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愛爾斯微課堂|4種水生植物對復合污染水體中營養鹽和全氟烷基酸去除效果的研究

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愛爾斯微課堂|4種水生植物對復合污染水體中營養鹽和全氟烷基酸去除效果的研究

2022/04/27
【摘要】:

 

 

近年來,水體中全氟烷基酸(PFAAs)的暴露、來源和去除受到國內外關注。全氟烷基酸是由完全氟化的烷基鏈和酸性官能團組成的化合物,2009年被列入斯德哥爾摩公約的新型持久性有機污染物。PFAAs家族成員PFOA和PFOS因其穩定性應用最為廣泛,且作為全氟化合物前體的最終降解物質,在自然環境中檢測頻率最高。隨著氟化工產業的快速發展,中國逐漸成為氟化產品生產和使用大國。秦交友等人的研究表明,我國東南地區主要河流表層水體中質量濃度為0.90-231.52ng·L-1,部分河段PFOA和PFOS的生態風險熵大于1,主要排放源為工業污水排放。

 

由于PFAAs在水環境中廣泛檢出,故有關PFAAs的去除方法備受學者們關注。目前化學方法大多數條件復雜、能耗高,因此從經濟實用的角度出發一般選擇吸附法和植物吸收法。而用于處理含氟水體的吸附劑在實際應用中容易被pH、溫度、吸附時間和離子強度等因素干擾,對PFAAs的吸附容量有較大波動,故植物修復已作為富營養化水體的常用修復技術。有研究表明,除了氮磷等營養鹽外,一些具有耐鹽和耐毒性植物還可以直接吸收水體中的有機污染物和重金屬并將其富集于體內??诪t瀟等人發現,金魚藻對PFOS的去除率可達90%以上;在實際河岸濕地植物調查中發現,鳳眼蓮對PFOA的生物濃縮系數最高,并且具有纖維生根系統的植物對PFOA積累量更高。

 

已有研究表明,水生植物對單一的營養鹽或全氟烷基酸污染的水體具有一定的修復效果,但關于其修復含有這些污染物復合污染水體的研究較少?;诖?,本研究針對營養鹽和全氟烷基酸復合污染水體的處理問題,選取4種水生植物進行室內靜態水培實驗,對比研究了不同水生植物對復合污染水體的修復效果,以期為水生植物在水體治理修復工程中的應用提供參考。

 

植物選自江蘇南京某花卉市場的鳶尾、蘆葦、金魚藻和眼子菜4種水生植物,實驗中對所有植物進行5d的預培養,以恢復植物的根系活性。實驗用水取自南京某工業園區附近的河道,該河道長期接納城市污水和工業廢水,水體為劣V類水。向水體中人為添加PFOA、PFOS標液,初始質量濃度按60μg·L-1計算,以模擬氮磷和全氟烷基酸的復合污染水體。

 

 

 

結果與分析

1 植物生長情況

預培養5d后,4種水生植物均生長良好,在相同的污染水體中培養29d后,各植物的生長狀態呈現差異性,其生物量和株高的變化如下圖所示。所有植物的生長量和植株高均有所增加,這表明該水體的污染程度在所選水生植物的耐受能力范圍內。其中,蘆葦的生長狀況最好,生物量增加了(6.45±0.72)g,增長率為(36.71±1.06)%;其余3種水生植物生物量變化相差不大,增長率為27.78%-29.43%。除眼子菜外,各水生植物的株高增高均大于10cm,表明其對該復合污染水體的耐受能力較強。

水生植物的變化

 

植物對復合污染水體中氮磷的去除

實驗過程中,各植物處理組水體TN質量濃度變化如下圖(a)所示。隨著處理時間的延長,水體中TN質量濃度呈現先快速下降后趨于穩定的趨勢,實驗開始16d后TN質量濃度基本穩定,下降幅度不明顯。其中,鳶尾對TN的去除效果最好,水體最終TN質量濃度為1.43mg·L-1;蘆葦去除效果次之,TN質量濃度由7.13mg·L-1降至1.86mg·L-1,均達到地表水環境質量標準中的V類水標準(GB 3838-2002);金魚藻和眼子菜處理后的水體中TN質量濃度略高,但TN去除率均能達到50%。在此復合污染水體中,4種水生植物對TN的去除效果表現為挺水植物優于沉水植物,其中鳶尾對水體中TN的去除率最高,為(79.90±4.79)%,比蘆葦、金魚藻、眼子菜的TN去除率分別高出5.95%、16.15%、23.54%。

不同植物處理的水體中營養鹽的質量濃度變化

 

各植物處理組水體中TP質量濃度變化與TN類似,但下降趨勢較為平緩(上圖(b))。在前16d,水體中TP質量濃度變化幅度較大,不同水生植物對TP的去除效果有所不同。對照組中TN質量濃度的下降可能是因為原水中微生物的氨化、硝化、反硝化作用,TP質量濃度的下降可能是因為水體中顆粒態磷的沉降作用。相比之下,眼子菜和蘆葦處理的水體中TP質量濃度較高,但低于對照組,表明其對TP具有一定的去除能力。水體中TP質量濃度最低的是鳶尾處理組,金魚藻處理組次之,表明鳶尾對TP的去除效果較好。在本研究的復合污染水體中,4種水生植物對TP的去除效果表現為鳶尾>金魚藻>蘆葦>眼子菜。

不同水生植物對營養鹽物質的去除率

 

3 植物對復合污染水體中PFOA、PFOS的去除

水體中PFOA、PFOS質量濃度的變化。實驗開始時PFOA、PFOS的加標質量濃度為60μg·L-1,初始污染水體中PFOA/PFOS的測定平均值為48.56μg·L-1和47.32μg·L-1,平均加標回收率為80.93%和78.86%。實驗過程中PFOA、PFOS的質量濃度變化如下圖所示。各植物處理組水體中PFOA、PFOS質量濃度均呈現下降趨勢,實驗結束后,各植物處理組的PFOA、PFOS質量濃度均顯著小于對照組。實驗開始后,各植物處理組水體中PFOA質量濃度在前16d緩慢下降,16d后趨于穩定,其中鳶尾處理組水體中PFOA質量濃度較高。各植物處理組水體中PFOS質量濃度的下降速度先快后慢,尤其是金魚藻處理組,經過7d的處理,水體中PFOS質量濃度從47.32μg·L-1降至18.33μg·L-1,但在7-29d其變化幅度則較小,僅為10.35μg·L-1。相較于其他幾種植物,金魚藻處理組水體中PFOS的質量濃度最低。

不同植物處理的水體中全氟烷基酸的質量濃度變化

由下表可以看出,4種水生植物對PFOA、PFOS具有一定的富集效果,且相互之間具有差異性。各植物處理組對PFOA的去除率為(38.25±3.25)%-(67.33±5.58)%,顯著高于CK處理組的(15.54±0.59)%。各植物處理組對PFOA的去除率高低排序依次為:金魚藻>眼子菜>蘆葦>鳶尾。各植物處理組對PFOS的去除率高低趨勢與PFOA相同,去除率從高到低依次為(83.14±5.49)%、(75.43±5.34)%、(60.47±4.29)%和(46.23±3.93)%。不同植物組之間的差異性整體表現為沉水植物對PFOA、PFOS的富集效果強于挺水植物,沉水植物對PFOA、PFOS的去除率分別比挺水植物高13.73%-29.03%和14.96%-36.91%。

不同水生植物對全氟烷基酸的去除率

供試植物中PFOA、PFOS含量的變化。供試植株由采購市場通過營養液人工培養,實驗前植物體內未檢測出全氟烷基酸,實驗結束后,植物體內PFOA、PFOS的積累量如圖所示。同一水體經過相同培養時間后,植物體內PFOA、PFOS的富集量各不相同。同一植物對不同毒性物質的耐受上限有所差異,不同植物對相同毒性物質的吸收能力也是不同的。當水體中同時存在多種污染物時,營養物質與毒性物質會發生協同效應,這些都會導致植物體內PFOA、PFOS積累量的差異。

 

由圖(a)可以看出,在相同培養條件下,單棵水生植株對PFOA的積累量表現為金魚藻>眼子菜>蘆葦>鳶尾,其體內PFOA的含量差異與去除率相對應。金魚藻對PFOA的富集含量高達(31.56±1.01)μg·g-1,約是鳶尾富集的5倍多。由圖(b)可以看出,不同植物體內PFOS的富集含量差異與PFOA相似,鳶尾的富集能力相對較差,其體內PFOS富集質量濃度為(17.19±1.06)μg·g-1,金魚藻、眼子菜、蘆葦對PFOS的富集含量分別比鳶尾高出(30.65±2.25)、(16.28±1.02)和(2.16±0.53)μg·g-1。

不同水生植物中全氟烷基酸的含量

由圖可知,各挺水植物水下部分對PFOA、PFOS的富集濃度顯著大于其水上部分。其中,鳶尾水下部分PFOA富集含量為(10.27±0.85)μg·g-1,是水上部分的2倍多;蘆葦水上部分與水下部分PFOA含量差異大于鳶尾,其水下部分PFOA富集含量為(17.95±1.38)μg·g-1,是水上部分的3.56倍。2種挺水植物水上部分與水下部分PFOS的富集濃度差異趨勢與PFOA相似。其中,蘆葦水下部分PFOS富集含量較高,為(24.05±2.26)μg·g-1,其水上部分含量僅為(4.81±0.45)μg·g-1。

 

本實驗中,植物對PFOA、PFOS富集能力變現為蘆葦水下部分>鳶尾水下部分>金魚藻>眼子菜>蘆葦水上部分>鳶尾水上部分。

 

4種水生植物對PFOA、PFOS的富集系數和轉移系數如表所示。整體看來,沉水植物對PFOA、PFOS的富集系數均大于1,表明其具有較好的污染物富集能力。在挺水植物中,水上部分的富集系數很小,均小于1;水下部分富集系數大于水上部分,其中,蘆葦根部對PFOS的富集系數為1.29。相應地,鳶尾和蘆葦對PFOA、PFOS的轉移系數均低于1,且對PFOS的轉移系數小于PFOA。

不同植物對PFOA、PFOS的富集系數和轉移系數

 

 

總結

●在營養鹽和全氟烷基酸復合污染水體中,4種水生植物對營養鹽的去除效果顯著,且不同植物之間有所差異,其中鳶尾對營養鹽物質的去除表現出較好的優勢。

 

●在營養鹽和全氟烷基酸復合污染水體中,4種水生植物可以有效富集水體中的PFOA和PFOS,其中沉水植物金魚藻和眼子菜對水體中全氟烷基酸具有較好的去除效果。

 

●4種水生植物對PFOA和PFOS的富集能力有所差異。金魚藻的富集能力最強,挺水植物中PFOA和PFOS主要積累在植株根部,且PFOS比PFOA更難向植株上方轉移。

 

 

 

 

來源:環境工程學報

 

 

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