一、引言
近年来，随着我国工业、农业、第三产业及城市化进程的快速发展，水体重金属污染问题越来越严重。在水生生态系统中，重金属会通过生物积累及生物放大作用在水生食物链上传递，最后威胁到人类健康。由于铅污染分布范围广及对生物的毒性强，已成为最重要的重金属污染物之一。铅对人体有很强的毒性，过量的铅会对人体的多种系统产生危害，如神经系统、骨骼系统、血液循环系统、内分泌系统、免疫系统等等。因此，环境中铅污染问题已引起国内外的广泛关注，很多国家(包括我国)及国际组织已将铅列为优先控制的污染物。铅不但对人体和动物有很高的毒性，对植物的生长发育也会产生不良影响。据研究，过量的铅会干扰或抑制植物的光合作用、呼吸作用、对营养物质的吸收利用，并会影响多种重要酶类的活性。
在污水的处理方面，我国目前采用的方法存在不足之处，如污水处理厂广泛采用的活性污泥法及相关处理技术，存在投资大、能耗高、工艺复杂等问题，特别是对重金属污染废水的处理效果不理想。而近年来发展较快的人工湿地处理技术被认为是一项很有发展前途的污水处理技术，它具有投资小、能耗低、工艺简单易操作、处理效果好等优点，特别是对重金属污染废水的处理，近年来越来越多地被采用。
在人工湿地处理技术中，湿地植物是重要的构件，被认为是最主要的生物构成成分。因为植物一方面可以直接吸收、积累、降解污水中的污染物;另一方面，植物的生命活动可以改变根际环境，从而影响水生生态系统中污染物的活性及毒性。因此，湿地中的湿地植物可以通过一系列生物、物理及生物化学过程，对污水中的污染物产生净化作用。据研究，一些湿地植物对污水中高浓度的重金属污染物有很强的耐性，而且能够在植物体内吸收积累高浓度的重金属，这些植物在利用人工湿地处理重金属污染废水时，可以发挥重要作用，如甘蓝型油菜(Brassicanapus)。而在对水体中重金属的吸收、运转分配及积累能力方面，不同种类的湿地植物间及同种植物的不同基因型之间都存在很大差异。因此，利用人工湿地技术对重金属污染废水进行处理或对重金属污染水体进行修复时，筛选并应用一些对目标重金属耐性强、生物量高、积累量多的湿地植物种类或基因型非常重要。本研究以常州市郊湿地中常见的十种湿地植物为材料，对不同种类湿地植物吸收积累污水中铅的能力进行了比较研究。研究结果将对铅污染废水的人工湿地处理工艺有参考或应用价值。
二、材料与方法
2.1.人工湿地池构建
在常州市郊野外构建小型人工湿地池，共建造6个湿地池，每个面积2m2(1m×2m)，池壁高50cm，池内填25cm厚土壤。土壤取自未受污染湿地，风干后过孔径5mm筛，去除石块和杂质。通过检测，该土壤酸碱度适中(pH6.87)，有机质含量较高(2.95%)。土壤样品风干过筛后，经H2O2-HF-HNO3-HClO4消解，用原子吸收分光光度法测定铅含量，其铅含量为33.8mg/kg。湿地池建造完成填入土壤后，用水浸泡一个月以上(水面高于土面5cm)，然后再移栽采集选择好的湿地植物幼苗。
2.2.湿地植物采集及试验设计
根据本课题组的前期研究，在常州市郊选择采集10种常见的湿地植物(分属于7个科)，这些植物的中文名称及学名见表1。
在采集的湿地植物中，选择大小基本一致的幼苗(苗高10~20cm)栽入准备好的湿地池，每池每种植物栽3株，植物随机均匀分布。
人工配制铅污染废水。根据文献资料及课题组前期研究，污水中铅浓度设计为2个污染水平，分别为1.5mg/L(中度铅污染)和3.0mg/L(重度铅污染)，用分析纯PbCl2配制。在湿地植物移栽到湿地池后的第15天、22天、29天将配制好的铅污染废水加入湿地池，每个水平的铅污染废水加入2个湿地池，每次每池铅污染废水加入量为160L。另2个湿地池同时加入未加铅的自来水作为对照。在整个湿地植物生长期(6月10日~7月30日)，保持湿地中水层深度5~8cm。
2.3.湿地植物取样与测定
在湿地植物移栽后的第50天，对湿地植物全株进行取样。植株先用自来水清洗，再用去离子水清洗。将清洗好的湿地植物分为地上部分及地下部分，分别装纸袋，用烘箱在105℃下杀青30min，再在70℃下烘干至恒重。对烘干样品称重计算生物量，再将样品用不锈钢粉碎机粉碎，过100目筛。粉碎过筛后的样品用密封袋装好待测，样品经HNO3-HClO4消解后用原子吸收分光光度法测定铅含量。
2.4.统计分析
数据分析用Excel2016进行，相关性显著水平采用P0.05和P0.01。
三、结果与讨论
3.1.不同湿地植物地上部铅积累的差异
不同铅污染水平下(1.5,3.0mg/L)十种湿地植物地上部分对铅的吸收积累量见图1。
不同湿地植物间地上部铅积累量的差异很大。十种湿地植物中，地上部铅积累量最大的是空心莲子草(代号J)，在1.5、3.0mg/L铅污染废水处理下，地上部铅积累量分别为17.45mg/池、26.73mg/池;地上部铅积累量最小的是鳢肠(代号E)，在1.5、3.0mg/L铅污染废水处理下，地上部铅积累量分别只有1.87mg/池、2.75mg/池。在1.5、3.0mg/L铅污染废水处理下，十种湿地植物地上部铅积累量的最大差异分别达到9.3倍、9.7倍(积累量最大植物与积累量最小植物的比值)。有2种植物地上部铅积累量明显高于其他植物，分别是空心莲子草(代号J)和茭笋(代号A)，在1.5mg/L铅污染废水处理下高于10mg/池，在3.0mg/L铅污染废水处理下高于20mg/池。
就这十种湿地植物地上部铅积累量来说，1.5mg/L铅污染废水处理与3.0mg/L铅污染废水处理之间的相关性很强，相关系数高达0.9831，达到极显著水平(P<0.01)。
3.2.不同湿地植物地下部铅积累的差异
在铅污染废水中，不同湿地植物地下部铅积累量的差异见图2。在1.5mg/L铅污染废水处理下，十种湿地植物地下部铅积累量为0.80mg/池~8.41mg/池，不同植物间的最大差异达到10.5倍；在3.0mg/L铅污染废水处理下，十种湿地植物地下部铅积累量为1.03mg/池~12.69mg/池，不同植物间的最大差异达到12.3倍。有3种植物地下部铅积累量明显高于其他植物，分别是茭笋(代号A)、鸭舌草(代号I)和空心莲子草(代号J)，在1.5mg/L铅污染废水处理下地下部铅积累都高于5mg/池，在3.0mg/L铅污染废水处理下都高于7mg/池。可以看出，十种湿地植物之间地下部铅积累量的差异幅度要高于地上部铅积累量的差异幅度。
就这十种湿地植物地下部铅积累量来说，1.5mg/L铅污染废水处理与3.0mg/L铅污染废水处理之间的相关性也很强，相关系数高达0.9907，相关性达到极显著水平(P<0.01)。关于地上部与地下部之间铅积累量的关系，相关分析表明，在1.5mg/L铅污染废水处理下地上部与地下部之间铅积累量的相关系数为0.7270，相关性达到显著水平(P<0.05)；在3.0mg/L铅污染废水处理下的相关系数为0.7894，相关性达到极显著水平(P<0.01)。
3.3.不同湿地植物全株铅积累的差异
十种湿地植物间全株铅积累量的差异也很大(图3)。在1.5mg/L铅污染废水处理下，全株铅积累量最大的植物为茭笋(代号A)，积累量达到23.22mg/池；全株铅积累量最小的植物是鳢肠(代号E)，积累量只有2.71mg/池;十种湿地植物间全株铅积累量的最大差异为8.6倍。在3.0mg/L铅污染废水处理下，全株铅积累量最大的植物为空心莲子草(代号J)，积累量达到35.28mg/池；全株铅积累量最小的植物为的是鳢肠(代号E)，积累量只有3.82mg/池;十种湿地植物间全株铅积累量的最大差异为9.2倍。有2种植物全株铅积累量明显高于其他植物，分别是茭笋(代号A)和空心莲子草(代号J)，在1.5mg/L铅污染废水处理下高于20mg/池，在3.0mg/L铅污染废水处理下高于30mg/池。
就这十种湿地植物的全株铅积累量来说，1.5mg/L铅污染废水处理与3.0mg/L铅污染废水处理之间的相关性也很强，相关系数高达0.9913，相关性达到极显著水平(P<0.01)。
3.4.不同湿地植物间铅分配的差异
不同湿地植物铅积累量在地上部的分配比例见图4。
可以看出，铅在湿地植物地上部的分配比例比较高，所有植物都高于50%，平均达到70%以上。在1.5mg/L铅污染废水处理下，铅在湿地植物地上部的分配比例介于57.19%至86.85%，十种湿地植物间的最大差异为1.52倍;在3.0mg/L铅污染废水处理下，铅在湿地植物地上部的分配比例介于60.19%至87.76%，十种湿地植物间的最大差异为1.46倍。十种湿地植物铅积累量在地下部的分配比例比较低，基本都在40%以下，平均只有25%左右(图5)。在1.5mg/L铅污染废水处理下，铅在湿地植物地下部的分配比例介于13.15%至42.81%，十种湿地植物间的最大差异为3.48倍;在3.0mg/L铅污染废水处理下，铅在湿地植物地下部的分配比例介于12.24%至39.81%，十种湿地植物间的最大差异为3.25倍。因此，湿地植物积累的铅在地上部的分配比例大大高于在地下部的分配比例，而不同湿地植物间地下部铅分配比例的差异幅度高于地上部分配比例的差异幅度，但不同湿地植物间铅分配的差异幅度大大小于铅积累量的差异幅度。
在各种污水处理工程技术中，人工湿地处理技术被认为是一种很有发展前途的技术，因为人工湿地可以发挥多种自然净化的优势，如植物净化功能、微生物降解功能等等。在人工湿地中种植适宜的湿地植物种类，可以大量吸收废水中的重金属，然后通过定期收获湿地植物进行集中处理，可以将这些重金属从水体中去除。据研究报道，通过人工湿地处理技术，可以去除重金属污染废水中87%的锰、49%的钴、95%的铜、85%的砷及92%的铅。自20世纪90年代以来，人工湿地被成功应用于处理多种污染废水，如采矿酸性废水、工农业生产废水、食品加工废水、高速公路径流水、污泥脱水等。然而，有一些研究也表明，湿地植物对重金属的吸收积累能力及重金属在植物体内的迁移分配特性，随湿地植物种类的不同及重金属种类的不同而有很大差异。
本研究表明，不同湿地植物间铅积累能力存在很大差异，供试十种湿地植物间地上部、地下部及全株铅积累量的最大差异达10倍左右。进一步分析表明，不同铅污染水平间植物地上部、地下部及全株铅积累量的相关性很强，相关系数高达0.98以上，都达到极显著水平(P<0.01)，说明这些植物的铅积累能力在不同铅污染程度的废水中保持稳定。分析还表明，这些植物地上部与地下部之间铅积累量的相关性也较好，达到显著或极显著水平(P<0.05或0.01)。这些研究结果为选择在铅污染废水中对铅吸收积累能力强的植物种类提供了可行性。但本研究也发现，不同湿地植物间铅分配的差异相对较小，十种湿地植物间地上部铅分配比例的最大差异为1.5倍左右，地下部铅分配比例的差异为3倍左右，大大小于不同湿地植物间铅积累量的差异幅度。因此，在利用人工湿地工程技术处理铅污染废水时，宜根据湿地植物在铅污染废水中的铅积累量来进行选择。由于湿地植物的地上部分比地下部分更容易收获和去除，而且本研究也表明，湿地植物地上部铅积累量占全株铅积累量的大部分(平均达到70%以上)，所以湿地植物地上部铅积累量比地下部铅积累量更有意义。因此，在选择铅积累能力强的湿地植物时，可以根据地上部铅积累量，再综合考虑全株铅积累量来进行选择。根据本研究结果，有2种植物地上部及全株的铅积累量都显著高于其他植物，分别是茭笋(Zizanialatifolia)和空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)。在应用人工湿地工程技术处理铅污染废水时，这2种植物是较理想的选择。
四、结论
在中度(1.5mg/L)及重度(3.0mg/L)铅污染废水中，十种湿地植物间的铅积累能力差异很大。其地上部铅积累量的最大差异达到9.3~9.7倍，地下部铅积累量的最大差异达到10.5~12.3倍，全株铅积累量的最大差异达到8.6~9.2倍。而且这些植物的铅积累能力在不同铅污染水平下保持一致。这为筛选出在铅污染废水中吸收积累铅能力强的湿地植物种类提供了可行性。而这些湿地植物间铅分配的差异相对较小，十种湿地植物间地上部铅分配比例的最大差异为1.5倍左右，地下部铅分配比例的差异达到3倍以上。根据铅污染废水中湿地植物地上部及全株铅积累量进行综合衡量，本研究中有2种植物：茭笋(Zizanialatifolia)和空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)表现突出，在利用人工湿地工程技术处理铅污染废水时，适宜作为候选植物进行应用。(来源：常州大学，环境与安全工程学院)
