外源乙酸和EDTA對銅尾礦礦砂中蘆葦幼苗生長及部分金屬元素積累的影響

吳 雪，楊曉婷，王 冰，王 林，疏偉慧，張麗麗，韓玉林，b，①

全球工業(yè)化進程的加快使銅的需求量大增，在銅礦的采礦和冶煉過程中形成了大量的尾礦，這些尾礦中的Cu、Cd、Zn和Cr等重金屬元素的含量較高，特別是銅尾礦及其滲出液中過量的Cu，不僅對植物生長有毒害作用，還可通過在植物根、莖、葉及果實中的過量積累進入食物鏈，嚴(yán)重威脅人類的健康。

植物修復(fù)技術(shù)（phytoremediation technology）利用某些對重金屬耐性較強的植物，通過植物體內(nèi)的吸收和根系的吸附作用，將水體和土壤中的重金屬固定在植物體內(nèi)，從而使水體和土壤中的重金屬含量明顯下降。植物修復(fù)技術(shù)以其生態(tài)、環(huán)保、經(jīng)濟、安全等特點引起了人們的廣泛關(guān)注［1－3］。但由于大部分重金屬在土壤中的生物活性較低，能夠直接被植物吸收的很少，大大限制了植物修復(fù)技術(shù)的可應(yīng)用性［4］。

廣泛存在于植物體內(nèi)和根際環(huán)境中的有機酸不僅可以增加重金屬離子的活性，還可以提高植物各器官對重金屬離子的吸收能力［5］，其吸收效率與植物種類、重金屬含量和有機酸濃度有關(guān)［6］。因而，在利用植物修復(fù)治理重金屬污染環(huán)境的過程中，通過添加有機酸可增加植物對重金屬的吸收，相關(guān)的研究也日益增多。

作者將廣泛分布的挺水植物蘆葦〔Phragmites australis（Cav.）Trin.ex Steud.〕栽培于銅尾礦礦砂中，并在其生長過程中分別添加乙酸和乙二胺四乙酸（EDTA）溶液，對乙酸和EDTA存在條件下蘆葦?shù)纳L狀況及其對金屬元素的積累狀況進行了分析和比較，以期為銅尾礦礦壩的植物修復(fù)與固定提供理論基礎(chǔ)，也為重金屬污染環(huán)境的植物修復(fù)過程中有機酸的應(yīng)用提供實驗數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

供試蘆葦種子采自江蘇省鎮(zhèn)江市金山長江南岸。供試的銅尾礦礦砂來源于江西省德興銅礦尾礦壩，其中，有機質(zhì)、總氮和總磷含量分別為12.17、0.25和0.49 g·kg－1，有效氮、有效磷和有效鉀含量分別為5.09、3.21和8.75μg·g－1，總銅、總鋅、總鉛和總鎘含量分別為1683.43、495.99、76.93和106.69 μg·g－1，pH6.24。

1.2 方法

1.2.1 培養(yǎng)及處理方法 按照Han等［7］的方法培養(yǎng)蘆葦幼苗。將蘆葦種子用清水浸泡30 min，用質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)0.15％HgCl2溶液消毒5 min，清水清洗后，將種子播種于裝有已消毒河沙（消毒方法同上）的托盤中。培養(yǎng)過程中保持河沙濕潤，并維持3000～5000 lx的光照度。種子萌發(fā)后，用1/2Hoagland營養(yǎng)液進行培養(yǎng)。

選擇生長健壯且長勢基本一致的蘆葦幼苗（株高約10 cm），洗凈后栽植于裝有300 g銅尾礦礦砂的培養(yǎng)瓶中，每瓶栽6株幼苗，每天補充蒸餾水，使水面高于礦砂表面1 cm，置于室內(nèi)自然光照條件下預(yù)培養(yǎng)，光照度3000～5000 lx、溫度20℃～30℃。預(yù)培養(yǎng)10 d后，分別用0.5和2.0 mmol·L－1乙酸、0.5和2.0 mmol·L－1EDTA溶液進行單一處理，對照則不添加乙酸和EDTA。每處理3瓶，每瓶視為1次重復(fù)。

1.2.2 生長指標(biāo)的測定方法 處理18 d后將幼苗取出，沖洗干凈，用直尺測量并計算根系的平均長度，按照公式計算耐性指數(shù)：耐性指數(shù)=（處理組根平均長度/對照組根平均長度）×100％［7］。然后，將幼苗地上部分與地下部分分開，分別于80℃干燥箱內(nèi)干燥至恒質(zhì)量，用千分之一電子天平分別稱取地上部分和地下部分的干質(zhì)量。

1.2.3 金屬元素含量的測定方法 稱取干燥至恒質(zhì)量的地上部分和地下部分各約0.1 g，剪碎后加入V（HNO3）∶V（HClO4）=87∶13混合液6 mL，浸泡12 h后，消煮至近干；分別加入10 mL體積分?jǐn)?shù)5％ HNO3，置于沸水浴中振蕩使之充分溶解；用體積分?jǐn)?shù)5％HNO3定容至25 mL，混勻后用TAS－990火焰原子分光光度計（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)）測定Cu、Pb、Cd、K和Na的含量［8］。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析

應(yīng)用Excel2003和SPSS13.0統(tǒng)計軟件對實驗數(shù)據(jù)進行方差分析（ANOVA）。

2 結(jié)果和分析

2.1 外源乙酸和EDTA對銅尾礦礦砂中蘆葦幼苗干質(zhì)量和耐性指數(shù)的影響

添加外源乙酸和EDTA對銅尾礦礦砂中蘆葦幼苗地上部分和地下部分干質(zhì)量及耐性指數(shù)的影響見表1。由表1可見：添加2.0 mmol·L－1乙酸，蘆葦幼苗地上部分和地下部分的干質(zhì)量均顯著高于對照；且地下部分與地上部分干質(zhì)量的增幅在4個處理組中最大，分別較對照提高33.7％和58.5％；幼苗的耐性指數(shù)也高于對照，達到1.07。添加0.5 mmol·L－1乙酸，地下部分干質(zhì)量較對照顯著增加，而地上部分干質(zhì)量略高于對照，但差異不顯著；幼苗的耐性指數(shù)略低于對照。

添加外源EDTA對銅尾礦礦砂中蘆葦幼苗地上部分和地下部分的干質(zhì)量及耐性指數(shù)的影響與外源乙酸有一定的差異。添加0.5 mmol·L－1EDTA，蘆葦幼苗地上部分和地下部分的干質(zhì)量均顯著高于對照（P＜0.05），但耐性指數(shù)有所下降，降幅為19％；添加2.0 mmol·L－1EDTA，蘆葦幼苗地上部分和地下部分的干質(zhì)量與對照差異不顯著，但耐性指數(shù)明顯小于對照，降幅達到21％，也略小于0.5 mmol·L－1EDTA處理組。

上述實驗結(jié)果說明：添加0.5和2.0 mmol·L－1乙酸，對銅尾礦礦砂中蘆葦幼苗的生長均有促進作用，但對根長生長的作用有一定差異；其中，添加2.0 mmol·L－1乙酸對蘆葦幼苗生長有顯著的促進作用，且對根長生長也有明顯的促進作用。而添加低濃度（0.5 mmol·L－1）EDTA對銅尾礦礦砂中蘆葦幼苗生長有一定的促進作用，添加高濃度（2.0 mmol·L－1） EDTA對蘆葦幼苗生長的抑制作用不明顯，但添加0.5和2.0 mmol·L－1EDTA對蘆葦幼苗的根長生長均有明顯的抑制作用。

表1 外源乙酸和EDTA對銅尾礦礦砂中蘆葦幼苗地下部分和地上部分干質(zhì)量及耐性指數(shù)的影響（±SD）1）Table1 Effects of exogenous acetic acid（HAc）and EDTA on dry weights of under-and above-ground parts and tolerance index of Phragm ites australis（Cav.）Trin.ex Steud.seed lings in copper tailing ore（±SD）1）

表1 外源乙酸和EDTA對銅尾礦礦砂中蘆葦幼苗地下部分和地上部分干質(zhì)量及耐性指數(shù)的影響（±SD）1）Table1 Effects of exogenous acetic acid（HAc）and EDTA on dry weights of under-and above-ground parts and tolerance index of Phragm ites australis（Cav.）Trin.ex Steud.seed lings in copper tailing ore（±SD）1）

1）同列中不同的小寫字母表示經(jīng)鄧肯氏新復(fù)極差測驗在0.05水平上差異顯著 Different small letters in the same column indicate the significant difference at0.05 level by Duncan’s new multiple range test.2）數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值 The datums are the average of three replications.

處理Treatment單株干質(zhì)量/g Dry weight per plant地下部分Under-ground part地上部分Above-ground part耐性指數(shù)2） Tolerance index2）對照CK 0.089±0.015c 0.041±0.011c 1.000.5 mmol·L－1 HAc 0.094±0.029b 0.042±0.012c 0.972.0 mmol·L－1 HAc 0.119±0.030a 0.065±0.008a 1.070.5 mmol·L－1 EDTA 0.092±0.007b 0.052±0.013b 0.812.0 mmol·L－1 EDTA0.085±0.030c 0.041±0.013c 0.79

2.2 外源乙酸和EDTA對銅尾礦礦砂中蘆葦幼苗體內(nèi)金屬元素積累的影響

2.2.1 對Cu、Cd和Pb積累的影響 添加外源乙酸和EDTA，銅尾礦礦砂中蘆葦幼苗體內(nèi)Cu、Cd和Pb的含量見表2。

由表2可知：添加外源乙酸和EDTA對銅尾礦礦砂中蘆葦幼苗體內(nèi)Cu積累的影響效應(yīng)差異較大。添加0.5和2.0 mmol·L－1乙酸，蘆葦幼苗地上部分與地下部分的Cu含量均明顯低于對照，其中，2.0 mmol·L－1乙酸處理組幼苗地上部分與地下部分Cu含量與對照的差異最大，分別比對照降低49.5％和31.3％。添加0.5和2.0mmol·L－1EDTA，幼苗地上部分的Cu含量分別為217.4和231.8μg·g－1，顯著高于對照，分別為對照的1.45和1.54倍；添加0.5 mmol·L－1EDTA，地下部分的Cu含量比對照降低47.9％，差異顯著；而添加2.0 mmol·L－1EDTA，地下部分的Cu含量略高于對照，但差異不顯著。實驗結(jié)果表明：加入外源乙酸可以顯著抑制蘆葦幼苗對銅尾礦礦砂中Cu離子的吸收，且乙酸濃度越高，抑制作用越顯著；添加外源EDTA則能有效促進銅尾礦礦砂中蘆葦幼苗地下部分Cu離子向地上部分的轉(zhuǎn)運，而高濃度EDTA則能在一定程度上提高蘆葦幼苗對Cu的吸收能力。

由表2可見：添加外源乙酸，銅尾礦礦砂中蘆葦幼苗體內(nèi)Cd的含量低于對照，且隨著乙酸濃度的提高，蘆葦對Cd的吸收能力降低，Cd含量顯著下降；添加0.5 mmol·L－1乙酸，地上部分Cd含量顯著低于對照，地下部分Cd含量也略低于對照但差異不顯著；而添加2.0 mmol·L－1乙酸，地上部分與地下部分的Cd含量均顯著低于對照，分別較對照降低51.8％和28.1％。添加0.5 mmol·L－1EDTA，蘆葦幼苗地上部分Cd含量顯著低于對照，地下部分Cd含量也低于對照，但差異不顯著；添加2.0 mmol·L－1EDTA，幼苗地上部分的Cd含量顯著低于對照但高于0.5 mmol·L－1EDTA處理組，而地下部分的Cd含量顯著高于對照，較對照增加58.9％。結(jié)果表明：加入外源乙酸可以顯著抑制蘆葦幼苗對銅尾礦礦砂中Cu離子的吸收，且乙酸濃度越高，抑制作用越顯著；添加低濃度（0.5 mmol·L－1）EDTA能夠顯著抑制銅尾礦礦砂中蘆葦幼苗對 Cd的吸收，而添加高濃度（2.0 mmol·L－1）EDTA對蘆葦?shù)叵虏糠諧d離子的吸收有一定的促進作用。

表2 外源乙酸和EDTA對銅尾礦礦砂中蘆葦幼苗體內(nèi)Cu、Cd和Pb積累的影響1）Table2 Effects of exogenous acetic acid（HAc）and EDTA on accumulation of Cu，Cd and Pb in Phragmites australis（Cav.）Trin.ex Steud.seed lings in copper tailing ore1）

由表2還可以看出：添加0.5 mmol·L－1乙酸，蘆葦幼苗體內(nèi)的Pb積累量與對照接近，但地上部分Pb含量高于對照，地下部分Pb含量低于對照，差異均不顯著；而添加2.0 mmol·L－1乙酸，蘆葦幼苗地上部分Pb含量高于對照但差異不顯著，而地下部分的Pb含量則顯著高于對照。添加0.5 mmol·L－1EDTA，蘆葦幼苗地上部分和地下部分的Pb含量均高于對照但差異不顯著；添加2.0 mmol·L－1EDTA，蘆葦幼苗地上部分及地下部分Pb含量均顯著高于對照且在4個處理組中最高，分別是對照的2.8和2.4倍。另外，添加2.0 mmol·L－1乙酸和EDTA，盡管幼苗地下部分的Pb含量均顯著高于對照，但向地上部分的轉(zhuǎn)運比例卻明顯小于對照。結(jié)果表明：添加高濃度乙酸和EDTA均可顯著促進蘆葦幼苗根系對Pb的吸收，但對Pb向地上部分的轉(zhuǎn)運有抑制作用，其中添加2.0 mmol·L－1EDTA對蘆葦植株中Pb積累的促進作用最明顯；而添加低濃度乙酸和EDTA對蘆葦植株中Pb吸收和積累的促進作用不明顯。

此外，總體上看，對照組及各處理組蘆葦?shù)厣喜糠值腃u和Pb含量低于地下部分，Cd含量高于地下部分，表明在銅尾礦礦砂中蘆葦根系吸收的Cu和Pb主要積累于根系中，而根系吸收的Cd大部分被轉(zhuǎn)運至地上部分。

2.2.2 對K和Na積累的影響 添加外源乙酸和EDTA，銅尾礦礦砂中蘆葦幼苗體內(nèi)K和Na的含量見表3。

由表3可知：添加0.5 mmol·L－1乙酸，蘆葦幼苗地上部分及地下部分的K含量與對照無顯著差異；而添加2.0 mmol·L－1乙酸，幼苗地上部分及地下部分的K含量均顯著低于對照，分別比對照降低31.7％和24.6％。添加0.5 mmol·L－1EDTA，地上部分與地下部分的K含量均顯著低于對照，分別比對照降低18.9％和37.6％；但添加2.0 mmol·L－1EDTA，地上部分K含量較對照提高12.9％且差異顯著，而地下部分的K含量比對照提高6.1％但差異不顯著。結(jié)果表明：高濃度乙酸和低濃度EDTA均能明顯抑制蘆葦對K的吸收，而高濃度EDTA則能顯著促進蘆葦對K的吸收。

表3 外源乙酸和EDTA對銅尾礦礦砂中蘆葦幼苗體內(nèi)K和Na積累的影響1）Table3 Effects of exogenous acetic acid（HAc）and EDTA on accumulations of K and Na in Phragmites australis（Cav.）Trin.ex Steud.seed lings in copper tailing ore1）

由表3還可見：添加0.5 mmol·L－1乙酸，蘆葦幼苗地上部分與地下部分Na含量顯著低于對照，分別比對照降低30.2％和46.1％；添加2.0 mmol·L－1乙酸，地上部分Na含量高于對照，而地下部分Na含量則低于對照，但差異均不顯著。添加0.5 mmol·L－1EDTA，蘆葦幼苗地上部分與地下部分的Na含量均顯著低于對照，分別為對照的74.3％和37.8％；而添加2.0 mmol·L－1EDTA，幼苗地上部分和地下部分的Na含量均顯著高于對照，分別比對照提高26.9％和42.7％。結(jié)果表明：蘆葦幼苗對Na的吸收能力與外源有機酸的種類和濃度有很大關(guān)系；低濃度（0.5 mmol·L－1）的乙酸和EDTA均對銅尾礦礦砂中蘆葦體內(nèi)的Na積累有顯著的抑制作用，但高濃度（2.0 mmol·L－1）EDTA能促進蘆葦幼苗對Na的吸收；而高濃度（2.0 mmol·L－1）乙酸對蘆葦體內(nèi)Na積累的影響效應(yīng)不明顯。

此外，對照組及各處理組蘆葦?shù)厣喜糠值腒和Na含量均高于地下部分，說明蘆葦根系吸收的K和Na大部分被轉(zhuǎn)運至地上部分。

3 結(jié) 論

有機酸廣泛存在于植物體內(nèi)及其根際環(huán)境中，在一定條件下可作為重金屬元素的配基參與重金屬的吸收、運輸、積累及解毒等過程，從而促進植物對重金屬元素的超積累作用，最終達到解除植物體內(nèi)重金屬毒害的目的［9］。在濃度相對較低的有機酸作用下，植物的生長受到刺激，產(chǎn)量可以提高。黃蘇珍等［10］用0.5 mmol·L－1有機酸處理黃菖蒲（Iris pseudacorus L.），植株的干質(zhì)量顯著提高，與本研究結(jié)果基本一致。這一現(xiàn)象可能與酸性環(huán)境有利于植物吸收土壤中的礦質(zhì)元素、促進植物生長有關(guān)［9］。但若施用的有機酸濃度超過一定的閾值，也可能干擾植物對一些微量元素（如Zn2+、Cu2+等）的吸收和代謝，從而影響植物的正常生長［11］。

Inskeep等［12］的研究結(jié)果表明：通過與有機酸的結(jié)合，土壤溶液中的重金屬離子濃度降低，打破了重金屬離子在土壤液相與固相中的平衡，促使重金屬離子從土壤顆粒表面解吸出來，由不溶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇軕B(tài)，提高了重金屬離子在土壤溶液中的移動性與可被吸收性。Blaylock等［13］證實了檸檬酸可以增加印度芥菜（Brassica juncea L.）中的重金屬含量，促進Pb從根系向地上部分的運輸。本實驗也得出類似的結(jié)果。添加一定濃度的EDTA可促進銅尾礦礦砂中蘆葦對Cu、Cd、Pb、K和Na的吸收，尤其是對地下部分吸收金屬離子的效果更為顯著。EDTA的添加形成了特定的根際環(huán)境，提高了金屬離子的活性和移動性，從而易于被植物根系所吸收；而被吸收的金屬離子大部分以絡(luò)合物的形式被固定在蘆葦?shù)母抵?，且這種絡(luò)合物不易降解，使得植株地下部分的金屬離子含量明顯增高，進而影響植物根系的生長，最終致使蘆葦?shù)哪托灾笖?shù)受到影響。

外源有機酸對植物吸收土壤中重金屬效率的影響因有機酸的種類和重金屬元素的類型而有所不同。乙酸和乳酸為弱吸收型有機酸，促進金屬離子進入植物體的能力較弱，且形成的絡(luò)合物不穩(wěn)定，容易被降解，若土壤中這類有機酸的含量提高，反而增加了土壤對金屬的吸附能力［14］，這可能是添加外源乙酸后蘆葦體內(nèi)Cu、Cd和K等離子含量降低的主要原因，且乙酸濃度越高，土壤中的酸根離子越高，植物體內(nèi)的離子濃度越低。但添加2.0 mmol·L－1乙酸，蘆葦體內(nèi)的Pb和Na含量有上升的趨勢，其原因可能是乙酸較易與Pb或Na絡(luò)合或者銅尾礦礦砂溶液pH值的變化有利于這2種離子的吸收，可能還與Pb和Na的離子屬性有關(guān)。

蘆葦對Cu和Cd有一定的富集作用，可用于Cu和Cd污染環(huán)境的修復(fù)。研究結(jié)果表明：蘆葦能夠在銅尾礦礦砂中生長，在添加2.0 mmol·L－1EDTA的條件下可提高其積累和吸收Cu、Cd、Pb、K和Na的能力，可將蘆葦用于修復(fù)和固定銅尾礦礦壩。另外，通過改善銅尾礦的植物生長環(huán)境條件（如施肥的種類及施肥量、調(diào)節(jié)銅尾礦的酸堿度）和對外源有機酸種類和濃度加以篩選，能夠提高蘆葦?shù)纳L速率及其對金屬離子的富集作用。由于蘆葦屬于沼生植物，因此，還可用于修復(fù)被銅尾礦滲出液污染的小溪、河流水體及周邊土壤。

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