水培条件下绿萝对水中铅铬的去除作用

摘要：绿萝是常见的花卉植物，但学者对其重金属污染修复研究甚少。铅、铬是国内水体中比较常见的无机污染物。重金属污染通过地表水补给地下水，造成地下水污染。铅是植物生长所需的微量元素，低浓度可促进植物生长,但高浓度会对植株产生毒害作用，如叶片失绿黄化、烂根等现象。

本论文通过室内水培实验探讨了绿萝对水体中重金属污染的富集作用及重金属对植物生长影响，为以后重金属污染水体的植物修复技术提供一定的理论依据。除此之外，本文还对水体中铁、锰污染进行了实验研究。验探讨绿萝对不同配比Pb/Cr复合污染水体中重金属的富集作用。当浓度比为1.5:1时，绿萝根部Cr积累量高达11.94mg.g-1，远高于其他浓度比例的积累量；当铅、铬浓度比为1:1时，绿萝根部Pb积累量较高为1.378mg.g-1。绿萝对重金属的积累量都是表现根部大于地上部分（茎、叶）。相比较单组分重金属污染水体，绿萝对铅、铬复合污染水体的耐性差，富集量较高。通过分析绿萝对铅和铬富集特征，认为绿萝对铅和铬都具有较强的修复能力，可作为铅和铬污染水体植物修复的备选植物。

关键词：铅；铬；绿萝；水培；植物修复

1引言

在最近几年中，在针对水体进行重金属污染修复领域，植物修复技术备受业界关注。所谓植物修复，就是巧妙地借助植物，将污染物进行转化、转移或容纳，从而实现对环境的无害化处理，该方式主要用于处理水体或土壤受到重金属、有机污染物、放射性元素污染的。可生存于受到严重重金属污染的水体或土壤中的植物，大多十分常见，在生态环境中，它们扮演着清道夫的角色。重金属污染日益严重，利用好植物修复技术，能更好的保护我们赖以生存的地球。

绿萝是大型常绿藤本植物，可水培种植，能吸收富集污水中的有机污染物和无机污染物[1]，对污水处理具有一定的使用价值。

1.1重金属污染

水体重金属污染，顾名思义，由于大量的污染物被排放至水体内，而污染物中含有重金属离子，从而对水体造成污染[2]。这一现象往往是受到矿石的开采、污水排放不达标、超标重金属制品等原因造成。对人体和环境都具有很大的危害。化学法与生物法作为其最为常用的处理方式。

1.2水体重金属污染危害及现状

随着我国工业的快速发展，大量污水未达到环保标准，就直接排放附近水体中，导致重金属污染的问题日益凸显，由于重金属具有较大的毒性，无法被生物有效讲解，甚至会随着食物链的层层富集，最终对人体造成伤害，因此对水体造成负面影响的同时也在危害着人类的健康。

1.2.1水体重金属污染的危害

重金属污染物的化学形态各异，排放的废水中往往也掺杂着一定的非金属物质，到人体与环境均受到一定程度的侵害。

铅有毒，并且能够在人体和动物组织中积累。它主要来自于采矿冶炼及汽车尾气，严重危害人体健康。它可以通过皮肤、呼吸道、消化道进入人体内，当人体蓄积一定含量的铅时会出现头痛、恶心、乏力、腹痛等症状，损坏肾脏，同时会对脑细胞造成伤害，尤其对儿童的智力和健康产生难以逆转的影响[3]。

由于工业生产中常常开展电镀、铬矿冶炼等处理环节，并形成了铬污染。在人体中，也含有六价铬，往往是通过食物、水与空气吸收而来。六价铬并不能通过自然降解的方式进行处理，且过量的六价铬会导致人的皮肤发生过敏现象，一旦在人体内进行富集，那么内脏与呼吸系统将会受到严重的侵害。

1.2.2水体重金属污染的现状

根据现有资料显示，我国水体具有十分严重的重金属污染现象，其中河流流域底层具有80.1%的污染率。大多情况下，水体中存在较为严重的重金属污染时，其污染程度大多为Pb＞Hg＞Zn。依据江河湖泊的类型，大多情况下，重金属含量自高到低依次为湖泊支流、湖区与河区。相较于洪水期的长江口水体而言，枯水期的重金属含量更高，且底层始终高于表层[4-5]。

1.3水体重金属污染的处理方法

根据当前进行水体重金属污染处理的方法可知，基本划分为生物、物理与化学三种处理方法[6]。

1.3.1化学处理法

（1）化学沉淀法

化学沉淀法，在需要处理的废水中加入适量的化学药剂，废水中的重金属离子与加入的化学药剂进行化学反应，使重金属的存在形态发生转化，从溶解态转为金属盐类物质，由于金属盐类物质不溶于水，由此可以用过滤等方式将沉淀去除。该方法操作简单但出水浓度往往不能达到要求且容易产生二次污染。主要用于含铅、镉、铅、汞的废水的处理。在实际废水处理中该方法常用作前处理手段。

（2）电解法

水体进行电解的过程中，在浓度高的溶液中，分离出金属离子。电解法巧妙利用金属所具有的电化学性质，来处理重金属废水。该方法具有十分稳定的效果，且操作便捷，所需要的占地面积相对较小。但若想使重金属离子浓度降至相关环保标准，是无法实现，因此，针对重金属浓度较低的水体处理而言，该方式并不适用。

（3）氧化还原法

普通的氧化还原法原理如下，重金属离子具有氧化或还原性质，可利用头加氧化剂还原剂的方式，使重金属离子发生反应，将重金属离子原本的价态改变成更易生成沉淀或毒性较小的价态从而减轻毒性的方法[7]。该方式应用的过程中需要较大的占地面积，且产生了大量的残渣废渣，在废水的预处理中较为常见。

电化学氧化反应法原理如下，在水体中引入电流，并同时运用氧化反应的原理，将水体中的重金属离子状态进行调整，使废水中重金属离子的含量得以显著降低。但相较而言，该方式需要的成本费用较高，且产生巨大的能耗。因此，该方式在贵重金属的回收过程中十分常见。

1.3.2物理化学处理法

（1）离子交换法

离子交换法，在水中添加离子交换剂，实现废水中重金属离子的有效交换，并以此将水体中存在的重金属离子予以有效清除。

应用该方式进行水体处理，具有较高的处理效率，且处理后的水质处于良好状态，便于进行重金属的回收。但离子交换剂极易被污染。

（2）膜分离技术

膜分离技术，巧妙借助多种具有特殊功能的半透膜，在某两侧设置不同的压力差或浓度差，在此基础上，巧妙借助阴阳离子的交换膜，实现对水体中重金属离子的有效分离。

该方式操作便捷，，对重金属的去除率高且能回收重金属。但是膜的成本较高。

（3）吸附法

吸附法，在水体中添加吸附剂，使水体中存在的重金属离子被吸附，从而发挥起水质净化的效果。常见的吸附剂为活性炭。

该方式操作便捷，所需占地面积相对较小，可循环利用的吸附剂，使成本得以显著下降。

1.3.3生物处理法

生物处理法，针对废水中存在的有毒有害物质进行处理，巧妙借助微生物或植物所具有的降解、富集等作用实现，从而净化水质。主要有生物吸附法、生物絮凝法和植物修复法。

PH值的变化并不会对生物材料造成较大影响，且该方式为应用任何化学试剂，并不会产生大量的污泥，基本不存在二次污染现象，可将军泥中的金属进行回收再利用，也可将菌泥视为肥料。

（1）生物吸附法

生物吸附法，基于某种化学作用，使金属离子被生物体所吸附的方式。生物吸附可以吸附主体的状态为依据，划分为死体吸附与活体吸附两种。相较而言，死体吸附与金属具有更强的结合力，无需将任何养分提供给细胞，几乎不受环境影响。所以，目前生物死体吸附在处理重金属废水上更受关注。

生物吸附剂一般为藻类、淀粉、纤维和微生物等，上述物质对重金属具有良好的吸附作用，且具有十分显著的优势。例如，成本相对较低、可吸附大量的重金属、适用的浓度范围十分广泛等。

（2）生物絮凝法

生物絮凝法，该方式巧妙借助絮凝剂，针对污水进行净化处理。众所周知，生物絮凝剂的优势特征就是具有良好的絮凝效果、安全无毒无害、便于分离絮凝物、无二次污染等。但相较而言，该方式的成本费用相对较高，且不易保存。

（3）植物修复法

植物修复，即巧妙借助植物自身的吸收、沉淀与富集作用，实现对污染物的有效转化或转换，从而对环境进行修复与治理。

表1水体重金属污染处理方法的优缺点

cf479d0dcb19bcccdaadc056d76498bb-1 由表1可见各种处理方法的优缺点，相比之下植物修复法同时具有成本低，简单易操作，不会产生二次污染等优势，常用于针对受到重金属污染的水体进行处理。

1.4植物修复的类型

植物修复法，常常用于进行水体与土壤的污染处理，其主要污染源为重金属，有机物或放射性物质。现存植物修复方式为5种类型，依次为植物提取修复、植物挥发修复、植物固定修复、植物转化修复、根圈的植物修复技术。

1.4.1植物提取修复

植物提取，由于部分植物对重金属具有较高的耐受性，且能够在体内累积大量的重金属，巧妙借助该类植物的根系，实现对水体或土壤中存在的重金属污染物质加以吸收，是重金属达到根植以上部分，将上半部进行刈割，即可实现对水体或土壤中重金属的有效去除。

超轨迹植物与诱导轨迹植物为植物提取修复技术中常用的植物类型。抄给基植物，该部分植物具有强大的重金属吸附能力，可将其运送至地上部分；诱导的累积植物是指那些自身不具有超累积能力但通过一些过程能将超累积能力诱导出来的植物。

在针对水体与土壤存在的重金属污染现象进行处理时，植物提取修复技术最为常见，且应用最为广泛，具有良好的上升空间。

1.4.2植物挥发修复

植物挥发，巧妙借助植物，实现对水体或土壤中重金属的充分吸收，在植物体内使其存在形态发生转换，以气态被释放至大气环境内，从而实现水体或土壤的有效净化。

该方式针对重金属的毒性提出明确的要求，必须保证，相较于释放钱的毒性，释放后的毒性更小，从而使环境的危害在一定程度上有所减轻。在应用植物挥发修复技术进行水体与土壤重金属污染的修复时，其应用范围具有较大的局限性，对，具有挥发性金属进行。当植物将重金属释放到大气内，是否存在二次污染现象，仍有待深入探讨。所以，应用植物挥发修复技术必须十分严谨。

1.4.3植物固定修复

植物固定修复，借助植物根系中存在的某种特定物质，巧妙的将水体或土壤中的有害物质转化成相对无害的物质，从而达到降低污染的目的。

植物在植物固定修复的作用：一是保护土壤不被风雨侵蚀，使土壤中重金属渗漏污染地下水和周边环境的情况予以显著缩减；二是巧妙借助植物的根部，实现重金属物质的转化积累与沉淀，亦或是借助部分植物根植表面的吸附作用，使重金属物质被固定。例如，铅可与植物分泌的磷酸盐发生结合，产生磷酸铅，使铅发生固化，从而实现铅毒性的显著降低；巧妙借助植物转化，使毒性高的Cr6+转化为毒性低的Cr3+。该类植物往往具有十分鲜明的特征，能够在具有较高的重金属含量的土壤中生长，且具有十分发达的根系，其分泌物质能够使重金属得到有效吸附，沉淀与还原。

应用该方式进行水体或土壤的修复时，尽量避免有毒元素被植物所吸收，以防被动物吃下后对食物链产生的污染。

植物固定修复方式的应用，并未实现重金属物质的有效去除，仅将其固定于植物根系，一旦土壤或水体的环境发生改变，难以避免重金属毒性活化的现象，因此，该方式无法实现重金属污染问题的彻底净化。

1.4.4植物转化修复

植物转化别名植物降解，充分利用植物的新陈代谢，吸收或分解水体存在的重金属物质，亦或是巧妙借助植物内所存在的酶等化合物，实现对重金属的有效分解。该方式针对具有良好输水性的污染物十分适用。

1.4.5根圈的植物修复技术

根圈的植物修复技术别名为植物刺激技术，经过植物的吸收与利用后，可将重金属转化为可挥发状态，使其成功脱离水体、土壤与植物表面，实现对水体、土壤等的净化。根据现有研究成果显示，毒性大的Hg2+能被烟草转化为气态的零价汞，从而降低其毒性。

该方式仅适用于具有挥发性质的污染物，无法实现广泛应用，且污染物被转移后，进入周边大气环境，人体仍可能会受到一定侵害。

1.5植物修复的优缺点

1.5.1植物修复的优点

相较于其他化学方式或物理方式而言，植物修复技术备受业界关注。相较而言，植物修复，所需要的成本费用相对较低，不会对环境造成较大的影响，技能使水体中存在的重金属污染与有效去除，又能去除周边环境中的有害污染物，并起到美化环境的作用。

1.5.2植物修复的缺点

要针对不同污染情况的水体选用合适的植物。大多情况下，某种植物所吸收的重金属元素局限于1~2种，对其他重金属无法达到去除的目的，导致植物的修复效果受到限制，无法在多种重金属污染处理中应用植物修复技术。用于进行重金属污染水体处理的超累积植物具有十分鲜明的特征，植株矮小、生物量低、生长缓慢、需要较长的修复时间、经济效益低。与此同时，怎样安全处置，超北极大量金属植物也成为一个重点难点问题，与此同时，怎样有效规避污染物重新活化问题也有待解决。与此同时，污染区的气候环境也会对植物修复的效果产生较大的影响。

表2植物修复技术各类型的优缺点

0b3fb19e95837e726e87012b9752ad7a 2研究意义及研究内容

2.1研究意义

当前我国水体重金属污染现象十分严重。随着科技的进步，我国许多传统水体重金属污染处理工艺都有了很大的成效，例如吸附法、离子交换法等，但受到较高的成本费用限制，且操作流程十分繁复，容易产生二次污染等缺陷还无法得到广泛的应用。

相较其他方式而言，采取植物修复的方式，往往能够使植物修复与维护的成本处于较低水平，操作便捷，产生二次污染的可能性微乎其微，且便于处理，同时植物主要用于观赏，不会通过食物链富集，从而减小了人体受到危害的可能性，而且植物对环境还具有美化和改善作用[8]。利用适当的植物可去除污水中的重金属。

但是，如何筛选出适当的植物还是一个没有彻底解决的问题。用以修复的植物在具有耐金属性强的同时还要适应多种重金属共同存在的环境。因此，未来还需筛选出合适的植物以推广植物修复技术。

由于植物修复是一项新技术，大多数研究是在实验室进行的，实际条件通常比实验室复杂得多，结果也会有所差别。因此，把植物修复技术推广至实际工程之前还需要做进一步的研究。

通过研究绿萝去除低水中铅、铬[9]，可为构建水生植物净化污水提供一定的参考，为建立更完整优越的污水生物净化体系寻找一条最佳的生态途径。

2.2研究内容

查阅资料，了解重金属污染的危害和现状，并了解植物修复技术。设计两组实验，分别为在不同浓度的含Pb水样中培养绿萝和在不同浓度的含Cr水样中培养绿萝，培养14天后，测定水样中Pb、Cr的浓度，再根据实验的数据结果研究绿萝对水中Pb、Cr的去除作用。

3实验材料与方法

3.1供试材料

取大小、重量相近的健康绿萝，去除腐根及老黄叶片，为避免影响实验结果，实验前将其置于清水中培养2d，去除原有杂质及污垢。然后置于烧杯中培养。

3.2试验方法

3.2.1研究绿萝对铅污染水体的净化

取8个烧杯依次按0、1、2、3、4、5、6、7、8标号，分别配制Pb浓度为0、0.01、0.05、0.1、1、5、10、25、50mg/L的水样100mL，并各取60mL水样装入8个烧杯中，每个烧杯中放入3株绿萝，培养并观察。培养14天后，测水样中Pb浓度。实验过程中，蒸发和植物蒸腾作用会使烧杯的水减少，要注意观察并及时将蒸馏水补充进去。

3.2.2研究绿萝对铬污染水体的净化

取8个烧杯依次按9、10、11、12、13、14、15、16、17标号，分别配制Cr浓度为0、0.01、0.05、0.1、1、5、10、25、50mg/L的水样100mL，并各取60mL水样装入8个烧杯中，每个烧杯中放入3株绿萝，培养并观察。培养14天后，测水样中Cr浓度。实验过程中，蒸发和植物蒸腾作用会使烧杯的水减少，要注意观察并及时将蒸馏水补充进去。

3.3测定方法

用原子吸收光谱仪AAS900T火焰法测试绿萝体内根、茎、叶中重金属Pb和Cr含量。

实验注意事项：（1）绿萝适宜在潮湿温暖且没有阳光直射的环境下生长。（2）及时往玻璃缸中补充适量的蒸馏水。

3.4实验内容

取自供市绿萝，选取长势基本一致8~10g去离子水培养天后置于配好的不同浓度重金属Pb、Cr单一溶液及Pb、Cr复合重金属溶液中，分批实验连续培养，定期使用原子吸收光谱仪（AAS900T）石墨炉法测试水体中重金属浓度变化，计算去除率，14天后将培养后的绿萝用去离子水冲洗，将培养后的绿萝分为根、茎、叶三部分，置于烘箱中105℃下杀青30min，再在70℃下烘干至恒量，分别称其各部分干重，研磨后过60目尼龙筛，准确称取植物样品0.2g，湿法消解（HNO3:H2O2=4:1），消解直至溶液变清，褐色烟雾不再产生并赶酸，当溶液蒸至近干时，经0.45μm滤膜过滤后装入50 mL容量瓶中，定容，使用原子吸收光谱仪（AAS900T）火焰法测试绿萝根、茎、叶Pb含量，使用Orign8.5及SPASS10.软件进行实验结果相关性分析及作图，得出相应结论。

3.5样品前处理

第14天将绿萝从不同处理的培养液中取出，用去离子水冲洗6次，待自然干燥后用干净剪刀将其分为根、茎、叶三部分，绿萝根茎叶烘干研磨实物见图3-1，置于烘箱中105℃下杀青30min，再在80℃下烘干至恒量，充分研磨后过80目尼龙筛，分别称其各部分干重，然后放入消化管中用4 mL浓HNO3(优级纯)浸泡过夜再加1 m LH2O2静置1h后用消解炉消解，绿萝根茎叶研磨后浓酸浸泡实物见图3-2，初始温度设置85℃，待反应不剧烈后温度设置135℃绿萝根茎叶浸泡后加热实物见图3-3，消解完全后（溶液澄清透明）进入赶酸阶段，此时温度设置为170℃，溶液剩余1~2 m L定容50 m L至容量瓶中待测，

4实验结果与分析

4.1绿萝对铅污染水体的净化

由表3可知，培养14天后，针对不同浓度的Pb，绿萝的去除率发生了变化。当污染水体中的铅浓度小于0.1mg/L，其净化效果十分显著，具有50%的去除率；对浓度在0.1~1mg/L的水样也有较明显的净化作用，Pb去除率能达到41%以上；当水样中Pb浓度大于5mg/L时，Pb去除率基本为0。水样中Pb浓度越高，绿萝对其净化作用越差。 5d87cfb4adfdc10f2651295f71b86a91 注：Pb残余率=回收培养液浓度/培养液初始浓度；Pb去除率=100-Pb残余率

4.2绿萝对铬污染水体的净化

由表4可知，培养14天后，针对不同浓度的Cr，绿萝的去除率发生了变化。当污染水体中的铬浓度小于0.05mg/L，其净化效果十分显著，具有42%的去除率；当污染水体中的铬浓度处于0.05~1mg/L范围内，其净化效果十分明显，具有17%的去除率；当污染水体中的铬浓度大于5mg/L时，Cr去除率基本为0。水样中Cr浓度越高，绿萝对其净化作用越差。

65f3e54ea9df1996435962035e397259 4.3绿萝对低浓度铅、铬污水净化的比较

由图1可知，相较于低浓度铬污染废水，绿萝对低浓度铅污染水体具有更好的净化效果。

图1绿萝对低浓度铅、铬污水净化的比较

结束语

实验结果表明，绿萝对低浓度的铅、铬污染水体都有显著的净化作用。当水中铅浓度在0~1mg/L时，绿萝针对铅的去除率高达70%；当铅浓度在水体中处于5~50mg/L范畴内，绿萝未发挥其去除作用。水中铬浓度在0~1mg/L时，绿萝对其去除率较高，去除率最高可达60%；而当水中铬浓度在5~50mg/L时，绿萝对其基本没有去除作用。因此，绿萝可用来净化低浓度的铅、铬污水，且对低浓度的铅污染废水的净化作用优于低浓度的铬污染废水。

参考文献

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[9]铬胁迫对3种草本植物生长及铬积累的影响[J].王爱云,黄姗姗,钟国锋,徐刚标,刘志祥,申响保.环境科学.2012(06)

致谢

在这论文搁笔之际，窗外正春暖花开。此时，我要由衷地感谢我的论文指导老师老师，从选题到写作过程，老师不厌其烦地为我指点迷津、梳理脉络，绵绵师恩，当永志不忘，如果没有宋老师严谨负责地给予我辅导，并为我提供众多创造性的建议，那我也没有办法完成我的论文。

同窗情谊，山高水远，时光如白驹过隙，转眼三年大学生涯就走向了尾声。这三年的光阴就寄托在那一分濠河的安若明镜里，沉溺在那两分狼山的似锦晚霞里，消散在那三分南大街说不尽的烟火人气里。

我不知道将来十年二十年会用一种怎样的心情会想起这段长达三年之久的温暖而漫长的旅行，可能在某一个散步回家的黄昏，想起曾经也在这样温柔的落日余晖下穿过南通的大街小巷，也可能在加班工作到深夜时望向远处的灯火阑珊，突然想起曾经在这里也曾为了理想而满腔热血艰苦奋斗。行至不惊处，回看皆芳华。

感谢大家陪我成长的这些年，即使就快要离开这里了，我也会保持一颗赤子之心，不负老师和学校的栽培之恩。