EDTA和檸檬酸對(duì)反枝莧(Amaranthus retroflexus L.)Cu遷移富集影響研究

劉婕，朱宇恩,，劉娜，王翠紅，吳山

1. 山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西 太原 030006；2. 山西省土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006；3. 廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650

EDTA和檸檬酸對(duì)反枝莧(Amaranthus retroflexus L.)Cu遷移富集影響研究

劉婕1，朱宇恩1,2*，劉娜1，王翠紅1，吳山3

1. 山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西 太原 030006；2. 山西省土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006；3. 廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650

為明確反枝莧(Amaranthus retroflexus L.)對(duì)Cu的富集能力及EDTA與檸檬酸（CA）對(duì)Cu遷移的影響，采用盆栽試驗(yàn)，在0、100、200、400、800 mg·kg-1Cu處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)及2.5 mmol·kg-1EDTA和檸檬酸施加條件下，測(cè)定了根際土、非根際土Cu不同形態(tài)含量及反枝莧組織Cu富集特征。結(jié)果表明：Cu處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于400 mg·kg-1時(shí)，重金屬Cu組織富集特征為根>葉>莖，Cu處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)在400 mg·kg-1時(shí)，富集特征為根>莖>葉，Cu各處理組BCF與TF均小于1，不具備Cu超富集植物特征；EDTA、檸檬酸均可促進(jìn)反枝莧對(duì)土壤中Cu的富集，并強(qiáng)化Cu由根系向地上部分的轉(zhuǎn)移。EDTA的促進(jìn)作用遠(yuǎn)高于檸檬酸，在Cu 800 mg·kg-1，施EDTA處理組反枝莧地上部分Cu可達(dá)3 513 mg·kg-1。施加EDTA可增加根際土全Cu含量，顯著減少根際土中Fe-Mn態(tài)Cu含量，增加Exch態(tài)，促使Fe-Mn態(tài)向Exch態(tài)的轉(zhuǎn)化；檸檬酸處理的根際土中則以Fe-Mn態(tài)向Carb態(tài)轉(zhuǎn)化為主。由此可見(jiàn)，在EDTA強(qiáng)化修復(fù)下，反枝莧富集Cu的能力明顯增加，而根際土中Cu全量的增加，是Cu-EDTA遷移活性極大增加與反枝莧防御性Cu阻隔共同作用的結(jié)果。

Cu；反枝莧；EDTA；檸檬酸；富集；遷移；植物修復(fù)

Cu是植物生長(zhǎng)的必須元素，在一定濃度范圍對(duì)植物生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，過(guò)多則具有重金屬毒害效應(yīng)，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生影響，進(jìn)而通過(guò)富集作用影響人類(lèi)健康（陳貴英等，2012；Zhang et al.，2010）。目前 Cu已經(jīng)成為土壤重金屬主要污染元素之一（Bolan et al.，2014；姜理英等，2003）。因此，近年來(lái)對(duì)土壤Cu污染修復(fù)研究正逐步展開(kāi)，而植物修復(fù)技術(shù)作為一種原位修復(fù)技術(shù)具有低成本、風(fēng)險(xiǎn)可控及環(huán)境友好的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于土壤重金屬污染修復(fù)（Burken et al.，2014；Ali et al.，2013）。同時(shí)利用EDTA、EDDS、NTA、CA等螯合劑強(qiáng)化修復(fù)也成為一種增強(qiáng)修復(fù)效果的常用措施（Abbas et al.，2013）。

反枝莧（Amaranthus retroflexus L.）屬于雙子葉植物綱（Dicotyledoneae）莧科（Amaranthaceae），在我國(guó)多數(shù)區(qū)域特別在北方地區(qū)分布廣泛，是一種常見(jiàn)的田間雜草（魯萍等，2010），具有生長(zhǎng)快且生物量大的特點(diǎn)，可作為生物修復(fù)資源加以發(fā)掘。關(guān)于莧科植物修復(fù)土壤重金屬的研究已有報(bào)道，Río et al.（2002）發(fā)現(xiàn)北美莧（Amaranthus blitoides）在調(diào)研物種中是富集重金屬能力最強(qiáng)的植物。Chunilall et al.（2005）和Tripathi et al.（1997）發(fā)現(xiàn)綠穗莧（Amaranthus hybridus）和一種紅莧（Amaranthus dubius）對(duì)重金屬Cd有很強(qiáng)的富集能力；反枝莧修復(fù)硼污染土壤的潛力也有報(bào)道（Santos et al.，2010；Aydin et al.，2009）。反枝莧作為C4植物，具有光合作用強(qiáng)、生長(zhǎng)速度快、重金屬耐性強(qiáng)、適種范圍廣等特點(diǎn)，可作為污染土壤植物修復(fù)的備選植物。

基于此，本文采用盆栽試驗(yàn)，在不同Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度和不同螯合劑EDTA、檸檬酸施加情況下，從生物量、組織富集遷移差異、根際土Cu賦存特征展開(kāi)研究，嘗試揭示反枝莧對(duì)重金屬Cu耐性及運(yùn)移特征與EDTA、檸檬酸螯合劑對(duì)反枝莧Cu遷移能力的影響規(guī)律，探究反枝莧Cu富集特征并驗(yàn)證反枝莧應(yīng)用于Cu污染土壤植物修復(fù)的可能性。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試土壤來(lái)自山西省太原市郊區(qū)農(nóng)田石灰性褐土，土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1。供試植物為反枝莧。

表1 供試土壤理化性狀Table 1 The physical and chemical properties of soil

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

采集土壤經(jīng)陰干后過(guò)2 mm尼龍篩，取2 kg裝入聚氯乙烯塑料盆中，一次性施入基肥，以磷酸二氫鉀（KH2PO4）、尿素形式加入土壤中充分混勻（N：100 mg·kg-1；P：50 mg·kg-1；K：50 mg·kg-1）。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)5個(gè)不同Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度，分別為0、100、200、400、800 mg·kg-1，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。將分析純CuSO4.5H2O按所設(shè)計(jì)的濃度配成母液，逐級(jí)稀釋成處理濃度，與對(duì)應(yīng)盆土充分混合均勻后，穩(wěn)定四周。選擇籽粒飽滿的反枝莧種子，每盆均勻撒播種子后上覆2 cm供試土壤。試驗(yàn)期間（2014.6.6至2014.9.12共15周），保持室外溫度及自然光照，土壤水分維持在田間持水量的60%。出苗后間苗，保持每盆10株；播種后第10周分為3組處理，分別是：（1）Cu處理組：不添加EDTA、檸檬酸；（2）Cu+EDTA處理組：施加2.5 mmol·kg-1EDTA（Seydahmet et al.，2015；Yang et al.，2012）；（3）Cu+檸檬酸處理組：施加2.5 mmol·kg-1檸檬酸（Zhuo et al.，2015）。其中EDTA與檸檬酸均以溶液形式一次性加入盆栽中；每個(gè)處理均為3個(gè)重復(fù)。處理5周后收獲植株，測(cè)定鮮質(zhì)量，對(duì)反枝莧的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)分析。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 土壤理化性質(zhì)

參照中國(guó)土壤學(xué)會(huì)編的土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法（魯如坤等，2000）。

1.3.2 反枝莧生物量測(cè)定

將植物洗凈晾干，用剪刀從根部剪開(kāi)，在電子天平上分別稱量地上部分和地下部分鮮質(zhì)量（g）。

1.3.3 根際土、非根際土全Cu含量測(cè)定

采用抖根法收集反枝莧根部粘附2 mm土壤，經(jīng)風(fēng)干后過(guò)100目篩備用。取土樣0.1000 g于聚四氟乙烯消解罐中，加入1 mL HF、2 mL HNO3、1 mL HClO4，160 ℃高壓消解3 h，趕酸后用10% HNO3定容過(guò)濾。用ICP-AES測(cè)定Cu含量。取土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW 07401(GSS-1)）對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.3.4 反枝莧植物中Cu含量測(cè)定

將收獲后的植株依次使用自來(lái)水、去離子水、超純水沖洗干凈，按照根、莖、葉3部分分離，于105 ℃下殺青30 min，60 ℃下烘干至恒重。將反枝莧根、莖、葉分別破碎研磨，并過(guò)0.1 mm篩，干燥保存。

準(zhǔn)確稱取植物樣品0.2000 g于聚四氟乙烯消解罐中，加入1 mL 30% H2O2、2 mL HNO3，靜置2 h后于160 ℃高壓消解3 h，將消解后的樣品用超純水定容過(guò)濾。用ICP-AES測(cè)定Cu含量。地上部分Cu含量按照葉：莖質(zhì)量比1∶3（鮮質(zhì)量稱量后取均值）權(quán)重計(jì)算。取菠菜標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW10015(GSB-6)）對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.3.5 土壤分形態(tài)含量測(cè)定

采用 Tessier法對(duì)土壤分形態(tài)含量進(jìn)行測(cè)定（Tessier et al.，1979）。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

使用Microsoft Excel 2007、SPSS 18.0和Origin 8.5軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析并做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 EDTA和檸檬酸對(duì)不同Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下反枝莧生長(zhǎng)的影響

如圖1，隨著Cu添加量的增加，反枝莧的地上部分鮮質(zhì)量先增加然后逐漸降低；在施加 2.5 mmol·kg-1EDTA和2.5 mmol·kg-1檸檬酸的條件下，反枝莧地上部分鮮質(zhì)量也表現(xiàn)為先增加再降低的趨勢(shì)。在Cu添加量為200 mg·kg-1時(shí)，Cu+檸檬酸處理組地上部分鮮質(zhì)量分別為 Cu處理組、Cu+EDTA處理組的1.7、1.9倍；在Cu添加量為400 mg·kg-1時(shí)，Cu+檸檬酸處理組地上部分鮮質(zhì)量分別為 Cu處理組、Cu+EDTA處理組的 2.2、4.4倍，均達(dá)顯著性差異水平（P<0.5）。

高濃度Cu對(duì)反枝莧地下部分的生長(zhǎng)表現(xiàn)為抑制作用。地下部分鮮質(zhì)量隨Cu添加量的變化趨勢(shì)基本與地上部分鮮質(zhì)量相同，且在Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為800 mg·kg-1時(shí)，Cu+檸檬酸處理組地下部分鮮質(zhì)量分別為Cu處理組、Cu+EDTA處理組的1.8和3.0倍，達(dá)顯著性差異水平。

圖1 EDTA和檸檬酸對(duì)反枝莧地上部分及地下部分鮮質(zhì)量的影響（n=3）Fig. 1 The effects of EDTA and CA on fresh biomass of shoots and roots of A. retroflexus

2.2 EDTA和檸檬酸對(duì)反枝莧根、莖、葉及地上部分Cu含量的影響

2.2.1 反枝莧不同組織對(duì)Cu的富集效應(yīng)

如表2所示，Cu主要積累在反枝莧的根部。當(dāng)外源Cu添加量低于400 mg·kg-1，Cu含量由高到低依次為根>葉>莖；當(dāng)外源Cu添加量為400 mg·kg-1，Cu含量由高到低依次為根>莖>葉。隨著外源Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，反枝莧根、莖和葉中Cu含量均逐漸升高。由于Cu添加量為800 mg·kg-1時(shí)反枝莧地上部分生物量即莖和葉的量較低，因此只測(cè)定了地上部分總Cu含量。

2.2.2 EDTA和檸檬酸對(duì)反枝莧根部Cu含量的影響

3種處理?xiàng)l件下，反枝莧根部積累量隨著 Cu添加量的升高而明顯增加，如表2所示。外源 Cu添加量為0、100 mg·kg-1時(shí)，EDTA添加組反枝莧根部Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)較Cu處理組略低；外源Cu添加量為200、400、800 mg·kg-1，根部Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于Cu處理組，分別達(dá)到Cu處理組的1.5、9.4、19.5倍。在添加檸檬酸的條件下，外源Cu添加量為0、100、200、400 mg·kg-1，根部Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)較Cu處理組相差不大，未達(dá)顯著性差異水平；當(dāng)外源Cu添加量為800 mg·kg-1，莧體根部Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)是Cu處理組的8.0倍，達(dá)到顯著性差異水平。

表2 EDTA和檸檬酸對(duì)反枝莧根、莖、葉中Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響變化Table 2 The effects of EDTA and CA on copper accumulations of A.retroflexus

2.2.3 EDTA和檸檬酸對(duì)反枝莧莖、葉及地上部分Cu含量的影響

植物地上部重金屬含量是判斷植物提取修復(fù)效果的重要指標(biāo)（劉杰等，2008）。如表 2所示，在對(duì)照組，除EDTA處理組葉Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)外，各處理莖、葉Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)均未達(dá)顯著差異。添加外源Cu后，各處理反枝莧莖、葉Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨外源Cu添加量升高而增加，但EDTA促進(jìn)效果顯著優(yōu)于檸檬酸處理組。Cu添加量為0、100、200、400 mg·kg-1時(shí)，EDTA處理組葉片Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到對(duì)照組的2.5、25.0、22.9、22.1倍，達(dá)顯著水平；而檸檬酸處理組僅為 1.1、1.0、3.5、3.0倍，未達(dá)顯著差異水平。土壤Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于100 mg·kg-1時(shí)，EDTA對(duì)反枝莧莖Cu影響明顯，在200、400 mg·kg-1分別為對(duì)照組8.3、29.0倍，達(dá)到顯著差異水平。EDTA與檸檬酸對(duì)反枝莧地上部分與莖、葉Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響趨勢(shì)保持一致。在800 mg·kg-1Cu添加量時(shí)，兩種螯合劑處理組莧體地上部分Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到對(duì)照組的61.8與26.4倍。

2.2.4 EDTA和檸檬酸對(duì)反枝莧富集系數(shù)和遷移系數(shù)的影響

植物富集重金屬特征常用富集系數(shù)（BCF，Biological Concentration Factor）和轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF，Transportation Factor）表示。富集系數(shù)計(jì)算方法為植物地上部分與土壤中重金屬含量的比值，富集系數(shù)越大，植物富集能力越強(qiáng)（Salt et al.，1995）。重金屬?gòu)母肯虻厣喜糠诌\(yùn)移能力，用遷移系數(shù)TF表示，計(jì)算方法為地上部分與根部重金屬含量比值。

如表3所示，在未添加螯合劑的情況下，反枝莧對(duì)重金屬Cu的BCF和TF均小于1；在添加EDTA和檸檬酸的情況下，反枝莧的BCF和TF較對(duì)照組有所增加。在Cu添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)200 mg·kg-1時(shí)，添加EDTA使反枝莧BCF增加并大于1，達(dá)到超富集植物要求；在Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100 mg·kg-1時(shí)EDTA使反枝莧TF達(dá)到最大值2.84；在Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為800 mg·kg-1時(shí)檸檬酸處理反枝莧 TF達(dá)到最大值0.97。

表3 EDTA和檸檬酸對(duì)反枝莧Cu富集及遷移系數(shù)影響Table 3 The effects of EDTA and CA on BCF and TF of A. retroflexus

2.3 EDTA和檸檬酸對(duì)根際土壤與非根際土壤Cu含量及形態(tài)的影響

2.3.1 EDTA和檸檬酸對(duì)根際土壤全Cu含量的影響

EDTA和檸檬酸可改變土壤中重金屬離子的環(huán)境行為從而影響重金屬含量。如圖2所示，在添加檸檬酸的條件下，根際土壤全Cu含量與Cu處理組全Cu含量的無(wú)顯著差別；在添加EDTA的條件下，根際土壤全Cu含量較Cu處理組明顯增加。在外源Cu添加量為200 mg·kg-1，Cu+EDTA處理組的根際土壤全Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)342. mg·kg-1，比Cu處理組和 Cu+檸檬酸處理組根際土全 Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加56.03%、57.05%，具有顯著性差異；當(dāng)外源Cu添加量為400 mg·kg-1，Cu+EDTA處理組的全Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)529 mg·kg-1，顯著高于其他兩組，較Cu處理組和 Cu+檸檬酸處理組全 Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加25.52%、23.09%。

圖2 EDTA和檸檬酸對(duì)反枝莧根際土壤與非根際土壤全Cu含量的影響Fig. 2 The effects of EDTA and CA on copper content in the rhizosphere and bulk soil of A. retroflexus

2.3.2 EDTA和檸檬酸對(duì)根際土壤與非根際土壤Cu形態(tài)的影響

如圖3顯示，EDTA和檸檬酸處理的根際土壤和非根際土壤中，可交換態(tài)（Exch）、碳酸鹽結(jié)合態(tài)（Carb）、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)（Fe-Mn）、有機(jī)物結(jié)合態(tài)（Orga）和殘?jiān)鼞B(tài)（Resi）Cu含量的變化。在未添加螯合劑的條件下，根際土與非根際土 Cu形態(tài)分布無(wú)明顯變化，低濃度Cu主要以Resi態(tài)為主，其次為Fe-Mn態(tài)、Orga態(tài)、Carb態(tài)，Exch態(tài)最少；隨著Cu添加量的增加，F(xiàn)e-Mn態(tài)占比增加，Resi態(tài)減少。在有EDTA添加條件下，根際土Exch態(tài)和Carb態(tài)明顯增加，且在Cu大于100 mg·kg-1時(shí)主要以Exch態(tài)為主；而非根際土中Exch態(tài)較根際土明顯降低。在添加檸檬酸條件下，促進(jìn)了Resi態(tài)向Fe-Mn態(tài)與Carb態(tài)的轉(zhuǎn)化，根際土和非根際土Carb態(tài)和Exch態(tài)比Cu處理組有所增加，且Carb態(tài)增加較為明顯。

3 討論

已有研究調(diào)查了莧科植物富集重金屬的可行性。Adedeji早在1984年就通過(guò)沙培實(shí)驗(yàn)研究了Cu對(duì)假刺莧的影響，發(fā)現(xiàn)在0和高濃度（4、8和16 mg·L-1）Cu處理中假刺莧植株均出現(xiàn)萎黃病癥，生物量、P、Fe元素含量下降，而1和2 mg·L-1Cu處理中植株生長(zhǎng)旺盛（Adedeji，1984）。本實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在100 mg·kg-1時(shí)，反枝莧生物量最大，而在0和高濃度（200、400、800 mg·kg-1）生物量較低，說(shuō)明反枝莧生長(zhǎng)存在Cu適生性閾值范圍。Font et al.（2006）通過(guò)野外調(diào)查和盆栽實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)北美莧地上部分在Amaranthus blitoides、Cynodon dactylon等4種植物中具有最高的 Pb、Zn積累濃度。在Aznalcóllar礦區(qū)廢渣污染Guadiamar河流地區(qū)野生植物研究中，發(fā)現(xiàn)北美莧（Amaranthus blitoides）在所有植物中對(duì)Cu、Zn、Cd、As的吸附量均達(dá)到最大（Río et al.，2002）。Renna et al.（2015）也發(fā)現(xiàn)食用反枝莧易導(dǎo)致Cd、Pb的過(guò)量攝入，證實(shí)莧科植物具備一定的重金屬耐性與富集潛力。本研究中，Cu 5種處理組無(wú)論根、莖、葉含量均未超過(guò)1000 mg·kg-1，未達(dá)到Cu超富集植物標(biāo)準(zhǔn)（Baker et al.，1989），BCF與TF也未超過(guò)1。在螯合劑EDTA和檸檬酸輔助下，Cu在反枝莧體內(nèi)的富集顯著增加，地上部分最高濃度達(dá)到3513 mg·kg-1?？梢?jiàn)，反枝莧在石灰性褐土上雖不具備超富集植物的特征，但EDTA與檸檬酸輔助下有助于反枝莧在植物修復(fù)中的應(yīng)用。

圖3 EDTA和檸檬酸對(duì)反枝莧根際土壤與非根際土壤Cu形態(tài)的影響(n=3)Fig. 3 The effects of EDTA and CA on five speciation of copper in the rhizosphere and bulk soil

在重金屬污染土壤中添加螯合劑，可為土壤中重金屬離子提供配體，形成重金屬-螯合劑復(fù)合物。EDTA和檸檬酸屬于不同類(lèi)型的螯合劑，對(duì)重金屬Cu的螯合能力與穩(wěn)定常數(shù)有關(guān)，EDTA與Cu有較高的穩(wěn)定常數(shù)（Ks=18.80），因此EDTA與土壤中的Cu形成的復(fù)合物Cu(Ⅱ)-EDTA相對(duì)于檸檬酸與Cu形成的復(fù)合物Cu(Ⅱ)-CA更為穩(wěn)定（Yuan et al.，2007），且形成的復(fù)合物可溶性較好；EDTA和檸檬酸可將土壤顆粒上吸附的重金屬離子解吸溶解到土壤溶液中，使其可交換態(tài)Cu和碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cu濃度大大增加，將Cu從不易溶解的形態(tài)轉(zhuǎn)化為可溶形態(tài)（Saifullah et al.，2009；Li et al.，1996），進(jìn)而活化重金屬Cu并增強(qiáng)Cu在土壤中的可遷移性及植物有效性。本研究中螯合劑EDTA對(duì)Cu的活化程度遠(yuǎn)高于檸檬酸，與Muhammad et al.（2009）的研究結(jié)論一致。EDTA絡(luò)合作用強(qiáng)、穩(wěn)定常數(shù)大，較檸檬酸不易生物降解是主要原因（Luo et al.，2005）。

植物根系對(duì)根際土理化性狀影響強(qiáng)烈。植物作用過(guò)程主要包括植物根系對(duì)土壤溶液中金屬離子的吸收以及在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移和貯存。在EDTA和檸檬酸作用下，螯合劑可從土壤礦質(zhì)上解吸金屬離子并進(jìn)入植物根際土中。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，僅有自由金屬離子可被根系吸收，EDTA螯合態(tài)金屬難以通過(guò)質(zhì)膜（Le?tan et al.，2008），但研究發(fā)現(xiàn)，Pb-EDTA及EDDS可通過(guò)根系內(nèi)表皮與凱式帶破損處以及尚未形成栓皮層的細(xì)胞壁處，進(jìn)入根系進(jìn)而向地上部分遷移（Vassil et al.，1998；R?mheld et al.，2008；Grcman et al.，2003）。此過(guò)程中，根系細(xì)胞壁對(duì)重金屬的吸附、固定、阻隔作用是植物重要的防御機(jī)制（朱宇恩等，2011），但同時(shí)螯合劑的破壞及重金屬高度集聚使根枯萎，富集重金屬的外皮層容易脫落，與根際土融合，是根際土Cu含量升高的因素之一。另一因素是添加的EDTA與土壤中的自由重金屬Cu結(jié)合，當(dāng)自由重金屬Cu減少時(shí)，被Fe、Mn氧化物解吸及沉淀復(fù)合物或呈固相的金屬離子開(kāi)始溶解，促進(jìn)土壤固相中的重金屬釋放進(jìn)入到土壤溶液中，以補(bǔ)償平衡的移動(dòng)，使土壤中Fe-Mn態(tài)向Exch態(tài)轉(zhuǎn)化（Norvell，1984；Lestan，2015），在反枝莧蒸騰拉力和根壓的推動(dòng)下，Cu隨著土壤溶液向反枝莧根系方向遷移到根際土壤中（Kim et al.，2010；王賀，2000）；輔以根系分泌物對(duì)重金屬的吸附作用（Kim et al.，2010），最終表現(xiàn)為根際土中全Cu含量高于非根際土壤。

4 結(jié)論

（1）在土壤Cu添加量為0～800 mg·kg-1的條件下，Cu主要富集在反枝莧根部，且富集系數(shù)和遷移系數(shù)均小于1，不具備超富集植物的特征。

（2）EDTA、檸檬酸均可促進(jìn)反枝莧對(duì)土壤中Cu的富集，并強(qiáng)化Cu由根系向地上部分的轉(zhuǎn)移。EDTA的促進(jìn)作用遠(yuǎn)高于檸檬酸。EDTA施加條件下，反枝莧地上部分最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 3513 mg·kg-1，可應(yīng)用于反枝莧螯合強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)。

（3）EDTA可顯著增加200、400 mg·kg-1根際土Cu含量，檸檬酸處理組根際土Cu含量與非根際土無(wú)顯著差異。

（4）Cu添加量100 mg·kg-1時(shí)，施加EDTA可顯著減少根際土Fe-Mn態(tài)Cu含量，增加Exch態(tài) Cu含量，促使Fe-Mn態(tài)向Exch態(tài)的轉(zhuǎn)化；而非根際土中 Exch態(tài)較根際土顯著降低。在添加檸檬酸的條件下，可促進(jìn)Fe-Mn態(tài)向Carb態(tài)與Exch態(tài)的轉(zhuǎn)化，其中Carb態(tài)增加較為明顯。

ABBAS M H H, ABDELHAFEZ A A. 2013. Role of EDTA in arsenic mobilization and its uptake by maize grown on an As-polluted soil [J]. Chemosphere, 90(2): 588-594.

ADEDEJI F O. 1984. Nutrient cycles and successional changes following shifting cultivation practice in moist semi-deciduous forests in Nigeria [J]. Forest Ecology & Management, 9(2): 87-99.

ALI H, KHAN E, SAJAD M A. 2013. Phytoremediation of heavy metals-Concepts and applications [J]. Chemosphere, 91(7): 869-881.

AYDIN M, ?AKIR F. 2009. Research on weed species for phytoremediation of boron polluted soil [J]. African Journal of Biotechnology, 8(18): 4514-4518.

BAKER A J M, BROOKS R R. 1989. Terrestrial higher plants which hyperaccumulate metallic elements. A review of their distribution, ecology and phytochemistry [J]. Biorecovery, 1(2): 81-126.

BOLAN N, KUNHIKRISHNAN A, THANGARAJAN R, et al. 2014. Remediation of heavy metal(loid)s contaminated soils-to mobilize or to immobilize? [J]. Journal of Hazardous Materials, 266(4): 141-166.

BURKEN J G, SCHNOOR J L. 2014. Phytoremediation: Plant Uptake of Atrazine and Role of Root Exudates [J]. American Society of Civil Engineers, 122(11): 958-963.

CHUNILALL V, KINDNESS A, JONNALAGADDA S B. 2005. Heavy metal uptake by two edible Amaranthus herbs grown on soils contaminated with lead, mercury, cadmium and nickel [J]. Journal of Environmental Science and Health Part B—Pesticides Food Contarninants and Agricultural Wastes, 40(2): 375-384.

FONT R, RíO-CELESTINO M D, HARO-BAILóN A D. 2006. The use of near-infrared spectroscopy (NIRS) in the study of seed quality components in plant breeding programs [J]. Industrial Crops & Products, 24(3): 307-313.

GRCMAN H, VODNIK D, VELIKONJA-BOLTA S, et al. 2003. Ethylene diamine dissuccinate as a new chelate for environmentally safe enhanced lead phytoextraction [J]. Journal of Environmental Quality, 32(2): 500-506.

KIM K R, OWENS G, KWON S L. 2010. Influence of indian mustard (Brassica juncea) on rhizosphere soil solution chemistry in long-term contaminated soils: a rhizoboxstudy [J]. Journal of Environmental Sciences, 22(1): 98-105.

KIM K, OWENS G, NAIDU R, et al. 2010. Influence of plant roots on rhizosphere soil solution composition of long-term contaminated soils [J]. Geoderma, 155(1-2): 86-92.

LE?TAN D, LUO C, LI X. 2008. The use of chelating agents in the remediation of metal-contaminated soils: a review [J]. Environmental Pollution, 153(1): 3-13.

LESTAN D. 2015. Remediation of Toxic Metal-Contaminated Soil Using EDTA Soil Washing [J]. Soil Biology, 44: 395-429.

LI Z, SHUMAN L M. 1996. Redistribution of forms of zinc, cadmium and nickel in soils treated with EDTA [J]. Science of the Total Environment, 191(1): 95-107.

LUO C, SHEN Y, LI X. 2005. Enhanced phytoextraction of Cu, Pb, Zn and Cd with EDTA and EDDS [J]. Chemosphere, 59(1): 1-11.

MUHAMMAD D, CHEN F, ZHAO J, et al. 2009. Comparison of EDTA-and citric acid-enhanced phytoextraction of heavy metals in artificially metal contaminated soil by Typha angustifolia [J]. International Journal of Phytoremediation, 11(6): 558-574.

NORVELL W A. 1984. Comparison of chelating agents as extractants for metals in diverse soil materials [J]. Soil Science Society of America Journal, 48(6): 1285-1292.

RENNA M, COCOZZA C, GONNELLA M, et al. 2015. Elemental characterization of wild edible plants from countryside and urban areas [J]. Food Chemistry, 177(0): 29-36.

RíO M D, FONT R, ALMELA C, et al. 2002. Heavy metals and arsenic uptake by wild vegetation in the Guadiamar river area after the toxic spill of the Aznalcóllarmine [J]. Journal of Biotechnology, 98(1): 125-137.

R?MHELD H, MARSCHNER V. 2008. Effect of Fe stress on utilization of Fe chelates by efficient and inefficient plant species [J]. Journal of Plant Nutrition, 3(1): 551-560.

SAIFULLAH, MEERS E, QADIR M, et al. 2009. EDTA-assisted Pb phytoextraction [J]. Chemosphere, 74(10): 1279-1291.

SALT E D, BLAYLOCK M, KUMAR N P, et al. 1995. Phytoremediation: A novel strategy for the removal of toxic metals from the environment using plants [J]. Biotechnology, 13(5): 468-474.

SANTOS G C G D, RODELLA A A, ABREU C A D, et al. 2010. Vegetable species for phytoextraction of boron, copper, lead, manganese and zinc from contaminated soil [J]. Scientia Agricola, 67(6): 713-719.

SEYDAHMET C, AHMET U, MEHMET S E, et al. 2015. Effect of EDTA and Tannic Acid on the Removal of Cd, Ni, Pb and Cu from Artificially Contaminated Soil by Althaea rosea Cavan [J]. International Journal of Phytoremediation, 17(6): 568-74.

TESSIER A, CAMPBELL P G C, BISSON M. 1979. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals, Anal. Chem [J]. Analytical Chemistry, 51(7): 844-851.

TRIPATHI R M, RAGHUNATH R, KRISHNAMOORTHY T M. 1997. Dietary intake of heavy metals in Bombay city, India [J]. Science of The Total Environment, 208(3): 149-159.

VASSIL A D, KAPULNIK Y, RASKIN I, et al. 1998. The role of EDTA in lead transport and accumulation by Indian mustard [J]. Plant Physiology, 117(2): 447-453.

YANG M, XIAO X Y, MIAO X F, et al. 2012. Effect of amendments on growth and metal uptake of giant reed (Arundo donax L.) grown on soil contaminated by arsenic, cadmium and lead [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 22(6): 1462-1469.

YUAN S, XI Z, JIANG Y, et al. 2007. Desorption of copper and cadmium from soils enhanced by organic acids [J]. Chemosphere, 68(7): 1289-1297.

ZHANG H X, ZHANG F Q, WANG G P, et al. 2010. Excess copper induces accumulation of hydrogen peroxide in the leaf of Elsholtzia haichowensis through NADPH oxidase and Cu Zn-superoxide dismutase [J]. Journal of Hazardous Materials, 178(1-3): 834-843.

ZHOU J L, SHAO L, ZHUANG R, et al. 2014. Phytoremediation of inter-cropping with chemical enhancement of heavy-metalcontaminated acid soil: a long-term field experiment [J]. Acta Pedologica Sinica, 51(5): 1056-1065.

陳貴英, 李維, 陳順德, 等. 2012. 環(huán)境Cu污染影響及修復(fù)的研究現(xiàn)狀綜述[J]. 綠色科技, 12: 125-128.

姜理英, 楊肖娥, 石偉勇, 等. 2003. 植物修復(fù)技術(shù)中有關(guān)土壤重金屬活化機(jī)制的研究進(jìn)展[J]. 土壤通報(bào), 34(2): 154-157.

劉杰, 孫家君, 王敦球, 等. 2008. 有機(jī)酸對(duì)鉻超富集植物李氏禾吸收Cu的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境, 17(2): 41-645.

魯萍, 梁慧, 王宏燕, 等. 2010. 外來(lái)入侵雜草反枝莧的研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 29(8): 1662-1670.

魯如坤. 2000. 中國(guó)土壤學(xué)會(huì). 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社.

王賀. 2000. 植物根系質(zhì)外體鐵庫(kù)的形成、分布及其活化的機(jī)理[D]. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué).

朱宇恩, 趙燁, 徐東昱, 等. 2011. 旱柳(Salix matsudanaKoidz)體內(nèi)Cu遷移特征的水培模擬研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 31(12): 2740-2747.

Effects of EDTA and Critic Acid (CA) on the Translocation and Accumulation of Copper in Amaranthus Retroflexus L. System

LIU Jie1, ZHU Yu’en1,2*, LIU Na1, WANG Cuihong1, WU Shan3
1. School of Environment and Resources, Shanxi University, Taiyuan 030006, China; 2. Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources of Shanxi Province, Taiyuan 030006, China; 3. Guangdong Key Laboratory of Agricultural Environment Pollution Integrated Control, Guangdong Institute of Eco-Environmental and Soil Sciences, Guangzhou 510650, China

Pot experiments were conducted to study the effects of ethylene diamine tetraacetic acid (EDTA) and citric acid (CA) on copper accumulation and translocation in Amaranthus retroflexus L., with exogenous copper concentrations of 0, 100, 200, 400 and 800 mg·kg-1. The concentrations of Cu with different speciations in both rhizosphere and bulk soil, and its enrichment characteristics in plant tissue were determined after adding 2.5 mmol·kg-1CA or EDTA to different copper treatment. Results showed that the ability of copper accumulation in different plant tissues followed the sequence of roots > leaves> stems when copper contents were less than 400 mg·kg-1, while roots > stems > leaves when copper contents were 400 mg·kg-1. BCFs and TFs of A. retroflexus were both less than 1, which indicated that A. retroflexus was not a copper hyperaccumulation plant under the present experiment condition. Both EDTA and CA can effectively improve enrichment ability of the plant for copper and enhance the transportation of copper from roots to shoots; EDTA was more effective, causing 3 512.71 mg·kg-1of shoots uptake under the 800 mg·kg-1copper content condition. The contents of total copper and exchangeable speciation inrhizosphere soil were increased for the EDTA amendment, while the content of Fe-Mn oxidizable speciation of copper decreased. The addition of CA promoted the chemical conversion of copper from Fe-Mn oxidizable speciation to carbonate speciation in rhizoshpere soil. It concluded that EDTA significantly improved the copper uptake of A. retroflexus and increased the content of total copper in rhizosphere soil, which resulted from the joint effects of the increasing migration activity of Cu-EDTA and the copper exclusion mechanisms of A. retroflexus.

copper; Amaranthus retroflexus L.; EDTA; citric acid; accumulation; translocation; phytoremediation

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.08.022

X131.3；X173

A

1674-5906（2015）08-1399-07

劉婕，朱宇恩，劉娜，王翠紅，吳山. EDTA和檸檬酸對(duì)反枝莧(Amaranthus retroflexus L.)Cu遷移富集影響研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(8): 1399-1405.

LIU Jie, ZHU Yu’en, LIU Na, WANG Cuihong, WU Shan. Effects of EDTA and Critic Acid (CA) on the Translocation and Accumulation of Copper in Amaranthus Retroflexus L. System [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(8): 1399-1405.

2013山西省土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（太原城郊土壤重金屬遷移規(guī)律及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究2013002）；2012國(guó)家科技支撐計(jì)劃煤化工污染場(chǎng)地修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)與示范（2012BAC10B04-02）；2014山西省科技攻關(guān)重大專(zhuān)項(xiàng)工礦區(qū)先鋒植物優(yōu)化種植立體模式集成與示范（20121101009-0501）

劉婕（1989年生），女，碩士，研究方向?yàn)橥寥牢廴拘迯?fù)與治理。E-mail: liujiesxdx10@163.com *通信作者：朱宇恩（1976年生），男，講師，博士，研究方向?yàn)橥寥牢廴拘迯?fù)與治理。E-mail: zhuyuen@sxu.edu.cn

2015-04-30