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针叶草对重金属污染矿井污水的植物修复

*通信:

Nurfitri AG)爱媛大学理工科研究生院地球科学系，日本松山7908577,2-5文教丘，日本电话:+ 818062870755;电子邮件: (电子邮件保护)

摘要

莎草科水生大型植物针叶草家庭在实验室和现场实验中已被报道为as、Fe、Ag、Cd、Cs、Cu、In、Pb和Zn等重金属的超蓄能器。本研究旨在研究针叶树在富含重金属的矿山废水中的重金属富集情况，揭示针叶树对重金属的吸收能力浪费在针叶草中添加硅肥进行植物修复。在日本西南部的一个矿区，将针叶虫浮垫移植到两个矿井废水池中。结果表明，针叶藻对水体中Fe、Cu、Zn、As和Pb的生物富集因子表明针叶藻是水体中重金属的过度蓄能器。而硅肥的添加对针叶草中硅含量与重金属的相关性没有影响。

关键字

Eleocharis acicularis；植物修复;硅肥

简介

重金属对土壤和地下水的污染在世界范围内是一个严重的问题，几个国家正在进行的研究正在解决这些环境问题[1，2］．重金属是指密度较高的金属元素。它们通过采矿、冶炼和其他金属工业作业等自然或人为来源释放到环境中[3.-5］．修复重金属污染的策略之一是植物修复，即利用植物清理发展中国家和转型国家的金属、类金属和放射性核素污染场地[6］．

这一策略也被称为“生物修复”，涉及土壤微生物区系和动物群[7］．植物修复是一种利用植物修复被污染的土壤、水和空气的技术，涉及多个过程[8，9］．

水生大型植物大肠acicularis，属于家庭莎草科植物，具有富集铜(Cu)、砷(As)、锑(Sb)、锌(Zn)和铅(Pb)的能力[10］．这种植物可以在从印度尼西亚到欧洲的各种气候条件下生长。11］．大肠acicularis是否有潜力适应不同的环境，修复河流、稻田、湖泊和池塘等水体中的重金属污染，并处理尾矿浪费在全球范围内(9，12］．

大肠acicularis被称为超蓄能器植物，因为它有能力积累高浓度的重金属。的能力大肠acicularis对于自然条件下被重金属和类金属污染的水和土壤的植物修复已得到证实[13-16］．

作为高等植物，大肠acicularis有可能从自然界吸收硅(Si)。Si作为营养是否已被证明对植物生长有益，并与植物的益处有关，以增加对生物和非生物的抗性压力［17-19］．禾本科植物，如水稻，甘蔗和一些也已知吸收硅积累植物[19，20.］．本研究的目的是(1)测量重金属/类金属(Fe, Cu, Zn, Pb，和As)的积累，(2)确定的能力大肠acicularis在添加硅肥后，吸收Fe、Cu、Zn、Pb、As。

材料与方法

研究地点与方法

该矿位于日本西南部。采矿现场产生三氧化二砷(As₂O_3.)为主要产物，在1920年至1962年的28年间，烃源岩和围岩均含有镉(Cd)、铜(Cu)和锌(Zn)等多种重金属，可污染土壤和地下水[21，22］．对矿区附近砷含量的分析显示，居民天花板上的灰尘、土壤和矿渣渗滤水中的砷含量较高，浓度分别约为百万分之200至百万分之800、2.760百万分之和180百万分之180 [21］．采矿隧道和矿井排水位于一条河流和住宅水田附近，这些水田大部分被植物覆盖。它们位于冬季被积雪覆盖的山坡上。本文利用水生大型植物对矿井排水系统进行了研究大肠acicularis．

水生大型植物大肠acicularis在8月至2月的夏季至冬季期间，将其移植到废弃矿山的重金属污染矿山废水中长达7个月。主要排水系统有两个池塘，水从采矿隧道流入池塘。每个池塘宽3米，长20米，深3米。大肠acicularis在两个池塘中采用漂浮培养法(图1)．在1号池中，有4个漂浮养殖大肠acicularis与粒状硅基肥料一起使用，±500 g施于大肠acicularis这种方法被用来测定添加硅肥后植物吸收重金属的能力。在有5个浮子的池塘2中，不使用硅肥大肠acicularis．分别在移栽前和移栽后44、71、99、137、177天进行分析。移植时分别在1号池和2号池采集水样。

分析方法

使用粒子诱导x射线发射(PIXE)分析来确定水中和水中的重金属浓度大肠acicularis日本岩手市医科大学回旋加速器中心。将植物样品分离成根和芽，用milliq水冲洗，在通风烘箱中80°C烘干48小时。干燥后的样品用玛瑙臼研磨成细粉。粉末状植物样品用1ml硝酸(HNO3)消化，并在150 W的微波中加热用于PIXE分析。

统计分析

实验数据采用独立样本t检验，采用SPSS 16.0 for Windows进行统计分析。

结果与讨论

的增长Eleocharis acicularis在矿井排水中

大肠acicularis试验过程中对矿井污水适应良好，在各池塘中使用的浮式养殖系统均表现出良好的生长速度。在本研究中，研究区主要排水系统被As、Pb、Cu污染，其浓度超过世界卫生组织饮用水标准(>0.01 mg/L) [23］．矿井废水中As、Pb和Cu的最高浓度分别为59.4±4.6、4.36±1.37和80.3±5.03。池2的植株密度高于池1，且在整个栽培期(第137天)均保持绿色。的比例大肠acicularis池塘1的种群在第177天变成棕色并最终腐烂，而其他植物只变成棕色。因为这些植物在冬季栽培了177天大肠acicularis植物逐渐变成棕色，就像大多数常见的植物在这个季节一样。这种条件影响了植株茎部对重金属的吸收。两个池塘的pH值差异不大，池塘1和池塘2的pH值分别为7.19-7.95和7.13-8.25。根据美国地质调查局(United States Geological Survey)提出的分类，这些数值接近中性碱性阶段的pH值[24］．

重金属富集大肠acicularis

重金属积聚在大肠acicularis在笋、根和矿井排水系统的水样中进行了测量。图1而且2显示了矿井排水废水中硅(Si)和重金属的浓度大肠acicularis,分别。浓度以最大浓度表示，以考虑的最大容量大肠acicularis在这个领域。

硅(Si)

在本实验中，水生大型植物的根大肠acicularis均与颗粒硅肥直接附着积累。中Si的最大浓度大肠acicularis结果表明，池塘1的Si积累量最大，吸收Si的主要途径为根系。

在池塘1中，Si在幼苗和根系中的浓度变化趋势相似大肠acicularis（图2)。在第0、44、71、99、137和177天，观察到笋部Si浓度的变化。Si浓度在夏季至秋季(0 ~ 137 d)呈上升趋势，在冬季(137 ~ 177 d)呈下降趋势。在2号池塘里，大肠acicularis移栽时不施硅肥。幼苗和根系中Si的最大初始浓度分别为15600和15100 mg/kg干重(DW)。Si浓度在夏季至秋季、第0 ~ 137天呈上升趋势，在冬季第137 ~ 177天呈下降趋势。

铁(Fe)

幼苗中铁的最大浓度低于根系(图2而且3.)．第44 ~ 177天，池塘1的铁浓度略有上升，第44、71、99、137和177天的铁浓度分别为387、316、335、518和430 mg/kg DW。第44 ~ 177天，池2的Fe含量也有所增加，分别为151、259、1700、3030和303 mg/kg DW，分别为第44、71、99、137和177天。在两个池塘中，幼苗和根系的铁浓度变化趋势相似，在0 ~ 137天略有增加，在177天略有减少。

铜(铜)

池1和池2中幼苗和根系中Cu的最大浓度在培养第137天之前略有增加，在移植第177天之前略有增加，在幼苗和根系中Cu的浓度也呈现出类似的趋势。

锌(锌)

塘1中幼苗和根系中Zn的浓度略有升高。塘2中幼苗和根系中Zn的最高浓度变化趋势相似(图2-5)．到第137天，锌浓度略有上升，到第177天，锌浓度略有下降，在池1和池2中表现出类似的规律。

砷()

As在植物体内的最大浓度为图2-5．As在根中的浓度高于在笋中的浓度。在两个池塘中，芽和根的浓度变化趋势相似，到第137天略有增加，从第137天到第177天略有减少。

铅(Pb)

Pb在根中的最大浓度高于在笋中的最大浓度图2-5．池1幼苗和根系中Pb浓度在栽培第177天略有升高，池2幼苗和根系中Pb浓度在栽培第137天略有升高，从第137天到第177天略有下降。

植物修复使用大肠acicularis曾在田间试验中进行过[13，15，16，25］．其中Fe、Cu、Zn、As、Pb含量最高大肠acicularis分别为109800、20200、13700、1790和1120 mg/kg-DW。

先前的研究报道，水中Fe、Cu、Zn、As和Pb的浓度分别为101、14.6、1220、13.7和566 μg/L [13，25］．Fe、Cu、Zn、As和Pb的最高浓度分别为144、4.36、106、59.4和80.3 μg/L。重金属的浓度浪费水不稳定，但池塘里几乎没有积聚，因为浪费水源源不断地流进河里。重金属也有可能流入了江中。

湿地植物对铁、铜、锌、砷、铅的积累物种在之前的研究中已经报道过。De Lacerda等和Weis等报道了高浓度的锌互．其他湿地植物种类，如野凤梨，野凤梨，而且美国maritima也被证明在植物组织中积累锌、铜和铅。

在本研究中，的根大肠acicularis铁、铜、锌、砷、铅的积累量高于茎部。苗期Fe、Cu、Zn、As和Pb的最高浓度分别为3030、123、1120、198和682 mg/kg DW。这表明大肠acicularis耐重金属。根系中Fe、Cu、Zn、As和Pb的浓度分别为4930、91.7、1260、201和719 mg/kg DW大肠acicularis耐重金属。

如果一种植物符合以下四个标准，它就会被归类为重金属超蓄积体:(A) TF(茎部重金属含量除以根部重金属含量)>1;(b) BCFw(梢部重金属含量除以水中重金属总含量)>100;(c)重金属含量比正常(未受污染)厂房高出10至500倍[26];(d)含有超过1000毫克/克的铜、铅、镍和铬，或超过100毫克/克的镉或超过10000毫克/克的锌。根中重金属含量高且茎根比<1的植物被归类为重金属排除物。此外，另一项研究报告称，不应仅根据植物的TF和BCF值将其归类为过度积累植物，建议在考虑其浓度的同时，也应考虑其积累水平[27］．

的BCF和TF大肠acicularis显示在图6而且7．BCF值>100表示工厂的潜在效用物种用于水中植物修复。该植物中Fe、Cu、Zn、As和Pb的BCF值为>100。这与之前的一项研究结果是一致的大肠acicularis这表明，在野外和实验室实验中，这种植物有能力过度积累这些元素。该厂的TF与BCF相反。TF值表明植物作为金属转运体的功效。本研究中TF值<1与Ha等报道一致[16］．Fe、Cu、Zn、As和Pb的TF值表明该植物对重金属有一定的耐受性。

关于超蓄能器植物的标准，在本研究中大肠acicularis两个池塘的BCF值为>100，而TF值和重金属浓度低于定义超蓄积器的预定值。与之前的研究相反，大肠acicularis显示出积聚高浓度重金属的能力。这阻止了植物吸收重金属。然而，高浓度的硅有助于植物的分解，也可能导致植物疾病和抑制植物对重金属的吸收。

之前的研究表明大肠acicularis是一种强有力的植物修复候选者，因为它能够在定义超蓄能器的值积聚高浓度的多种重金属。BCF是植物中金属积累效率的指标，定义为植物中金属浓度与水中金属浓度的比值。超富集植物是由不同生长介质中的BCF值来定义的。在土壤中，BCF值>1用于评估植物作为超蓄能剂在植物修复中的潜在效用[28]而在水中，金属积聚的BCF值一般为>100 [15］．本研究展示了大肠acicularis作为一种用于植物修复的超富集植物，表明它可以被归类为耐受植物，能够在其组织中积累重金属(图6而且7)．

Si浓度对土壤重金属积累的影响大肠acicularis

重金属通过大肠acicularisSi浓度较低的池2的浓度高于池1。Si和重金属浓度的变化在一个箱形图中显示，这表明了高Si浓度和低盆栽1(施硅肥后)植物茎根重金属浓度。与池1相比，池2中较低的Si浓度与较高的重金属浓度相关。

硅肥料通过两种方式影响植物:对土壤产生间接影响生育能力或者直接对植物产生影响。大多数研究单硅酸对土壤特性研究了其与土壤磷酸盐的相互作用。硅肥对土壤的影响是由两个过程介导的。单硅酸浓度的初始增加导致微可溶性磷酸盐转化为植物可利用的磷酸盐。硅肥然后吸收磷酸盐，使磷酸盐的浸出减少40%至90% [29，30.］．

Si浓度与As浓度呈负相关(n=107)。Si还大大减少了Cd在根部的保留，并减少了其向嫩枝的转运。之前的研究也有类似的报道的关系与本研究中发现的相比较，表明Si浓度的增加大米叶片和茎与Cd、Zn、Cu和Pb浓度呈负相关。

除了在金属毒性方面的作用外，还研究了Si对金属耐受性的影响。锌与硅共存于细胞质中，硅酸锌是锌的短暂储存物，缓慢降解为SiO₂［31］．锌可转移到液泡中，以一种未知的形式积累。研究表明，硅酸锌的形成是豆蔻植物耐重金属机制的一部分，可能是减轻豆蔻植物锌毒性的原因之一。在玉米中也报道了类似的机制，这表明Si在光合作用中起作用解毒植物中过量的镉

与以往的研究一致，硅在芽大肠acicularis在池塘1起了作用解毒植物中重金属的含量。然而，重金属的积累与Si在植物体内的浓度无关。观察到弱相关(R2=0.0-0.2)，因为大肠acicularis本身未施硅肥。这可能是为什么池塘2中的植物积累的重金属浓度略高于池塘2的原因之一大肠acicularis在1号池塘。

然而，作为植物中的植物素，Si有助于吸收更多的重金属。这可能很重要法律在环境中的植物修复[16］．在本研究中，Si在植物中的作用还有待进一步阐明和分析。植物中哪种形态的Si在吸收重金属方面起作用，哪种形态的Si在吸收重金属方面起作用解毒重金属。

结论

在本研究中，现场实验表明大肠acicularis可以在剧毒的矿井排水上生长，在冬天积累重金属。硅肥的应用大肠acicularis垫料对植物重金属积累无明显影响。不同重金属的吸收大肠acicularis不是竞争性的，说明某一特定金属的吸收由大肠acicularis不影响其对其他重金属阳离子的吸收。重金属的积累大肠acicularis在某剧毒矿井的排水废水中可见一斑大肠acicularis是一个铁，铜，锌，砷，铅的超蓄能器，基于BCF的主要排水。的效率大肠acicularis对植物修复的影响不仅体现在BCF值上，而且体现在其积累高浓度重金属的能力上。一种可能的解释是硅的高浓度存在和硅肥在防止重金属在植物芽中的积累方面的作用。需要进一步的研究来确定哪种形式的Si在重金属的吸收中起作用，哪种形式的Si在化学反应中起作用解毒的重金属含量大肠acicularis．

致谢

作者Nurfitri Abdul Gafur希望感谢日本政府为爱媛大学研究生学习提供Monbukagakusho奖学金。

作者的贡献

Nurfitri Abdul Gafur为研究设计和数据分析做出了贡献，还起草了与爱媛大学博士课程相关的手稿。Sakakibara Masayuki作为博士。导师也协助数据分析和稿件修改。Koichiro Sera提供了w的PIXE测量，这也是对手稿的实质性贡献

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

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