菖蒲和芦苇对复合重金属胁迫的生理反应及其富集能力

工程科学学报，第39卷，第7期：1123-1128,2017年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.7:1123-1128,July 2017 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.020:http://journals..ustb.edu.cn 菖蒲和芦苇对复合重金属胁迫的生理反应及其富集 能力 林海2》，刘俊飞”，刘璐璐”，董颖博2)回 1)北京科技大学能源与环境工程学院，北京1000832)工业典型污染物资源化处理北京市重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:ybdonge@usth.cdu.cn 摘要研究了水生植物莒蒲和芦苇对复合重金属(V、Cr和C)的富集能力及对重金属的生理响应，以考察这两种植物对 重金属污染水体的修复效果.结果表明，随着水体中重金属污染浓度的提高，两种植物的耐性系数均有所下降，但莒蒲的生 长状况优于芦苇.在不同重金属污染浓度下，莒蒲和芦苇均表现出对Cd的富集能力最强，其次是C,而对V的富集能力相对 较弱.在相同重金属浓度下，莒蒲对三种重金属的富集总量大于芦苇，在重金属质量浓度为15g·L时，莒蒲对三种重金属 的富集量分别是1065.02、1754.80和4372.40mgkg,且莒蒲地下部分对V、Cr和Cd的富集系数分别是芦苇的2.1倍、1.5 倍和1.8倍.综合考虑得出莒蒲比芦苇更适用于V、Cr和Cd复合重金属污染的修复. 关键词复合重金属污染：莒蒲：芦苇：生理特性：富集能力 分类号X171.5 Physiological responses of Acorus calamus and reed under composite heavy metal stress and their enrichment ability LIN Hai,LIU Jun-fei,LIU Lu-u,DONG Ying-bo 1)School of Energy and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Key Laboratory of Resource-Oriented Treatment of Industrial Pollutants,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:ybdong@ustb.edu.cn ABSTRACT It was studied that the aquatic plant Acorus calamus and reed affected the enrichment ability of compound heavy metals (i.e.V,Cr and Cd)and physiological response and the two plants repair effects of polluted water were investigated by heavy metals. Results show that the tolerance index of two plants decreases with heavy metals concentration increasing in water body,whereas the growth of the Acorus calamus is better than that of reed.Under different concentrations of heavy metals,both Acorus calamus and reed show the strongest enrichment ability of Cd,followed by Cr,while the enrichment ability of V is relatively weak.Under same heavy metal concentration,Acorus calamus on the total enrichment quantities of three kinds of heavy metals are better than those of reed. When the mass concentration of heavy metal is 15 mgL,the enrichment of three heavy metals by Acorus calamus is 1065.02, 1754.80 and 4372.40 mgkg for V,Cr and Cd,respectively.The enrichment index of Acorus calamus underground part of V,Cr and Cd is 2.1,1.5 and 1.8 times better than that of reed.It is concluded that Acorus calamus is more suitable for the remediation of heavy metal pollution by V,Cr and Cd. KEY WORDS composite heavy metal pollution:Acorus calamus:reed:physiological response:enrichment ability 河流重金属污染的问题日益突出，而且污染的重金属种类呈现出多样化和复杂化的趋势.与有机污染 收稿日期：2016-09-20 基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项资助项目(2015ZX07205003)

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期: 1123--1128，2017 年 7 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 7: 1123--1128，July 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 07． 020; http: / /journals． ustb． edu． cn 菖蒲和芦苇对复合重金属胁迫的生理反应及其富集 能力 林 海1，2) ，刘俊飞1) ，刘璐璐1) ，董颖博1，2)  1) 北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083 2) 工业典型污染物资源化处理北京市重点实验室，北京 100083 通信作者，E-mail: ybdong@ ustb． edu． cn 摘 要 研究了水生植物菖蒲和芦苇对复合重金属( V、Cr 和 Cd) 的富集能力及对重金属的生理响应，以考察这两种植物对 重金属污染水体的修复效果． 结果表明，随着水体中重金属污染浓度的提高，两种植物的耐性系数均有所下降，但菖蒲的生 长状况优于芦苇． 在不同重金属污染浓度下，菖蒲和芦苇均表现出对 Cd 的富集能力最强，其次是 Cr，而对 V 的富集能力相对 较弱． 在相同重金属浓度下，菖蒲对三种重金属的富集总量大于芦苇，在重金属质量浓度为 15 mg·L － 1时，菖蒲对三种重金属 的富集量分别是 1065. 02、1754. 80 和 4372. 40 mg·kg － 1，且菖蒲地下部分对 V、Cr 和 Cd 的富集系数分别是芦苇的 2. 1 倍、1. 5 倍和 1. 8 倍． 综合考虑得出菖蒲比芦苇更适用于 V、Cr 和 Cd 复合重金属污染的修复． 关键词 复合重金属污染; 菖蒲; 芦苇; 生理特性; 富集能力 分类号 X171. 5 Physiological responses of Acorus calamus and reed under composite heavy metal stress and their enrichment ability LIN Hai1，2) ，LIU Jun-fei1) ，LIU Lu-lu1) ，DONG Ying-bo1，2)  1) School of Energy and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Beijing Key Laboratory of Ｒesource-Oriented Treatment of Industrial Pollutants，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: ybdong@ ustb． edu． cn ABSTＲACT It was studied that the aquatic plant Acorus calamus and reed affected the enrichment ability of compound heavy metals ( i． e． V，Cr and Cd) and physiological response and the two plants repair effects of polluted water were investigated by heavy metals． Ｒesults show that the tolerance index of two plants decreases with heavy metals concentration increasing in water body，whereas the growth of the Acorus calamus is better than that of reed． Under different concentrations of heavy metals，both Acorus calamus and reed show the strongest enrichment ability of Cd，followed by Cr，while the enrichment ability of V is relatively weak． Under same heavy metal concentration，Acorus calamus on the total enrichment quantities of three kinds of heavy metals are better than those of reed． When the mass concentration of heavy metal is 15 mg·L － 1，the enrichment of three heavy metals by Acorus calamus is 1065. 02， 1754. 80 and 4372. 40 mg·kg － 1 for V，Cr and Cd，respectively． The enrichment index of Acorus calamus underground part of V，Cr and Cd is 2. 1，1. 5 and 1. 8 times better than that of reed． It is concluded that Acorus calamus is more suitable for the remediation of heavy metal pollution by V，Cr and Cd． KEY WOＲDS composite heavy metal pollution; Acorus calamus; reed; physiological response; enrichment ability 收稿日期: 2016--09--20 基金项目: 国家水体污染控制与治理科技重大专项资助项目( 2015ZX07205--003) 河流重金属污染的问题日益突出，而且污染的重 金属种类呈现出多样化和复杂化的趋势． 与有机污染

·1124 工程科学学报，第39卷，第7期 物不同，重金属能长期存在于环境中并进行生物富集， 物样品，试验周期结束后，将植物根、茎和叶分开，通过 对生态环境和人类健康构成巨大的威胁.去除水体中 去离子水冲洗3遍，放在100~120℃烘箱中烘干20~ 重金属的传统方法包括吸附、混凝、浮选、膜过滤、离子 40min杀青，磨碎，称重，分别测定植株内重金属V、Cr 交换、化学沉淀等物理和化学法，这些方法大多具有处 和Cd含量. 理成本高、耗能、重金属特定性强等缺陷.而植物修复 1.3测定方法 技术方法简单，修复成本低，可美化环境，近年来在河 植物生物量和植物生理指标均采用常用方法 流重金属污染治理领域逐渐成为研究热点-.通过 测定a 查阅文献可以发现，菖蒲、香蒲、空心莲子草等挺水植 为说明植物生长状况及对重金属富集能力，采用 物，田字草、浮萍等浮水植物，菹草、伊乐藻、黑藻等沉 以下指标1-一切来表征： 水植物，对水体中铜、铬、镉、铅、锌等重金属都有着一 R=(nX-nX)/△T. 定的富集效果.有研究表明，菖蒲和芦苇对水体中的 式中：R为相对生长速率；X,为试验前测定的生物量， Cr、Cd、Ph等重金属均有一定的富集效果B,但利用 g;X2为试验后测定的生物量，g:△T为测定时间间 菖蒲和芦苇修复V污染水体，尤其是含V复合重金属 隔，d. 污染水体的研究还很少.本文针对湖北某市由于石煤 耐性系数=重金属处理中植物的生物量/对照组 钒矿开发，导致部分河流中重金属V、Cr和Cd离子浓 中的生物量×100%， 度超过国家地表水Ⅱ类标准的实际问题，通过前期调 富集系数=植物体内重金属含量/植物所在环境 研及基础研究，初步确定了挺水植物菖蒲和芦苇用于 实测重金属含量， 修复河流复合重金属污染的研究，本文分析了上述两 植物体内重金属含量测试采用电感耦合等离子体 种水生植物在复合重金属V、Cr和Cd同时胁迫下的 质谱(ICP-MS)测量 生长和生理反应特性，并结合植物富集重金属的能力， 2结果与讨论 探索了V、Cr和Cd复合重金属对两种水生植物的毒 害和其耐性机理，以期为水生植物菖蒲和芦苇在复合 2.1不同浓度V、Cr和Cd对菖蒲和芦苇生长状况的 重金属污染河流生态修复应用中提供基础6 影响 不同浓度的钒、铬和镉对菖蒲和芦苇生长影响的 1材料与方法 试验结果见表1和图1(C1、C5和C15分别表示菖蒲 1.1试验材料 在重金属质量浓度为1、5和15mg·L条件下的测试 试验植物菖蒲和芦苇来源于江苏省某花卉苗圃的 数据，L1、L5和L15分别表示芦苇在重金属质量浓度 水栽幼苗，幼苗经去离子水冲洗，试验前将其放置于 为1、5和15mgL条件下的测试数据).表1结果表 1/2营养液中培养备用 明，在相同复合重金属浓度下，菖蒲和芦苇的耐性系数 营养液配方网：采用Hoagland配方营养液，具体 随生长时间的增加均呈下降趋势，而且芦苇耐性系数 成分包括硝酸钙945mgL,硝酸钾607mgL,磷酸铵 下降程度更大：随着水体中重金属浓度的增加，芦苇对 115mgL,硫酸镁493mgL,铁盐溶液2.5mgL. 复合重金属的耐性系数逐渐降低，而菖蒲则变化不明 1.2试验方法 显.由图1得出，两种挺水植物在复合重金属污染水 本试验通过模拟室外天然水体环境，在40cm×27 体中的相对生长速率随生长时间增加均呈下降趋势， cm×21.5cm的透明整理箱中进行. 且芦苇的相对生长速率在第30天时已变为负数，而菖 试验具体步骤为：向每个整理箱内加入10L暴晒 蒲的相对生长速率则在第45天时变为负数：同种植物 过的营养液，其浓度为Hoagland营养液的l/10,然后 在不同重金属浓度下相对生长速率差异显著，结合两 分别选取长势相近的菖蒲和芦苇40g定植于整理箱 种植物耐性系数的变化情况可以看出，在相同复合重 中，待植物生长状况稳定(14d)后，向不同整理箱内添 金属浓度污染情况下，芦苇的生长状况相比菖蒲受影 加NHVO,、K,Cr,O,和CdC1,·2.5H,0配制成的不同 响更严重.图中数值为3个重复的平均值±标准差 复合重金属(V、Cr和Cd)浓度混合溶液，设计3组不 (LSD检验，LSD表示最小显著性差异法：p=0.O5,p 同重金属浓度水平，第1组V、Cr和Cd质量浓度均为 代表显著水平：n=3,n代表3个重复试验)，其中C 1mgL,第2组V、Cr和Cd质量浓度均为5mgL, 代表菖蒲，L代表芦苇 第3组V、Cr和Cd质量浓度均为l5mg·L,以考察 2.2不同浓度V、Cr和Cd对菖蒲和芦苇生理特性的 V、Cr和Cd组合不同浓度下植物的生理生长情况以及 影响 对重金属的富集效果.每组试验均设置不加重金属对 超氧化物歧化酶(S0D)、过氧化物酶(POD)和过 照组，试验周期为45d,每隔15d取一次待测水样和植 氧化氢酶(CAT)通常可作为植物组织衰弱的生理指

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期 物不同，重金属能长期存在于环境中并进行生物富集， 对生态环境和人类健康构成巨大的威胁． 去除水体中 重金属的传统方法包括吸附、混凝、浮选、膜过滤、离子 交换、化学沉淀等物理和化学法，这些方法大多具有处 理成本高、耗能、重金属特定性强等缺陷． 而植物修复 技术方法简单，修复成本低，可美化环境，近年来在河 流重金属污染治理领域逐渐成为研究热点［1--2］． 通过 查阅文献可以发现，菖蒲、香蒲、空心莲子草等挺水植 物，田字草、浮萍等浮水植物，菹草、伊乐藻、黑藻等沉 水植物，对水体中铜、铬、镉、铅、锌等重金属都有着一 定的富集效果． 有研究表明，菖蒲和芦苇对水体中的 Cr、Cd、Pb 等重金属均有一定的富集效果［3--5］，但利用 菖蒲和芦苇修复 V 污染水体，尤其是含 V 复合重金属 污染水体的研究还很少． 本文针对湖北某市由于石煤 钒矿开发，导致部分河流中重金属 V、Cr 和 Cd 离子浓 度超过国家地表水 II 类标准的实际问题，通过前期调 研及基础研究，初步确定了挺水植物菖蒲和芦苇用于 修复河流复合重金属污染的研究，本文分析了上述两 种水生植物在复合重金属 V、Cr 和 Cd 同时胁迫下的 生长和生理反应特性，并结合植物富集重金属的能力， 探索了 V、Cr 和 Cd 复合重金属对两种水生植物的毒 害和其耐性机理，以期为水生植物菖蒲和芦苇在复合 重金属污染河流生态修复应用中提供基础［6--8］． 1 材料与方法 1. 1 试验材料 试验植物菖蒲和芦苇来源于江苏省某花卉苗圃的 水栽幼苗，幼苗经去离子水冲洗，试验前将其放置于 1 /2 营养液中培养备用． 营养液配方［9］: 采用 Hoagland 配方营养液，具体 成分包括硝酸钙945 mg·L － 1，硝酸钾607 mg·L － 1，磷酸铵 115 mg·L － 1，硫酸镁 493 mg·L － 1，铁盐溶液 2. 5 mg·L － 1 ． 1. 2 试验方法 本试验通过模拟室外天然水体环境，在 40 cm × 27 cm × 21. 5 cm 的透明整理箱中进行． 试验具体步骤为: 向每个整理箱内加入 10 L 暴晒 过的营养液，其浓度为 Hoagland 营养液的 1 /10，然后 分别选取长势相近的菖蒲和芦苇 40 g 定植于整理箱 中，待植物生长状况稳定( 14 d) 后，向不同整理箱内添 加 NH4VO3、K2 Cr2O7和 CdC12 ·2. 5H2 O 配制成的不同 复合重金属( V、Cr 和 Cd) 浓度混合溶液，设计 3 组不 同重金属浓度水平，第 1 组 V、Cr 和 Cd 质量浓度均为 1 mg·L － 1，第 2 组 V、Cr 和 Cd 质量浓度均为 5 mg·L － 1， 第 3 组 V、Cr 和 Cd 质量浓度均为 15 mg·L － 1，以考察 V、Cr 和 Cd 组合不同浓度下植物的生理生长情况以及 对重金属的富集效果． 每组试验均设置不加重金属对 照组，试验周期为 45 d，每隔 15 d 取一次待测水样和植 物样品，试验周期结束后，将植物根、茎和叶分开，通过 去离子水冲洗 3 遍，放在 100 ～ 120 ℃烘箱中烘干 20 ～ 40 min 杀青，磨碎，称重，分别测定植株内重金属 V、Cr 和 Cd 含量． 1. 3 测定方法 植物生物量和植物生理指 标 均 采 用 常 用 方 法 测定［10］． 为说明植物生长状况及对重金属富集能力，采用 以下指标［11--13］来表征: Ｒ = ( InX2 － InX1 ) /ΔT． 式中: Ｒ 为相对生长速率; X1为试验前测定的生物量， g; X2 为试验后测定的生物量，g; ΔT 为 测 定 时 间 间 隔，d． 耐性系数 = 重金属处理中植物的生物量/对照组 中的生物量 × 100% ， 富集系数 = 植物体内重金属含量/植物所在环境 实测重金属含量， 植物体内重金属含量测试采用电感耦合等离子体 质谱( ICP--MS) 测量． 2 结果与讨论 2. 1 不同浓度 V、Cr 和 Cd 对菖蒲和芦苇生长状况的 影响 不同浓度的钒、铬和镉对菖蒲和芦苇生长影响的 试验结果见表 1 和图 1( C1、C5 和 C15 分别表示菖蒲 在重金属质量浓度为 1、5 和 15 mg·L － 1条件下的测试 数据，L1、L5 和 L15 分别表示芦苇在重金属质量浓度 为 1、5 和 15 mg·L － 1条件下的测试数据) ． 表 1 结果表 明，在相同复合重金属浓度下，菖蒲和芦苇的耐性系数 随生长时间的增加均呈下降趋势，而且芦苇耐性系数 下降程度更大; 随着水体中重金属浓度的增加，芦苇对 复合重金属的耐性系数逐渐降低，而菖蒲则变化不明 显． 由图 1 得出，两种挺水植物在复合重金属污染水 体中的相对生长速率随生长时间增加均呈下降趋势， 且芦苇的相对生长速率在第 30 天时已变为负数，而菖 蒲的相对生长速率则在第 45 天时变为负数; 同种植物 在不同重金属浓度下相对生长速率差异显著，结合两 种植物耐性系数的变化情况可以看出，在相同复合重 金属浓度污染情况下，芦苇的生长状况相比菖蒲受影 响更严重． 图中数值为 3 个重复的平均值 ± 标准差 ( LSD 检验，LSD 表示最小显著性差异法; p = 0. 05，p 代表显著水平; n = 3，n 代表 3 个重复试验) ，其中 C 代表菖蒲，L 代表芦苇． 2. 2 不同浓度 V、Cr 和 Cd 对菖蒲和芦苇生理特性的 影响 超氧化物歧化酶( SOD) 、过氧化物酶( POD) 和过 氧化氢酶( CAT) 通常可作为植物组织衰弱的生理指 · 4211 ·

林海等：莒蒲和芦苇对复合重金属胁迫的生理反应及其富集能力 ·1125* 表1莒蒲和芦苇在不同重金属浓度处理下的耐性系数 升高，在5mgL和15mgL时有所下降，这表明在1 Table 1 Tolerance index of Acorus calamus and reed in different heavy mgL时的植物生长状况相对更好，细胞受损较小 metal concentrations 对比菖蒲和芦苇发现，在第45天芦苇的S0D、POD和 水体中复合重金属 不同生长时间耐性系数/% 植物名称 CAT活性均比菖蒲高，而叶绿素含量芦苇却比菖蒲低， 质量浓度/(mgL1) 15d 30d 45d 这也间接说明菖蒲的生长状况更好，受到的重金属迫 1 88.68 85.37 82.14 害更小(U是酶活力单位). 莒蒲(C) 5 93.16 94.15 86.90 2.3不同浓度V、Cr和Cd对菖蒲和芦苇富集能力的 15 95.00 92.20 83.33 影响 1 96.85 88.02 77.78 为了研究菖蒲和芦苇对不同浓度V、Cr和Cd的 芦苇(L) 5 95.75 87.60 75.00 富集情况，分别研究了菖蒲和芦苇体内的重金属富集 15 88.75 79.04 71.50 量和重金属浓度的线性关系，结果见图3，同时还计算 出了植物体内重金属富集系数，用来说明植物富集重 标，而叶绿素是植物体内细胞结构是否受损的重要指 金属的能力阅，结果见表2. 标之一4-，不同V、Cr和Cd浓度条件对挺水植物菖 从图3~图5（干重条件下）可以发现，菖蒲和芦 蒲和芦苇生理影响的试验结果见图2（鲜重条件下）， 苇在不同重金属浓度下重金属富集量差异显著，重金 C1、C5、C15、L1、L5和L15表示方法同图1.图中数值 属富集量均随着复合重金属浓度的增加而升高，这与 为3个重复的平均值±标准差(LSD检验，p=0.05,p 李洋等切对菖蒲富集重金属能力的研究基本相符.对 代表显著水平；n=3,n代表3个重复试验)，其中C 比菖蒲和芦苇对重金属V、Cr和Cd的富集能力可以 代表菖蒲，L代表芦苇. 发现，在相同重金属浓度下，菖蒲对V、Cr和Cd富集 由图2可以看出，菖蒲和芦苇在不同重金属浓度 量均大于芦苇，在三种重金属质量浓度均为1mgL1 下酶活性及叶绿素含量差异显著。在重金属质量浓度 时，菖蒲对V、Cr和Cd的富集量分别是156.33、 为1mgL和5mgL1的情况下，第45天时两种植物 709.01和2016.40mgkgˉ；在三种重金属质量浓度均 的SOD、POD和CAT活性均比第15天酶活性有所升 为5mg·L时，菖蒲对V、Cr和Cd的富集量分别是 高或相近，在重金属质量浓度为15mgL的情况下， 817.78、1424.50和2313.60mg~kg:在三种重金属质 SOD、POD和CAT活性均比第15天酶活性有所降低， 量浓度为l5mgL时，菖蒲对V、Cr和Cd的富集量分 这说明在较低重金属浓度下，植物启动了细胞的应急 别是1065.02、1754.80和4372.40mgkg.在不同重 防御反应，体内保护酶活性发生了应急性的提高， 金属浓度下，菖蒲和芦苇均表现出对C的富集量最 起到了一定的保护作用，并在适应了重金属的刺激之 大，对V的富集量相对最小.比较线性相关系数R可 后相应酶活性升高以应对外界刺激，而在较高重金属 以发现，菖蒲对V和C:的植物体内重金属富集量与V 浓度情况下，由于重金属持续的刺激导致植物一直处 和C的浓度线性关系更加密切，线性相关系数R分 于防御状态，超过一定限度后，相应酶活性均有所降 别是0.9296和0.9567，芦苇对Cd的植物体内重金属 低，这一结果与吴娟叨的研究结果相似，均可以用酶 富集量与Cd的浓度线性关系更加密切，线性相关系 系统的防御反应来解释.另外在第45天时，菖蒲和芦 数R是0.9818.图中数值为3个重复的平均值±标准 苇的叶绿素含量在重金属质量浓度为1mgL时有所 差(LSD检验，p=0.05,p代表显著水平：n=3,n代表 1.0 口15d 0.8 0.6 回45d 0.4 0.2 0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -10 C15 LI L15 质量浓度mg·L少 图1莒蒲和芦苇在不同水体重金属质量浓度处理下的相对生长速率 Fig.I Influence of different heavy metal mass concentrations on the growth of Acorus calamus and reed

林 海等: 菖蒲和芦苇对复合重金属胁迫的生理反应及其富集能力 表 1 菖蒲和芦苇在不同重金属浓度处理下的耐性系数 Table 1 Tolerance index of Acorus calamus and reed in different heavy metal concentrations 植物名称 水体中复合重金属 质量浓度/( mg·L － 1 ) 不同生长时间耐性系数/% 15 d 30 d 45 d 1 88. 68 85. 37 82. 14 菖蒲( C) 5 93. 16 94. 15 86. 90 15 95. 00 92. 20 83. 33 1 96. 85 88. 02 77. 78 芦苇( L) 5 95. 75 87. 60 75. 00 15 88. 75 79. 04 71. 50 图 1 菖蒲和芦苇在不同水体重金属质量浓度处理下的相对生长速率 Fig． 1 Influence of different heavy metal mass concentrations on the growth of Acorus calamus and reed 标，而叶绿素是植物体内细胞结构是否受损的重要指 标之一［14--15］，不同 V、Cr 和 Cd 浓度条件对挺水植物菖 蒲和芦苇生理影响的试验结果见图 2( 鲜重条件下) ， C1、C5、C15、L1、L5 和 L15 表示方法同图 1． 图中数值 为 3 个重复的平均值 ± 标准差( LSD 检验，p = 0. 05，p 代表显著水平; n = 3，n 代表 3 个重复试验) ，其中 C 代表菖蒲，L 代表芦苇． 由图 2 可以看出，菖蒲和芦苇在不同重金属浓度 下酶活性及叶绿素含量差异显著． 在重金属质量浓度 为 1 mg·L － 1和 5 mg·L － 1的情况下，第 45 天时两种植物 的 SOD、POD 和 CAT 活性均比第 15 天酶活性有所升 高或相近，在重金属质量浓度为 15 mg·L － 1的情况下， SOD、POD 和 CAT 活性均比第 15 天酶活性有所降低， 这说明在较低重金属浓度下，植物启动了细胞的应急 防御反应［16］，体内保护酶活性发生了应急性的提高， 起到了一定的保护作用，并在适应了重金属的刺激之 后相应酶活性升高以应对外界刺激，而在较高重金属 浓度情况下，由于重金属持续的刺激导致植物一直处 于防御状态，超过一定限度后，相应酶活性均有所降 低，这一结果与吴娟［17］的研究结果相似，均可以用酶 系统的防御反应来解释． 另外在第 45 天时，菖蒲和芦 苇的叶绿素含量在重金属质量浓度为 1 mg·L － 1时有所 升高，在 5 mg·L － 1和 15 mg·L － 1时有所下降，这表明在 1 mg·L － 1时的植物生长状况相对更好，细胞受损较小． 对比菖蒲和芦苇发现，在第 45 天芦苇的 SOD、POD 和 CAT 活性均比菖蒲高，而叶绿素含量芦苇却比菖蒲低， 这也间接说明菖蒲的生长状况更好，受到的重金属迫 害更小( U 是酶活力单位) ． 2. 3 不同浓度 V、Cr 和 Cd 对菖蒲和芦苇富集能力的 影响 为了研究菖蒲和芦苇对不同浓度 V、Cr 和 Cd 的 富集情况，分别研究了菖蒲和芦苇体内的重金属富集 量和重金属浓度的线性关系，结果见图 3，同时还计算 出了植物体内重金属富集系数，用来说明植物富集重 金属的能力［18］，结果见表 2． 从图 3 ～ 图 5( 干重条件下) 可以发现，菖蒲和芦 苇在不同重金属浓度下重金属富集量差异显著，重金 属富集量均随着复合重金属浓度的增加而升高，这与 李洋等［7］对菖蒲富集重金属能力的研究基本相符． 对 比菖蒲和芦苇对重金属 V、Cr 和 Cd 的富集能力可以 发现，在相同重金属浓度下，菖蒲对 V、Cr 和 Cd 富集 量均大于芦苇，在三种重金属质量浓度均为 1 mg·L － 1 时，菖 蒲 对 V、Cr 和 Cd 的 富 集 量 分 别 是 156. 33、 709. 01 和 2016. 40 mg·kg － 1 ; 在三种重金属质量浓度均 为 5 mg·L － 1 时，菖蒲对 V、Cr 和 Cd 的富集量分别是 817. 78、1424. 50 和 2313. 60 mg·kg － 1 ; 在三种重金属质 量浓度为 15 mg·L － 1时，菖蒲对 V、Cr 和 Cd 的富集量分 别是 1065. 02、1754. 80 和 4372. 40 mg·kg － 1 ． 在不同重 金属浓度下，菖蒲和芦苇均表现出对 Cd 的富集量最 大，对 V 的富集量相对最小． 比较线性相关系数 Ｒ2 可 以发现，菖蒲对 V 和 Cr 的植物体内重金属富集量与 V 和 Cr 的浓度线性关系更加密切，线性相关系数 Ｒ2 分 别是 0. 9296 和 0. 9567，芦苇对 Cd 的植物体内重金属 富集量与 Cd 的浓度线性关系更加密切，线性相关系 数 Ｒ2 是 0. 9818． 图中数值为 3 个重复的平均值 ± 标准 差( LSD 检验，p = 0. 05，p 代表显著水平; n = 3，n 代表 · 5211 ·

·1126 工程科学学报，第39卷，第7期 1200 (a 800 ol5d (b) 口15d 1000 530 d 700 ■45d . 600 45d 800 500 600 400 400 300 200 100 CIS LI 5 5 5 .5 质量浓度mg·L) 质量浓度(mg·L-9 180 (c) ▣15d (d) 口15d T 30 d 245d ■45d 120 ￥ 100 2 4 CI C5 C15 C15 L15 质量浓度mg·L-) 质量浓度mg·L-) 图2莒蒲和芦苇在不同水体重金属质量浓度处理下的生理特性变化 Fig.2 Physiological responses of Acorus calamus and reed in different heavy metal mass concentrations 3个重复试验)，其中C代表菖蒲，L代表芦苇 表2莒蒲和芦苇在不同重金属质量浓度处理下的富集能力 1200 Table 2 Enrichment condition for V,Cr,and Cd of Acorus calamus and 口莒蒲 y=472.29x-276.82 reed under different metal mass concentrations 1000 ☑芦苇 R=0.9296 线性（信） 水中复合重金属 富集系数 ----线性（芦苇） 800 植物名称 300.87x 质量浓度/(mgLl) 重金属 地上 地下 237.39 600 R2-0.8601 0.18 0.57 ----- Cr 0.21 0.74 400 Cd 0.58 1.48 200 0.13 0.25 莒蒲 公 0.15 0.57 V的质量浓度mg·L-) Cd 0.23 0.64 图3水中重金属V质量浓度与植物体内重金属富集量的关系 0.09 0.19 Fig.3 Relationship of the V mass concentration and the enrichment 15 Cr 0.12 0.37 quantity in plants Cd 0.160.36 相应的从表2中可以看出，菖蒲和芦苇对复合重 V 0.12 0.27 金属V、Cr和Cd的富集系数均随着重金属浓度的增 Cr 0.17 0.49 加而降低，均在重金属质量浓度为1mg·L时达到最 C 0.50 0.83 0.09 0.18 大富集系数，其中菖蒲地下部分对V、Cr和Cd的富集 5 系数分别是芦苇的2.1倍、1.5倍和1.8倍，这也说明 芦苇 Cr 0.12 0.46 在较低重金属浓度下菖蒲对V、Cr和Cd的富集能力 Cd 0.22 0.44 更强，且地上部分对重金属的富集效果更好，认为菖蒲 0.060.12 比芦苇更适用于修复V、Cr和Cd复合重金属污染 Cr 0.09 0.23 Cd 0.12 水体 0.22

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期 图 2 菖蒲和芦苇在不同水体重金属质量浓度处理下的生理特性变化 Fig． 2 Physiological responses of Acorus calamus and reed in different heavy metal mass concentrations 3 个重复试验) ，其中 C 代表菖蒲，L 代表芦苇． 图 3 水中重金属 V 质量浓度与植物体内重金属富集量的关系 Fig． 3 Ｒelationship of the V mass concentration and the enrichment quantity in plants 相应的从表 2 中可以看出，菖蒲和芦苇对复合重 金属 V、Cr 和 Cd 的富集系数均随着重金属浓度的增 加而降低，均在重金属质量浓度为 1 mg·L － 1时达到最 大富集系数，其中菖蒲地下部分对 V、Cr 和 Cd 的富集 系数分别是芦苇的 2. 1 倍、1. 5 倍和 1. 8 倍，这也说明 在较低重金属浓度下菖蒲对 V、Cr 和 Cd 的富集能力 更强，且地上部分对重金属的富集效果更好，认为菖蒲 比芦苇更 适 用 于 修 复 V、Cr 和 Cd 复 合 重 金 属 污 染 水体． 表 2 菖蒲和芦苇在不同重金属质量浓度处理下的富集能力 Table 2 Enrichment condition for V，Cr，and Cd of Acorus calamus and reed under different metal mass concentrations 植物名称 水中复合重金属 质量浓度/( mg·L － 1 ) 重金属 富集系数 地上 地下 V 0. 18 0. 57 1 Cr 0. 21 0. 74 Cd 0. 58 1. 48 V 0. 13 0. 25 菖蒲 5 Cr 0. 15 0. 57 Cd 0. 23 0. 64 V 0. 09 0. 19 15 Cr 0. 12 0. 37 Cd 0. 16 0. 36 V 0. 12 0. 27 1 Cr 0. 17 0. 49 Cd 0. 50 0. 83 V 0. 09 0. 18 芦苇 5 Cr 0. 12 0. 46 Cd 0. 22 0. 44 V 0. 06 0. 12 15 Cr 0. 09 0. 23 Cd 0. 12 0. 22 · 6211 ·

林海等：莒蒲和芦苇对复合重金属胁迫的生理反应及其富集能力 ·1127· 2000 复合污染水体 1800 1菖蒲 y=522.9x+250.31T 芦苇 =0.9567大 1600 线性（菖蒲） 参考文献 1400 -一线性芦苇) 1200 =184.55x+ 1]Harguinteguy C A,Cirelli A F.Pignata M L.Heavy metal accu- 354.25 mulation in leaves of aquatic plant Stuckenia filiformis and its rela- 1000 R-0.8775 tionship with sediment and water in the Suquia river (Argentina) 800 600 Microchem J,2014,114:111 400 2] Ismail A,Toriman M E,Juahir H,et al.Spatial assessment and 200 source identification of heavy metals pollution in surface water using several chemometric techniques.Mar Pollut Bull,2016,106 5 15 Cr的质量浓度(mg~L少 (12):292 B] Namour P,Schmitt L,Eschbach D,et al.Stream pollution con- 图4水中重金属Cr质量浓度与植物体内重金属富集量的关系 centration in riffle geomorphic units (Yzeron basin,France).Sci Fig.4 Relationship of the Cr mass concentration and the enrichmen Total Environ,2015,532(1):80 quantity in plants [4] Ma X T,Liang R J,Qiu J C,et al.Absorption characteristics of heavy metals in sediments from pollutant wetland plants.Enriron 5000 Sci Technol,2016,39(1):165 4500 莒蒲 1=1178r+544.8 (马道天，梁仁君，邱继彩，等.纳污湿地植物对底泥重金属 4000 芦苇 线性首蒲) R2-0.8429 吸收特性研究.环境科学与技术，2016,39(1)：165) 3500 --线性（芦苇） 5]Fu G W.Countermeasures for water and soil heavy metal pollution 3000 =437.55x+ in China.China Enriron Sci,2012,32(2):373 2500 495 2000 (傅国伟.中国水土重金属污染的防治对策.中国环境科学， R-0.9818 1500 2012,32(2):373) 1000 [6 Zhao S D,Zhao X Q,Zuo P,et al.Accumulation capacity of 500 heavy metals by Phragmites australis and assessment.Mar Environ Sci,2014,33(1):60 5 15 Cd的质量浓度/mgL- (赵善道，赵雪琴，左平，等.湿地植物芦苇(Phragmites aust- ralis)的重金属富集能力与评价.海洋环境科学，2014,33 图5水中重金属C质量浓度与植物体内重金属富集量的关系 (1):60) Fig.5 Relationship of the Cd mass concentration and the enrichment 7]Li Y,You S H,Lin Z Y,et al.Comparative study on enrichment quantity in plants capacity of calamus to five kinds of heavy metals.Jiangsu Agr Sci, 2014,42(11):383 3 结论 (李洋，游少鸿，林子雨，等.莒蒲对5种重金属富集能力的 比较.江苏农业科学，2014,42(11)：383) (1)随着V、Cr和Cd复合重金属污染浓度的提 8] Masciandaro G,lannelli R,Chiarugi M,et al.Reed bed systems 高，菖蒲的生长状况要优于芦苇，且SOD、POD和CAT for sludge treatment:case studies in Italy.Water Sci Technol, 活性和叶绿素含量测试结果发现菖蒲在相同重金属浓 2015,72(7):1043 9] 度下相比芦苇受到的迫害作用更小，说明菖蒲对复合 Xia D.Studies on Cyperus Alternifolius for the Remoral Efficiency and Enriching Effect of Water Pollution [Dissertation].Zheng- 重金属的耐性高于芦苇. zhou:Henan Agricultural University,2013 (2)菖蒲和芦苇在不同V、Cr和Cd复合污染浓度 (夏丹.早伞草对富营养化和重金属污染水体的去除效果研 条件下，对三种重金属表现出不同的富集能力，两种植 究[学位论文].郑州：河南农业大学，2013) 物均对Cd的富集能力最强，其次是Cr,而对V的富集 [o] Nie L X,Cui K H,Huang J L.The teaching method of plant 能力相对最弱，在相同重金属浓度下，菖蒲对重金属的 physiological and biochemical experiments for college students Edue Forum,2012 (14):250 富集量大于芦苇 (聂立孝，崔克辉，黄见良.大学生植物生理生化实验课教 (3)随着复合重金属浓度增加，菖蒲和芦苇对V、 学方法初探.教有教学论坛，2012(14)：250) Cr和Cd的富集量均呈逐渐升高的趋势，且菖蒲对重 01] Zhang Z G,Yao D X,Zheng Y H,et al.The phytoremediation 金属的富集量和富集系数明显高于芦苇.当水体中复 potential of six composite plants to soil pollution of heavy metal in 合重金属质量浓度为l5mg·L时，菖蒲对V、Cr和Cd coal mine collapse and reclaimed area.J China Coal Soc,2010 35(10):1742 的富集量达到1065.02、1754.80和4372.40mgkg. (张治国，姚多喜，郑永红，等。煤矿塌陷复垦区6种菊科植 (4)综合考虑生长情况、生理特性变化以及重金 物土壤重金属污染修复潜力研究.煤炭学报，2010,35 属富集量，发现菖蒲比芦苇更适用于修复V、Cr和Cd (10):1742)

林 海等: 菖蒲和芦苇对复合重金属胁迫的生理反应及其富集能力 图 4 水中重金属 Cr 质量浓度与植物体内重金属富集量的关系 Fig． 4 Ｒelationship of the Cr mass concentration and the enrichment quantity in plants 图 5 水中重金属 Cd 质量浓度与植物体内重金属富集量的关系 Fig． 5 Ｒelationship of the Cd mass concentration and the enrichment quantity in plants 3 结论 ( 1) 随着 V、Cr 和 Cd 复合重金属污染浓度的提 高，菖蒲的生长状况要优于芦苇，且 SOD、POD 和 CAT 活性和叶绿素含量测试结果发现菖蒲在相同重金属浓 度下相比芦苇受到的迫害作用更小，说明菖蒲对复合 重金属的耐性高于芦苇． ( 2) 菖蒲和芦苇在不同 V、Cr 和 Cd 复合污染浓度 条件下，对三种重金属表现出不同的富集能力，两种植 物均对 Cd 的富集能力最强，其次是 Cr，而对 V 的富集 能力相对最弱，在相同重金属浓度下，菖蒲对重金属的 富集量大于芦苇． ( 3) 随着复合重金属浓度增加，菖蒲和芦苇对 V、 Cr 和 Cd 的富集量均呈逐渐升高的趋势，且菖蒲对重 金属的富集量和富集系数明显高于芦苇． 当水体中复 合重金属质量浓度为 15 mg·L － 1时，菖蒲对 V、Cr 和 Cd 的富集量达到 1065. 02、1754. 80 和 4372. 40 mg·kg － 1 ． ( 4) 综合考虑生长情况、生理特性变化以及重金 属富集量，发现菖蒲比芦苇更适用于修复 V、Cr 和 Cd 复合污染水体． 参 考 文 献 ［1］ Harguinteguy C A，Cirelli A F，Pignata M L． Heavy metal accu￾mulation in leaves of aquatic plant Stuckenia filiformis and its rela￾tionship with sediment and water in the Suquía river ( Argentina) ． Microchem J，2014，114: 111 ［2］ Ismail A，Toriman M E，Juahir H，et al． Spatial assessment and source identification of heavy metals pollution in surface water using several chemometric techniques． Mar Pollut Bull，2016，106 ( 1-2) : 292 ［3］ Namour P，Schmitt L，Eschbach D，et al． Stream pollution con￾centration in riffle geomorphic units ( Yzeron basin，France) ． Sci Total Environ，2015，532( 1) : 80 ［4］ Ma X T，Liang Ｒ J，Qiu J C，et al． Absorption characteristics of heavy metals in sediments from pollutant wetland plants． Environ Sci Technol，2016，39( 1) : 165 ( 马逍天，梁仁君，邱继彩，等． 纳污湿地植物对底泥重金属 吸收特性研究． 环境科学与技术，2016，39( 1) : 165) ［5］ Fu G W． Countermeasures for water and soil heavy metal pollution in China． China Environ Sci，2012，32( 2) : 373 ( 傅国伟． 中国水土重金属污染的防治对策． 中国环境科学， 2012，32( 2) : 373) ［6］ Zhao S D，Zhao X Q，Zuo P，et al． Accumulation capacity of heavy metals by Phragmites australis and assessment． Mar Environ Sci，2014，33( 1) : 60 ( 赵善道，赵雪琴，左平，等． 湿地植物芦苇( Phragmites aust￾ralis) 的重金 属 富 集 能 力 与 评 价． 海 洋 环 境 科 学，2014，33 ( 1) : 60) ［7］ Li Y，You S H，Lin Z Y，et al． Comparative study on enrichment capacity of calamus to five kinds of heavy metals． Jiangsu Agr Sci， 2014，42( 11) : 383 ( 李洋，游少鸿，林子雨，等． 菖蒲对 5 种重金属富集能力的 比较． 江苏农业科学，2014，42( 11) : 383) ［8］ Masciandaro G，Iannelli Ｒ，Chiarugi M，et al． Ｒeed bed systems for sludge treatment: case studies in Italy． Water Sci Technol， 2015，72( 7) : 1043 ［9］ Xia D． Studies on Cyperus Alternifolius for the Ｒemoval Efficiency and Enriching Effect of Water Pollution ［Dissertation］． Zheng￾zhou: Henan Agricultural University，2013 ( 夏丹． 旱伞草对富营养化和重金属污染水体的去除效果研 究［学位论文］． 郑州: 河南农业大学，2013) ［10］ Nie L X，Cui K H，Huang J L． The teaching method of plant physiological and biochemical experiments for college students． Educ Forum，2012( 14) : 250 ( 聂立孝，崔克辉，黄见良． 大学生植物生理生化实验课教 学方法初探． 教育教学论坛，2012( 14) : 250) ［11］ Zhang Z G，Yao D X，Zheng Y H，et al． The phytoremediation potential of six composite plants to soil pollution of heavy metal in coal mine collapse and reclaimed area． J China Coal Soc，2010， 35( 10) : 1742 ( 张治国，姚多喜，郑永红，等． 煤矿塌陷复垦区 6 种菊科植 物土壤重 金 属 污 染 修 复 潜 力 研 究． 煤 炭 学 报，2010，35 ( 10) : 1742) · 7211 ·

·1128 工程科学学报，第39卷，第7期 [12]Xu Q J,Jin X C,Wang X M,et al.Effects of both single and (文晓慧。重金属胁迫对植物的毒害作用.农业灾害研究， combined pollution of Cd and NH on Hydrilla verticillata and 2012,2(1112):20) Myriophyllum spicatum.Enriron Sci,2006,27(10):1974 [16]Liu L,Yan H,Xia W T,et al.Toxic effect of cadmium on Mi- (许秋瑾，金相灿，王兴民，等.氨氮与镉单一和复合作用对 crocysis aeruginosa and Scenedesmus obliquus.China Enriron Sci, 沉水植物穗花狐尾藻和轮叶黑藻光合能力的影响.环境科 2014,34(2):478 学，2006,27(10)：1974) (刘璐，闫浩，夏文形，等。镉对铜绿微囊藻和斜生栅藻的毒 [13]Sooksawat N,Meetam M,Kruatrachue M,et al.Phytoremedi- 性效应.中国环境科学，2014,34(2)：478) ation potential of charophytes:bioaccumulation and toxicity stud- 7]Wu J.Effect of Mercury on Physiological and Biochemical Char- ies of cadmium,lead and zinc.J Enriron Sci,2013,25 (3): acteristics of Elodeacanadensis and Potamogeton Crispus and the 596 Relief Effect of Exogenous Calcium [Disseration].Nanjing: [14]Grisey E,Laffray X,Contoz O,et al.Thebioaccumulation per- Nanjing Normal University,2014 formance of reeds and cattails in a constructed treatment wetland (吴娟.汞对伊乐藻、菹草生理生化特性的影响以及外源钙 for removal of heavy metals in landfill leachate treatment (Etuef- 的缓解作用[学位论文].南京：南京师范大学，2014) font,France).Water Air Soil Poll,2012,223(4):1723 [18]Lee J H.An overview of phytoremediation as a potentially prom- [15]Wen X H.Toxic effect of heavy metal stress on plant.J Agr ising technology for environmental pollution control.Biotechnol Catastrophol,2012,2 (1142)20 Bioproc Eng,2013,18(3):431

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期 ［12］ Xu Q J，Jin X C，Wang X M，et al． Effects of both single and combined pollution of Cd and NH + 4 on Hydrilla verticillata and Myriophyllum spicatum． Environ Sci，2006，27( 10) : 1974 ( 许秋瑾，金相灿，王兴民，等． 氨氮与镉单一和复合作用对 沉水植物穗花狐尾藻和轮叶黑藻光合能力的影响． 环境科 学，2006，27( 10) : 1974) ［13］ Sooksawat N，Meetam M，Kruatrachue M，et al． Phytoremedi￾ation potential of charophytes: bioaccumulation and toxicity stud￾ies of cadmium，lead and zinc． J Environ Sci，2013，25 ( 3) : 596 ［14］ Grisey E，Laffray X，Contoz O，et al． Thebioaccumulation per￾formance of reeds and cattails in a constructed treatment wetland for removal of heavy metals in landfill leachate treatment ( Etuef￾font，France) ． Water Air Soil Poll，2012，223( 4) : 1723 ［15］ Wen X H． Toxic effect of heavy metal stress on plant． J Agr Catastrophol，2012，2 ( 11-12) : 20 ( 文晓慧． 重金属胁迫对植物的毒害作用． 农业灾害研究， 2012，2( 11-12) : 20) ［16］ Liu L，Yan H，Xia W T，et al． Toxic effect of cadmium on Mi￾crocysis aeruginosa and Scenedesmus obliquus． China Environ Sci， 2014，34( 2) : 478 ( 刘璐，闫浩，夏文彤，等． 镉对铜绿微囊藻和斜生栅藻的毒 性效应． 中国环境科学，2014，34( 2) : 478) ［17］ Wu J． Effect of Mercury on Physiological and Biochemical Char￾acteristics of Elodeacanadensis and Potamogeton Crispus and the Ｒelief Effect of Exogenous Calcium ［Dissertation］． Nanjing: Nanjing Normal University，2014 ( 吴娟． 汞对伊乐藻、菹草生理生化特性的影响以及外源钙 的缓解作用［学位论文］． 南京: 南京师范大学，2014) ［18］ Lee J H． An overview of phytoremediation as a potentially prom￾ising technology for environmental pollution control． Biotechnol Bioproc Eng，2013，18( 3) : 431 · 8211 ·