湿地芦苇对有毒重金属元素的吸收和累积
摘要：通过对大冶市铜绿山铜矿区人工湿地中芦苇的野外调查和Cu、Pb、Zn、cd、Cr 5种有毒重金属元素的测试分析发现，该区芦苇对有毒重金属元素具有良好的抗性。同时，该湿地芦苇对5种重金属元素的吸收和累积表现出两种不同的模式：①芦苇植物体内Zn、Cu、Cd质量分数及分配百分比表现为根>叶>茎，且根组织中Zn、Cu、Cd的质量分数及分配百分比远远高于其他组织(茎、叶)，而叶组织中略高于茎组织；②芦苇体内Pb和cr质量分数及分配百分比表现为根>茎>叶，根、茎、叶组织中的质量分数及分配百分比均较高且基本相当，差异不明显。生物富集系数的计算结果显示，芦苇不同组织(根、茎、叶)对有毒重金属元素的生物富集能力存在较大差异，根组织的生物富集能力最大，且容易富集Pb和Cd；而茎、叶组织的生物富集能力较低，易富集Pb。
关键词：有毒重金属；吸收累积模式；生物富集能力；抗性；芦苇；湿地
湿地系指不问其为天然或人工、长久或暂时之沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带，带有或静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体者，包括低潮时水深不超过6 m的水域。湿地对生态环境的改善与保护以及人类的生存和发展都具有重要的作用和意义。当今，矿山环境问题日益引起人们的关注，而利用湿地对有毒重金属元素污染进行植物修复已成为环境研究领域中的热点。芦苇作为一种大型的挺水植物，被广泛且成功地应用于湿地中有毒重金属元素污染的植物指示、植物修复、植物萃取等研究。目前，国外学者对芦苇中有毒重金属元素的吸收、分布、迁移和释放规律及毒害效应等有了一定的认识L2刮；而国内对湿地芦苇中有毒重金属元素的研究尚处于起步阶段。综合来看，国内外大多基于室内培养实验的模拟研究，野外研究较少；对大型矿山湿地环境芦苇中有毒重金属元素的研究甚少；同时，未见从吸收和累积模式角度的研究。因此，笔者尝试进行铜绿山铜矿尾砂库外人工湿地中芦苇对有毒重金属元素吸收和累积模式的研究，另外对芦苇不同组织(根、茎、叶)对有毒重金属元素的富集能力以及芦苇的抗性进行探讨。
1研究区概况及研究方法
1．1研究区概况
研究区为位于湖北省大冶市铜绿山铜矿尾砂库东侧的人工湿地，主要承纳尾砂库废水。废水经湿地净化后，与三里七湖、天子湖及大冶湖水体连通(图1)。尾砂库西为大冶市铜绿山铜矿露天采场，矿石加工及选矿车间也位于附近，矿尘较多。
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1．2样品采集及测试分析
如图1所示，于2006年8月下旬(芦苇处于前生殖生长期)在湿地中7个采样点，配套采集芦苇和底泥样品，共计28件。其中，每个点位至少采集10株长势良好的芦苇，芦苇水下部位利用采样点附近的湿地水现场冲洗。室内先用自来水冲洗芦苇3遍后，按根、茎、叶分离，再用二次蒸馏水冲洗3遍。所有样品在75。C条件下烘干至恒重，粉碎成细碎粉末过孑L径为o．28mm(60目)的尼龙筛。实验前在75℃条件下再次烘干至恒重后，称取0.2500g(误差±0000 3 g)芦苇样品装入消解罐，并顺序添加2 mL HNO。(优级纯)，o．5 mL HO。，6 mL H：O，密封消解罐，放入Mars 5型(美国CEM公司)微波消解器中，采用匀速升温消解程序进行三步密闭消解[7]，消解完全后，待消解罐冷却至50。C以下，将其取出移至通风橱放气。将消解所得溶液过滤并移入比色管中，用去离子水定容至25 mL，送原子吸收实验室摇匀测定。Cu、Pb、Zn、Cd、Cr 5种重金属元素均采用火焰原子吸收光谱法测定，测试仪器为PE800—AAS型原子吸收光谱仪(美国PE公司)。实验样品的制备、前处理以及测试分析均在中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质教育部重点实验室完成。
2不同组织中重金属元素的质量分数
芦苇不同组织中重金属元素质量分数见表1。各元素在芦苇不同组织的分布特征见图2，线段分别指7个样品中各重金属元素质量分数的最小值、平均值和最大值。
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由图2可以看出，同一种重金属元素在芦苇根组织中的平均质量分数最高，而茎、叶组织中的平均质量分数则相对偏低。芦苇同一组织中各种重金属元素的质量分数也有较大差异。
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芦苇根组织中5种重金属元素的平均质量分数依次为：叫(Cu)>(Zn)>(Pb)>(Cr)>(Cd)。其中，Cu和Zn是植物生长的必需元素，其在芦苇根组织中的平均质量分数较高，分别为447．94，439．90 mg／kg；最高质量分数分别高达670．90，633．20 mg／kg。Pb、Cr和Cd的平均质量分数则相对偏低，分别为154．61，31．33，6．45 mg／kg；其最大值分别为202．80，45．20，10．46 mg／kg。芦苇茎组织中5种重金属元素的平均质量分数依次为：(Pb)>(Zn)>(Cu)>(Cr)>(Cd)。(Pb)平均为147．04 mg／kg，最大为278．70 mg／kg。Zn和Cu的平均质量分数也较高，分别为139．94，87．34 mg／kg，最大分别为168．28，131．15 mg／kg。Cr、Cd的平均质量分数分别为29．56，1．33 mg／kg和最高质量分数分别为41．94，3．15 mg／kg。
芦苇叶组织中5种重金属元素的平均质量分数依次为：Zn>Pb>Cu>Cr>Cd。Zn、Cu和Cd的平均质量分数均低于根组织而高于茎组织，分别为175．43，114．74，1．96 mg／kg；最大值分别为303．60，174．00，3．13 mg／kg。而Pb和Cr的平均质量分数分别为126．56，24．23mg／kg，两者均依次低于茎组织和根组织平均质量分数。
与前人研究提出的植物中有毒重金属元素的毒性阈值(表2)相比，此研究中芦苇样品Cu、Zn的质量分数已超出Kabata—Pendias等提出的毒性阈值，并远远高于Borkert等提出的毒性阈值。叫(Cd)虽介于Kabata—Pendias等提出的毒性阈值内，但已接近其上限。芦苇地上组织中Zn Outridge等提出的植物地上组织中Zn平均质量分数的两倍多；Pb是未受污染的淡水植物中质量分数的10多倍，Beckett等认为植物体内的Pb>27 mg／kg便会产生毒性，笔者所研究的芦苇样品中叫(Pb)远远超过该阈值，但未超出Kabata—Pendias等提出的植物毒性阈值。植物对有毒重金属元素的抗性是指植物能够在有毒重金属元素质量分数较高的环境中存活而不出现生长率下降或死亡等毒害症状，并且植物对有毒重金属元素的抗性可以通过避性和耐性两种途径获得。Tomsett等很早就提出芦苇对重金属元素有较高的抗性。
因此，通过以上比较分析发现，芦苇对大冶湿地中高质量分数的有毒重金属元素(尤其是Cu、Zn、Cd、Pb等)具有良好的抗性。
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3不同组织对有毒重金属元素的吸收和累积模式
据芦苇不同组织对有毒重金属元素吸收和累积的研究表明：芦苇根组织更容易吸收和累积各种有毒重金属元素。大冶湿地中芦苇对各种有毒重金属元素的吸收和累积也遵循这一规律。另外，Aksoy等提出有毒重金属元素在植物不同组织中的累积规律为：根>茎>叶。江行玉等也发现芦苇幼苗中伽(Pb)遵循该规律。但与前人研究结论有所不同，据图2，3可知，笔者所研究的芦苇样品对不同重金属元素的吸收和累积表现出两种模式。
对元素Zn、Cu、Cd而言，芦苇根组织中的质量分数(图2)及分配百分比(图3)最高，分别高达56．94％，66．68％和60．25％。Romheld[19]曾提出，禾本科植物根组织能够分泌一种缺铁性分泌物——麦根酸类(phytosiderophores)，这种物质在活化底质中难溶性Fe元素的同时，也能够活化Cu、Zn、Cd及Mn等其他金属元素，从而促进根组织对这些元素的吸收。与芦苇根组织相比，茎、叶组织中Zn，Cu，Cd 3种重金属元素的分配百分比(图3)较低，大致为12．73％左右，最高也仅为24．12％，但叶组织均高于茎组织。目前，Aksoy等。发现，植物中有毒重金属元素质量分数应该是茎组织大于叶组织，但Vymazal等心阳在比较研究人工湿地与天然湿地中芦苇、稿草两种植物中的重金属元素质量分数时发现，叶组织中含量高于茎组织，这与大冶湿地芦苇的情况相吻合。结合大冶当地的实际情况，笔者认为其可能原因有两个：①湿地附近有铜绿山铜矿露天采场和矿石加工冶炼厂以及尾砂库周围的私人二次选矿厂，采矿、选矿及矿石加工冶炼等过程均会产生大量粉末矿尘，湿地芦苇通过叶面吸收和吸附这些金属矿尘从而造成叶组织的zn、Cu、Cd质量分数高于茎组织；②可能与芦苇植物本身的生理特性有关，例如芦苇在进行光合作用时，通过吸收水分和无机盐的形式，将Zn、Cu、Cd从根、茎组织迁移并富集到叶组织，而较少在茎组织中累积，从而造成叶组织中这3种元素质量分数高于茎组织。同时，Clemens等研究发现，植物叶组织中的液泡更容易富集重金属元素。
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而对于Pb和Cr元素，芦苇各组织间的分配百分比(图3)均较高，分配比例大致均为30％。与前一种吸收和累积模式相同，根组织中质量分数及分配百分比也高于地上组织(茎、叶)，但明显不同的是：这两种有毒重金属元素在芦苇各组织间的分配大致相当，且茎组织中元素的分配百分比高于叶组织。对芦苇中有毒重金属的研究表明：芦苇的地上组织(茎叶)不容易富集Pb和Cr[22]。但Fitzgerald等采自爱尔兰舒尔河河口的芦苇样品中Pb在各组织中质量分数及分配百分比也基本相当。另外，笔者所在的课题组于2004年获得的洞庭湖湿地数据(未公开发表)也表明芦苇各组织中叫(Pb)及分配百分比均较高且相差不大。对于植物体内Pb、Cr质量分数高且组织问分配均匀的现象及其原因，目前的文献基本未见报道。结合大冶湿地的环境条件以及周围的实际情况，笔者认为这种现象可能主要是由人工湿地中芦苇的植物学和生理学特性造成的；另外也可能与重金属元素的地球化学性质以及当地的水环境条件(包括底泥的理化性质等)有较大的关系。研究表明，植物的种群、种类、年龄和生长阶段、季节变化、组织差异、根部有无铁锰胶膜等均决定着植物对重金属元素的吸收和累积[23屯“。宋阿琳等朝研究发现不同水稻品种对重金属元素吸收与累积的差异很大，这说明对于同一类植物，物种的变异(变种芦苇)会很大程度地影响植物对于重金属元素的吸收和累积，这可能是大冶人工湿地芦苇对Pb、Cr的吸收和累积模式出现差异的主要原因。
4 不同组织的生物富集能力比较结论
目前，关于植物对有毒重金属元素富集能力的研究主要通过计算和比较生物富集系数来实现。笔者所涉及到的生物富集系数是指有毒重金属元素在芦苇不同组织(根、茎、叶)中的质量分数与对应底泥中该元素质量分数的比值(表3)。分析生物富集系数(图4)可以发现，一方面，芦苇根组织对各种有毒重金属元素的生物富集能力大于茎、叶组织。对于Cu、Zn、Cd而言，被芦苇植物吸收后，绝大部分被富集在根组织中，仅有少量向茎、叶组织迁移，根组织充当了3种元素在植物体内迁移的“生理一生物化学障”[26]；芦苇不同组织对3种有毒重金属元素的生物富集能力表现为：根>叶>茎。但是，芦苇不同组织对Pb、Cr的生物富集能力则表现为：根>茎>叶，同时芦苇不同组织对Pb的生物富集能力均较大(生物富集系数均大于1)且相当。另一方面，芦苇根组织对不同重金属元素的生物富集能力遵循：Pb>Cd>Zn>Cr>Cu；而茎、叶组织则循：Pb > Cr > Zn > Cd > Cu。
总之，大冶湿地中芦苇根组织对重金属元素的生物富集能力最大，且比较容易富集Pb和Cd；茎、叶组织生物富集能力较低，易于富集P10。
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(1)研究区芦苇根、茎、叶组织中5种有毒重金属元素质量分数依次分别为：Cu>Zn>Pb>Cr>Cd；Pb>Zn>Cu>Cr>Cd；Zn>Pb>Cu>Cr>Cd。
(2)研究区芦苇对有毒重金属元素的吸收和累积遵循两种不同的模式：zn、Cu、Cd在芦苇植物体内的质量分数及分配百分比表现为根>叶>茎，且
它们在根组织中的质量分数及分配百分比远远高于其他组织(茎、叶)，叶组织略高于茎组织；而芦苇对Pb和Cr吸收和累积则遵循：根>茎>叶，根、茎、叶组织问Pb和Cr的质量分数及分配百分比较高且基本相当，差异不明显。
(3)研究区芦苇中Cu、Zn、Cd的质量分数远远超过前人研究提出的植物中有毒重金属元素的毒性阈值，硼(Pb)虽未超过毒性阈值标准，但也是未受污染的淡水植物中质量分数的10多倍。由此，说明芦苇对湿地中高质量分数的有毒重金属元素(尤其是Cu、Zn、Cd、Pb等)具有良好的抗性。
(4)比较生物富集系数发现：根组织对重金属元素的生物富集能力最强，且比较容易富集Pb和Cd；而茎、叶组织的生物富集能力较低，易富集Pb。
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