 1,魏彩春 1,康彩霞 1,芦晓燕 1
(1.桂林工学院广西环境工程与保护评价重点实验室,广西 桂林 541004;2.中国科学院地理科学与资源研究所环境修复研究中
心,北京 100101;3.中国科学院研究生院,北京 100039)
TheAbilityofLeersia Hexandra SwartztoRemediateHeavyMetals(Cr,Cu,Ni)Conta inatedWaters
CHENJun1,2,3,WANGDun-qiu1,ZHANGXue-hong1,LIUJie1,LIANGYan-peng1,WEICai-chun1,KANGCai-xia1,LUXiao-yan1
(1.TheGuangxiKeyLaboratoryofEnvironmentalEngineering,Protecti andAssessment,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,
China;2.Center for Environmental Remediation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of
Sciences,Beijing100101,China;3.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China)
Abstract:LeersiaHexandraSwartzisthefirstCr-hyperaccumulatordiscoveredinSouthChina(GuangxiZh angAutonomousRegio).The
aimofthispaperwastoinvestigatethecapacityofthisspeciestoremoveCr,CuandNifromthecontaminatedwater.Hydroponicexperiments
weretreatedwithCr,CuandNi,eachatthelevelof10mg·L-1or20mg·L-1.After10days(20days orNitreatment)oftheexperiment,Cr
concentrationsdecreasedbelowthedetectlimit,Cuconcentrationsdecreasedto1.02mg·L-1and1.25mg·L-1 Ni
1.10mg·L-1and2.14mg·L-1inthesolutionswith10mg·L-1trea mentsand20mg·L-1treatmentsrespectively.Thecontentsofheavymetals
inplanttissueswerehigh,especiallyinroot.BiomassofL.HexandrashowedsignificantdecreasewithCuandNitreatments(P<0.05).How-
ever,significantdecreaseofbiomasswasnotobservedwithCrtreatment(P>0.05).Iti dicat dthatthisspeciespossesseshighertoleranceto
CrthantoCuandNi.L.HexandraSwartzalsohasremarkableaccumulatingcapacityforCuandNi.Soitisanexcellentspeciesforthere-
mediationofheavymetalscontaminatedwater.
Keywords:phytoremediation;LeersiaHexandraSwartz;heavymetalscontaminatedwaters;Chromium;Copper;Nickel
铬、铜、镍是电镀行业普遍采用的3种重金属元
素,极易随电镀废水的排放进入水体,对水环境造成严
重污染。铬是人和动物新陈代谢过程中所必需的微量
元素[1],少量的铬可激发植物的生长[2],但过量的铬对动
植物均有很强的毒害作用,并被公认为致癌物质[3]。过
量的铜会导致多种细胞器的膜系统的脂质过氧化[4]、影
响植物体内酶的活性[5、6]并抑制植物的光合作用[7]。镍离
子可通过多种途径进入动植物细胞[5、8],并可与多种生
物组织结合[9],从而改变细胞功能及结构[10、11]。铬、铜、镍
均被美国环保总局列为优先控制污染物。
第27卷第4期 农 业 环 境 科 学 学 报
注:*种植李氏禾与未种植李氏禾营养液中重金属浓度差异显著
(P<0.05),**种植李氏禾与未种植李氏禾营养液中重金属浓度差异极
显著(P<0.01)。
图1李氏禾对水中Cr、Cu、Ni的去除效果
Figure1Cr,CuandNiremovalefectbyL.Hexandrafromwater
目前,对于大流域、低浓度的有害重金属污染的
治理是环境科学领域的难题[12]。近年来,利用植物修
复技术去除水环境中的重金属成为环境科学领域的
一个热点。植物修复技术以其经济、有效、适合现场操
作以及不破坏生态环境的优点,得到了各国政府和企
业的普遍关注[13、14]。
李氏禾是首次在中国境内发现的 Cr超富集植
物[15、16],野外调查和水培实验的结果表明,该植物对
Cu、Ni等多种重金属的富集能力也较强[17、24],故开展
该植物对水中Cr、Cu、Ni的去除潜力研究,具有较强
的工程应用价值。
1 材料与方法
1.1植物材料
实验所采用的李氏禾取自未受Cr、Cu、Ni等重金
属污染的桂林市桃花江边。
1.2培养方法
野外采集的植物洗净后采用 1/2Hoagland营养
液预培养15d,然后每盆选取25～35株禾苗在容积为
1.5L的塑料桶中培养,塑料桶中盛营养液1L。培养
液中Cr、Cu、Ni各设10、20mg·L-1两个处理,每个处
理 3个重复,Cr、Cu、Ni分别由 CrCl3、CuSO4和 NiCl2
提供。预备试验表明,含Cr、Cu的营养液中重金属浓
度下降较快,而含Ni的营养液中重金属浓度下降较
慢,故设定Cr、Cu的营养液中李氏禾生长时间为10
d,含Ni营养液中李氏禾生长时间为 20d。投加 Cr、
Cu的营养液每日同一时间取样 2mL测定重金属含
量,投加Ni的营养液隔日同一时间取样2mL测定重
金属含量。每种重金属处理各设对照3个,对照溶液
中不种植李氏禾。
1.3样品的处理及测定
取回的水样用稀 HNO3定容后用原子吸收分光
光度法测定重金属含量。
收获的植物用自来水洗净,105℃杀青 30min,
然后80℃烘干至恒重,测定其干重。烘干的植物磨
碎,采用 HNO3+HClO4体系消解,原子吸收分光光度
法测定重金属含量(PE-AA700)。
1.4数据处理
水中重金属浓度随时间的变化及不同重金属对李
氏禾生物量的影响均采用最小显著差数法(LSD)检
验;相同重金属处理条件下,种植植物组与未种植植
物组(对照组)溶液中重金属浓度的比较采用t检验。
2 结果
2.1李氏禾对水中重金属的去除效果
培养期间营养液中重金属浓度的变化见图1。由
图1可看出,李氏禾对Cr的去除是一个先快后慢的
过程,在初始浓度为10mg·L-1的培养液中,第1dCr
的浓度下降幅度最大,此后逐渐变缓,8d后培养液中
Cr浓度低于检出限;在初始浓度为20mg·L-1的培养
液中,前 3dCr的浓度下降较快,此后逐渐变缓,8d
后培养液中Cr浓度低于检出限。由于营养液中Cr的
沉淀作用,未种植李氏禾的营养液中Cr的浓度也逐
渐降低,但第6d以后,对照营养液中Cr的浓度保持
恒定,6～10d对照各组营养液中 Cr浓度无显著差异
(P>0.05)。
25
20
15
10
5
0
109876543210
Cr
C
r浓
度
/m
g·
L-
1
25
20
15
10
5
0
109876543210
Cu
C
u浓
度
/m
g·
L-
1
25
20
15
10
5
0
109876543210
Ni
N
i浓
度
/m
g·
L-
1
时间/d
10mg·L-1 20mg·L-1 10mg·L-1(CK) 20mg·L-1(CK)
1515
2008年7月
李氏禾对水中 Cu去除结果表明,李氏禾对 Cu
的去除速率非常快,初始浓度分别为10和20mg·L-1
的培养液 1d后 Cu的含量分别降低到 2.13和 5.20
mg·L-1,此后,下降速率变缓,6d后溶液中Cu的浓度
基本恒定,第 6～10d,水中 Cu浓度无显著差异(P>
0.05),第 10d溶液中 Cu浓度分别为 1.02和 1.25
mg·L-1。作为对照的营养液中Cu浓度保持恒定,实验
期间Cu浓度无显著差异(P>0.05)。
李氏禾对水中Ni的去除结果表明,李氏禾能够
有效去除水中的Ni,但速率比Cr、Cu慢,第20d溶液
中Ni浓度分别降低到1.10和2.14mg·L-1。作为对照
的营养液中 Ni浓度波动较小,分别维持在 8.90～
10.13mg·L-1和 18.91～20.91mg·L-1,实验期间 Ni浓
度无显著降低(P>0.05)。
种植有李氏禾的营养液与对照营养液中重金属
浓度的t检验结果表明,除含Cr初始浓度为10mg·
L-1的营养液在第6、7d不存在显著性差异外,其他各
组均存在显著性差异,说明营养液中重金属浓度的降
低主要是植物的去除作用。
2.2重金属对李氏禾生长的影响
超富集植物是一种极端的金属积累型,能从生长
介质中吸收和积累大量的重金属,而不造成任何生理
伤害[18]。李氏禾对Cr、Cu、Ni具有较强的耐受能力,除
含 Ni浓度 20mg·L-1培养液中生长的李氏禾叶片有
轻微发黄外,其他各组李氏禾生长状况良好。收获时
每盆总生物量及单株生物量分别见表1和图2。
由图2可看出,不同的重金属对李氏禾的毒性不
同,培养期间Cr污染条件下生长的李氏禾生物量与
对照相比无显著减少(P>0.05),而Cu和Ni污染条件
下李氏禾的生物量显著少于对照(P<0.05)。3种重金
属对李氏禾的毒性强弱关系为:Cr
收获后李氏禾根、茎、叶中重金属含量见表2。
由表2可看出,李氏禾能对Cr、Cu、Ni产生较强
的富集作用,收获的李氏禾根、茎、叶中 Cr、Cu、Ni的
含量均较高,其中根中重金属含量显著高于茎、叶。同
种重金属不同浓度处理条件下生长的李氏禾各组织
中重金属含量比较结果表明,在重金属浓度较高的处
理条件下生长的李氏禾各组织中重金属含量也较高。
李氏禾被认为是Cr的超富集植物[15、16],但由于本研究
实验时间较短,故李氏禾对重金属的富集尚未达到超
富集水平。
3 讨论
迄今为止,国内外已有较多学者开展了利用植物
修复重金属污染水体的研究,并得到了诸多有价值的
成果[19],所采用的比较常见的植物有向日葵、燕麦、大
麦、豌豆、烟草、印度芥菜、莴苣等。
BenniceliR等研究了 AzolacarolinianaWild对
市政污水中Hg(Ⅱ)、Cr、Cr(Ⅵ)的去除效果[20],研究发
现 AzolacarolinianaWild经过 11d能将初始含 Cr
浓度为 0.1、0.5和 1.0mg·L-1的营养液中 Cr浓度分
别降低到 0.02、0.06和 0.25mg·L-1,并认为 Azola
表1收获时每盆李氏禾的生物量
Table1BiomassofL.Hexandraineachpot
注:生物量数值为平均值±标准偏差(n=3)。
重金属 初始浓度/mg·L-1 生物量/g·pot-1
CK 0 6.84±0.93
Cr 10 5.18±0.37
20 7.01±0.83
Cu 10 5.84±0.58
20 5.02±0.66
Ni 10 4.02±1.65
20 3.62±1.06
0.3
0.25
0.15
0.1
0.05
0
生
物
量
/g·
pl
an
t-1
0mg·L-1 10mg·L-1 20mg·L-1
重金属
NiCK Cr Cu
a
abab
b b
b c
图2重金属对李氏禾生物量的影响
Figure2Efectsofdiferentheavymetalsonthebiomassof
L.Hexandra
不同字母间差异显著(LSD,P<0.05)
表2李氏禾对重金属的富集
Table2HeavymetalsconcentrationsinthetissuesofL.Hexandra
重金属
初始浓度
/mg·L-1
重金属含量/mg·kg-1
根 茎 叶
Cr 10 2132.43±138.26 542.58±98.54 318.42±107.20
20 7221.45±374.211078.87±214.34 657.56±178.79
Cu 10 1478.76±231.51 326.58±81.24 216.39±99.25
20 1948.48±325.32 427.35±110.32 337.76±125.35
Ni 10 1643.30±219.59 241.23±28.17 235.09±99.02
20 1838.50±295.64 402.06±263.98 416.18±206.98
注:重金属含量数值为平均值±标准偏差(n=3)。
陈 俊等:李氏禾修复重金属(CrCuNi)污染水体的潜力研究1516
第27卷第4期 农 业 环 境 科 学 学 报
carolinianaWild是一种很有潜力的修复Cr污染水体
的植物。本研究结果表明,8d后李氏禾可将初始浓度
为10和20mg·L-1的营养液中Cr浓度降低到检出限
以下,说明李氏禾在Cr污染水体的修复方面比Azol-
lacarolinianaWild具有更大的潜力。
渠荣遴等研究了玉米、豌豆、蓖麻和向日葵等植
物对水体中Cu的去除效果,发现这几种植物对水中
的Cu均具有良好的生态效应[21],其中蓖麻对水中Cu
的去除能力最强,36.3g(鲜重)蓖麻种苗在96h内可
将400mL含Cu浓度为20mg·L-1的营养液中 Cu浓
度降低为原来的2.4%。本研究结果表明,干重为5.84
和5.02g的李氏禾能够将含Cu浓度分别为10和20
mg·L-1的营养液中Cu降低到1.02和1.25mg·L-1。
植物对水中重金属的去除主要是根系过滤作用
(Rhizofiltration),其机理主要是植物根系对水中重金
属的吸收和巨大的表面积对重金属的吸附。薛生国研
究了 Mn超富集植物商陆对水体中 Mn、Cd、Zn等重
金属的去除潜力[12],经过 10d的实验,发现商陆能将
含 Mn初始浓度为 2.86和 11.21mg·L-1的溶液中的
Mn分别降低到1.44和2.27mg·L-1;能将含Cd浓度
为 0.59和 11.21mg·L-1的溶液中的 Cd分别降低到
0.29和 1.6mg·L-1;能将含 Zn浓度为 3.31和 13.19
mg·L-1的溶液中Zn分别降低到 2.05和 7.91mg·L-1。
可见,商陆对水中 Mn、Cd、Zn的去除能力不强,其原
因可能是由于商陆的根系不发达,根的比表面积较
小,所以对水中重金属离子的吸附能力不强。而本实
验所采用的李氏禾根系非常发达,呈絮状,比表面积
非常大,所以对水中重金属离子的吸附能力很强,去
除作用显著。
对未种植李氏禾的营养液(对照)中重金属检测
结果表明,随着时间的推移,营养液中Cr的含量显著
降低,而Cu、Ni浓度基本保持恒定,说明水中的Cr会
发生沉淀作用。实验过程中含 Cr营养液的 pH值恒
定在5.0左右,该pH条件下Cr难以形成Cr(OH)3沉
淀,造成这种现象的原因,可能是营养液中的Fe(Ⅱ)
被氧化为 Fe(Ⅲ),Cr与 Fe(Ⅲ)产生共沉淀作用,使
溶液中Cr浓度显著降低。这种现象与Rai等的研究
结论相吻合,Rai等研究认为,Cr与Fe(Ⅲ)可在pH值
为4～12的条件下发生共沉淀[22],生成(Cr,Fe)(OH)3,
且(Cr,Fe)(OH)3的溶解度远小于Cr(OH)3[23]。
4 结论
(1)李氏禾能够有效去除水体中的 Cr、Cu、Ni等
重金属污染物,实验期间,李氏禾对水中Cr的去除率
接近100%,对水中 Cu、Ni的最高去除率均分别达到
93.8%和89.3%。
(2)李氏禾能够对水体中的 Cr、Cu、Ni产生大量
富集,且营养液中重金属浓度越高,植物组织中富集
的重金属含量也越高,根、茎、叶中重金属含量相比
较,根中含量最高。
(3)李氏禾适宜于湿生环境中生长,繁殖非常迅
速,可高密度生长,单位面积生物量大,且能对多种重
金属产生较强的富集作用,在Cr、Cu、Ni等重金属污
染水体的修复中表现出广阔的应用前景。
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