二氧化碳聯(lián)合螯合劑強化向日葵修復銅污染土壤研究

武慧斌， 于志紅， 周 宋正國*

(1 農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所生態(tài)毒理與環(huán)境修復研究中心， 天津 300191；2 農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所科技管理處， 天津 300191)

工業(yè)污泥和垃圾農(nóng)用、 污水農(nóng)灌、 大氣中的污染物沉降、 含重金屬礦質(zhì)肥料和農(nóng)藥長期施用于農(nóng)田等活動正日益增加土壤中重金屬的累積。在我國，土壤遭受重金屬污染面較廣，已成為不容忽視的重要環(huán)境問題[1-3]。其中，重金屬銅的污染尤為嚴重[4-7]。以江西德興銅礦區(qū)為例，該地區(qū)某些地段因采礦和冶煉活動引起的農(nóng)田污染面積達數(shù)千畝，人和畜禽中毒事件時有發(fā)生[8]。

作為綠色植物光合作用所必需的原料之一，CO2增加對植物光合作用是有利的。CO2濃度升高一般能增加正常環(huán)境中植物的生物量和產(chǎn)量[9-14]；CO2能提高植物對水分的利用效率從而強化植物的光合作用；CO2濃度升高還可使植物根系更發(fā)達，改善植物根際微生態(tài)系統(tǒng)及其分泌物，更有利于提高土壤養(yǎng)分的生物可利用性，提高植物對養(yǎng)分的利用效率[15-21]。

螯合誘導生物修復技術是指施用螯合劑或配位基來誘導或強化植物對金屬的富集作用。螯合誘導技術實際上是植物修復和化學技術的綜合應用，向土壤中施加螯合劑(EDTA、 DTPA、 EGTA、 檸檬酸、 草酸等)能活化土壤中的重金屬，促進植物吸收[22-23]。螯合劑與土壤溶液中的重金屬離子結(jié)合，降低土壤液相中的金屬離子濃度。為維持液、 固相之間的離子平衡，重金屬從土壤顆粒表面解吸，由不溶態(tài)轉(zhuǎn)化為可溶態(tài)，同時螯合劑本身又減少了土壤對重金屬-螯合劑復合體的吸持強度，從而增加了土壤溶液中重金屬的濃度，提高了植物提取修復效率[23-29]。

已有研究證實，CO2濃度升高會增加印度芥菜和向日葵抗銅脅迫能力，并誘導這兩種植物超積累銅[30-31]，這是一種普遍現(xiàn)象還是個別現(xiàn)象？是一種有利于植物修復效率提高的正效應還是不利于植物修復效率改善的負效應？迄今為止，將植物因二氧化碳濃度升高引起的上述變化與植物修復的效率聯(lián)系起來的文獻報道較少。因此，本研究以向日葵為研究材料，篩選出對CO2濃度升高響應顯著的品種，探討其修復銅污染土壤的效率；對比研究CO2與螯合劑聯(lián)合誘導下向日葵對銅污染土壤修復效率的差異，以期為利用植物修復銅污染土壤提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

本試驗供試土壤為棕壤，采自沈陽農(nóng)業(yè)大學后山試驗田0—20 cm無污染耕層。土壤主要理化性質(zhì)為pH 5.53、 CEC 17.24 cmol/kg、 有機質(zhì)33.0 g/kg、 全銅13.37 mg/kg、 粘粒含量17.96%；具體測定方法參見土壤農(nóng)化分析方法[32]。盆栽用的所有土壤均過2 mm篩。

1.2 供試作物

選用在我國西北地區(qū)種植面積大、 在東北地區(qū)亦有種植的5個向日葵品種，分別為食葵3號、 食葵4號、 阿爾泰1號、 阿爾泰2號、 油生引2號。其中，食葵3號與食葵4號為食用品種；阿爾泰1號、 阿爾泰2號與油生引2號為油用品種。

1.3 試驗設計

1.3.2 螯合劑加入量確定試驗 螯合劑EDTA和DPTA的濃度分別為1、 3、 5、 7、 9 mmol/kg(pH值7.0)。稱20 g銅污染棕壤(銅總量為200 mg/kg)于250 mL的錐形三角瓶中，加100 mL螯合劑，在振蕩機振蕩2 h(200 r/min)，靜置后過濾，原子吸收光譜儀(Jena, Zeenit 700, Germany)測定上清液中Cu濃度。

1.4 植株樣品分析

將向日葵的莖與葉分開收獲。向日葵的莖與葉先用自來水沖洗干凈，然后用去離子水淋洗3次。植株控水后，放入烘箱，于85℃殺青15 min，然后在70℃下烘48 h，取出，分別稱重。烘干后的莖與葉用不銹鋼研磨儀(IKA-11)研碎，充分混勻后，稱取0.800 g于100 mL高型燒杯中，加幾滴水潤濕后，加入12.5 mL混合酸(HNO3∶HClO4=4 ∶1)190℃下消煮至溶液近干。消煮液用去離子水定容至50 mL容量瓶。同時消煮空白與標準樣品進行質(zhì)量控制與結(jié)果校正。消煮和測量過程均以生物成分分析標準物質(zhì)GSB-7茶葉(CRM Tea from IGGE, GBW10016)和Cu標準品(Fluka, Switaerland)進行質(zhì)量控制。消煮液中銅用原子吸收光譜儀(Jena, Zeenit 700, Germany)測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007、 Origin 8.0和SPSS 16.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 螯合劑加入量的確定

不同螯合劑用量對污染棕壤中銅的浸提效果顯著不同(圖1)。其中，EDTA浸提濃度為5 mmol/kg時，土壤浸出液銅含量最高，為81.74 mg/kg， 與EDTA浸提濃度為3、 7 mmol/kg時并無顯著差異(P<0.05)(圖1a)。由于EDTA對植物生長具有一定的毒性，加入土壤的EDTA含量越多，毒性越大。因此，本試驗選用EDTA 3 mmol/kg 土作為土壤銅的活化濃度。DTPA浸提濃度為5 mmol/kg時，土壤浸出液銅含量最高，為70.04 mg/kg(圖1b)。 因此，本試驗選用DTPA濃度為5 mmol/kg 土作為土壤銅的活化濃度。

圖1 不同濃度螯合劑的浸提效果Fig. 1 Leaching effect of different concentrations of chelating agents

2.2 二氧化碳與螯合劑聯(lián)合施用下向日葵的生物量

將EDTA、 DTPA加入到銅污染土壤后，無論CO2施用與否，由于螯合劑作用時間較短，對向日葵地上部生物量并沒有明顯影響(表1)。螯合劑施用2 d后，向日葵明顯出現(xiàn)中毒現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為葉片有失綠斑點出現(xiàn)，葉片有輕微的失水現(xiàn)象。CO2濃度升高情況下，向日葵的失綠、 失水現(xiàn)象較輕。顯示二氧化碳可能有增強向日葵抗性的作用，但二氧化碳如何影響向日葵對螯合劑反應的機制還有待研究。

EDTA處理下，與正常CO2濃度比較，高CO2處理時的食葵3號、 阿爾泰2號、 油生引2號的總生物量顯著增加(P<0.05)；食葵4號和阿爾泰1號的總生物量略有降低。DTPA處理下，高CO2濃度處理的食葵3號，阿爾泰2號的總生物量顯著增加(P<0.05)；食葵4號、 阿爾泰1號、 油生引2號的總生物量有所降低。不同螯合劑處理對向日葵生物量的影響不大，一方面與不同品種向日葵對EDTA、 DTPA螯合劑耐性的強弱有關，另一方面可能與螯合劑施入土壤中時間較短有關[27]。

2.3 二氧化碳與螯合劑聯(lián)合施用下土壤pH值

表1 二氧化碳與螯合劑聯(lián)合施用下向日葵的生物量(g/plant)

圖2 二氧化碳與螯合劑聯(lián)合施用下土壤的pH值Fig.2 pH values under the joint action of CO2 and chelating agent

2.4 二氧化碳與螯合劑聯(lián)合施用下向日葵銅含量和蓄積量

圖3 二氧化碳與螯合劑聯(lián)合施用下向日葵莖葉中銅含量Fig. 3 Cu concentrations in stems and leaves of sunflower under the joint action of CO2 and chelating agent

汪楠楠等[33]研究表明，土壤中有效態(tài)銅的含量在檸檬酸和EDTA濃度均為5 mmol/L時(濃度處理均為0、 2.5、 5、 7.5、 10 mmol/L)達到峰值。吊蘭地上部對銅的富集在檸檬酸5 mmol/L時最大，EDTA為5 mmol/L時，吊蘭地下部對銅的富集量最大。Seth等[36]指出，在水培條件下，利用EDTA修復鉛污染，向日葵地上部蓄積鉛的量增加了80%以上。Kos等[37]的研究也表明，應用EDTA促進了鉛、 鎘、 鋅在大麻、 紫花苜蓿、 玉米、 高粱、 大麥中的積累。本研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果基本一致。單施螯合劑明顯增加向日葵地上部銅的蓄積量，并且在CO2聯(lián)合螯合劑后，向日葵地上部蓄積銅的效果較單施螯合劑效果更明顯。植物對銅的吸收不僅取決于土壤中有效態(tài)銅的含量[27]，土壤環(huán)境的其他因素，如溫度、 pH值、 CEC、 溶解性有機質(zhì)和離子交互作用、 通氣性等也一定程度上影響植物對重金屬的吸收[35]。螯合劑進入土壤，通過自身的配位體和土壤中的重金屬離子結(jié)合成金屬螯合物，改變了重金屬在土壤中的存在形態(tài)，以此改變土壤中液相和固相之間的平衡，進而促進重金屬從土壤顆粒表面解吸，提高對重金屬的吸收率和生物有效性[26]。土壤有效態(tài)的變化能夠直接反映螯合劑對重金屬的活化效果，這意味著螯合劑的施用，促進了土壤重金屬可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)的析出，促進植物對重金屬的吸收。同時由于CO2的聯(lián)合作用，可能進一步促進了植物地上部對重金屬的吸收和積累[13, 27, 30, 31, 38]。

表2 二氧化碳與螯合劑聯(lián)合施用下向日葵銅蓄積量

3 結(jié)論

1)食葵4號、 阿爾泰1號這兩個品種對CO2濃度升高的反應并不敏感；食葵3號、 油生引2號對二氧化碳濃度升高反應中等；阿爾泰2號對CO2濃度升高的反應最為敏感。

3)在銅污染水平為100 mg/kg的土壤上，與濃度為3 mmol/kg 土的EDTA相比，5 mmol/kg 土的DTPA與800 μmol/mol二氧化碳聯(lián)合施用的修復效果更好。

參考文獻:

[1] 曾希柏, 蘇世鳴, 馬世銘, 等. 我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重金屬的循環(huán)與調(diào)控[J]. 應用生態(tài)學報, 2010, 21(9)：2418-2426.

Zeng X B, Su S M, Ma S Metal. Heavy metals cycling and its regulation in Chinese cropland ecosystems[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(9)：2418-2426.

[2] 李夢紅. 污泥農(nóng)用后土壤中重金屬對小麥和玉米品質(zhì)的影響及評價[J]. 作物雜志， 2010, (5)：26-29.

Li M H. Effect and evaluation of heavy metals in soil on quality of wheat and maize after sludge was applied to soil[J]. Crops, 2010, (5)：26-29.

[3] 鄒繼穎, 劉輝, 祝惠, 等. 重金屬汞鎘污染對水稻生長發(fā)育的影響[J]. 土壤與作物， 2012, 1(4)：227-232.

Zou J Y, Liu H, Zhu Hetal. Effects of mercury and cadmium pollution on rice growth and development[J]. Soil and Crop, 2012, 1(4)：227-232.

[4] 林愛軍, 王鳳花, 謝文娟, 等. 土壤銅污染對植物的毒性研究進展[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學， 2011, 39(35)：21740-21742, 21847.

Lin A J, Wang F H, Xie W Jetal. A review of phytotoxicity of soil contaminated with copper[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2011, 39(35)：21740-21742, 21847.

[5] 陳貴英, 李維, 陳順德, 等. 環(huán)境銅污染影響及修復的研究現(xiàn)狀綜述[J]. 綠色科技， 2011, (12)：125-128.

Chen G Y, Li W, Chen S Detal. Research advances of the effects of environmental copper pollution and bioremediation of Cu-contaminated soil[J]. Journal of Green Science and Technology, 2011, (12)：125-128.

[6] 荊林曉, 成杰民, 于光金. 土壤銅污染的影響因素及其修復技術研究[J]. 環(huán)境科學與管理， 2008, 33(10)：47-49.

Jing L X, Cheng J M, Yu G J. Research on the influence factors of copper contamination on soil and its remediation technology[J]. Environmental Science and Management, 2008, 33(10)：47-49.

[7] 劉軍, 謝吉民, 初亞飛, 等. 土壤中銅污染研究進展[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學， 2008, 36(17)：7423-7424, 7470.

Liu J, Xie J M, Chu Y Fetal. Research aAdvances in copper pollution in soil[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2008, 36(17)：7423-7424, 7470.

[8] 黃長干, 邱業(yè)先. 江西德興銅礦銅污染狀況調(diào)查及植物修復研究[J]. 土壤通報， 2005, 36(6)：991-992.

Huang C G, Qiu Y X. Pollution of the environment in Jiangxi Dexing copper mine by copper and phytoremediation[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2005, 36(6)：991-992.

[9] Smith A R, Lukac M, Hood Retal. Elevated CO2enrichment induces a differential biomass response in a mixed species temperate forest plantation[J]. New Phytologist, 2013, 198(1)：156-168.

[10] Madan P, Jagadish S V, Craufurd P Qetal. Effect of elevated CO2and high temperature on seed-set and grain quality of rice[J]. Journal of Experimental Botany, 2012, 63(10)：3843-3852.

[11] Jia Y, Ju X, Liao Setal. Phytochelatin synthesis in response to elevated CO2under cadmium stress inLoliumperenneL.[J].Journal of Plant Physiology, 2011, 168(15)：1723-1728.

[12] Tang S, Liao S, Guo Jetal. Growth and cesium uptake responses ofPhytolaccaamericanaL. andAmaranthuscruentusL. grown on cesium contaminated soil to elevated CO2or inoculation with a plant growth promoting rhizobacteriumBurkholderiasp. D54, or in combination[J].Journal of Hazardous Materials, 2011, 198：188-197.

[13] Wu H, Tang S, Zhang Xetal. Using elevated CO2to increase the biomass of aSorghumvulgarexSorghumvulgarevar.sudanensehybrid andTrifoliumpratenseL. and to trigger hyperaccumulation of cesium[J].Journal of Hazardous Materials, 2009, 170(2-3)：861-870.

[14] De Souza A P, Gaspar M, Da S Eetal. Elevated CO2increases photosynthesis, biomass and productivity, and modifies gene expression in sugarcane[J].Plant, Cell and Environment, 2008, 31(8)：1116-1127.

[15] Biswas D K, Xu H, Li Y Getal. Modification of photosynthesis and growth responses to elevated CO2by ozone in two cultivars of winter wheat with different years of release[J].Journal of Experimental Botany, 2013, 64(6)：1485-1496.

[16] Noormets A, Kull O, Sober Aetal. Elevated CO2response of photosynthesis depends on ozone concentration in aspen[J].Environmental Pollution, 2010, 158(4)：992-999.

[17] Alonso A, Perez P, Martinez-Carrasco R. Growth in elevated CO2enhances temperature response of photosynthesis in wheat[J]. Physiology Plant, 2009, 135(2)：109-120.

[18] Yasuhiro Y, Masahiko S, Masumi O, Kazuhiko K. Nutrient uptake by rice and soil solution composition under atmospheric CO2enrichment[J]. Plant and Soil, 2004, 259：367-372.

[19] Uga Y, Sugimoto K, Ogawa Setal. Control of root system architecture by deeper rooting increases rice yield under drought conditions[J]. Nature Genetics, 2013, 45(9)：1097-1102.

[20] Nie M, Lu M, Bell Jetal. Altered root traits due to elevated CO2：a meta-analysis[J].Global Ecology and Biogeography, 2013, 22：1095-1105.

[21] Taylor B N, Beidler K V, Cooper E Retal. Sampling volume in root studies：the pitfalls of under-sampling exposed using accumulation curves[J].Ecology Letters, 2013, 16：862-869.

[22] 白薇揚, 趙清華, 譚懷琴. 非生物螯合劑EDTA與生物螯合劑EDDS聯(lián)合施用提高植物提取土壤重金屬效應的研究[J]. 重慶理工大學學報(自然科學版), 2013, 27(8)：47-53, 61.

Bai W Y, Zhao Q H, Tan H Q. Effects of EDTA、 EDDS on phytoextract in artificially polluted soil with heavy metals[J].Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science Edition), 2013, 27(8)：47-53, 61.

[23] Souza L A, Piotto F A, Nogueirol R Cetal. Use of non-hyperaccumulator plant species for the phytoextraction of heavy metals using chelating agents[J]. Scientia Agricola, 2013, 70(4)：290-295.

[24] Mohamed M A, Efligenir A, Husson Jetal. Extraction of heavy metals from a contaminated soil by reusing chelating agent solutions[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2013, 1(3)：363-368.

[25] Oh M, Moon S Y, Oh Setal. Removal of As and heavy metals (Cd, Cu and Pb) in fine soil from soil washing process using chelating agent[J].Journal of Earth Science and Engineering, 2012, 2：596-601.

[26] 胡亞虎, 魏樹和, 周啟星, 等. 螯合劑在重金屬污染土壤植物修復中的應用研究進展[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報， 2010, 29(11)：2055-2063.

Hu Y H, Wei S H, Zhou Q Xetal. Application of chelator in phytoremediation of heavy metals contaminated soils：a review[J].Journal of Agro-Environment Science, 2010, 29(11)：2055-2063.

[27] 熊國煥, 潘義宏, 何艷明, 等. 螯合劑對大葉井口邊草Pb, Cd, As 吸收性影響研究[J]. 土壤, 2012, 44(2)：282-289.

Xiong G H, Pan Y H, He Y Metal. Chelate assisted uptake of heavy metal lead, cadmium and arsenic from soil withPteriscreticavar. nervosa[J]. Soils, 2012, 44(2)：282-289.

[28] 張譞, 李曄, 胡進, 等. 三種螯合劑對土壤重金屬Cd和Zn形態(tài)變化的研究[J]. 科學技術與工程, 2013, 13(21)：6184-6188.

Zhang X, Li Y, Hu Jetal. Effects of three chelates on the form distribution of Cd and Zn in soil[J].Science Technology and Engineering, 2013, 13(21)：6184-6188.

[29] 鄭雪玲, 朱琨. 螯合劑在植物修復重金屬污染土壤中的應用[J]. 環(huán)境科學與管理, 2009, 34(8)：106-109.

Zheng X L, Zhu K. The application of chelating agents in the phytoremdiation of heavy metal contaminated soils[J].Environmental Science and Management, 2009, 34(8)：106-109.

[30] Tang S, Xi L, Zheng Jetal. Response to elevated CO2of indian mustard and sunflower growing on copper contaminated soil[J].Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2003, 71(5)：988-997.

[31] Zheng J, Wang H, Li Zetal. Using elevated carbon dioxide to enhance copper accumulation inPteridiumrevolutum, a copper-tolerant plant, under experimental conditions[J].International Journal of Phytoremediation, 2008, 10(2)：159-170.

[32] 魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社, 2000.

Lu R S. Analysis method of soil and agro-chemistry[M]. Beijing：China Agricultural Scientech Press, 2000.

[33] 汪楠楠, 胡珊, 吳丹, 等. 檸檬酸和EDTA對銅污染土壤環(huán)境中吊蘭生長的影響[J]. 生態(tài)學報, 2013, 33(2)：631-639.

Wang N N, Hu S, Wu Detal. Effects of citric acid and EDTA on growth ofChlorophytumcomosumin copper-contaminated soil[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(2)：631-639.

[34] Lindsay W, Norvell W A. Development of a DTPA soil test for zinc, iron, manganese, and copper[J].Soil Science Society of America Journal, 1978, 42(3)：421-428.

[35] 胡忻, 羅璐瑕, 陳逸珺. 生物可降解的螯合劑EDDS提取城市污泥中Cu,Zn,Pb和Cd[J]. 環(huán)境科學研究, 2007, 20(6)：110-114.

Hu X, Luo L X, Chen Y J. Extraction of Cu, Zn, Pb and Cd in municipal sludges using a biodegradable chelating agent [S, S] stereoisomer of ethylenediamine disuccinate[J].Research of Environmental Sciences, 2007, 20(6)：110-114.

[36] Seth C, Misra V, Singh R Retal. EDTA-enhanced lead phytoremediation in sunflower (HelianthusannuusL.) hydroponic culture[J]. Plant and Soil, 2011, 347(1-2)：231-242.

[37] Kos B, Greman H, Lestan D. Phytoextraction of lead, zinc and cadmium from soil by selected plants[J].Plant Soil and Environment, 2003, 49(12)：548-553.

[38] Li Z, Tang S, Deng Xetal. Contrasting effects of elevated CO2on Cu and Cd uptake by different rice varieties grown on contaminated soils with two levels of metals：implication for phytoextraction and food safety[J]. Journal of Hazardous Materials, 2010, 177(1-3)：352-361.