全 文 ：农业环境科学学报 2008,27(2):521-524
JournalofAgro-EnvironmentScience
摘 要:李氏禾是中国境内发现的第一种铬超富集植物。本文通过野外调查和水培试验,研究了李氏禾对铜的富集特征。野外调查
结果表明,李氏禾能够将淤泥和水体中的铜转运到地上部,叶中铜平均含量为 1717.85mg·kg-1,根和茎中铜平均含量为 533.42
mg·kg-1,叶中铜含量与水和淤泥中铜含量之比分别为291.88和14.01。营养液培养条件下,李氏禾对铜也有较强的富集能力。当培
养液中铜浓度为40mg·L-1时,叶中铜含量最高达到2357.26mg·kg-1。这些结果表明,无论是在野外生长条件下还是在营养液培养
条件下,李氏禾均对铜表现出很强的富集能力。李氏禾生长迅速,地理分布广,且能对铜、铬等多种重金属产生富集,因此,是一种
优良的修复铜、铬等重金属污染土壤和水体的物种。
关键词:李氏禾;铜;植物修复;富集特征
中图分类号:X173 文献标识码:A 文章编号:1672-2043(2008)02-0521-04
收稿日期:2007-04-22
基金项目:国家自然科学基金项目(40663002);教育部科学技术研究重
点 项 目 (206116); 广 西 研 究 生 教 育 创 新 计 划 项 目
(2006105960830M12);广西科学基金项目(桂科青0640072)
作者简介:张学洪(1963—),男,湖北荆州人,博士,教授,主要从事重金
属污染的治理研究。E-mail:zhangxuehong@x263.net
铜是最早被发现的对植物耐性基因发生作用的
污染物[1]。随着铜矿的开采和冶炼,及含铜杀虫剂的长
期使用和污水灌溉的增多,土壤铜污染程度日益加剧[2],
导致农产品中铜超标,对人体健康造成很大的威胁[3]。
植物修复技术(Phytoremediation)是利用植物对重金
属的富集作用来降低土壤和水体中重金属浓度或毒
性的环境友好型方法[4]。该方法效率高、成本低、易于
操作,而且与生态环境相协调,是一种具有广阔发展
前景的环境治理技术[5、6]。
植物修复技术的关键问题是要找到能大量富集
重金属的植物。目前虽然已经发现了重金属超富集
植物近 500种,但得到广泛认同的铜超富集植物只
有 37种[7、8],分布于莎草科、唇形科、禾木科、玄参科
等15个科。我国学者对铜的富集植物也进行了大量
的探索,研究了海州香薷(Elsholtziasplenden)[9~12]、
铬超富集植物李氏禾对铜的富集特征研究
张学洪 1,陈 俊 1,2,李海翔 1,胡 澄 1,梁延鹏 1,黄海涛 1,刘 杰 1
(1.桂林工学院资源与环境工程系,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)
CharacteristicsofCopperUptakebyCr-hyperaccumulatorLeersiaHexandraSwartz
ZHANGXue-hong1,CHENJun1,2,LIHai-xiang1,HUCheng1,LIANGYan-peng1,HUANGHai-tao1,LIUJie1
(1.DepartmentofResourcesandEnvironmentalEngineering,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China;2.CenterforEnviron-
mentalRemediation,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,Chi-
na)
Abstract:LeersiaHexandraSwartzisahygrophyteCr-hyperaccumulatorplantfirstdiscoveredinSouthChina(GuangxiZhuangAutomonous
Region).Fieldsurveyandhydroponicscultivationexperimentswereconductedtoinvestigatethecharacteristicsofcopperuptakebythe
plant.TheresultsshowedthatthisspecieshadamarvelouscapacitytoaccumulateCuunderthefieldconditionandnutrientsolutioncultiva-
tion.Inthefieldsamples,theaveragecopperconcentrationinleavesandstemswere1717.85mg·kg-1and533.42mg·kg-1,respectively,the
meanratiosofcopperconcentrationinleavestothatinwaterandsoilwere291.88and14.01,respectively.Underhydroponicscultivation
conditions,LeersiaHexandraSwartzshowedaremarkableuptakecapacityforcopperalso.AttheCu2+concentrationof40mg·L-1inthenu-
trientsolution,thecopperconcentrationintheleavesreachedthemaximum(upto2357.26mg·kg-1).LeersiaHexandraSwartzisaspecies
whichgrowsrapidly,distributeswidelyandcouldaccumulateCr,soitcanbeusedasanewplantresourceforphytoremediationofcopperand
chromiumcontaminatedsoilsandwaters.
Keywords:LeersiaHexandraSwartz;copper;phytoremediation;accumulatingcharacteristics
2008年3月
Cr /mgkg , mgL
+
L/S L/W S/S S/W
S1 146.20 5.75 1 325.50 192.00 9.07 230.52 1.31 33.39
S2 97.40 6.70 1 984.60 268.90 20.38 296.21 2.76 40.13
S3 138.40 5.65 2 129.30 1 171.20 15.39 376.87 8.46 207.29
S4 70.20 5.85 1 895.60 241.40 27.00 324.03 3.44 41.26
S5 273.70 5.75 1 892.90 576.90 6.92 329.20 2.11 100.33
S6 203.50 5.55 1 079.20 750.10 5.30 194.45 3.69 135.15
Mean 154.90 5.88 1 717.85 533.42 14.01 291.88 3.63 92.93
注:根的生物量不足以单独测定重金属含量,故与茎合并测定;L/S为叶中铜含量与淤泥中铜含量之比;L/W为叶中铜含量与水中铜含量之比;
S/S为茎中铜含量与淤泥中铜含量之比;S/W为茎中铜含量与水中铜含量之比。
紫花香薷 (Elsholtziaargyi)[11、12]、鸭跖草(Commelina
communis)[9、10、13、14]、酸模(Rumexacetosa)[15、16]等植物
对铜的富集特征及机理。
李氏禾(LeersiaHexandraSwartz)是中国境内首
次发现的湿生铬超富集植物[17、18],本文通过野外调查
和室内水培试验研究了李氏禾对铜的富集特征。
1 材料与方法
1.1野外采样
该调查区位于广西北部某电镀工业区 (E110.3°,
N24.51°),距桂林市约110km,该工业区产生的污水
含铜、铬、镍等重金属,废水经化学分类法处理后排入
附近一水塘中,然后再流入附近一条小河[19]。长期以
来在水塘中沉积了大量的铜、铬、镍等重金属,对水塘
及小河周围环境造成了一定的影响。水塘周围的植物
主要有李氏禾 (LeersiaHexandraSwartz)、凤尾竹
(Bambusamultiplexcv.Fernleaf)、马唐(Digitaria
sanguinnalis)、蒲公英(TaraxacumoficinaleW.)等,
其中李氏禾是当地的优势种群。2006年1月在水塘
周围布设6个采样点,分别采集李氏禾、淤泥和水样,
每个采样点采集李氏禾30株左右,淤泥1kg左右,
水样500mL。
1.2室内营养液培养
室内培养的李氏禾采自未受重金属污染的桂林
市桃花江边。将取回的样本洗净,选取具有4～6片叶
子的禾苗培养,采用 1/2强度的 Hoagland溶液,控制
植物生长环境 (14h光照,25℃白天/20℃晚上,相
对湿度70%～80%)。15d后,选取生长一致的禾苗
移植到容积约为2.0L的塑料桶中,每桶约30株李氏
禾。Cu以 CuSO4的形态加入,共设置 8个浓度:0
(CK)、5、10、15、20、25、30、40mg·L-1,每个处理设置
3个重复。每4d更换一次营养液,并保持营养液中铜
浓度恒定,50d收获植物。
1.3土壤与植物分析
淤泥样品自然风干、研磨,过100目筛后供分析
使用。
收获的植物样品先用自来水冲洗干净,用 0.1
mol·L-1的Ca(NO3)2溶液浸泡30min,然后用去离子
水冲洗3次,再用吸水纸把表面水吸干,将样品分为
根、茎、叶3部分。将新鲜样品放在烘箱内105℃杀青
30min,然后80℃烘干至恒重,磨碎,待测。
土壤样品用 HCl+HNO3+HClO4消解 (2∶2∶1,
体积比)[20],植物样品用 HNO3+HClO4消解(3∶1,体
积比)[9],野外取回的水样当天测定重金属含量。重金
属含量的测定均采用火焰原子吸收分光光度法
(PEAA-700)。
数据采用SPSS10.0软件进行显著性检验及均值
多重比较分析。
2 结果与分析
2.1电镀废水污染条件下李氏禾对铜的富集
电镀废水污染条件下生长的李氏禾对铜的富集
结果见表1。
由表 1可看出,李氏禾对铜具有很强的富集能
力。叶中铜含量最高达到2129.30mg·kg-1,平均含量
为1717.85mg·kg-1,6个采样点的李氏禾叶中铜含量
均超过 Baker和 Brooks提出的铜超富集植物临界
值 1000mg·kg-1[7];根和茎中铜的平均含量为533.42
mg·kg-1,最高可达到1171.20mg·kg-1。李氏禾叶中铜
含量显著高于水和淤泥中的铜含量,叶中铜含量与水
和淤泥中的铜含量之比最高分别达到 376.87和
27.00,说明李氏禾能够有效地从环境中吸收铜,并能
表1野外生长条件下李氏禾对铜的富集
Table1CopperuptakebyLeersiaHexandraSwartzinthepolutedpond
张学洪等:铬超富集植物李氏禾对铜的富集特征研究522
第27卷第2期 农 业 环 境 科 学 学 报
将其转运到地上部分。
由表1还可看出,由于电镀废水的长期排入,水
塘受到了比较严重的Cu污染。《中华人民共和国地
表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅲ类水质标
准规定地表水中 Cu≤1.0mg·L-1。若以此标准衡量,
各采样点Cu含量均超标。池塘淤泥对水中的重金属
离子产生吸附、螯合等作用,使得淤泥中 Cu含量也
较高。
2.2不同浓度的Cu处理对李氏禾生物量的影响
营养液培养结果表明,李氏禾能在含铜浓度为
0～40mg·L-1的营养液中存活,说明李氏禾对铜具有
较强的耐性。不同浓度铜处理条件下李氏禾单株生
物量见图1。
由图1可看出,过量的铜对李氏禾的生长有明显
的抑制作用。1/2强度的Hoagland营养液(对照)中
培养的李氏禾收获时生物量为 0.23g·plant-1,而含铜
浓度为 5mg·L-1的营养液中生长的李氏禾收获时生
物量为 0.153g·plant-1,在铜处理浓度为 40mg·L-1的
营养液中生长的李氏禾生物量最少,为0.10g·plant-1。
在含铜浓度为5～40mg·L-1条件下,李氏禾的生物量
与对照相比均有显著减少(P<0.05),而在含铜浓度
为 5～40mg·L-1的范围内,李氏禾生物量无显著差
异。
2.3营养液培养条件下李氏禾对铜的富集
营养液培养试验结果见表2。
由表2可看出在营养液培养下李氏禾根、茎、叶中
铜含量均较高。叶中铜含量为298.96~2357.26mg·kg-1,
叶对铜的生物富集系数为29.54~91.96。当培养液中
铜浓度为40mg·L-1时,叶中铜含量达到最大(2357.26
mg·kg-1),且显著高于其他浓度条件下铜含量
(P<0.05);当培养液中铜浓度为 10mg·L-1时,叶对
铜的生物富集系数达到最大(91.96),且显著高于其
他浓度条件下叶的生物富集系数(P<0.05)。李氏禾根
和茎也对铜表现出明显的富集作用,根中铜含量为
2414.93~7312.09mg·kg-1,茎中铜含量为 583.68~
2681.54mg·kg-1,根、茎中铜的最高生物富集系数分
别达到482.99和116.74。
3 讨论与结论
Baker和Brooks提出铜超富集植物的参考值,即
植物叶片或地上部(干重)铜含量超过1000mg·kg-1[7];
Reeves和 Baker进一步深化其内涵,即同时满足
S/R>1的条件(S和 R分别指植物地上部和根部重
金属的含量)[8]。目前,虽然在国内还没有关于铜超富
集植物的报道,但是对铜的富集植物关注较多。施积
炎等[9]通过营养液水培实验,得出在25μmol·L-1Cu处
理下,海州香薷植物根中 Cu含量都超过 1000mg·
kg-1;在培养液Cu浓度为50～100μmol·L-1时,地上部
Cu积累量为262～543mg·kg-1。田生科等[12]研究了铜
表2营养液培养条件下李氏禾对铜的富集作用
Table2CuconcentrationsinthetissuesofLeersiaHexandraSwartzgrowninnutrientsolution
注:结果为平均值±标准偏差(n=3);生物富集系数=植物组织中铜含量与营养液中铜含量之比;不同字母表示数值之间存在显著差异(LSD,P<
0.05)。
不同字母表示数值间存在显著差异 (LSD,P<0.05)
图1不同浓度铜处理对李氏禾生物量的影响
(平均值±标准偏差)
Figure1EfectsofCutreatmentonthebiomass
ofLeersiaHexandraSwartz(Means±SD)
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
CK 5 10 15 20 25 30 40
a
b b b
b b b b
浓度/mg·L-1
生
物
量
/g·
pl
an
t-1
/mg·kg DW
/mg·L
0 13.87±1.91 15.77±3.85 29.35±12.33
5 2 414.93±224.34d 583.68±192.54c 298.96±108.24c 482.99±44.87a 116.74±38.51a 59.79±21.65b
10 3 030.85±848.39cd 762.98±330.71c 919.58±292.32b 303.08±84.84b 76.30±33.07b 91.96±29.23a
15 4 115.34±492.38c 671.91±112.60c 961.11±137.22b 274.36±32.83c 44.79±7.51c 64.07±9.15b
20 5 442.09±124.24b 1 483.28±205.15b 1 047.04±152.20b 272.10±57.84b 74.16±10.26b 52.35±7.61bc
25 5 151.02±86.29c 1 615.28±556.76b 1 000.86±209.46b 206.04±3.45bc 64.63±22.27bc 40.03±8.38c
30 4 841.81±14.39bc 902.95±28.78c 886.27±111.79b 161.39±57.50c 30.10±0.96c 29.54±3.73c
40 7 312.09±810.46a 2 681.54±1019.36a 2 357.26±494.23a 182.80±49.77b 71.54±25.48b 58.93±12.36b
523
2008年3月
胁迫对紫花香薷富集铜的影响,得出在500μmol·L-1
Cu处理下,紫花香薷叶中Cu含量为最大 (160mg·
kg-1)。廖斌等[13]对不同种群鸭跖草的研究结果表明,
矿山型鸭跖草对 Cu的富集能力明显大于非矿山型
鸭跖草,在高浓度 Cu处理下,矿山鸭跖草的地上部
分Cu含量可超过1000mg·kg-1,并认为生长在高铜
介质中的矿山鸭跖草可以被看作是 Cu的超富集植
物[13]。
在本研究中,电镀废水污染池塘中6个采样点的
李氏禾叶片中的铜含量均高于 1000mg·kg-1的临界
值,平均为 1717.85mg·kg-1,且叶中铜含量均高于根
茎中铜含量。当培养液含铜浓度为10~40mg·L-1时,
叶片中铜含量均接近或超过1000mg·kg-1;当培养液
铜含量为40mg·L-1时,李氏禾叶片中的铜含量达到
2357.26mg·kg-1。这些结果表明李氏禾对铜具有很强
的富集能力,富集量超过了国内以前报道的任何一种
铜富集植物。
本研究野外调查区域与文献[17]相同,该区域
生长的李氏禾具有同源性。文献[17]的研究结果表
明,6个采用点的李氏禾样品叶中铬含量均高于
1000mg·kg-1,平均含量为1786.9mg·kg-1,说明该区
域的李氏禾种群对铬和铜具有相似的富集特征。
前期研究发现,污染区和未污染区李氏禾对铬的
富集能力和耐受能力无种群差异[18],未污染区的李氏
禾在含铬浓度为60mg·L-1的营养液中生长仍未出现
任何中毒症状。而本研究中发现,采用营养液培养时,
铜的加入对李氏禾的生长产生明显的抑制,出现叶片
发黄,根部萎缩,病虫害机率增加,含铜浓度为 5~40
mg·L-1的营养液中生长的李氏禾生物量均明显低于
对照,含铜浓度为5mg·L-1营养液中生长的李氏禾生
物量比对照减少了33%。野外调查的水塘受到铜、铬、
镍等多种重金属的污染,水体铜含量超过5mg·L-1,在
这种环境中李氏禾生长非常繁茂,说明野外生长的李
氏禾对这几种重金属的耐性均较强。造成这种现象的
原因,可能是不同种群的李氏禾对铜的耐性和富集能
力存在差异,在后续的研究中应开展不同种群李氏禾
对铜的富集差异性研究。
李氏禾是中国境内首次发现的湿生铬超富集植
物[17、18],多年生禾本科植物,繁殖能力强,生长非常迅
速,特别适合于潮湿生环境中生长。本研究发现李氏
禾对铜也有较强的富集能力,因此李氏禾在铜、铬污
染水体、湿地和土壤的修复中具有重要的价值,是一
种具有广阔前景的修复铜、铬等多种重金属污染的优
良物种。
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