濕地蘆葦對有毒重金屬元素的吸收和累積
摘要：通過對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試分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)蘆葦對有毒重金屬元素具有良好的抗性。同時，該濕地蘆葦對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)的計算結(jié)果顯示，蘆葦不同組織(根、莖、葉)對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
濕地系指不問其為天然或人工、長久或暫時之沼澤地、濕原、泥炭地或水域地帶，帶有或靜止或流動、或為淡水、半咸水或咸水水體者，包括低潮時水深不超過6 m的水域。濕地對生態(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)境問題日益引起人們的關(guān)注，而利用濕地對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。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，國外學(xué)者對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L2刮；而國內(nèi)對濕地蘆葦中有毒重金屬元素的研究尚處于起步階段。綜合來看，國內(nèi)外大多基于室內(nèi)培養(yǎng)實驗的模擬研究，野外研究較少；對大型礦山濕地環(huán)境蘆葦中有毒重金屬元素的研究甚少；同時，未見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外人工濕地中蘆葦對有毒重金屬元素吸收和累積模式的研究，另外對蘆葦不同組織(根、莖、葉)對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東側(cè)的人工濕地，主要承納尾砂庫廢水。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)。尾砂庫西為大冶市銅綠山銅礦露天采場，礦石加工及選礦車間也位于附近，礦塵較多。
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1．2樣品采集及測試分析
如圖1所示，于2006年8月下旬(蘆葦處于前生殖生長期)在濕地中7個采樣點，配套采集蘆葦和底泥樣品，共計28件。其中，每個點位至少采集10株長勢良好的蘆葦，蘆葦水下部位利用采樣點附近的濕地水現(xiàn)場沖洗。室內(nèi)先用自來水沖洗蘆葦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)碎粉末過孑L徑為o．28mm(60目)的尼龍篩。實驗前在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)級純)，o．5 mL HO。，6 mL H：O，密封消解罐，放入Mars 5型(美國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。將消解所得溶液過濾并移入比色管中，用去離子水定容至25 mL，送原子吸收實驗室搖勻測定。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定，測試儀器為PE800—AAS型原子吸收光譜儀(美國PE公司)。實驗樣品的制備、前處理以及測試分析均在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)教育部重點實驗室完成。
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)見表1。各元素在蘆葦不同組織的分布特征見圖2，線段分別指7個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便會產(chǎn)生毒性，筆者所研究的蘆葦樣品中叫(Pb)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該閾值，但未超出Kabata—Pendias等提出的植物毒性閾值。植物對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)生長率下降或死亡等毒害癥狀，并且植物對有毒重金屬元素的抗性可以通過避性和耐性兩種途徑獲得。Tomsett等很早就提出蘆葦對重金屬元素有較高的抗性。
因此，通過以上比較分析發(fā)現(xiàn)，蘆葦對大冶濕地中高質(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不同組織對有毒重金屬元素的吸收和累積模式
據(jù)蘆葦不同組織對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不同重金屬元素的吸收和累積表現(xiàn)出兩種模式。
對元素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，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)氐膶嶋H情況，筆者認(rèn)為其可能原因有兩個：①濕地附近有銅綠山銅礦露天采場和礦石加工冶煉廠以及尾砂庫周圍的私人二次選礦廠，采礦、選礦及礦石加工冶煉等過程均會產(chǎn)生大量粉末礦塵，濕地蘆葦通過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，通過吸收水分和無機鹽的形式，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，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數(shù)據(jù)(未公開發(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。對于植物體內(nèi)Pb、Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)高且組織問分配均勻的現(xiàn)象及其原因，目前的文獻(xiàn)基本未見報道。結(jié)合大冶濕地的環(huán)境條件以及周圍的實際情況，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、年齡和生長階段、季節(jié)變化、組織差異、根部有無鐵錳膠膜等均決定著植物對重金屬元素的吸收和累積[23屯“。宋阿琳等朝研究發(fā)現(xiàn)不同水稻品種對重金屬元素吸收與累積的差異很大，這說明對于同一類植物，物種的變異(變種蘆葦)會很大程度地影響植物對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)于植物對有毒重金屬元素富集能力的研究主要通過計算和比較生物富集系數(shù)來實現(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，蘆葦根組織對各種有毒重金屬元素的生物富集能力大于莖、葉組織。對于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Pb、Cr的生物富集能力則表現(xiàn)為：根>莖>葉，同時蘆葦不同組織對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
它們在根組織中的質(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Pb和Cr吸收和累積則遵循：根>莖>葉，根、莖、葉組織問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，說明蘆葦對濕地中高質(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)：根組織對重金屬元素的生物富集能力最強，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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