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摘要
酸性矿山废水（Acid Mine Drainage，AMD）是矿山开采过程中产生的一种典型污染物，其pH值低，且富含铅（Pb）、镉（Cd）、锌（Zn）、铜（Cu）等多种重金属离子，对周边土壤、水体及生态系统造成严重破坏，同时威胁人类健康。植物修复技术因具有成本低、环境友好、无二次污染等优势，成为治理酸性矿山废水重金属污染的重要手段之一。本研究以常见的重金属富集植物芦苇（Phragmites australis）、香蒲（Typha orientalis）、水葫芦（Eichhornia crassipes）和蜈蚣草（Pteris vittata）为研究对象，通过室内模拟酸性矿山废水环境，对比分析四种植物对废水中Pb、Cd、Zn、Cu四种典型重金属的富集系数（BCF）和转运系数（TF），探究不同植物对酸性矿山废水重金属的富集能力差异，为筛选高效的酸性矿山废水重金属修复植物提供科学依据。研究结果表明，蜈蚣草对Pb和Cd的富集能力最强，香蒲对Zn的富集效果最优，水葫芦对Cu的富集能力较为突出；从综合富集能力来看，蜈蚣草和香蒲在酸性矿山废水重金属修复中具有更高的应用潜力。
关键词
酸性矿山废水；重金属；植物富集；富集系数；转运系数；植物修复
一、引言
矿山开采是人类获取矿产资源的重要活动，但在开采过程中，硫化矿物（如黄铁矿）与空气、水接触后发生氧化反应，会产生大量酸性矿山废水。-，不仅具有强腐蚀性，还会将矿山中的重金属矿物溶解，导致废水中含有高浓度的Pb、Cd、Zn、Cu、As等重金属离子。这些废水若未经处理直接排放，会渗入土壤，造成土壤酸化和重金属累积，破坏土壤结构和肥力；同时，废水会流入周边河流、湖泊等水体，导致水体污染，影响水生生物的生存与繁殖，甚至通过食物链的富集作用进入人体，引发慢性中毒、神经系统损伤、癌症等严重健康问题。据统计，我国每年因矿山开采产生的酸性矿山废水量超过10亿立方米，受污染的土壤面积达数百万公顷，酸性矿山废水重金属污染已成为我国矿山生态环境治理的重点和难点问题。
传统的酸性矿山废水重金属治理方法主要包括化学沉淀法、离子交换法、吸附法等。化学沉淀法通过添加石灰、氢氧化钠等化学试剂调节废水pH值，使重金属离子形成沉淀析出，但该方法需要消耗大量化学试剂，成本较高，且会产生大量污泥，易造成二次污染；离子交换法和吸附法虽处理效率较高，但吸附剂和离子交换树脂的再生成本高，难以大规模应用于量大、浓度波动大的酸性矿山废水处理。相比之下，植物修复技术作为一种绿色环保的污染治理技术，通过筛选和种植对重金属具有较强富集能力的植物，利用植物的吸收、转运和积累作用，将环境中的重金属转移到植物体内，待植物成熟后进行收割处理，从而实现对污染环境的修复。植物修复技术不仅成本低、操作简便，还能改善生态环境，增加植被覆盖度，具有显著的经济、生态和社会效益。
目前，国内外学者已筛选出多种具有重金属富集能力的植物，如蜈蚣草对As的富集能力突出，芦苇、香蒲等水生植物对多种重金属具有一定的吸收能力，水葫芦作为一种常见的水生漂浮植物，也被发现对水体中的重金属有较好的富集效果。然而，不同植物对重金属的富集能力受植物种类、重金属类型、环境条件（如pH值、温度、湿度）等多种因素影响，尤其是在酸性矿山废水这种低pH、高重金属浓度的极端环境下，植物的生长状况和富集能力会发生显著变化。因此，针对酸性矿山废水的特殊环境，对比分析不同植物对多种重金属的富集能力，筛选出适应性强、富集效率高的植物种类，对于推动植物修复技术在酸性矿山废水重金属污染治理中的应用具有重要的理论和实践意义。本研究选取四种常见的重金属富集植物，通过室内模拟实验，系统研究其在酸性矿山废水中的生长状况及对Pb、Cd、Zn、Cu四种典型重金属的富集能力，为酸性矿山废水重金属污染的植物修复提供科学参考。
二、材料与方法
实验材料
供试植物
本研究选取芦苇、香蒲、水葫芦和蜈蚣草四种植物作为供试植物。芦苇和香蒲均为多年生水生草本植物，广泛分布于河流、湖泊、沼泽等湿地环境，具有较强的耐污性和适应性；水葫芦为多年生水生漂浮植物，生长速度快，生物量大，对水体中的污染物具有较强的吸收能力；蜈蚣草为多年生蕨类植物，是目前发现的少数对重金属具有超富集能力的植物之一，尤其对As、Pb等重金属的富集能力突出。
供试植物均采集于未受重金属污染的自然环境中，选取生长健壮、株高相近的幼苗作为实验材料。采集后，将植物根部的土壤和杂质冲洗干净，用去离子水浸泡24小时，去除表面可能附着的污染物，然后置于阴凉通风处晾干，备用。
模拟酸性矿山废水
参考我国南方某铅锌矿山酸性废水的实际水质特征，配置模拟酸性矿山废水。废水中主要重金属离子为Pb²⁺、Cd²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺，其浓度分别设定为50mg/L、5mg/L、100mg/L、20mg/L；同时，，以模拟酸性矿山废水的低pH环境。为保证植物生长所需的营养，在模拟废水中添加适量的霍格兰营养液（浓度为1/4 Hoagland），提供氮、磷、钾等必需营养元素。模拟废水配置完成后，，去除杂质，备用。
实验仪器与试剂
实验仪器主要包括：原子吸收分光光度计（AA-6300，日本岛津公司），用于测定植物和废水中的重金属浓度；pH计（PHS-3C，上海雷磁仪器厂），用于测定废水pH值；电子天平（FA2004，上海精密科学仪器有限公司），用于称量植物样品质量；恒温培养箱（LRH-250，广东省医疗器械厂），用于控制实验环境温度；鼓风干燥箱（101-3，北京科伟永兴仪器有限公司），用于烘干植物样品。
实验试剂主要包括：硝酸（HNO₃，分析纯）、高氯酸（HClO₄，分析纯），用于植物样品的消解；硫酸（H₂SO₄，分析纯），用于调节模拟废水pH值；Pb(NO₃)₂、Cd(NO₃)₂·4H₂O、Zn(NO₃)₂·6H₂O、Cu(NO₃)₂·3H₂O（均为分析纯），用于配置模拟废水中的重金属离子；霍格兰营养液（分析纯），用于提供植物生长所需营养；实验所用去离子水均由超纯水机（UPT-II-10T，成都超纯科技有限公司）制备。
实验设计
实验采用室内水培实验方法，在恒温培养箱中进行。实验设置4个处理组，分别对应四种供试植物（芦苇组、香蒲组、水葫芦组、蜈蚣草组），每组设置3个重复。实验容器为500mL的烧杯，每个烧杯中加入300mL模拟酸性矿山废水，选取长势一致的植物幼苗移栽至烧杯中，芦苇和香蒲每组移栽3株，水葫芦每组移栽2株，蜈蚣草每组移栽3株（根据植物生物量大小调整移栽数量，保证各组初始生物量相近）。
实验期间，恒温培养箱的温度控制在25±1℃，光照强度为3000lux，光照周期为12h光照/12h黑暗，以保证植物正常生长。每隔3天更换一次模拟废水，同时测定废水的pH值，确保废水环境稳定。实验持续21天，实验结束后，收获全部植物样品，进行后续分析。
测定指标与方法
植物生长指标测定
实验开始前和结束后，分别测定植物的株高、鲜重和干重，计算植物的株高增长率、鲜重增长率和干重增长率，评估不同植物在酸性矿山废水中的生长状况。株高采用直尺测量（），鲜重采用电子天平称量（）；干重测定时，将植物样品置于鼓风干燥箱中，在80℃下烘干至恒重，然后用电子天平称量（）。
株高增长率=（实验结束时株高-实验开始时株高）/实验开始时株高×100%
鲜重增长率=（实验结束时鲜重-实验开始时鲜重）/实验开始时鲜重×100%
干重增长率=（实验结束时干重-实验开始时干重）/实验开始时干重×100%
植物重金属含量测定
将烘干后的植物样品分为根、茎、叶三部分（水葫芦分为根、叶两部分，无明显茎结构），用玛瑙研钵研磨成粉末，过100目筛。，置于50mL聚四氟乙烯消解罐中，加入5mL硝酸和2mL高氯酸，摇匀后放置过夜。次日，将消解罐置于石墨消解仪中，按照以下程序进行消解：先在80℃下加热1h，然后升温至120℃加热2h，最后升温至180℃加热至消解液澄清透明（若消解液仍有颜色，可补加2mL硝酸继续消解）。消解完成后，冷却至室温，将消解液转移至25mL容量瓶中，用去离子水定容至刻度，摇匀后采用原子吸收分光光度计测定其中Pb、Cd、Zn、Cu的浓度。同时，设置空白对照（仅加入消解试剂，不加植物样品）和标准物质对照（采用国家标准物质GBW07603杨树叶，验证消解方法和测定结果的准确性），确保测定结果的可靠性。
废水重金属浓度测定
实验开始前和结束后，分别采集各处理组的模拟废水样品，，，采用原子吸收分光光度计测定废水中Pb、Cd、Zn、Cu的浓度，计算重金属的去除率，评估植物对废水中重金属的去除效果。
重金属去除率=（实验开始时废水重金属浓度-实验结束时废水重金属浓度）/实验开始时废水重金属浓度×100%
富集系数和转运系数计算
富集系数（Bioconcentration Factor，BCF）是指植物体内重金属浓度与环境中重金属浓度的比值，反映植物对重金属的富集能力，BCF值越大，说明植物对重金属的富集能力越强。转运系数（Translocation Factor，TF）是指植物地上部分（茎、叶）重金属浓度与地下部分（根）重金属浓度的比值，反映植物将地下部分吸收的重金属转运到地上部分的能力，TF值越大，说明植物的转运能力越强。
富集系数（BCF）=植物体内重金属浓度（mg/kg）/实验期间废水重金属平均浓度（mg/L）
转运系数（TF）=植物地上部分重金属浓度（mg/kg）/植物地下部分重金属浓度（mg/kg）
数据统计与分析
采用Excel 2019进行数据整理和初步计算，采用SPSS 。对不同植物的生长指标、重金属含量、富集系数、转运系数等数据进行单因素方差分析（One-way
ANOVA），并采用Duncan多重比较法进行差异显著性检验（显著性水平设定为P<），以分析不同植物之间的差异。
三、结果与分析
不同植物在酸性矿山废水中的生长状况
四种供试植物在模拟酸性矿山废水中生长21天后，其生长状况存在显著差异（表1）。从株高增长率来看，香蒲的株高增长率最高，%，其次是水葫芦（%）和芦苇（%），蜈蚣草的株高增长率最低，%，且显著低于其他三种植物（P<）。从鲜重增长率来看，水葫芦的鲜重增长率最高，%，香蒲次之（%），%%，蜈蚣草的鲜重增长率显著低于水葫芦和香蒲（P<）。从干重增长率来看，香蒲的干重增长率最高（%），水葫芦次之（%），芦苇（%）和蜈蚣草（%）的干重增长率较低，且蜈蚣草与香蒲、水葫芦之间存在显著差异（P<）。
表1 不同植物在酸性矿山废水中的生长指标（n=3，平均值±标准差）
|植物种类|初始株高（cm）|结束株高（cm）|株高增长率（%）|初始鲜重（g）|结束鲜重（g）|鲜重增长率（%）|初始干重（g）|结束干重（g）|干重增长率（%）|
|—|—|—|—|—|—|—|—|—|—|
|芦苇|±|±|±|±|±|±|±|±|±|
|香蒲|±|±|±|±|±|±|±|±|±|
|水葫芦|±|±|±|±|±|±|±|±|±|
|蜈蚣草|±|±|±|±|±|±|±|±|±|
注：同列数据后不同小写字母表示在P<（Duncan多重比较），下同。
分析认为，香蒲和水葫芦在酸性矿山废水中生长状况较好，可能是因为这两种植物具有较强的耐酸性和耐重金属性，能够适应低pH、高重金属浓度的环境；而蜈蚣草的生长受到一定抑制，可能是因为酸性环境和高浓度重金属对其根系生长和光合作用产生了负面影响。芦苇作为一种常见的耐污植物，其生长状况介于香蒲、水葫芦和蜈蚣草之间，说明其对酸性矿山废水环境具有一定的适应性，但适应能力不如香蒲和水葫芦。
不同植物对酸性矿山废水中重金属的去除效果
实验结束后，不同植物对模拟酸性矿山废水中Pb、Cd、Zn、Cu四种重金属的去除率存在显著差异（表2）。对于Pb的去除率，蜈蚣草组最高，%，其次是香蒲组（%）和芦苇组（%），水葫芦组最低（%），且蜈蚣草组与其他三组之间存在显著差异（P<）。对于Cd的去除率，蜈蚣草组依然最高（%），香蒲组次之（%），芦苇组（%）和水葫芦组（%）较低，蜈蚣草组与芦苇组、水葫芦组之间差异显著（P<）。对于Zn的去除率，香蒲组最高（%），蜈蚣草组次之（%），芦苇组（%）和水葫芦组（%）较低，香蒲组与芦苇组、水葫芦组之间差异显著（P<）。对于Cu的去除率，水葫芦组最高（%），香蒲组次之（%），蜈蚣草组（%）和芦苇组（%）较低，水葫芦组与芦苇组之间差异显著（P<）。
表2 不同植物对酸性矿山废水中重金属的去除率（n=3，平均值±标准差，%）
|植物种类|Pb去除率|Cd