凤眼莲净化含铜废水的效果研究

蔡 青，雷泽湘 (仲恺农业工程学院环境科学与工程系，广东 广州 510225)

胡宏伟 (广东暨大基因药物工程研究中心有限公司，广东 广州 510632)

陈中义 (长江大学园艺园林学院，湖北 荆州 434025)

凤眼莲净化含铜废水的效果研究

蔡 青，雷泽湘 (仲恺农业工程学院环境科学与工程系，广东 广州 510225)

胡宏伟 (广东暨大基因药物工程研究中心有限公司，广东 广州 510632)

陈中义 (长江大学园艺园林学院，湖北 荆州 434025)

采用水培的方法对凤眼莲(Eichhorniacrassipes)在不同Cu2+质量浓度和不同pH条件下进行培养，研究了凤眼莲对水体Cu2+的吸收特性以及Cu2+质量浓度、pH对凤眼莲吸收Cu2+的影响。结果表明：凤眼莲在短期内对含铜废水具有良好的净化效果，在Cu2+质量浓度为2.00、4.00和8.00 mg/L时凤眼莲对Cu2+的总去除率分别达91.38%、91.64%和77.64%；在铜离子浓度为4.00 mg/L，pH为4.0、5.5和7.0时，凤眼莲对Cu2+的总去除率分别为88.02%、93.15%和81.32%。凤眼莲对含铜废水的净化主要依靠根的吸收富集，但当Cu2+质量浓度高于20 mg/L时，凤眼莲植株受害症状明显。

凤眼莲(Eichhorniacrassipes)；铜离子；去除率；耐受性

凤眼莲(Eichhorniacrassipes(Mart.) Solms Laub)又名洋水仙、水葫芦，属雨久花科凤眼蓝属多年生浮水草本植物，由于其繁殖速度快、去污能力强，被认为是一种高效、廉价的污水净化植物，对消除污染、改善和提高水质等方面意义重大[1]。它对重金属亦有较强的富集作用，可净化的重金属有Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、As、Hg、Ag等。Mehra等[2]研究表明，凤眼莲能够吸收除Co、Al和Fe外的几乎所有金属元素。Zhu等[3]指出凤眼莲富集痕量金属Cd2+、Cu2+等都有良好的效果。本研究通过静态水培试验，研究了凤眼莲对污染水体中Cu2+的短期去除率、去除量及pH对凤眼莲吸收Cu2+的影响，同时对凤眼莲在高浓度含铜废水中的耐受性进行了探讨，旨在为相关研究与应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

凤眼莲采集于广州市郊水塘。

1.2 试验方法

在室外采用水培法进行。将凤眼莲栽培于40 cm×30 cm×26 cm的塑料箱中，每箱4株，每箱水量为15 L，置于向阳处，自然光照。试验时间为2007年3月17日至4月3日，试验期间日平均气温为22 ℃左右，日平均水温为17 ℃左右。

(1)Cu2+质量浓度对凤眼莲吸收Cu2+的影响 在pH(6.0～7.0)相同，Cu2+质量浓度不同的条件下进行。参照《污水综合排放标准》(GB8978-1996)第二类污染物最高允许排放浓度中相关数据，分别设置2.00、4.00、6.00、8.00 mg/L 4个Cu2+质量浓度梯度；并设置1个空白对照，每处理设3个重复。

(2)pH对凤眼莲吸收Cu2+的影响 保持Cu2+质量浓度为4.00 mg/L，pH分别设置为4.0、5.5和7.0，并设置1个空白对照，每处理设3个重复。

试验所用水溶液由自来水加营养液组成，再加不同质量浓度的Cu2+(CuSO4·5H2O)配成，其中营养液的组成为：CaCl20.5 mmol/L、NaNO30.5 mmol/L、MgSO40.2 mmol/L、KH2PO40.1 mmol/L、H3BO310.00 μmol/L、ZnSO41.0 μmol/L、NH4Cl 0.5 mmol/L和KCl 0.5 mmol/L。

种植后，每天9：00和18：00各搅动1次，并于13：00点取样1次，观测5 d内凤眼莲的长势，测定和分析水样中Cu2+质量浓度的变化及达标情况，计算日去除率和累积去除率。隔天采集植物测定凤眼莲对铜的富集量，采集的植物在80 ℃下烘至恒重，再捣碎，过60目筛后用硝酸浸泡24 h，再与水样同样用HNO3-HClO4消解法进行处理，定容后用BFS2100双光束原子吸收分光光度计测定植物和水中的含量[4, 5]。

有关各指标计算公式如下：

根、茎叶Cu2+增长倍数=试验根、茎叶Cu2+含量÷对照根、茎叶Cu2+含量

Cu2+富集量=试验根、茎叶Cu2+含量-对照根、茎叶Cu2+含量

Cu2+富集系数=试验根、茎叶Cu2+含量÷培养液起始Cu2+质量浓度

(3)凤眼莲耐受性试验 配制浓度为0.00、10.00、20.00、30.00和40.00 mg/L的铜离子溶液，进行凤眼莲的耐受性试验，观察凤眼莲的生长情况及其毒害症状。

2 结果与分析

2.1 凤眼莲对不同质量浓度Cu2+废水中Cu2+的去除作用

试验中，空白对照组Cu2+质量浓度基本保持不变，说明水体对Cu2+的自净能力很低，故对水体的自净作用忽略不计。随着试验的进行，各试验组水体Cu2+质量浓度逐渐降低(图1)，培养凤眼莲5 d后，2～4 mg/L含铜废水中90%以上的Cu2+被去除；而在Cu2+质量浓度为8 mg/L的含铜废水中，其累积去除率则已降低，只有77.6%。

由图2可知，Cu2+质量浓度为2 mg/L与4 mg/L的试验组中，在第1、2 天凤眼莲对Cu2+的日去除率均接近或超过45%，以后几天的去除率逐渐减小；Cu2+质量浓度为8 mg/L的试验组，其日去除率均比前两组低。图3结果也显示，在第1天，凤眼莲对铜离子的去除量是最高的，其后的去除量逐日下降；但在Cu2+质量浓度为8 mg/L的试验组，在培养的5 d中，每日的去除量均高于其它两组。表明凤眼莲的“去除率”和“去除量”并非一致。

凤眼莲在不同质量浓度Cu2+废水中对Cu2+的积累量和富集量测定结果见表1。由表1可知，凤眼莲根部对Cu2+的积累量最高，其次是老茎叶。说明Cu2+被凤眼莲吸收后，大部分停留在根部，少量向茎叶部分迁移，这与耐受性试验观察到的现象相符。表1结果还表明，凤眼莲对Cu2+的富集量随Cu2+的起始浓度增高而增大，而富集系数随起始浓度的增高而呈一定程度的减小，说明在Cu2+浓度较低时，其富集效果更好。

图1 凤眼莲对不同质量浓度Cu2+废水中Cu2+的累积去除率Figure1 TheaccumulatedremovalratesofCu2+indifferentconcentrationsofCu2+wastewaterbyE．crassipes、图2 凤眼莲对不同质量浓度Cu2+废水中Cu2+的日去除率Figure2 ThedailyremovalratesofCu2+indifferentconcentrationsofCu2+wastewaterbyE．crassipes

图3 凤眼莲对不同质量浓度Cu2+废水中Cu2+的日去除量Figure 3 The daily removal amount of Cu2+ in different concentrations of Cu2+ wastewater by E. crassipes

2.2 pH对凤眼莲富集Cu2+的影响

在不同pH条件下，空白对照组Cu2+质量浓度也是基本不变的，各试验组Cu2+浓度逐渐降低，凤眼莲对不同pH的含铜废水中Cu2+的累积去除率、日去除率、日去除量测定结果分别见图4、图5和图6。

由图4可知，经过5 d的培养，pH为5.5的试验组Cu2+质量浓度最低，累积去除率最高，而pH为7.0的试验组Cu2+质量浓度最高，累积去除率最低。图5也同样显示，pH为5.5的试验组，其日去除率较其余两组是最高的。说明本试验中，pH为5.5的条件是较为适合凤眼莲去除Cu2+的。有资料[6,7]显示，Cu2+富集量最高时pH值为4.5～6.0，本试验结果与之相近。

表1 不同Cu2+质量浓度下凤眼莲的不同部位对Cu2+的积累量和富集量Table 1 The accumulation and enrichment amount of Cu2+ of different position in different concentrations of Cu2+ wastewater by E. crassipes

图5、图6也同样显示，pH为5.5的条件下，凤眼莲对Cu2+日去除率和日去除量也是最高的。但随后的4 d，其对Cu2+的日去除量与其余2种pH条件的相近，这可能与培养液离子浓度逐渐减小、根部金属离子结合位点渐趋饱和有关。

凤眼莲对不同pH的含铜废水中Cu2+的积累量和富集量的测定结果见表2。表2结果显示，凤眼莲根部对Cu2+的积累量最高，其次是老茎叶，但凤眼莲对Cu2+的富集量在不同pH条件下有显著差异。当pH由酸性向中性变化时，凤眼莲对金属的富集量逐渐上升，在pH为5.5左右时较大，随后开始下降，这与不同pH条件下水体中Cu2+质量浓度的变化是相符的。有研究[8]表明，凤眼莲在pH为6.5～7.5中的养殖废水中生长旺盛，废水净化效率高。但对于凤眼莲富集Cu2+而言，其最适pH与之有一定差异。

图4 凤眼莲对不同pH的含铜废水中Cu2+的累积去除率Figure4 TheaccumulatedremovalratesofCu2+inCu2+wastewateratdifferentpHbyE．crassipes图5 凤眼莲对不同pH的含铜废水中Cu2+的日去除率Figure5 ThedailyremovalratesofCu2+inCu2+wastewateratdifferentpHbyE．crassipes

图6 凤眼莲对不同pH的含铜废水中Cu2+的日去除量Figure 6 The daily removal amount of Cu2+ in Cu2+ wastewater at different pH by E. crassipes

2.3 凤眼莲对铜离子的耐受性

培养在Cu2+质量浓度为40 mg/L水中的凤眼莲，在栽培1 d后就出现了受害症状，叶片边缘脱水，第3 天叶片开始干枯，5 d后1/3的叶片干枯死亡。培养在Cu2+质量浓度为20 mg/L水中的凤眼莲，栽培3 d后植株开始出现受害症状。多数凤眼莲的受害症状为：根部先发黑，然后是外围的老叶开始受害，最后才是中心的嫩叶死亡。而浓度为10 mg/L试验水中的凤眼莲，栽培5 d后，生长状况与未加入Cu2+水中的凤眼莲相近，仅是根部发黑，叶片没有出现明显的受害症状。

表2 不同pH条件下凤眼莲对Cu2+的积累量和富集量Table 2 The accumulation and enrichment amount of Cu2+ at different pH by E. crassipes

3 小结与讨论

(1)凤眼莲对低浓度含铜废水有良好的净化效果。在2～8 mg/L质量浓度梯度内，Cu2+累积去除率随着含铜废水浓度的增高而降低，但去除量则随着浓度的增高而提高，大约2～4 d内可以使水中绝大部分的Cu2+被去除。定期收获体内金属含量已趋于饱和的凤眼莲可提高生物处理系统对废水的净化效率。

(2)凤眼莲根部对Cu2+的富集系数最高，其次是老茎叶。有研究[9]表明，水生植物不同器官重金属富集能力有一定的规律，即大多数水生植物表现为根部的富集系数大于茎叶。本研究中，凤眼莲对重金属的富集作用亦是根部的贡献远大于茎叶。因为凤眼莲发达的根系与水体接触面积大[8]，形成了一道密集的过滤层，故其根际过滤作用使得根系对重金属离子的吸附作用明显。

(3)水体pH对凤眼莲去除Cu2+的能力有一定影响。本研究中，pH约为5.5时，凤眼莲去除Cu2+的效果最好，此时的富集量和富集系数也是最高的。因此在实际操作中可通过调节pH，提高水生植物对水体的净化效果。

(4)当Cu2+质量浓度高于20 mg/L时，栽培3～4 d凤眼莲植株就开始出现受害症状，观察到的现象与蔡成翔等[10]相似。不少研究[7,8,11]表明，污染物在地上部分积累越多，植物的耐受性就越差。随着污染物浓度的增加，水生植物就会表现出不适应，以致出现受害症状。因此在污水净化实践中，注意控制污染物的浓度十分重要。

[1]达良俊，陈 鸣. 凤眼莲不同部位对重金属的吸收、吸附作用研究[J]. 上海环境科学，2003，22(11)：765～767.

[2]Mehra A，Farago M E，Banezjee D K．A Study ofEichhomiacrassipesGrowing in the Overbank and Floodplain Soils of the River Yamuna in Delhi, India[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2000, 60：25～45．

[3]Zhu Y L, Zayed A M, Qian J H,etal. Phtoaccumulation of trace elements by wetland plants：II．water hyacinth [J]. Journal of Environmental Quality，1999，28：339～344．

[4]国家环保总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法(第4版)[M].北京：中国环境科学出版社，2002. 343～353.

[5]姚朝英，杜 青. 原子吸收光谱法测定水生生物体内铜、锌、镍、铬、铅、镉[J].化学分析计量. 2006，15(3)：36～37.

[6]李卫平，王 军，李 文，等. 应用水葫芦去除电镀废水中重金属的研究[J]. 生态学杂志，1995，14(4)：30～35.

[7]梁俊美，雷泽湘，陈中义. 水浮莲对铜污染水体的修复研究[J]. 仲恺农业技术学院学报，2008，21(1)：29～33.

[8]郝飞麟，沈明卫. pH对水葫芦净化养殖废水效率的影响研究[J]. 上海交通大学学报(农业科学版)，2006，24(2)：196～199.

[9]黄永杰，刘登义，王友保，等. 八种水生植物对重金属富集能力的比较研究[J]. 生态学杂志，2006，25(5)：541～545.

[10]蔡成翔，王华敏，张宗明.水葫芦对五种重金属离子的去除速率与富集机制研究[J]. 广西右江民族师专学报，2002，15(6)：48～51.

[11]颜素珠，梁 东，彭秀娟. 8种水生植物对污水中重金属—铜的抗性及净化能力研究[J]. 中国环境科学，1990，10(3):166～170.

X52

A

1673-1409(2009)02-S068-04

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2009.02.019

2008-12-01

仲恺农业工程学院科研启动基金(G2360239)；湖北省科技攻关项目(2006AA201C60)

蔡 青(1985-)，女，广东韶关人，主要从事环境治理研究.

雷泽湘，E-mail：leizexiang@sina.com.