人工湿地常见水生动植物体氟化物含量及氟化物净化效果研究

摘要 以江苏省连云港市蔷薇湖湿地为研究区，在1.0 mg/L左右的水体氟化物浓度背景下，对湿地内常见的水生植物和水生动物体内氟化物含量及湿地进出水氟化物浓度进行检测。结果表明，常见水生植物氟化物含量在121.92～2 684.18 mg/kg，沉水植物刺苦草表现出较高的氟化物富集能力，其体内富集的氟化物含量达到2 479.60 mg/kg，不同物种水生植物氟化物含量由高到低依次为刺苦草＞穗状狐尾藻＞竹叶眼子菜＞狭叶香蒲＞金鱼藻＞菱＞芦苇＞大茨藻>水鳖＞轮叶黑藻＞篦齿眼子菜。甲壳类日本沼虾体内氟化物平均含量达到2 757.62 mg/kg，呈现出较高的氟化物富集特性；大型底栖动物中国圆田螺体内氟化物含量相对较低。不同进水氟化物浓度条件下，各功能区的进出水氟化物浓度无明显差异，表流湿地对水体氟化物无明显的净化去除效果。

关键词 人工湿地；氟化物；水生植物；水生动物；净化

中图分类号 X17文献标识码 A文章编号 0517-6611（2023）21-0078-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.21.018

Fluoride Content of Common Aquatic Animals and Plants and Purification Effect of Fluoride in the Artificial Wetland

JU Zewen

（Shanghai Investigation，Design & Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200434）

Abstract Using the wetland of Qiangwei Lake in Lianyungang City，Jiangsu Province as the study area，the fluoride content of common aquatic plants and aquatic animals was examined against the background of water fluoride concentration of about 1.0 mg/L.The results showed that the fluoride content of common aquatic plants ranged from 121.92 to 2 684.18 mg/kg，and the submerged plant bitter grass showed a high fluoride enrichment ability，and the fluoride content reached 2 479.60 mg/kg in its body.The order of fluoride content in aquatic plants from high to low was Vallisneria spinulosa > Myriophyllum verticillatum > Potamogeton malaianus > Typha angustifolia > Ceratophyllum demersum > Trapa bispinosa > Phragmites communis > Najas marina = Hydrocharis dubia > Hydrilla verticillata > Potamogeton pectinatus.For aquatic animals，macrobenthos named Macrobrachium nipponense exhibited high fluoride bioaccumulation ability，with an average fluoride content of 2 757.62 mg/kg，while the fluoride content in Cipangopaludina chinensis was relatively low.Under the conditions of different influent fluoride concentrations，there was no significant difference in the fluoride concentration of the inlet and outlet water bodies after flowing through each functional area of the wetland，which meaned that the surface wetland had no obvious purification and removal effect on fluoride in the water body.

Key words Artificial wetland;Fluoride;Aquatic plants;Aquatic animals;Purification

氟是人体必需的微量元素，痕量的氟有利于预防龋齿，但人体摄入过量氟化物，则易引起氟斑牙病，严重的会导致氟骨病和骨髓畸形［1］。各国对于饮用水中氟化物含量要求存在一定差异，但总体均不超过1.5 mg/L的限值［2］，我国《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）规定饮用水水质常规指标氟化物的限值为1.0 mg/L，长期饮用高浓度含氟水体会引起氟中毒，危害人体健康［3］。氟化物在自然界中主要以无机化合物的形态存在于土壤和岩石中，水体中氟化物主要有游离态F-、未离解HF和金属络合物等形态［4-5］，并可通过食物链在自然界动植物体内转移和富集［6］。含氟矿石开采、金属冶炼、铝加工、焦炭、玻璃、电子、电镀等行业排放的废水中常含有高浓度的氟化物，是造成环境污染的主要来源［7］。

目前国内外针对含氟废水的常用处理方法主要包括沉淀法和吸附法两大类［8］，除此之外，离子交换树脂法［9］、超滤法和电渗析法［10］也可作为水体除氟的工艺方法，但因为除氟率低且成本高而难以推广。为降低氟化物去除成本，有学者通过研究植物修复技术对高氟水源的去除效果［11-14］，进而尝试采用人工湿地水质净化工艺来降低去除水体超标氟化物。但目前水生植物对水体氟化物的净化去除作用研究还仅停留在实验室人工培养环境下，对于自然条件下大型人工湿地水生植物的氟化物净化效果研究相对较少。该研究以江苏省连云港市蔷薇湖人工湿地为研究对象，在接近饮用水1.0 mg/L限值的水体氟化物浓度环境背景下，通过湿地常见水生动植物体内氟化物的含量检测，研究不同水生动植物对水体氟化物的吸收富集作用，并结合湿地进出水体氟化物浓度变化，研究人工湿地对水体氟化物的净化去除效果。

1 材料与方法

1.1 研究区域

蔷薇湖湿地位于江苏省连云港市海州区锦屏镇、东海县张湾乡境内（34°32′1.48″ ～34°32′15.46″N，119°06′48.45″～119°05′53.78″E），是依托连云港市唯一的集中饮用水源蔷薇河建设的生态湿地净化型应急备用水源地（图1）。人工湿地总面积约293.47 hm2，通过“预处理+复合表流人工湿地生态净化+调蓄净化”的湿地净化工艺流程，有效净化蔷薇河水体氮、磷等有机质污染，保障城市饮用水安全。

蔷薇河上游流经的东海县被誉为“中国水晶之都”，受上游水晶玻璃制品生产加工和酸洗石英砂行业生产的影响［15］，蔷薇河水体氟化物浓度已接近饮用水1.0 mg/L限值，部分时段存在氟化物超标风险［16］，威胁城市饮用水安全。

1.2 调查和样品采集区设置

为研究不同水生动植物对氟化物的富集情况，选择蔷薇湖湿地常年水体淹没且水生植物生长旺盛的预处理区和湿地净化区作为水生动植物样本采集区，共设样本采集区3处，其中湿地净化区按湿地布局划分为A区和B区，以各样品采集区全年水质监测水体氟化物浓度作为环境背景值。

根据常年水质监测数据（表1），预处理区水体氟化物浓度为0.63～1.48 mg/L，平均浓度0.85 mg/L；湿地净化A区浓度为0.75～1.35 mg/L，平均浓度0.90 mg/L；湿地净化B区浓度为0.72～1.35 mg/L，平均浓度0.88 mg/L。

1.3 水生动植物样品采集处理

根据蔷薇湖湿地水生植物调查结果，选择湿地常见的水生植物11种，包括挺水植物芦苇（Phragmites communis）、狭叶香蒲（Typha angustifolia），浮叶植物水鳖［Hydrocharis dubia（Bl.） Backer］和菱（Trapa bispinosa Roxb.），沉水植物金鱼藻（Ceratophyllum demersum L.）、大茨藻（Najas marina L.）、轮叶黑藻（Hydrilla verticillata）、穗状狐尾藻（Myriophyllum verticillatum L.）、刺苦草（Vallisneria spinulosa S.Z.Yan）、篦齿眼子菜（Potamogeton pectinatus L.）、竹叶眼子菜（Potamogeton malaianus Miq.），在植物生长末期10月份，分样品采集区进行水生植物样本采集，区域内单个物种采用多点取样混合的方式取植物样品2 kg左右（鲜重），按分区和物种进行分装标记。

水生植物样品采集的同时，通过地笼捕捞的形式对各样品采集区的水生动物样品进行采集。根据调查期间各功能区的渔获情况，单个样品采集区域内，按动物门类和食性，选择肉食性鱼类乌鳢（Channa argus）、杂食性鱼类鲦鱼（Hemiculter leucisculus）、甲壳类日本沼虾（Macrobrachium nipponense）和大型底栖动物中国圆田螺（Cipangopaludina chinensis）作为研究对象。其中个体较大的乌鳢样品至少采集3尾，其他体型较小个体，满足每类样品鲜重250 g以上。为研究氟化物在水生动物体内的富集部位，将乌鳢进行解剖并按鱼骨和鱼肉进行分类，软体动物螺类区分螺壳和螺肉样品。

将采集的各类水生动植物样品分别用自来水洗2～3次，去除表面泥土及附着物，再用稀CaCl2溶液浸泡5 min后，最后用去离子水冲洗干净，将洗净后的样品置于鼓风干燥箱中在80 ℃下烘干至恒重。将烘干的样品用粉碎机粉碎，过60目筛后得到粉末状样品，置于干燥器内备用。称取一定量分析纯石英砂，重复以上操作制备空白对照样品［17］。

1.4 氟化物提取和测定方法

称取一定量的样品粉末，其中植物样品和空白对照样品2.0 g左右，动物样品1.0 g左右，置于三角烧瓶中，并准确记录加样量，加入20 mL 0.05 mol/L的HNO3溶液，摇床振荡搅拌20 min，然后加入20 mL 0.1 mol/L的KOH溶液，再搅拌20 min，加入5 mL 0.2 mol/L的HNO3溶液，去离子水定容至50 mL。静置后取上层清液10 mL于100 mL容量瓶中，分别加入2.4 mL Na2CO3溶液、1.8 mL NaHCO3溶液，去离子水定容至100 mL。样品提取处理后的溶液采用离子色谱仪分析氟化物浓度，单个样品设置3组平行［18］。

1.5 湿地氟化物净化效果研究

夏季蔷薇湖湿地运行期间，在3 m3/s的进水规模条件下，湿地（不含深度净化区）的理论水力停留时间约4.5 d。按湿地各功能区水体停留时间间隔对湿地进出水进行取样，取样频次为每天一次，通过离子色谱仪分析湿地进出水体氟化物浓度变化，研究湿地各功能区对水体氟化物的净化去除效果。根据湿地进水氟化物浓度差异，分高浓度（1.29～1.48 mg/L）和低浓度（0.86～0.99 mg/L）两组工况进行监测，受蔷薇河上游来水水质持续时间限制，每个浓度等级工况下的运行时间为10 d，至少满足完整湿地水体流程下5次以上的取样需求。