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阳宗海大型水生植物对砷的吸收、富集特征及机理

潘义宏  
【摘要】:2008年5月,云南阳宗海发生了砷污染事件,水体中的砷含量平均达0.117 mg·L-1,按湖泊库容6亿m3的水量计,入湖砷量高达70 t。植物修复技术具有经济有效和环境友好等优点而备受关注,在As污染水体筛选出对As具有高富集能力的水生植物,并将其运用于As污染水体的治理便显得重要和迫切。 本研究首先对云南阳宗海大型水生植物进行野外调查,初步筛选出对砷具有不同富集能力的水生植物,为阳宗海等砷污染水体的植物修复提供较适合的植物种质资源;其次,选取不同砷富集能力的植物各1种[黑藻(Hydrilla verticillata (Linn. f.) Royle.)、金鱼藻(Ceratophyllum demersum L.)、竹叶眼子菜(Potamogeton malaianusMiq.)],通过室内添加不同形态和价态砷(As(Ⅲ)、As(Ⅴ)和二甲基胂DMA)的水培实验,研究植物对砷吸收、分布和富集规律,研究砷在植物亚细胞的区隔化、主要酶活性(抗氧化酶系)的变化机理及其与砷吸收和富集的关系;再次,选取同一砷浓度进一步研究影响植物吸收砷的主要因素(磷酸盐、铁盐和pH)。结果表明: 1.阳宗海中的植物长势良好,未发现受害症状。水体As严重污染,Pb轻度污染,Zn、Cu和Cd均未超过地表水Ⅲ类标准(GB 3838—2002)。9种沉水植物同时对As、Zn、Cu、Cd、Pb的富集系数(植物全株重金属含量与水中该元素含量的比值)远大于1,具有共富集特征。在平均含As 0.175 mg·L-1的水中,金鱼藻、黑藻、小眼子菜、八药水筛全株As平均含量分别为(150±7.3)、(179±35)、(92±31)、(265±21)mg·kg-1(干重),对As具有较强富集能力;对于8种湿生和挺水植物,北部采样点的喜早莲子草、田栖稗、细叶小苦荬和长芒稗对As,长芒稗、细叶小苦荬、圆果雀稗、水蓼和风车草对Cd,海芋和圆果雀稗对Zn的富集系数(植物地上部重金属含量与底泥中该元素含量的比值)以及圆果雀稗对Cd和Zn转移系数(植物地上部重金属含量与根中该元素含量的比值)均大于1。聚类分析结果表明,金鱼藻、黑藻、八药水筛、小眼子菜、穗状狐尾藻5种水生植物同时对As、Zn、Cu、Cd、Pb具有较强的吸收和富集能力,在重金属复合污染水体修复中具有较大潜力。 2.3.0和5.0 mg·L-1的As(Ⅲ)和As(Ⅴ)显著抑制黑藻、金鱼藻和竹叶眼子菜生物量,其中As(Ⅲ)的抑制最明显;3种植物对As(Ⅲ)的吸收最大,其次是As(Ⅴ)和DMA。As(Ⅲ)、As(Ⅴ)和DMA处理下,黑藻对As的最大吸收量分别达到(689.49±33.39)、(375.7±55.45)、(109.12±8.63)mg·kg-1,均显著高于金鱼藻和竹叶眼子菜;3种植物在浓度1.0 mg·L-1不同形态As培养条件下对As的动态吸收表明,黑藻、竹叶眼子菜对As(Ⅲ)和DMA、金鱼藻对As(Ⅴ)的吸收在第6 d后达到较高水平,金鱼藻对As(Ⅲ)吸收在第2 d后就能达到较高水平,竹叶眼子菜对As(Ⅴ)的吸收在第4 d能达到较高水平;不同浓度As(Ⅲ)和As(Ⅴ)处理,As在3种植物叶细胞各组分中主要分布在细胞壁和以液泡为主的细胞质可溶部分中,而在叶绿体和线粒体中As含量较少。3种植物不同DMA浓度处理,As主要分布在细胞壁,以液泡为主的细胞质可溶部分中分布较少。 3.偏酸性条件(pH=5.0)能显著提高黑藻、竹叶眼子菜对As(V)的吸收,偏酸和偏碱(pH=9.0)环境显著抑制黑藻对As(Ⅲ)的吸收;低浓度Fe2+显著抑制竹叶眼子菜对As(Ⅲ)的吸收,不同浓度Fe2+处理均显著提高3种植物对As(Ⅴ)的吸收。黑藻、金鱼藻在高浓度(1.5 mg·L-1)Fe3+处理下能显著提高其对As(Ⅲ)的吸收,不同浓度Fe3+处理均显著提高了金鱼藻、竹叶眼子菜对As(V)的吸收;3种不同浓度的磷酸盐均显著抑制了3种植物对As(Ⅲ)的吸收。 4.不同形态As处理下,金鱼藻超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性显著高于黑藻和竹叶眼子菜,但高浓度As能显著抑制金鱼藻SOD活性,不同As浓度均能显著提高金鱼藻POD活性,不同浓度As(Ⅲ)、As(Ⅴ)处理,黑藻、金鱼藻过氧化氢(CAT)活性显著高于竹叶眼子菜,高浓度As处理能显著提高这两种植物CAT活性;不同浓度DMA处理,黑藻、竹叶眼子菜CAT活性显著高于金鱼藻;总体来看,3种植物抗氧化能力大小分别为金鱼藻黑藻竹叶眼子菜,并且POD和CAT在抗氧化体系中起到关键作用。


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