一种菖蒲对水中铅富集能力的模拟方法与流程

本发明属于水体重金属污染技术领域，尤其涉及一种菖蒲对水中铅富集能力的模拟方法。

背景技术：

随着社会经济快速发展，各类合成材料、药品和化工产品的广泛使用，环境污染问题日益突出。在环境污染物中，重金属毒性大，难以消除，而且通过食物链富集放大，危害人类健康。其中，铅是已知毒性最大的重金属污染物之一，具有极强的累积性和不可逆性。水体中的铅主要来源于岩石、土壤、大气降尘以及含铅废水的排放，并且地质条件以及含铅金属管道的输送的水都将造成铅的污染，其来源途径众多，是水环境中常见的重金属污染物之一。水体重金属污染有两种基本的治理途径：一是降低重金属在水体中的迁移和转化能力即固定，二是重金属在水体中彻底清除。目前，国内外用来固定或清除重金属修复水环境的方法主要有有物理修复、化学修复和生物修复法。相较于物理与化学修复，生物修复具有费用省、无二次污染，环境风险小等特点，成为新兴的研究热点，植物修复是生物修复的一个分支。1983年，美国科学家chaney首先提出利用植物来消除重金属污染的设想，现已被科学界和政府部门认可和选用。水生植物能够固定和吸收水环境中的重金属污染物，而且具有改善水生生态环境，提供观赏和经济价值，在水体污染治理和环境修复中得到广泛的应用。根据植物对污染物的吸收富集特性选择合适的植物品种是植物修复的关键，因此围绕不同湿地植物对某一重金属吸收富集能力的对比研究较多。但水环境中往往是多种污染物共存，植物对某种重金属的吸收富集不但受植物自身影响，还受环境中其他共存污染物的影响。环境中的污染物多种多样，它们对植物富集重金属能力的影响各有不同。目前的实验方案往往采用的是在同一污染条件下，不同湿地植物对重金属富集能力对比，缺乏不同污染条件下湿地植物的富集能力的对比以及复合污染的有关影响的模拟。

综上所述，现有技术存在的问题是：菖蒲对水中铅的富集能力不明确，不能反映复合污染对菖蒲富集能力的影响。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种菖蒲对水中铅富集能力的模拟方法。

本发明是这样实现的，一种菖蒲对水中铅富集能力的模拟方法，所述菖蒲对水中铅富集能力的模拟方法包括以下步骤：

步骤一，取容积为1l的玻璃瓶25个，选取长势一样的植株修剪后每个玻璃瓶放三株菖蒲，将玻璃瓶以1-25顺序编号；

步骤二，对植物的生长管理采用露天培养的方法，始终保持充足的光照和通风，每隔7天对培养液中水溶性铅浓度和锌浓度用火焰原子吸收法进行检测，同时将玻璃瓶中的废液添加至标记处；

步骤三，用四分法准确称量样品地上部分和地下部分，放入5ml坩埚中，先在低温电炉上碳化粉末30min；再将坩埚转入马弗炉中灰化5h；向灰化后的样品粉末中加入1:1的硝酸溶液10ml并滴入1滴双氧水，进行样品的稀释、提取，之后过滤入25ml容量瓶内，并用去离子水定容至刻度；

步骤四，将有悬浮物的溶液倒入烧杯中在电热板上小火加热，反复多次直至灰分完全溶解，冷却后过滤入25ml容量瓶内，并用去离子水定容至刻度，全程用加入10ml去离子水并加入1滴双氧水的为作为对照，最后用火焰原子吸收法测量pb²⁺和zn²⁺的含量。

进一步，所述步骤一中：其中1-5号为模拟污染物以pb(no3)2的形态添加，用去离子水溶解pb(no3)2并配制成pb²⁺浓度梯度为0mg/l、5mg/l、10mg/l、20mg/l、50mg/l实验共设计5种处理；

不添加pb²⁺的营养液为对照组，6-10号为(pb(no3)2+zn(no3)2)复合污染，pb²⁺浓度固定为10mg/l，zn²⁺以zn(no3)2的形态添加，zn²⁺浓度梯度为0mg/l、5mg/l、10mg/l、20mg/l、50mg/l实验共设5组处理，不添加zn²⁺含pb²⁺10mg/l的营养液为对照组。

11-15号是(pb(no3)2+edta)络合污染，pb²⁺浓度固定为10mg/l，edta二钠盐投加浓度分别为0mg/l、5mg/l、10mg/l、20mg/l、50mg/l实验共设5组处理，不添加edta含pb²⁺10mg/l的营养液为对照组。

16-20号是(pb(no3)2+zn(no3)2)复合污染，pb²⁺浓度固定为50mg/l，zn²⁺投加浓度分别为0mg/l、5mg/l、10mg/l、50mg/l、100mg/l实验共设5组处理，不添加zn²⁺含pb²⁺50mg/l的营养液为对照组；

21-25(pb(no3)2+edta)络合污染，pb²⁺和edta二钠以1:1的质量浓度投加，浓度分别为0mg/l、5mg/l、10mg/l、50mg/l、100mg/l实验共设5组处理，不添加pb²⁺和edta的营养液为对照组。

进一步，所述步骤二中：将处理后的样品植株用自来水冲洗干净，植株上的水擦干，分为地上部分和地下部分用电子天平秤分别称其鲜重；放入烘箱中杀青1h，将杀青后的植物样品在80℃下烘干7h至恒重，将烘干的样品用电子天平称其重量，得到地上部分和地下部分的干重；用研钵将恒重的样品研磨，并将样品粉末放入乙烯袋中备用。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述菖蒲对水中铅富集能力的模拟方法的水体铅污染处理系统。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述菖蒲对水中铅富集能力的模拟方法的水体重金属污染处理系统。

本发明的优点及积极效果为：通过模拟不同浓度含铅废水和复合污染废水研究菖蒲对水中铅富集能力；分析菖蒲对不同浓度的铅的富集情况、菖蒲植株根茎叶的富集能力以及在zn、edta与pb共存时菖蒲对铅富集情况。本发明可为植物修复重金属污染水体的处理技术作参考，通过模拟实验获得菖蒲在不同的污染环境中对水中铅的富集能力，为菖蒲在水体污染治理和环境修复中的应用提供参考。实验表明低浓度含铅废液对植物的生长起促进作用；铅进入植物体时首先作用于植物的根部，菖蒲不能有效地将重金属转移到茎叶部分，导致根部受到明显毒害；zn的存在促进植物对pb的吸收，两者对植物的毒性作用表现为协同效应；而含有edta的含铅废液中，植物吸收铅的能力受到抑制，pb和edta对植物的毒性作用表现为拮抗效应。以上模拟实验在实验室中小规模进行，成本低廉，实验条件可控。

附图说明

图1是本发明实施例提供的菖蒲对水中铅富集能力的模拟方法流程图。

图2是本发明实施例提供的菖蒲植物生物量变化示意图。

图3是本发明实施例提供的菖蒲植株根长变化示意图。

图4是本发明实施例提供的菖蒲植株高度变化示意图。

图5是本发明实施例提供的在pb(no3)2初始浓度为10mg/l的废液中同时不同浓度zn(no3)2存在下pb²⁺浓度变化示意图。

图6是本发明实施例提供的在pb(no3)2初始浓度为10mg/l的废液中同时不同浓度edta存在下pb²⁺浓度变化示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的菖蒲对水中铅富集能力的模拟方法包括以下步骤：

s101：取容积为1l的玻璃瓶25个，选取长势一样的植株修剪后每个玻璃瓶放三株菖蒲，将玻璃瓶以1-25顺序编号，其中1-5号为模拟污染物以pb(no3)2的形态添加，用去离子水溶解pb(no3)2并配制成pb²⁺浓度梯度为0mg/l、5mg/l、10mg/l、20mg/l、50mg/l实验共设计5种处理；

s102：对植物的生长管理采用露天培养的方法，始终保持充足的光照和通风，每隔7天对培养液中水溶性铅浓度和锌浓度用火焰原子吸收法进行检测，同时将玻璃瓶中的废液添加至标记处；

s103：用四分法准确称量样品地上部分和地下部分(0.4000±0.0001)g，放入5ml坩埚中，先在低温电炉上碳化粉末至不冒烟为止(约30min)；再将坩埚转入马弗炉中灰化5h；向灰化后的样品粉末中加入1:1的硝酸溶液10ml并滴入1滴双氧水，进行样品的稀释、提取，之后过滤入25ml容量瓶内，并用去离子水定容至刻度；

s104：将有悬浮物的溶液倒入烧杯中在电热板上小火加热，反复多次直至灰分完全溶解，冷却后过滤入25ml容量瓶内，并用去离子水定容至刻度，全程用加入10ml去离子水并加入1滴双氧水的为作为对照，最后用火焰原子吸收法测量pb²⁺和zn²⁺的含量。

下面结合试验对本发明的应用效果作详细的描述。

1材料与方法

1.1试验材料

供试植物是菖蒲属(acorusl.)植物菖蒲(acoruscalamusl.)。活植物栽培于四川省成都市新都县某苗圃的水栽苗，采集时间为2016年5月4日。实验前将根部用自来水清洗干净并置于暴晒后的自来水中饥饿处理一周。之后放入含有5ml的培养液和具浓度梯度的废液中培养。

1.2试验方法

取容积为1l的玻璃瓶25个，选取长势一样的植株修剪后每个玻璃瓶放三株菖蒲，将玻璃瓶以1-25顺序编号，其中1-5号为模拟污染物以pb(no3)2的形态添加，用去离子水溶解pb(no3)2并配制成pb²⁺浓度梯度为0mg/l、5mg/l、10mg/l、20mg/l、50mg/l实验共设计5种处理，其中不添加pb²⁺的营养液为对照组。6-10号为(pb(no3)2+zn(no3)2)复合污染，pb²⁺浓度固定为10mg/l，zn²⁺以zn(no3)2的形态添加，zn²⁺浓度梯度为0mg/l、5mg/l、10mg/l、20mg/l、50mg/l实验共设5组处理，不添加zn²⁺含pb²⁺10mg/l的营养液为对照组。11-15号是(pb(no3)2+edta)络合污染，pb²⁺浓度固定为10mg/l，edta二钠盐投加浓度分别为0mg/l、5mg/l、10mg/l、20mg/l、50mg/l实验共设5组处理，不添加edta含pb²⁺10mg/l的营养液为对照组。16-20号是(pb(no3)2+zn(no3)2)复合污染，pb²⁺浓度固定为50mg/l，zn²⁺投加浓度分别为0mg/l、5mg/l、10mg/l、50mg/l、100mg/l实验共设5组处理，不添加zn²⁺含pb²⁺50mg/l的营养液为对照组。21-25(pb(no3)2+edta)络合污染，pb²⁺和edta二钠以1:1的质量浓度投加，浓度分别为0mg/l、5mg/l、10mg/l、50mg/l、100mg/l实验共设5组处理，不添加pb²⁺和edta的营养液为对照组。

对植物的生长管理采用露天培养的方法，始终保持充足的光照和通风。每隔7天对培养液中水溶性铅浓度和锌浓度用火焰原子吸收法进行检测，同时将玻璃瓶中的废液添加至标记处。在此期间对植株进行观察、记录，室内温度变化范围为20-25℃。将处理后的样品植株用自来水冲洗干净，将植株上的水擦干，分为地上部分和地下部分用电子天平秤分别称其鲜重。放入烘箱中杀青1h，将杀青后的植物样品在80℃下烘干7h至恒重，将烘干的样品用电子天平称其重量，得到地上部分和地下部分的干重。用研钵将恒重的样品研磨，并将样品粉末放入乙烯袋中备用。

1.3测定方法

用四分法准确称量样品地上部分和地下部分(0.4000±0.0001)g，放入5ml坩埚中，先在低温电炉上碳化粉末至不冒烟为止(约30min)。再将坩埚转入马弗炉中灰化5h；向灰化后的样品粉末中加入1:1的硝酸溶液10ml并滴入1滴双氧水，进行样品的稀释、提取，之后过滤入25ml容量瓶内，并用去离子水定容至刻度，将有悬浮物的溶液倒入烧杯中在电热板上小火加热，反复多次直至灰分完全溶解，冷却后过滤入25ml容量瓶内，并用去离子水定容至刻度，全程用加入10ml去离子水并加入1滴双氧水的为作为对照，最后用火焰原子吸收法测量pb²⁺和zn²⁺的含量。

2结果与分析

2.1生长反应

2.1.1植物不同组织的受害情况

菖蒲通过吸收、富集水中的铅来净化受污染的含铅的水体，但当水体中的铅达到一定的浓度则对植物的不同组织产生一定程度的损伤。

(1)将菖蒲放在不同浓度梯度的含铅废水中培养，在第3天叶片边缘处稍有发黄的迹象，在第10天叶片全部发黄。叶片黄化的原因可能是由于植物收到铅的毒害后影响其叶绿素合成减少或者降解增多，改变植物中类胡萝卜素与叶绿素的比例，从而使叶片因缺乏叶绿素而黄化。

(2)根部受铅毒害的情况，在培养第7天时根部开始有新芽长出，在培养第30天时根部开始腐烂。

2.1.2植物生长情况

在培养菖蒲的过程中，菖蒲植株的生物量、植株的根长度以及植株的高度均发生变化。如图2所示，在铅浓度小于10mg/l时，生物量有所增加；在浓度为20mg/l时，生物量下降，可见低浓度含铅废液对菖蒲的生长代谢起促进作用。如图3和图4可知，受铅毒害的植株的根长和株高的增长变化不太明显，而未加铅废液的植株的根长增长较快，说明含铅废液对植物的根的生长起了一定的抑制作用。

2.2复合污染研究

2.2.1pb、zn复合污染研究

在含有pb、zn废液的废水中培养菖蒲植株，第3天时植株的部分叶片开始发黄，第7天时植株的叶片全部发黄。如图5所示，在培育35天后水样中的pb的浓度几乎为0，可以看出在zn的存在下促进植物对铅的吸收。可见，在zn和pb对植物的毒害表现为协同效应，zn的存在使植物的中毒更为严重。

2.2.2pb、edta复合污染研究

在含有pb、edta废液的废水中培养菖蒲植株，第3天时植株的叶片边缘稍有发黄，第10天时部分叶片发黄。如图6所示，随着水样中edta的浓度增高，水样中铅的浓度增高，可见edta的存在抑制植物对铅的吸收。edta和pb对植物的毒害表现为拮抗效应，edta的存在减轻pb对植物的毒害作用。

2.3植物的不同组织对铅的富集情况

由表1中数据数据可以看出，植株的富集量随着铅浓度的增加而增加，两者呈正相关关系。植株根部的富集系数远远大于茎叶的富集系数，说明铅进入植物体后主要作用于植物的根部。从而可知富集系数越大，其富集能力越强，富集量越大。又由转移系数都小于1，均在0.05～0.30之间，说明菖蒲植株不能有效地将根部的重金属转移到茎叶部分。

富集量＝植物对重金属吸收量/植物干重(mg/kg)

富集系数＝植物地上部(或根)重金属含量/溶液该元素含量

转移系数＝植物地上部分重金属含量/根部该元素含量

表1菖蒲对不同浓度的pb的富集量、富集系数和转移系数

菖蒲在不同浓度的含铅废液中对铅的吸收浓度不同，而菖蒲在相同浓度的zn-pb、pb-edta复合污染废液中对铅的吸收能力不同。在铅浓度小于10mg/l时，生物量有所增加；在铅浓度为20mg/l时，生物量下降；受铅毒害的植株的根长和株高变化不明显，而未加铅废液的植株的根长增长较快。在同时含有pb和zn的废液中，经过35天培养后的水样中pb的浓度几乎为0mg/l。而在同时含有pb和edta的废液中，随水样中edta浓度增高，水样中pb的浓度越高。对于植株的富集量而言，植株的富集量随着铅浓度的增加而增加，根部的富集系数远远大于茎叶的富集系数。

综上所述可得，低浓度含铅废液对植物的生长总体上起到促进作用，但对植物根的生长有一定的抑制作用。铅进入植物体时首先作用于植物的根部，但菖蒲不能有效的将重金属转移到茎叶部分，导致根部受到明显毒害。zn促进植物对pb的吸收，两者对植物的毒性作用表现为协同效应。而含有edta的含铅废液中，植物吸收铅的能力受到抑制，pb和edta对植物的毒性作用表现为拮抗效应。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。