凤眼莲对重金属离子铅的净化能力研究

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  [摘要] 为了研究凤眼莲对含铅废水的处理效果,本实验通过将凤眼莲放入含有铅离子的培养液中进行室内静态培养后,利用原子吸收光度仪分别对培养液、凤眼莲根茎及叶片所积累的铅离子进行定量测定,研究不同大小的凤眼莲个体对重金属离子铅的积累、净化能力。实验结果表明:凤眼莲对铅离子的积累净化能力随着凤眼莲个体大小的增大和放养时间的延长而增加,而铅离子主要被积累在根、茎中。
  [关键字] 凤眼莲 铅离子 净化
  [中图分类号]X52 [文献码] A [文章编号] 1000-405X(2013)-2-160-3
  0 引言
  铅是环境中分布较广,危害严重的重金属之一,含铅废水严重危害着生态环境和人类健康,对其合理处理将对改善生态环境,保护人体健康有重要意义。
  从20世纪70年代初期,在污水处理中已经提出用水生植物将污染物的浓度降低到相当于二级、超二级和三级水平。这是一种经济节能和有效的污水处理技术。
  凤眼莲(EichhorniaCrassipes),又名水葫芦[1],雨久花科,在我国四川、云南等省份的广大湖泊、水库分布较广。在造成生物入侵的同时,又以其耐污、去污能力强等特点,成为污水处理工程及生态湿地污水处理系统中重要的水生植物,目前国内对凤眼莲在特定水环境条件下的对铅离子吸收和积累规律的系统研究较少。
  近年来,致力于水环境治理的工作者通过不同方式研究凤眼莲(EichhorniaCrassipes)对水中重金属铅离子的净化作用[2-7],研究结果表明凤眼莲对重金属铅的富集和净化能力较强,从一定程度上可以改善水体水质[3]。
  从环境保护以及资源利用的角度比照国内外相关研究文献,对于凤眼莲在不同时间、不同植株类型、植株的不同部位的吸附富集能力及效果进行同时研究的较少,本文旨在研究凤眼莲在不同个体大小、不同放养时间的情况下对水体的净化效果,同时研究其不同部位对重金属铅的吸附积累能力大小,从而得出凤眼莲不仅在废水治理中具有重要作用,而且结合本实验结果,针对凤眼莲叶片含有重金属量较低的情况,可以对其进行合理的资源利用[8]。
  2012年9月,通过采用不同的植株大小(以干重计),在pH为6~9范围及培养水温为25℃~30℃的培养液中,进行自然光照连续培养7天培养,研究凤眼莲的不同个体大小在短期内对铅离子的吸收、积累、净化能力,同时通过采取凤眼莲不同部位的器官进行湿法微波消解预处理后,进行原子吸收定量测定,分析其不同部位对重金属铅的积累、净化能力,为凤眼莲处理含铅废水及合理的资源利用提供理论依据和相关数据。
  1 材料准备
  材料凤眼莲取自于南充市清泉坝有机蔬菜基地蓄水池,所有实验植株都是预先经过驯化培养和挑选后分别按植株大(干量大于180g)、中(干量在100g80g)、小(干量小于100g)三个梯度培养,各个梯度选取10株健壮完好的植株,在含定量铅离子培养液中培养,整个实验在室内进行,水温控制在25~30℃,自然光照。
  仪器PE带石墨炉装置原子吸收分光光度计(AA800/AS800)、氘灯背景校正装置及其他有关附件,MDS-6型温度压力双控自动变频微波消解仪。
  试剂:所有试剂药品均来源于天津化学试剂三厂,分析纯。
  营养液:由0.25mmol/LKNO3、0.25mmol/LCa(NO3)2、0.20mmol/LMgSO4、0.20mmol/LKH2PO4、0.20mmol/L NH4CL组成。
  铅离子储备液:准确称取0.1599gPb(NO3)2溶于二次重蒸馏水后,移入1000mL容量瓶中,稀释至标线,摇匀。每毫升溶液含100mg的铅。
  培养液(培养基质) 由营养液稀释铅离子储备液而成。
  硝酸 分析纯。
  硫酸 分析纯。
  2 方法
  据南充市实际气候因素,9月份气候高温高湿,凤眼莲处于生长旺季,选取生长健壮的植株进行培养,对研究凤眼莲积累、净化铅离子实验具有决定性作用。
  由于凤眼莲处于生长旺季,在含有不同浓度的含铅培养溶液中,植株的耐受性不同,在含高浓度铅离子的溶液中,若长期培养,可能造成植株死亡,为此进行为期7天的短期培养。
  根据实验要求,利用移液管定量吸取铅离子标准储备液,用营养液稀释,配制成3.8ppm的铅离子培养液。再将该培养液以每盆2.5L定量分装于每个塑料盆(直径为25cm,高为12.5cm)中,将预先挑选好的生长健壮、无损,根系气囊较发达的凤眼莲植株按大、中、小三个层次分别放养,每个梯度放养10株,观察其生长状况,进行静态实验。根据7天的试验期安排,每天定时采取培养液水样和生长健康的凤眼莲植株。
  通过对凤眼莲整个植株表面进行三次蒸馏水清洗,分解出根茎部位及叶片部分,分别全部置入陶瓷消解釜,加入分析纯的硝酸、硫酸浸泡30min后,将消解釜放入微波消解仪中,在压力为5.0Mpa、温度160℃条件下湿法处理1h。用PE石墨炉原子吸收分光光度仪绘制铅离子标准曲线,分别测定水样铅离子浓度及硝酸、硫酸混合消解溶液铅离子总量[9],同时利用已知浓度的环境标准物质样品作为本次测定的结果准确性的判定依据。利用环境监测常用统计方法进行离群值检验,结合生物统计学等数学分析方法进行平均值统计,最后对统计结果进行分析和讨论[10][11]。
  3 实验结果及讨论
  3.1 实验结果
  凤眼莲通过7天放养后,所有实验数据见表1。
  由表1看出,随着放养时间的延长,大型凤眼莲植株培养液中,铅离子浓度变化由第1天的最大值2.831ppm下降至第7天的0.2ppm左右,下降率达93%,中、小型植株培养液中铅离子浓度也呈现明显下降趋势。根茎上最大富集量达到2883.8ppm,叶片富集量最大为362.4ppm,由此说明凤眼莲对铅离子的吸附富集主要集中在根莖上。   同时可以看出凤眼莲对铅离子的吸附作用主要集中在第3天与第4天,在此后可能由于其吸附能力接近饱和,培养液中铅离子浓度变化区域平缓。由此可认为,较大型的凤眼莲对重金属铅离子具有明显的吸附作用,并随着放养时间的延长,吸附能力逐渐减弱,因此,在利用凤眼莲处理含铅废水的时候,把握住适当的时间进行捞取与投放。
  3.2 凤眼莲的不同器官对铅离子的富集情况
  从表2可以看出:铅离子主要在根茎中富集,平均富集量为2722.3pm,最高可达2906.8ppm,富集平均百分比可达91.6%,富集系数最高达764.95,而在叶片中的最大富集量仅为764.94ppm,富集平均百分比仅为8.4%,富集系数最高764.95,从富集系数比例也可以得出根茎对铅离子的富集能力是叶片富集能力的9倍。
  铅不是凤眼莲的必需矿质元素,但铅在10~20ppm条件下对凤眼莲有影响,效果不明显[12],凤眼莲对其有较强的耐受极限。铅通过交换吸附作用到根的表面,在根系的表皮细胞膜上有铅离子的蛋白质载体,吸附到根表面的铅离子通过主动运输进入根系,之后随水分沿表皮和皮层向上自由扩散,被凯式带所阻[13][14],而少量的铅离子则以蒸腾作用为动力随水分运输到植物器官的各部分,故而铅离子在根茎的富集远远大于叶。针对凤眼莲根茎及叶片对铅离子的富集作用,结合生物统计知识利用单因素方差分析结果为413.07,进一步说明凤眼莲的不同部位的富集作用是显著不同的,因此,由于其叶片的吸附富集能力弱,进而在水处理过程中可以对适当对叶片进行资源利用。
  3.3 凤眼莲不同个体大小对铅离子的净化效果
  通过表3统计结果可以看出,不同放养层次(大、中、小三个层次)的水质剩余含铅量的平均值分别为0.2185ppm、0.3677ppm、0.6648ppm,由此说明,大、中、小三个层次的凤眼莲对水体中铅的去除率是逐渐增大的,其中,大型植株的凤眼莲去除率最高,达到94.25%。应用单因素重复法对其分析结果呈现显著差异,这说明适当增大放养植株(本实验为225g左右),可以增加凤眼莲对水体中铅离子的去除效率。相关研究表明水体中的凤眼莲覆盖面积为30%时[15],对水体系统影响不大,而超过这个比例则会对水体自然系统造成压力[16],所以在考虑有效覆盖面积的前提条件下,合理选择适当个体,避免盲目加大凤眼莲的植株个体,从而诱发水质环境问题。
  3.4 放养时间对净化效果的影响
  通过表4可以看出,在含铅培养液中通过7天的凤眼莲放养实验,随着放养时间的增加培养液水体中铅离子浓度或含量呈现显著变化,培养液中铅离子含量由第一天的最大值2.831ppm下降至第7天的0.2ppm左右,下降率达93%,培养水体中铅离子含量随时间的推移其浓度呈现下降趋势。同时从表5统计结果看出,第1天平均去除率仅为25.4%,到底7天平均去除率达到89.1%,由此得出凤眼莲对水体中铅离子的去除效率随着放养时间的延长而呈持续增高趋势。
  综合分析,在利用凤眼莲净化水体水质过程中,随着放养时间的推移,其对水体中铅离子去除率逐渐升高,水体中的铅含量也逐渐降低,由此说明凤眼莲净化水体水质的效果与时间成正相关。
  4 结论
  通过研究得出以下结论:
  凤眼莲不同器官对铅的吸收富集能力不同,其根茎的富集总量远远大于叶,这与其他研究凤眼莲净化水质的研究结论相似[17][18]。
  凤眼莲不同质量个体对水体中的铅去除率不同,随凤眼莲个体大小的增加,植物各器官的铅含量有相应减少之势,但富集铅的总量仍有所提高,去除率升高,这些结果说明了适当采用植株较大的凤眼莲是减少水体中含铅量的措施之一。
  凤眼莲随放养时间的延长,吸收铅的量也逐渐增加,去除率也增加,在7天后可达90%左右。除此以外,凤眼莲对铅的净化作用可能还与温度有关,因为在冬季,温度下降致使酶的活性降低,对铅的吸收有抑制作用;反之,在夏季,温度上升,可以达到酶的最大活性温度,从而促进其对铅的吸收。凤眼莲对铅的吸收与温度的关系,还需要在以后的研究中探讨。
  综合以上分析,凤眼莲对铅具有良好的生物净化能力,可作为含铅废水处理的水生植物[19]。但在选择这种植物净化水体时,应注意选取最佳植株大小和適宜条件,以控制它的生长规模,避免诱发水体环境问题[20]。
  Studies on the accumulation and purification capability of Eichhornia crassipes for heavy metal ions of lead
  HE Hu-Jun,PENG-Dong,LEI-Xiong
  (1. NanChong Environmental Monitoring Center Station,NanChong,SiChuan 637000
  2.MeiShan Environmental Monitoring Center, MeiShan, SiChuan 620020)
  Abstract:This paper is to study the removal effect of heavy metal lead out of the wastewater by Eichhornia Crassipes. E. crassipes was cultured in static mode under laboratory-conditions, and atomic absorption spectrophotometer was employed to quantitative determinate the concentration of ion-lead in wastewater, roots, stems and leaves of E. crassipes respectively. The absorption of ion-lead by E. crassipes with different size and the purification effects were analyzed. It is resulted that the accumulation and purification effects increased with body size and cultivation time, and the concentration of ion-lead in E. Crassipes was much more in roots and stems than in leaves.   Key words:Eichhornia crassipes lead ion purification
  参考文献
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