濕地蘆葦對(duì)有毒重金屬元素的吸收和累積
摘要：通過(guò)對(duì)大冶市銅綠山銅礦區(qū)人工濕地中蘆葦?shù)囊巴庹{(diào)查和Cu、Pb、Zn、cd、Cr 5種有毒重金屬元素的測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)蘆葦對(duì)有毒重金屬元素具有良好的抗性。同時(shí)，該濕地蘆葦對(duì)5種重金屬元素的吸收和累積表現(xiàn)出兩種不同的模式：①蘆葦植物體內(nèi)Zn、Cu、Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分配百分比表現(xiàn)為根>葉>莖，且根組織中Zn、Cu、Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分配百分比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他組織(莖、葉)，而葉組織中略高于莖組織；②蘆葦體內(nèi)Pb和cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分配百分比表現(xiàn)為根>莖>葉，根、莖、葉組織中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分配百分比均較高且基本相當(dāng)，差異不明顯。生物富集系數(shù)的計(jì)算結(jié)果顯示，蘆葦不同組織(根、莖、葉)對(duì)有毒重金屬元素的生物富集能力存在較大差異，根組織的生物富集能力最大，且容易富集Pb和Cd；而莖、葉組織的生物富集能力較低，易富集Pb。
關(guān)鍵詞：有毒重金屬；吸收累積模式；生物富集能力；抗性；蘆葦；濕地
濕地系指不問(wèn)其為天然或人工、長(zhǎng)久或暫時(shí)之沼澤地、濕原、泥炭地或水域地帶，帶有或靜止或流動(dòng)、或?yàn)榈胂趟蛳趟w者，包括低潮時(shí)水深不超過(guò)6 m的水域。濕地對(duì)生態(tài)環(huán)境的改善與保護(hù)以及人類的生存和發(fā)展都具有重要的作用和意義。當(dāng)今，礦山環(huán)境問(wèn)題日益引起人們的關(guān)注，而利用濕地對(duì)有毒重金屬元素污染進(jìn)行植物修復(fù)已成為環(huán)境研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)。蘆葦作為一種大型的挺水植物，被廣泛且成功地應(yīng)用于濕地中有毒重金屬元素污染的植物指示、植物修復(fù)、植物萃取等研究。目前，國(guó)外學(xué)者對(duì)蘆葦中有毒重金屬元素的吸收、分布、遷移和釋放規(guī)律及毒害效應(yīng)等有了一定的認(rèn)識(shí)L2刮；而國(guó)內(nèi)對(duì)濕地蘆葦中有毒重金屬元素的研究尚處于起步階段。綜合來(lái)看，國(guó)內(nèi)外大多基于室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的模擬研究，野外研究較少；對(duì)大型礦山濕地環(huán)境蘆葦中有毒重金屬元素的研究甚少；同時(shí)，未見(jiàn)從吸收和累積模式角度的研究。因此，筆者嘗試進(jìn)行銅綠山銅礦尾砂庫(kù)外人工濕地中蘆葦對(duì)有毒重金屬元素吸收和累積模式的研究，另外對(duì)蘆葦不同組織(根、莖、葉)對(duì)有毒重金屬元素的富集能力以及蘆葦?shù)目剐赃M(jìn)行探討。
1研究區(qū)概況及研究方法
1．1研究區(qū)概況
研究區(qū)為位于湖北省大冶市銅綠山銅礦尾砂庫(kù)東側(cè)的人工濕地，主要承納尾砂庫(kù)廢水。廢水經(jīng)濕地凈化后，與三里七湖、天子湖及大冶湖水體連通(圖1)。尾砂庫(kù)西為大冶市銅綠山銅礦露天采場(chǎng)，礦石加工及選礦車間也位于附近，礦塵較多。
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1．2樣品采集及測(cè)試分析
如圖1所示，于2006年8月下旬(蘆葦處于前生殖生長(zhǎng)期)在濕地中7個(gè)采樣點(diǎn)，配套采集蘆葦和底泥樣品，共計(jì)28件。其中，每個(gè)點(diǎn)位至少采集10株長(zhǎng)勢(shì)良好的蘆葦，蘆葦水下部位利用采樣點(diǎn)附近的濕地水現(xiàn)場(chǎng)沖洗。室內(nèi)先用自來(lái)水沖洗蘆葦3遍后，按根、莖、葉分離，再用二次蒸餾水沖洗3遍。所有樣品在75。C條件下烘干至恒重，粉碎成細(xì)碎粉末過(guò)孑L徑為o．28mm(60目)的尼龍篩。實(shí)驗(yàn)前在75℃條件下再次烘干至恒重后，稱取0.2500g(誤差±0000 3 g)蘆葦樣品裝入消解罐，并順序添加2 mL HNO。(優(yōu)級(jí)純)，o．5 mL HO。，6 mL H：O，密封消解罐，放入Mars 5型(美國(guó)CEM公司)微波消解器中，采用勻速升溫消解程序進(jìn)行三步密閉消解[7]，消解完全后，待消解罐冷卻至50。C以下，將其取出移至通風(fēng)櫥放氣。將消解所得溶液過(guò)濾并移入比色管中，用去離子水定容至25 mL，送原子吸收實(shí)驗(yàn)室搖勻測(cè)定。Cu、Pb、Zn、Cd、Cr 5種重金屬元素均采用火焰原子吸收光譜法測(cè)定，測(cè)試儀器為PE800—AAS型原子吸收光譜儀(美國(guó)PE公司)。實(shí)驗(yàn)樣品的制備、前處理以及測(cè)試分析均在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。
2不同組織中重金屬元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)
蘆葦不同組織中重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。各元素在蘆葦不同組織的分布特征見(jiàn)圖2，線段分別指7個(gè)樣品中各重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最小值、平均值和最大值。
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由圖2可以看出，同一種重金屬元素在蘆葦根組織中的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，而莖、葉組織中的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)則相對(duì)偏低。蘆葦同一組織中各種重金屬元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有較大差異。
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蘆葦根組織中5種重金屬元素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為：叫(Cu)>(Zn)>(Pb)>(Cr)>(Cd)。其中，Cu和Zn是植物生長(zhǎng)的必需元素，其在蘆葦根組織中的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，分別為447．94，439．90 mg／kg；最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別高達(dá)670．90，633．20 mg／kg。Pb、Cr和Cd的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)則相對(duì)偏低，分別為154．61，31．33，6．45 mg／kg；其最大值分別為202．80，45．20，10．46 mg／kg。蘆葦莖組織中5種重金屬元素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為：(Pb)>(Zn)>(Cu)>(Cr)>(Cd)。(Pb)平均為147．04 mg／kg，最大為278．70 mg／kg。Zn和Cu的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較高，分別為139．94，87．34 mg／kg，最大分別為168．28，131．15 mg／kg。Cr、Cd的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為29．56，1．33 mg／kg和最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為41．94，3．15 mg／kg。
蘆葦葉組織中5種重金屬元素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為：Zn>Pb>Cu>Cr>Cd。Zn、Cu和Cd的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于根組織而高于莖組織，分別為175．43，114．74，1．96 mg／kg；最大值分別為303．60，174．00，3．13 mg／kg。而Pb和Cr的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為126．56，24．23mg／kg，兩者均依次低于莖組織和根組織平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
與前人研究提出的植物中有毒重金屬元素的毒性閾值(表2)相比，此研究中蘆葦樣品Cu、Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)已超出Kabata—Pendias等提出的毒性閾值，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Borkert等提出的毒性閾值。叫(Cd)雖介于Kabata—Pendias等提出的毒性閾值內(nèi)，但已接近其上限。蘆葦?shù)厣辖M織中Zn Outridge等提出的植物地上組織中Zn平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)的兩倍多；Pb是未受污染的淡水植物中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10多倍，Beckett等認(rèn)為植物體內(nèi)的Pb>27 mg／kg便會(huì)產(chǎn)生毒性，筆者所研究的蘆葦樣品中叫(Pb)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)該閾值，但未超出Kabata—Pendias等提出的植物毒性閾值。植物對(duì)有毒重金屬元素的抗性是指植物能夠在有毒重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的環(huán)境中存活而不出現(xiàn)生長(zhǎng)率下降或死亡等毒害癥狀，并且植物對(duì)有毒重金屬元素的抗性可以通過(guò)避性和耐性兩種途徑獲得。Tomsett等很早就提出蘆葦對(duì)重金屬元素有較高的抗性。
因此，通過(guò)以上比較分析發(fā)現(xiàn)，蘆葦對(duì)大冶濕地中高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的有毒重金屬元素(尤其是Cu、Zn、Cd、Pb等)具有良好的抗性。
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3不同組織對(duì)有毒重金屬元素的吸收和累積模式
據(jù)蘆葦不同組織對(duì)有毒重金屬元素吸收和累積的研究表明：蘆葦根組織更容易吸收和累積各種有毒重金屬元素。大冶濕地中蘆葦對(duì)各種有毒重金屬元素的吸收和累積也遵循這一規(guī)律。另外，Aksoy等提出有毒重金屬元素在植物不同組織中的累積規(guī)律為：根>莖>葉。江行玉等也發(fā)現(xiàn)蘆葦幼苗中伽(Pb)遵循該規(guī)律。但與前人研究結(jié)論有所不同，據(jù)圖2，3可知，筆者所研究的蘆葦樣品對(duì)不同重金屬元素的吸收和累積表現(xiàn)出兩種模式。
對(duì)元素Zn、Cu、Cd而言，蘆葦根組織中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(圖2)及分配百分比(圖3)最高，分別高達(dá)56．94％，66．68％和60．25％。Romheld[19]曾提出，禾本科植物根組織能夠分泌一種缺鐵性分泌物——麥根酸類(phytosiderophores)，這種物質(zhì)在活化底質(zhì)中難溶性Fe元素的同時(shí)，也能夠活化Cu、Zn、Cd及Mn等其他金屬元素，從而促進(jìn)根組織對(duì)這些元素的吸收。與蘆葦根組織相比，莖、葉組織中Zn，Cu，Cd 3種重金屬元素的分配百分比(圖3)較低，大致為12．73％左右，最高也僅為24．12％，但葉組織均高于莖組織。目前，Aksoy等。發(fā)現(xiàn)，植物中有毒重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)該是莖組織大于葉組織，但Vymazal等心陽(yáng)在比較研究人工濕地與天然濕地中蘆葦、稿草兩種植物中的重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，葉組織中含量高于莖組織，這與大冶濕地蘆葦?shù)那闆r相吻合。結(jié)合大冶當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，筆者認(rèn)為其可能原因有兩個(gè)：①濕地附近有銅綠山銅礦露天采場(chǎng)和礦石加工冶煉廠以及尾砂庫(kù)周圍的私人二次選礦廠，采礦、選礦及礦石加工冶煉等過(guò)程均會(huì)產(chǎn)生大量粉末礦塵，濕地蘆葦通過(guò)葉面吸收和吸附這些金屬礦塵從而造成葉組織的zn、Cu、Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于莖組織；②可能與蘆葦植物本身的生理特性有關(guān)，例如蘆葦在進(jìn)行光合作用時(shí)，通過(guò)吸收水分和無(wú)機(jī)鹽的形式，將Zn、Cu、Cd從根、莖組織遷移并富集到葉組織，而較少在莖組織中累積，從而造成葉組織中這3種元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于莖組織。同時(shí)，Clemens等研究發(fā)現(xiàn)，植物葉組織中的液泡更容易富集重金屬元素。
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而對(duì)于Pb和Cr元素，蘆葦各組織間的分配百分比(圖3)均較高，分配比例大致均為30％。與前一種吸收和累積模式相同，根組織中質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分配百分比也高于地上組織(莖、葉)，但明顯不同的是：這兩種有毒重金屬元素在蘆葦各組織間的分配大致相當(dāng)，且莖組織中元素的分配百分比高于葉組織。對(duì)蘆葦中有毒重金屬的研究表明：蘆葦?shù)牡厣辖M織(莖葉)不容易富集Pb和Cr[22]。但Fitzgerald等采自愛(ài)爾蘭舒爾河河口的蘆葦樣品中Pb在各組織中質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分配百分比也基本相當(dāng)。另外，筆者所在的課題組于2004年獲得的洞庭湖濕地?cái)?shù)據(jù)(未公開(kāi)發(fā)表)也表明蘆葦各組織中叫(Pb)及分配百分比均較高且相差不大。對(duì)于植物體內(nèi)Pb、Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)高且組織問(wèn)分配均勻的現(xiàn)象及其原因，目前的文獻(xiàn)基本未見(jiàn)報(bào)道。結(jié)合大冶濕地的環(huán)境條件以及周圍的實(shí)際情況，筆者認(rèn)為這種現(xiàn)象可能主要是由人工濕地中蘆葦?shù)闹参飳W(xué)和生理學(xué)特性造成的；另外也可能與重金屬元素的地球化學(xué)性質(zhì)以及當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境條件(包括底泥的理化性質(zhì)等)有較大的關(guān)系。研究表明，植物的種群、種類、年齡和生長(zhǎng)階段、季節(jié)變化、組織差異、根部有無(wú)鐵錳膠膜等均決定著植物對(duì)重金屬元素的吸收和累積[23屯“。宋阿琳等朝研究發(fā)現(xiàn)不同水稻品種對(duì)重金屬元素吸收與累積的差異很大，這說(shuō)明對(duì)于同一類植物，物種的變異(變種蘆葦)會(huì)很大程度地影響植物對(duì)于重金屬元素的吸收和累積，這可能是大冶人工濕地蘆葦對(duì)Pb、Cr的吸收和累積模式出現(xiàn)差異的主要原因。
4 不同組織的生物富集能力比較結(jié)論
目前，關(guān)于植物對(duì)有毒重金屬元素富集能力的研究主要通過(guò)計(jì)算和比較生物富集系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。筆者所涉及到的生物富集系數(shù)是指有毒重金屬元素在蘆葦不同組織(根、莖、葉)中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對(duì)應(yīng)底泥中該元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值(表3)。分析生物富集系數(shù)(圖4)可以發(fā)現(xiàn)，一方面，蘆葦根組織對(duì)各種有毒重金屬元素的生物富集能力大于莖、葉組織。對(duì)于Cu、Zn、Cd而言，被蘆葦植物吸收后，絕大部分被富集在根組織中，僅有少量向莖、葉組織遷移，根組織充當(dāng)了3種元素在植物體內(nèi)遷移的“生理一生物化學(xué)障”[26]；蘆葦不同組織對(duì)3種有毒重金屬元素的生物富集能力表現(xiàn)為：根>葉>莖。但是，蘆葦不同組織對(duì)Pb、Cr的生物富集能力則表現(xiàn)為：根>莖>葉，同時(shí)蘆葦不同組織對(duì)Pb的生物富集能力均較大(生物富集系數(shù)均大于1)且相當(dāng)。另一方面，蘆葦根組織對(duì)不同重金屬元素的生物富集能力遵循：Pb>Cd>Zn>Cr>Cu；而莖、葉組織則循：Pb > Cr > Zn > Cd > Cu。
總之，大冶濕地中蘆葦根組織對(duì)重金屬元素的生物富集能力最大，且比較容易富集Pb和Cd；莖、葉組織生物富集能力較低，易于富集P10。
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(1)研究區(qū)蘆葦根、莖、葉組織中5種有毒重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次分別為：Cu>Zn>Pb>Cr>Cd；Pb>Zn>Cu>Cr>Cd；Zn>Pb>Cu>Cr>Cd。
(2)研究區(qū)蘆葦對(duì)有毒重金屬元素的吸收和累積遵循兩種不同的模式：zn、Cu、Cd在蘆葦植物體內(nèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分配百分比表現(xiàn)為根>葉>莖，且
它們?cè)诟M織中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分配百分比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他組織(莖、葉)，葉組織略高于莖組織；而蘆葦對(duì)Pb和Cr吸收和累積則遵循：根>莖>葉，根、莖、葉組織問(wèn)Pb和Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分配百分比較高且基本相當(dāng)，差異不明顯。
(3)研究區(qū)蘆葦中Cu、Zn、Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)前人研究提出的植物中有毒重金屬元素的毒性閾值，硼(Pb)雖未超過(guò)毒性閾值標(biāo)準(zhǔn)，但也是未受污染的淡水植物中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10多倍。由此，說(shuō)明蘆葦對(duì)濕地中高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的有毒重金屬元素(尤其是Cu、Zn、Cd、Pb等)具有良好的抗性。
(4)比較生物富集系數(shù)發(fā)現(xiàn)：根組織對(duì)重金屬元素的生物富集能力最強(qiáng)，且比較容易富集Pb和Cd；而莖、葉組織的生物富集能力較低，易富集Pb。
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