氟是一种原生质毒物,易透过各种组织的细胞壁与原生质结合产生毒性效应(Zhang et al., 2007；Anuradha et al., 2001)。Burgstahlert(2002)认为氟化物具有毒物兴奋效应,即长期、过量摄入氟会对人体产生危害,如氟斑牙、氟骨症、地氟病等症状。水是氟循环的重要介质。在水中,氟有游离阴离子F、未离解的HF以及络合物(Pitter,1985；Stevens et al., 1998)等存在形态。近年来,随着工业的发展,金属冶炼、电子、农药等行业排放的水系沉积物中常含有高浓度的氟化物,而国内大多数生产厂采用物理和化学的方法清除水体氟污染又存在局限性(Mohapatra et al., 2009),使得氟污染问题日益突出。为了保护人类的生存环境,提高人们的生活质量,含氟废水的除氟研究成为国内外环保及卫生领域的重要任务(Fung et al., 2003;周钰明等,2001)。目前,国内在去除氟污染物的研究主要集中在大气(吴春华等,2001；张德强等,2003)和土壤(贾中民等,2011；缪良等,2002),对于清除水体氟污染研究的报道很少,国外对于水体氟离子的清除研究(Piotr et al., 2006; Sinha et al., 2000)则主要集中在水生植物。然而,水系沉积物中高氟污染对消落带的土壤-植物系统产生的严重生态后果需引起高度重视。近年来,瑞典已利用嵩柳(Salix viminalis)林过滤硝态氮、重金属、低浓度的氮、磷和酚类化合物(Mirck et al., 2005)；美国也利用沙柳(S.cheilophila)林进行了重金属和油类污染的修复(Yulla et al., 2005)；Ucsik等(2006)利用水培和沙培研究了苯酚对嵩柳的毒性和嵩柳对苯酚的吸收与代谢 。研究表明,许多木本植物对于一定浓度的污染物,不仅具有一定程度的抵抗力,且可在整个生长季节进行吸收和积累,经长期的适应,形成了对污染物的耐受、抵抗和吸收净化的能力(石瑛,2011)。因此,研究湿生植物去除氟化物的能力,对水环境修复、减少地氟病等方面具有重要的现实意义。

枫杨(Pterocarya stenoptera)是胡桃科枫杨属落叶速生乔木(中国科学院植物研究所,2001),枫杨耐水湿、耐旱,深根性,主、侧根均发达,萌蘖能力强,常见于河岸带和消落区(徐有明等,2002),特别适宜栽植于有氟污染源的玻璃厂、化工厂等附近。以往对枫杨的研究主要集中在对土壤、大气污染物的吸收积累和耐受性以及在淹水后木材解剖学特征、生长及光合生理变化上(张德强等,2003；衣英华等,2006),而对其去除水体中氟污染物的抗性、积累特性的研究较少涉及,迫切需要开展有关耐水淹,对氟化物抗性强树种的研究。

本试验以枫杨当年实生幼苗为研究对象,通过水培实验,观察水体氟对枫杨幼苗的生态毒性效应,考察枫杨幼苗对氟化物吸收积累的特性,并根据枫杨幼苗的氟积累量、转移系数、物富集系数及相对标准蒸腾速率等指标的大小,以探明枫杨幼苗是否能有效地应用于氟化物污染区域的水体净化及植物修复。

于2009 年3月初选取健康的枫杨种子层积到蛭石基质中,定期浇灌,在光照培养箱中进行催芽,温度为25 ℃。待种子萌芽后,播种到多个发芽盒中培养。当苗高20 cm时,将其根部的基质冲洗干净,移栽到装好营养液的锥形瓶中,每瓶定植1株,营养液为1/2强度的Hoargl and 营养液,瓶外用黑色塑料袋包裹,以抑制藻类植物生长,瓶口用海绵密封以减少液面蒸发,隔天添加营养液,培养60天,当枫杨幼苗根部长出大量白色吸收根后进行各项试验处理。污染处理前1周,每天测定植株的生长量、蒸腾量,观察1周后选取生长势一致、蒸腾量差异较小的幼苗作为试验材料。氟离子胁迫处理时,每个锥形瓶定植1株,加入300 mL的营养液或加入NaF的营养液培养,设置8个处理,分别为：T1(0 mmol·L^-1,pH6.8,对照)、T2(0.5 mmol·L^-1,pH6.8)、T3(1.25 mmol·L^-1,pH6.8)、T4(2.5 mmol·L^-1,pH6.8)、T5(5 mmol·L^-1,pH6.8)、T6(10 mmol·L^-1,pH6.7)、 T7(5 mmol·L^-1,pH5.5)、T8(5 mmol·L^-1,pH8.0),每个处理重复3次(设置3瓶),置于光照培养架上。每隔24 h补水至刻度线,处理液每3天更换1次。光照强度约1 500 lx,光照时间每天8 h,室温(21±1)℃,空气湿度60%~65%。处理期间采用称重法观察并记录枫杨蒸腾量的变化。

整个试验持续11天,其间更换2次污染液。试验结束后对各处理植株按根、茎、叶3部分采样。样品用自来水洗2~3次,去除表面尘埃及附着物,再用去离子水冲洗2次,置于鼓风干燥箱中在60~80 ℃下烘10~12 h,直至恒质量。冷却后,将烘干的样品用电动粉碎机粉碎,过250 μm筛孔,得到粉末状样品,放入小玻璃瓶中,置于干燥器内备用。

采用超声波萃取-离子选择电极法测定样品中的氟含量,具体试验步骤同文献(城乡建设环境保护部环境保护局《环境监测分析方法》编写组,1983)。准确称取0.5 000 g样品,置于50 mL塑料烧杯中,加入20 mL 0.05 mol·L^-1硝酸溶液,在超声波的水浴中超声15 min,然后加入20 mL 0.1 mol·L^-1氢氧化钾溶液,在超声波的水浴中超声15 min,再冷却至室温,不经过滤转移到250 mL容量瓶中定容。待叶片沉淀后,吸取10 mL上清液至50 mL容量瓶中,加入25 mL TISAB溶液,用去离子水定容,待测。枫杨幼苗叶片中氟含量的计算式如下：

氟含量(mg·kg^-1)=C·V₁·V₃/(V₂·W)。

式中,C为根据标准曲线求得测定样液中的氟含量(mg·L^-1), V₁,V₂,V₃分别为超声波处理定容体积、吸取枫杨幼苗叶片水体积和测定体积(mL),W为枫杨幼苗叶片样品质量(g)。

转移系数(translocation factor,Tf)按如下公式(Massimo et al., 2009)计算,以评价植物根吸收的氟向地上部分的转移能力。

式中：F_aerial为地上部分平均氟含量(mg·kg^-1),F_root为根部平均氟含量(mg·kg^-1)。

根部和地上部分氟生物富集系数(bio-concentration factor,BCF)按下面公式计(Zayed et al., 1998)计算:

式中：F_root/aerial为根或地上部分氟含量(mg·kg^-1)；F_water为水体中氟含量(mg·L^-1)。

相对标准蒸腾量(NRT)按如下公式(Trapp et al., 2000)计算,以研究水体氟对枫杨蒸腾作用的影响：

式中：C是水溶液中氟化钠的浓度(mmol·L^-1),t是时间(天),T是植株的绝对蒸腾(g·d^-1),n和m分别是处理组和对照组的组数,对照组的NRT总是100%,< 100%表示植株蒸腾受到抑制。

利用统计分析软件SPSS17.0和Excel 2003进行数据的处理和分析。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)揭示水体中不同浓度氟离子对枫杨幼苗生长和根茎叶氟含量的影响。用 Duncan多重比较(Duncan’s multiple range test)检验不同浓度氟离子组之间植株的生长和根、茎、叶的含氟量的差异。采用单变量方差分析(Univariate)比较不同氟离子浓度梯度对植株的蒸腾量的影响。

1)根的氟含量    幼苗根部氟含量随着培养液氟离子浓度的增大而增加,T2,T3,T4,T5,T6组之间植株根部氟含量有显著性变化(P＜0.05),除T2组外均显著高于对照T1(图 1A),T6组植株根部氟含量最高,氟含量为1 604.60 mg·kg^-1,是对照的268倍,说明枫杨幼苗根部吸氟能力很强,且氟离子浓度越大,其能力表现得越明显。不同pH处理组之间,T7组植株根部氟含量显著高于T5,T8组(P＜0.05),表明在酸性条件下枫杨幼苗根部吸收氟离子的程度大于中性和碱性。

	图 1 枫杨幼苗根、茎、叶的氟含量(平均值±标准误) Fig. 1 Fluorine content of root，stem and leaf of P.stenoptera (mean ± SE)

2)茎的氟含量    茎的氟含量随培养液氟离子浓度的增大呈增加趋势,T6组茎的氟含量最大为59.41 mg·kg^-1显著高于其他各组(P < 0.05),其他各组之间植株茎的氟含量没有显著性变化(P>0.05)(图 1B),说明当氟离子浓度较高时,根部的氟离子开始向茎转移,这与图 1A所反映的规律基本一致。由图 1,2可知,不同pH处理组之间,植株茎的氟离子含量变化不显著(P>0.05),T5,T7组茎的氟含量稍高于T8,可能的原因是T5中幼苗转移能力强,将氟离子较多地转移到地上部分,因此根部积累量少；T7中由于根部积累氟离子较多,枫杨将氟离子部分转移至地上部分,以此减轻根部受害程度。

	图 2 枫杨幼苗的转移系数及生物富集系数(平均值±标准误) Fig. 2 Tf and BCF in roots and aerial parts of P.stenoptera (mean ± SE)

3)叶的氟含量     随着培养液氟离子浓度的增大,叶的氟含量逐渐增加,T6组叶氟含量最高为40.80 mg·kg^-1显著高于其他各组(P < 0.05),T3,T4,T5显著高于T1,T2(P < 0.05),而T1与T2之间差异不显著(P>0.05)(图 1C),由叶的氟积累量存在3个阶段可知： 幼苗在T1,T2受轻微毒害,T3,T4,T5属于中等毒害阶段,T6则属高毒害阶段,说明随着氟离子浓度的增大,幼苗将氟离子由茎向叶转移的量增多；T3-T5之间没有显著性变化的原因可能与植株体内调节机制有关,这与图 2B所反映的规律基本相同。不同pH处理组之间,植株叶的氟含量没有显著变化。

4)根茎叶的氟含量比较     枫杨幼苗根茎叶的氟含量在培养液氟离子浓度10 mmol·L^-1时表现为根＞茎＞叶,在氟离子浓度为 0.5~5 mmol·L^-1时表现为根＞叶＞茎(图 1A,B,C),表明在不同氟离子浓度和不同环境条件下,枫杨幼苗对其敏感程度不一样,吸收及积累规律不同,可见,植株体内可能存在不同的适应机制。

T2与T6组之间幼苗根生物富集系数无显著差异(P < 0.05),而显著低于T3,T4,T5组植株(P < 0.05),说明T2组氟离子浓度较低,富集量少,而T6组氟离子浓度高,幼苗根部的吸氟及向茎、叶转移的能力最旺盛,这与图 2C所反映的规律相同。T3,T4,T5组之间幼苗根生物富集系数有显著性变化(P < 0.05),T3组根生物富集系数最高(图 2A),分别是T2、T5、T6的3.9,1.9和3.0倍；不同pH处理组之间,枫杨幼苗的根富集系数无显著差异(P>0.05)。

T2,T3,T4,T5,T6组之间幼苗地上部分生物富集系数有显著差异 P < 0.05,T3组地上部分生物富集系数最高(图 2B),比T5的高204%；不同pH处理组之间,植株地上部分生物富集系数没有显著变化P>0.05。

T3,T4,T5组之间幼苗氟转移系数无显著性差异 P>0.05,而显著低于T2,T6组植株,T2组氟转移系数最高(P＜0.05,图 2C),幼苗氟转移系数介于0.029~0.125之间；不同pH处理组之间,幼苗氟转移系数无显著性差异(P>0.05)。总体上,枫杨幼苗的氟转移系数与生物富集系数所反映的规律基本一致。

污染物对植物的消化、吸收和代谢等生理活动的影响都在蒸腾量上得到反映,因此相对标准蒸腾量(NRT)变化常用来指示有毒物质对植物的毒性效应。随着处理时间的增长,各处理组枫杨幼苗的 NRT均呈下降趋势(图 3A)。 溶液氟离子浓度在5,10 mmol·L^-1时,对 NRT变化的影响显著(P＜0.05),同时在该浓度处理5天后,植物下部叶片干枯脱落,对植物的毒性很强。溶液氟离子浓度在10 mmol·L^-1时,植株 NRT下降幅度最明显,处理第10天与对照相比下降了84.04%。溶液氟离子浓度为5 mmol·L^-1时,不同pH环境下幼苗 NRT均逐渐下降(图 3B),pH值对植株 NRT变化的影响不显著(P＞0.05);酸性、中性和碱性环境下枫杨幼苗处理第10天的NRT与对照相比分别下降了42.42%,40.07%和22.59%,酸性和中性环境下NRT下降幅度大于碱性,对植物的伤害较大。

	图 3 在不同氟离子浓度和不同pH值氟溶液下枫杨幼苗的相对标准蒸腾量 Fig. 3 NRT of P.stenoptera grown in hydroponic solution at different fluorion and pH value concentrations.

植物能否成功地用于水体氟污染的净化主要取决于该植物的氟积累能力和氟在植物体内的积累部位(Riddell-Black,1994)。不同植物对氟化物的积累能力不同,并且在同一植物不同部位氟的富集程度也不尽相同。植物从土壤中吸收氟,植物体内氟含量的分布规律为：根＞叶＞壳＞果；而受大气氟污染时,植物主要由叶吸收氟,体内氟分布规律为：叶＞根＞果(王云等,1995)。本试验中,枫杨幼苗根茎叶的氟含量随培养液氟离子浓度的增加逐渐升高,茎、叶氟积累量最高分别为59.41,40.80 mg·kg^-1,而根氟积累量则高达 1 604.60 mg·kg^-1,分别是茎、叶的27和39倍,说明枫杨幼苗根的氟积累能力很强,原因是在水体中,离子强度增大抑制了Donnan自由空间的负电荷,导致更多的氟接近根的吸附部位从而促进了氟的吸收(Stevens et al., 2000),而且根系是整株植株吸收水分和养料的器官,不仅代谢旺盛,还是首先直接接触氟污染培养液的器官,因此,与茎叶相比,积累了更多的氟离子,这对于水体氟离子的去除作用很大。枫杨幼苗的氟转移系数(Tf)介于0.029~0.125之间,说明氟能从根转移到茎、叶中,但根含氟量仍明显大于茎部和叶片的含氟量(图 1A,B,C),这与Brennan等(1950)研究结果相同,说明枫杨幼苗根吸收的氟主要积累在根部,通过某种机制阻止了氟向枫杨幼苗地上部分转移,以减少氟向地上部分转移而产生危害,这与植株在胁迫下所采取的耐氟策略有关(Prasad,2004),也从侧面说明了枫杨幼苗在保证自身生命活力的条件下具有很强的耐氟能力。有研究表明,茶树(Camellia sinensis)富氟能力表现为：叶片>吸收根＞主根＞茎(马立锋等,2004),菠菜(Spinacia oleraceae)中氟含量分布规律为：老叶＞幼叶＞根,而氟在芹菜(Apium graveolens)中的分布规律是：叶＞根＞茎(何峰等,2004)。与上述研究不同,本试验中枫杨幼苗体内氟含量的分布存在2种情况：在培养液氟离子浓度 10 mmol·L^-1时表现为根＞茎＞叶,在氟离子浓度为0.5~ 5 mmol·L^-1时表现为根＞叶＞茎,可能是过高的氟离子浓度使枫杨幼苗产生了严重的生理胁迫,影响了氟离子的运转,这也反映在 10 mmol·L^-1氟离子使枫杨幼苗蒸腾量明显降低,下部老叶枯萎脱落。本试验中,在培养液氟离子浓度 0.5 mmol·L^-1时,枫杨幼苗氟转移系数显著高于其他各组,而且枫杨幼苗地上部分生物富集系数(BCF)占整株生物富集系数的11.1%,显著高于其他各组的2.8%~5.9%。这表明,当环境氟浓度较低时,枫杨幼苗表现出强富集能力；当环境氟浓度较高时,富集能力不明显。枫杨幼苗对氟的吸收主要由自身需求控制,溶液氟离子的增加虽然能让其体内氟含量增加,但对其富集能力影响不大。 这是由于枫杨幼苗在氟离子浓度较低(0.5 mmol·L^-1)的培养液中具有另外一种策略以提高对氟的萃取潜力,即枫杨幼苗加强了向地上部分转移氟的能力,更倾向于利用植物内部的解毒机制来减少氟对自身的危害(Aiman et al., 2009),这种脱毒策略很好地弥补了物理化学处理法难以去除水体中低浓度氟污染物的缺陷。有研究表明：在67种供试树种中,枫杨净化氟的能力居第一位(谢惠芹,1986),是净化氟污染的能手。

水体氟对植物的毒性效应包括对植物生长和形态的影响、光合作用和蒸腾作用的影响以及对植物代谢的影响(陈丽慧等,2011),本试验主要通过观察枫杨蒸腾速率随时间的变化以研究水体氟对枫杨的毒性效应。植物蒸腾作用以气孔蒸腾为主,气孔是植物进行体内外气体交换的重要门户。蒸腾作用是植物吸收水分和转运水分的主要动力,能维持植物各部分的水分饱和,保持细胞组织的形态,促进无机盐类在植物体内的分布,而且能将植物在光合作用和氧化代谢中产生的多余热能散出。本试验中,各处理组枫杨幼苗的相对标准蒸腾量随着培养时间的增长呈下降趋势,处理结束后下降了10.71%~88.43%,说明枫杨幼苗的水分吸收和输导受到阻碍,植株正常的生理功能失去平衡,原因是氟离子进入植物体之后,通过导管向叶缘和叶尖转移,叶片中积累大量F^-后,保卫细胞中的pH值降低,细胞中有效K⁺减少,最终将气孔关闭以保护细胞(蒋志学等,1989),且氟离子会导致气孔变形,破坏叶绿体结构(Thomson,1975),氟离子浓度越大变形越厉害,因此植株受毒性效应影响也越大,蒸腾量不断下降。大量研究表明(Chang et al., 1970；Miller,1993),氟化物的毒性效应能够抑制植物幼苗根系生长,这也是植株蒸腾量下降的原因之一。 本研究中,5和10 mmol·L^-1的氟离子培养液对枫杨幼苗蒸腾量变化影响显著,说明枫杨幼苗对高浓度氟离子产生的毒性效应反应敏感。在处理第2天,氟离子浓度为0.5 mmol·L^-1的处理组中,枫杨幼苗的相对标准蒸腾量有所增大,说明其对低浓度氟离子毒性效应产生的最初伤害有一种保护反应,这对于水体污染状况的评估是很重要,原因是当水中氟离子的含量很微小时,普通化学分析方法难以检出,因而枫杨的这种特性就更有意义,这在其他一些生理指标和生长指标上也得到印证(李亚藏等,2007；2005)。结合图 3A分析可知,只要控制溶液氟离子浓度≤ 2.5 mmol·L^-1,枫杨幼苗相对标准蒸腾量就始终保持在50%以上,在其忍耐范围内。因此,在此浓度范围内使用枫杨幼苗修复水体氟效果最好且可持续性强。

pH在很大程度上改变着土壤中氟的存在形态。土壤中水溶性氟与pH值呈显著正相关(吴卫红,2002)。在利用Cr³⁺改性膨润土处理含氟废水的研究中发现(王代芝等,2004),pH在5~6之间氟离子吸附量最多,之后随着pH的增大吸附量逐渐下降,说明不同pH溶液中氟离子含量不同,酸性＞中性＞碱性。本试验中,在相同氟离子浓度下pH5.5的培养液中,枫杨幼苗的根氟含量显著高于pH6.8,8.0培养液根氟含量(图 1A),说明在酸性环境中,枫杨幼苗根的氟积累能力更强,原因是酸性环境中,HF的形成有利于氟离子溶解度增大,因此氟离子含量增多,更多地吸附在根的表面,被植株吸收(马立锋等,2004)。由图 2C可知,不同pH下枫杨幼苗氟转移系数T7＞T5＞T8,说明枫杨幼苗在酸性环境中转移氟离子能力是最强的,因此枫杨幼苗茎叶的氟含量最高。pH6.8时,枫杨茎叶氟含量、转移系数和地上部分生物富集系数均大于pH8.0,但差异不显著,说明在中性溶液中F^-多,枫杨幼苗在中性环境中氟的积累量大于碱性,这与王代芝等(2004)的研究结果类似。研究结果表明,在pH=5.5和6.8的培养液中,枫杨幼苗的相对标准蒸腾量下降的幅度最大(图 3B),说明在酸性和中性条件下,植株蒸腾作用受到的抑制最明显,植物本身承受的伤害最大,不适合枫杨幼苗生长。结合图 3B可知,在碱性条件下,氟离子胁迫时枫杨幼苗的相对标准蒸腾量始终高于50%,对枫杨幼苗的生理生长影响较小且除氟效果较好,因此,调节溶液呈碱性,可以减小高浓度氟离子对氟的胁迫,提高枫杨幼苗对氟胁迫的耐性,提高除氟效果的同时实现了可持续性修复的原则。

综上所述,当废水中氟离子含量较低时(≤2.5 mmol·L^-1),可以选择在酸性条件下利用枫杨处理废水,迅速且吸收效果最好；当废水中氟离子含量较高时(2.5～5 mmol·L^-1),可以选在在碱性条件下处理废水,吸收效果很好,对枫杨伤害最小。

目前,处理水中氟污染物的方法多为物理化学法,如综合沉淀法、活性炭吸附法、离子交换树脂法、磁分离法等(谢艳等,2008),这些方法虽然效果不错,但是很难去除水体中低浓度的氟污染物。此外,受设备复杂、价格昂贵、容易造成二次污染等因素的影响,应用这些方法存在一定的局限性。目前,国内大部分厂家还没有完善的氟污染物处理措施,因此,排放的废水中氟含量指标超出国家排放标准,严重污染环境,因此,亟需一种生物环保型方法解决氟污染问题(Fung et al., 2003)。

植物修复是一种利用植物的同化或超同化功能净化污染的技术。以植物为主的除氟体系,不但可以深度净化污水,与此同时还能够固定能源和回收资源,并且在处理过程中几乎不使用化学药品,所以不会产生有害副产物,是一种前景非常广阔的绿色处理技术。随着技术的不断完善以及研究的深入,植物修复技术将在获得最大的经济效益、形成高效运转的处理体系、建立净化污水的多级生态系统等方面崭露头角。