螯合劑對鎘在土壤和紫花苜蓿中積累的影響研究?

任麗娟，柴琳琳，郭昱，李玲

(新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，新疆烏魯木齊830046)

2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，全國土壤等級為七至十的劣質(zhì)耕地比例達(dá)到27.9%，耕地土壤樣品的點(diǎn)位污染超標(biāo)率達(dá)到19.4%[1].其中土壤重金屬超標(biāo)是農(nóng)耕土壤污染的主要因素.根據(jù)《全國土壤環(huán)境保護(hù)十二五規(guī)劃》，中央財(cái)政計(jì)劃用于污染土壤修復(fù)的專項(xiàng)撥款將達(dá)到300億，由此可見，尋求修復(fù)土壤重金屬污染解決方法迫在眉睫.目前，國內(nèi)外用于土壤重金屬污染修復(fù)的螯合劑主要分為APCAs（氨基多酸類螯合劑）、LMWOAs（生物有機(jī)小分子有機(jī)酸）兩大類.APCAs類如EDTA、DPTA、EGTA是常見的土壤改良劑[2]，LMWOAs類有CA（檸檬酸）、GA（沒食子酸）等.螯合劑種類不同對植物富集金屬的影響效果差別也大，因此要針對重金屬種類、土壤環(huán)境選擇合適的螯合劑[3].王學(xué)鋒等人的研究表明EDTA投加濃度的提升與Cd活化量的增大有顯著相關(guān)性（P<0.05）[4]，Baylock M J等人的研究發(fā)現(xiàn)5.0 mmol/kg EDTA施入100 mg/kg Cd土壤中，能促進(jìn)印度芥菜體內(nèi)的Cd富集，且濃度高達(dá)2 000 mg/kg[5]，但ETDA的投加在促進(jìn)Cd在向日葵中的富集的同時(shí)會導(dǎo)致向日葵等生物量降低、影響植物正常生長[6].檸檬酸（CA）中的羧基與酚醛樹脂在螯合重金屬方面起到重要作用[7],與對照（CK）相比，20 mmol/kg的有機(jī)小分子酸CA能使印度芥菜地上部分Cd富集含量提升2.3倍[8].由于植物根系可釋放出GA（沒食子酸），與其它螯合劑相比，GA的投加會降低重金屬對植物的毒性[9]，對環(huán)境造成二次污染的可能性將降低.因此，通過投加沒食子酸來修復(fù)土壤重金屬污染的植物修復(fù)技術(shù)開始受到人們關(guān)注.溫麗等人近期的研究發(fā)現(xiàn)土壤中投加5.0 mmol/kg GA，溧陽苦菜的地上部Cd的富集系數(shù)達(dá)2.85（超富集植物為>=R1.0），比CK增加了271%[10].這有可能是GA與重金屬形成的螯合物可以直接進(jìn)入植物體內(nèi)并利于重金屬在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)[11].

已有的研究表明紫花苜蓿在修復(fù)土壤Cd污染方面潛力巨大[12].紫花苜蓿（Alfalfa）適應(yīng)新疆干旱地區(qū)、鹽堿土壤生長環(huán)境，在新疆許多地區(qū)被大面積種植.因此本實(shí)驗(yàn)通過采用室內(nèi)靜態(tài)吸附和盆栽實(shí)驗(yàn)方法，考察了供試土壤中投加螯合劑對紫花苜蓿中Cd富集量的影響，為紫花苜蓿是否可以作為修復(fù)土壤Cd污染的植物提供參考.

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與基本性質(zhì)

用棋局法采集新疆干旱區(qū)某石化污水庫周邊農(nóng)田土，取土深度0～30cm.土壤經(jīng)自然風(fēng)干、剔除雜物，過10目、100目篩備用.土壤pH值用電位法測定（水土比=5:1）；有機(jī)質(zhì)含量采取重鉻酸鉀外加熱容量法測定；全N含量用全半微量開氏法測定；速效P含量用NaHCO3提取-比色法測定；速效K含量用CH3COONH4浸提-火焰原子吸收法測定.采集的土樣基本理化性質(zhì)如下表1所示.

表1 供試土壤基本性質(zhì)

1.2 主要試劑及儀器

主要試劑：氯化鎘、無水乙醇、冰乙酸、乙酸銨、30%雙氧水、無水碳酸鈉、鹽酸羥胺、氯化鎂、氫氧化鈉均為分析純

主要儀器：Rack Mount PC-610 AA7000W火焰原子吸收儀（北京三雄科技公司），TDL-40B臺式離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠），XMTD-204水浴恒溫震蕩器（江蘇金壇市醫(yī)療儀器廠），THZ-82B氣浴恒溫震蕩器（江蘇金壇市醫(yī)療儀器廠），320 pH離子酸度計(jì)（梅特勒托利多儀器儀器廠），AB204-N分析天平（Metter-Toledo Group）.

1.3 樣品分析方法

1.3.1 室內(nèi)靜態(tài)吸附

稱取1.000 0±0.000 1 g（過100目篩）土樣，分別加入1.00 mL濃度分別為5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L的Cd溶液，攪拌均勻，陳化50天，Cd的各個(gè)形態(tài)按照經(jīng)典Tessier逐步提取法[13]提取.每個(gè)樣品均設(shè)有三個(gè)平行樣.

1.3.2 盆栽實(shí)驗(yàn)

于封口袋中放置土樣0.800±0.001 kg（過10目篩），投加外源Cd使土壤中外源Cd離子濃度達(dá)10 mg/kg，陳化50天（期間保持土壤濕度適宜）后開始種植紫花苜蓿.待紫花苜蓿長出三片葉后，留取15株長勢較好的小苗，并開始計(jì)時(shí).待紫花苜蓿生長60天后，往土壤中投加不同量的螯合劑溶液(0.01、0.05、0.25、0.5、1、5、10、15mmol/kg).繼續(xù)生長7天，將植株取出洗凈，分開根、莖、葉，進(jìn)行干燥，采用HNO3-HCl-HClO4濕法消解對植物組織消解，原子吸收分光光度法測定Cd濃度.每個(gè)樣品設(shè)有三個(gè)平行樣.

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

式（1）中：K為生物有效性系數(shù)；m為各形態(tài)質(zhì)量；F1為水溶態(tài)Cd(mg/kg)；F2為可交換態(tài)Cd(mg/kg)；F3為碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd(mg/kg)；F4為鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd(mg/kg)；F5為有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd(mg/kg)；F6為殘?jiān)鼞B(tài)Cd(mg/kg).

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)數(shù)值等于植株地上組織含Cd總量與植株地下組織含Cd總量的比值.

數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析采用軟件SPSS 19.0處理，作圖采用軟件Origin 9.0.

2 結(jié)果與分析

2.1 螯合劑對土壤中Cd形態(tài)分布及生物有效性的影響

由于土壤中金屬的水溶態(tài)(F1)、可交換態(tài)(F2)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)(F3)為金屬有效態(tài)，其所占比例直接影響到金屬在土壤中的遷移性，植物對重金屬的富集量也會隨之改變.因此，螯合劑對水溶態(tài)Cd、碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd、可交換態(tài)Cd是金屬在土壤中主要被考察的存在形態(tài).

圖1 三種螯合劑對土壤中Cd的形態(tài)分布影響

如圖1所示，隨著土壤中EDTA、CA、GA投加量的增大，水溶態(tài)Cd含量均有所上升，與CA、GA相比，投加15.0 mmol/kg EDTA時(shí)，水溶態(tài)Cd達(dá)到最大百分比12.77%，與CK相比，水溶態(tài)Cd增大了55.17倍（CA:5.46倍,GA：5.38倍）.螯合劑投加量的增加對可交換態(tài)Cd分布影響不大.與CK相比，投加1.0 mmol/kg的CA，土壤中碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd含量達(dá)到最大百分比值29.08%.

重金屬的生物有效性系數(shù)K是判斷金屬在土壤中遷移性的重要指標(biāo)，其數(shù)值過大會抑制植物生長，過小時(shí)金屬與土壤中介質(zhì)結(jié)合穩(wěn)定，難于被植物吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)[14].圖2表明，投加0.05～1.0 mmol/kg螯合劑時(shí)，其對Cd的K值作用大小順序?yàn)镋DTA>CA>GA.說明EDTA對Cd的活化效應(yīng)強(qiáng)于CA、GA；投加（5.0～15.0 mmol/kg）螯合劑對土壤中Cd的活化度作用大小順序?yàn)椋篍DTA>GA>CA.

2.2 螯合劑對紫花苜蓿富積Cd及轉(zhuǎn)運(yùn)能力的影響

螯合劑絡(luò)合土壤中重金屬目的在于提升植物中重金屬富集總量，但由于植物種類、土壤性質(zhì)、螯合劑種類及投加量的綜合因素導(dǎo)致螯合劑對植物修復(fù)Cd的效果有所差異[15,16]，因此土壤中提升的有效態(tài)重金屬是否可以被植物吸收一直是備受爭議.Marschner就認(rèn)為植物的根不能吸收合成的螯合劑絡(luò)合物[17].而Blaylock M J則發(fā)現(xiàn)土壤中投加10 mmol/kg EGTA后Cd在植物地上部累積量達(dá)2 800 mg/kg，是CK的13倍[5].

土壤中螯合劑的投加對紫花苜蓿根富集Cd的影響見圖3.由圖3可知，紫花苜蓿根中Cd的累積量隨著土壤中螯合劑濃度的增大而增大.其中，投加0.01～1.0 mmol/kg EDTA、CA、GA時(shí)，紫花苜蓿根中Cd含量明顯增大（與CK相比），增幅分別為45.40%、24.36%、37.87%.投加5.0 mmol/kg EDTA、GA時(shí)，紫花苜蓿根中Cd的累積量大小為：EDTA>GA，增幅分別為45.40%、37.87%.當(dāng)EDTA、GA投加量大于5.0 mmol/kg時(shí)，紫花苜蓿根中Cd的累積量變化不大，造成這種結(jié)果的原因可能是植物內(nèi)Cd的螯合物過量存在，致使紫花苜蓿Cd中毒，抑制植物對Cd的富集.與對照相比，考察濃度范圍內(nèi)的CA使紫花苜蓿根富集Cd整體增幅為24.30%，小于EDTA和GA.

圖2 螯合劑的投加對Cd的K值影響

圖3 螯合劑對紫花苜蓿根中Cd富集量的影響

植物地上組織重金屬富集量大小可判斷該植物轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬能力.圖4表明，土壤中投加1.0 mmol/kg EDTA、GA、CA時(shí)，莖對Cd的富集量增幅作用大小為EDTA>GA>CA，其中投加EDTA、GA后的增幅分別達(dá)到為31.01%、26.08%（與CK相比）.莖中Cd的富集量隨CA投加量的上升而增大，但整體增幅小于EDTA、GA.當(dāng)EDTA、GA投加量大于5.0 mmol/kg時(shí)，莖中Cd的積累量結(jié)果為：GA>EDTA，表明GA、EDTA投加量大于5.0 mmol/kg時(shí)GA對提升莖中Cd的富集量效果強(qiáng)于EDTA.

EDTA、GA、CA的投加均會促進(jìn)紫花苜蓿葉對Cd的富集（見圖5）.當(dāng)螯合劑的投加量在（0～1.0）mmol/kg時(shí)，紫花苜蓿葉中Cd的積累量均隨螯合劑濃度的增大呈顯著的上升趨勢，其增幅大小為：GA(25.58%)﹥EDTA(14.97%)﹥CA(10.79%).投加5.0 mmol/kg EDTA時(shí)，紫花苜蓿葉中Cd的積累量達(dá)到最大值26.44 mg/kg.

圖4 螯合劑對紫花苜蓿莖中Cd富集量的影響

圖5 螯合劑對紫花苜蓿葉中Cd富集量的影響

富集系數(shù)為植物地上部植物中元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤中元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比，其數(shù)值大小表示植物根部將重金屬向地上部位轉(zhuǎn)移的能力[18].

圖6表明螯合劑的投加均可增大Cd在紫花苜蓿中的富集.由圖6-a可知，與CA、GA相比，投加5.0 mmol/kg EDTA時(shí)，紫花苜蓿中Cd的富集系數(shù)達(dá)到較大值1.68；繼續(xù)添加EDTA，Cd的富集系數(shù)開始下降.造成這種結(jié)果的原因可能是EDTA與Cd螯合物對紫花苜蓿根部產(chǎn)生了毒副作用，使其向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)Cd能力下降，從而影響植物的提取效率、影響植物修復(fù)土壤中Cd污染的效果[19,20].由圖6-b可知，CA投加量在大于0.25 mmol/kg時(shí)Cd的富集系數(shù)有較明顯上升.圖6-c說明土壤中投加0～1.0 mmol/kg GA后，紫花苜蓿中Cd的富集系數(shù)呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，大于1 mmol/kg時(shí)Cd的富集系數(shù)變化不明顯.

圖6 螯合劑對紫花苜蓿中Cd的富集系數(shù)影響

圖7 螯合劑對紫花苜蓿轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的系數(shù)影響變化

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的數(shù)值大小表示根中重金屬向地上組織中遷移能力的大小[19].圖7-a表明，土壤中EDTA投加量與紫花苜蓿Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)呈負(fù)的相關(guān)性.EDTA的增大抑制紫花苜蓿地上與地下組織中Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)，造成這種結(jié)果的原因可能是EDTA與Cd形成螯合物對紫花苜蓿根部產(chǎn)生了毒副作用，使其向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)Cd能力下降，從而大大影響植物的提取效率，影響植物修復(fù)土壤中Cd污染的效果[13,19,20].這與雒煥章的研究即EDTA對楊樹根部Cd的累積有抑制作用的結(jié)果相似[9].土壤中投加CA、GA，紫花苜蓿Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢見圖7-b與7-c.當(dāng)CA、GA添加量在0.25 mmol/kg時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)達(dá)到最大值分別為0.88、0.94.但當(dāng)投加量大于0.25 mmol/kg后，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)則明顯降低.

3 結(jié)論

三種螯合劑對新疆干旱區(qū)某石化污水庫周邊農(nóng)田土中Cd的形態(tài)分布有不同影響，且紫花苜蓿對Cd的富集情況也存在較大差異.研究結(jié)果表明：

(1)土壤中GA、EDTA投加量為5.0 mmol/kg時(shí)，Cd的生物有效性系數(shù)較大、活化結(jié)果相似.由于EDTA半衰期周期長，易對土壤環(huán)境造成二次污染，因此，GA對土壤中Cd的活化效果較好.

(2)在考察濃度范圍內(nèi)，螯合劑投加濃度為0～1.0 mmol/kg時(shí)，紫花苜蓿中Cd的富集量均隨螯合劑濃度上升而顯著增大.其中，影響紫花苜蓿根、莖中Cd富集量大小為：EDTA>GA>CA，影響葉中Cd富集量大小為：GA>EDTA>CA.

(3)研究表明，與EDTA、CA相比，投加0.25 mmol/kg GA時(shí)，紫花苜蓿將Cd從土壤中的轉(zhuǎn)運(yùn)出的效果較好，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大小為：GA>CA>EDTA.