重金屬污染土壤植物修復(fù)的EDTA調(diào)控效果

楊 卓， 陳 婧

(中國環(huán)境管理干部學(xué)院，河北秦皇島 066004)

重金屬污染土壤植物修復(fù)的EDTA調(diào)控效果

楊 卓， 陳 婧

(中國環(huán)境管理干部學(xué)院，河北秦皇島 066004)

通過盆栽試驗(yàn)比較乙二酸四乙酸(EDTA)對印度芥菜修復(fù)鎘(Cd)污染土壤的增效作用，探討EDTA施入量與不同施入階段對復(fù)合污染土壤中Cd、鉛(Pb)、鋅(Zn)的活化能力和印度芥菜吸收3種重金屬的影響。結(jié)果表明：Cd添加量相同的條件下，EDTA的施入使印度芥菜生物量明顯下降，地上部Cd吸收量明顯增加，重金屬提取量是未施入EDTA組的0.5～1.63倍，收獲時土壤有效態(tài)Cd含量施入組低于未施入組；生物量和Cd吸收量隨著Cd添加量的增加呈現(xiàn)先升高后下降的拋物線形規(guī)律，臨界Cd添加量為120 mg/kg；EDTA一次性使用劑量為3 mmol/kg與分3個階段施入 1 mmol/kg 相比，后者取得了最佳修復(fù)效果，Cd、Pb、Zn提取量分別是對照的1.13、3.78、1.29倍。將最優(yōu)方案應(yīng)用于微區(qū)試驗(yàn)，地上部重金屬含量較對照顯著增加，對Cd、Pb、Zn的提取量分別是對照的1.24、2.06、2.07倍。

印度芥菜；復(fù)合污染；植物修復(fù)；重金屬；EDTA

土壤重金屬污染問題已成為全球關(guān)注的環(huán)境問題。土壤中的重金屬污染，不僅使土壤肥力退化，降低作物產(chǎn)量與質(zhì)量，而且惡化水環(huán)境，并通過食物鏈在人和生物體內(nèi)富集，嚴(yán)重威脅著人類的生命和健康。植物修復(fù)是20世紀(jì) 90 年代初發(fā)展起來的一種經(jīng)濟(jì)有效、環(huán)境友好、適用于大面積輕度到中度污染土壤的生物修復(fù)技術(shù)[1-4]。其中，植物吸取(phytoextraction)旨在通過收獲富集重金屬的植物將重金屬帶出土體，從而逐漸降低土壤重金屬總量尤其是有效態(tài)重金屬的含量。植物修復(fù)技術(shù)受制于2個因素：第1個限制因素是超累積植物的生長速度緩慢和生物量小；第2個限制因素是土壤中重金屬的生物有效性低，重金屬一旦進(jìn)入土壤，將通過沉淀、專性吸附等物理、化學(xué)過程變?yōu)殡y溶態(tài)，無法被植物吸收利用。向土壤中施加人工合成的螯合劑以解析與土壤固相結(jié)合的重金屬，增加土壤溶液中的重金屬濃度是克服上述瓶頸效應(yīng)的重要途徑之一[5]。大量研究表明：乙二胺四乙酸(EDTA)、二乙基三胺五乙酸(DTPA)、乙二胺二戊二酸(EDGA)、氨三乙酸(NTA)等螯合劑均能不同程度地活化土壤重金屬，促進(jìn)植物對重金屬的吸收乃至誘導(dǎo)植物對重金屬的超量吸收[6-10]。然而螯合劑的負(fù)面效應(yīng)也是不容忽視的。因此，螯合劑的種類、劑量、使用方式和階段都是目前須要研究的熱點(diǎn)。

EDTA是公認(rèn)的效果明顯的誘導(dǎo)活化劑。本試驗(yàn)以印度芥菜(Brassicajuncea)為試驗(yàn)材料，通過溫室盆栽試驗(yàn)研究在鎘(Cd)污染土壤及Cd、鉛(Pb)、鋅(Zn)復(fù)合污染土壤中，在EDTA的調(diào)控下對重金屬的吸收和累積，分別研究EDTA加與不加、加入量、加入階段對植物修復(fù)重金屬污染的增效作用。以期篩選出效果最佳的合理的EDTA使用方法，探討EDTA對印度芥菜吸收富集土壤中重金屬的效果，并通過測試和統(tǒng)計分析，明確印度芥菜對重金屬的吸收富集特點(diǎn)，探討它在環(huán)境凈化上的應(yīng)用潛力，為控制土壤重金屬復(fù)合污染和植物修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物為印度芥菜的Wild Garden Pangent Mix品種。種子來自美國俄勒岡州的Wild Garden Seed農(nóng)場。

供試土壤：采自河北農(nóng)業(yè)大學(xué)西校區(qū)標(biāo)本園0～40 cm深度的潮褐土，理化性質(zhì)特征見表1。

供試底泥：取自河北省安新縣北際頭鄉(xiāng)保定納污河、府河末梢入淀口處。所取為0～20 cm底泥，呈深黑色淤泥狀，上部為稀漿狀，下部呈流塑狀，內(nèi)有大量淡水貝殼、軟體動物，附近有大規(guī)模養(yǎng)鴨產(chǎn)業(yè)，底泥有明顯臭味。該層為近二三十年人類活動的產(chǎn)物，沉積年代新，沉積速率快，是該區(qū)域污染內(nèi)源的主要蓄積庫。供試底泥主要理化性質(zhì)見表1，底泥中有效態(tài)Cd、Pb、Zn含量分別為1.70、16.80、61.50 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)方案與布置

本研究采取盆栽試驗(yàn)，在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)西校區(qū)溫室中進(jìn)行。試驗(yàn)用塑料小盆缽，其上緣直徑10 cm，底面直徑9 cm，高14 cm。每盆裝土1 000 g(以烘干土計)，供試土壤、底泥風(fēng)干后過3 mm篩。重金屬Cd、Pb、Zn分別以Cd(Ac)2·2H2O、Pb(Ac)2·3H2O、Zn(Ac)2·2H2O固體粉末形式，按各自的處理量加入土壤，制成含不同濃度Cd、Pb、Zn的污染土壤。同時每盆加入0.2 g尿素、0.4 g磷酸二氫氨作底肥，均采用分析純試劑，與土壤一并混合均勻裝盆。加入蒸餾水使含水量為田間持水量的60%，保持10 d后播種，生長1周后見苗，每盆保留10株苗。試驗(yàn)共分以下4個部分。

試驗(yàn)1：土壤中加入EDTA效果研究。本試驗(yàn)以印度芥菜中的Wild Garden Pangent Mix品種為試材，混合土(表1，下同)種植印度芥菜，Cd添加量設(shè)為0、40、80、120、160、200 mg/kg，不加EDTA的處理分別記作1-a、2-a、3-a、4-a、5-a、6-a，添加EDTA的處理分別記作1-b、2-b、3-b、4-b、5-b、6-b。在印度芥菜出苗30 d后，在1-b～6-b 處理中，加入3 mmol/kg EDTA，誘導(dǎo)活化重金屬。

表1 供試土壤與地泥的理化性質(zhì)特征

注：混合土為質(zhì)量比1 ∶1的潮褐土、底泥。

試驗(yàn)2：不同EDTA施用量的效果研究。用混合土種植印度芥菜，加入Cd、Pb、Zn的含量分別為100、500、800 mg/kg，生長30 d后，向印度芥菜中分別加入0、1、3、5、7 mmol/kg EDTA(編號分別為a、b、c、d、e)，收獲后測定植株株高、地上部生物量、植株地上部Cd、Pb、Zn含量及土壤中有效態(tài)重金屬含量。

試驗(yàn)3：不同EDTA施用階段的效果研究。用混合土盆栽種植印度芥菜，加入Cd、Pb、Zn的量分別為100、500、800 mg/kg。處理1：不施EDTA(編號為A，CK)；處理2：播種前一次性施入3 mmol/kg EDTA(編號為B)；處理3：生長30 d后一次性施入3 mmol/kg EDTA(編號為C)；處理4：收獲前7 d一次性施入3 mmol/kg EDTA(編號為D)；處理5：于播種前、生長30 d后、收獲前7 d，分別施入1 mmol/kg EDTA(編號為E)。于收獲后測定植株株高、地上部生物量，Cd、Pb、Zn含量以及土壤中有效態(tài)重金屬含量。

試驗(yàn)4：上述試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行微區(qū)試驗(yàn)。采用玻璃材料制成的底為正方形的長方體(高30 cm，底的邊長60 cm)。重金屬Cd、Pb、Zn分別以Cd(Ac)2·2H2O、Pb(Ac)2·3H2O、Zn(Ac)2·2H2O 固體粉末形式，按各自的處理量加入土壤，制成Cd含量為 50 mg/kg、Pb含量為500 mg/kg、Zn含量 500 mg/kg 的污染土壤，土壤層高30 cm，填充密度保持與田間相似，施入含 0.2 g/kg 尿素、0.4 g/kg磷酸二氫銨的底肥，用蒸餾水潤濕土壤，靜置6個月，使土壤條件接近外界條件，保持田間持水量的60%。將0.2 g植物種子直播于微區(qū)中，每池保持盡可能密的苗，使池中植物覆蓋率達(dá)到90%以上。在植物生長30 d后進(jìn)行以上試驗(yàn)中EDTA施用方式的最優(yōu)處理。試驗(yàn)設(shè)2個處理：處理Ⅰ，試驗(yàn)篩選出來的EDTA最優(yōu)處理；處理Ⅱ，不添加EDTA的空白對照(CK)。每個處理重復(fù)3次。

以上試驗(yàn)均在植物生長60 d后收獲，印度芥菜沿土面剪取地上部，測定鮮質(zhì)量，植物樣品在105 ℃條件的烘箱內(nèi)殺青0.5 h，并在80 ℃條件下烘至恒質(zhì)量，烘干后粉碎測定重金屬元素Cd、Pb、Zn含量。植物樣采用硝酸-高氯酸消煮，原子吸收分光光度法測定重金屬Cd、Pb、Zn含量；土壤樣品采用 DTPA 浸提，原子吸收分光光度法測定重金屬Cd、Pb、Zn含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 EDTA誘導(dǎo)印度芥菜富集Cd增效研究

在Cd添加量為0～200 mg/kg的不同處理中，印度芥菜都能夠順利發(fā)芽生長，除高濃度處理葉片少部分有萎蔫發(fā)黃的癥狀外，均無明顯受毒害現(xiàn)象，說明印度芥菜對Cd表現(xiàn)出極強(qiáng)的忍耐性。在同類盆栽試驗(yàn)中，在重金屬添加量為 50 mg/kg 時，油菜就受到了明顯的重金屬毒害而無法正常生長[8]。在本試驗(yàn)中，Cd毒害主要影響印度芥菜的生育進(jìn)程，在Cd濃度0、40 mg/kg時，印度芥菜在試驗(yàn)期內(nèi)已經(jīng)順利進(jìn)入生育期，拔節(jié)開花結(jié)籽，而其他濃度處理都未能開花。隨著Cd濃度增大，a與b組處理均呈現(xiàn)地上部生物量先升高后降低的規(guī)律，其臨界Cd添加濃度均為120 mg/kg，在添加量為 0～120 mg/kg時，生物量增加，Cd添加量為120 mg/kg時，a組生物量比不添加Cd處理增加了57.67%，b組增加了 58.06%；在添加量為120～200 mg/kg時，生物量降低(圖1)。高Cd處理影響了印度芥菜的生殖生長，而對營養(yǎng)生長并沒有明顯干擾，相反，一定濃度的Cd處理還提高了植株地上部的生物量。隨著Cd 處理濃度的增加，植株趨于矮小化，即矮小植株在盆體內(nèi)的比例增加。添加EDTA比不添加 EDTA 印度芥菜生物量顯著下降，6個處理平均值下降了 26.52%。2組試驗(yàn)在同一Cd添加量時的生物量之差也呈現(xiàn)出先升后降的規(guī)律，在Cd添加量為120 mg/kg時相差最多，為11.36 g/pot。EDTA的施入會使印度芥菜生長受到抑制，生物量下降。

土壤重金屬的植物提取量是描述植物修復(fù)效果最直觀的指標(biāo)，它是指用植株地上部重金屬的含量乘以生物量，得出每盆植物提取重金屬的量，它綜合了植物生物量、吸收量2個指標(biāo)，能夠更為直接地反映某種植物對某種重金屬的修復(fù)效果。由圖2不同處理印度芥菜對Cd的提取量可見，隨著外源Cd添加量的增加，印度芥菜對Cd的提取量呈現(xiàn)先升后降的規(guī)律，a組提取量達(dá)0.02～0.36 mg/盆，b組提取量達(dá)0.01～0.55 mg/盆，其最高值均出現(xiàn)在Cd添加量為120 mg/kg，a組、b組此時的提取量分別為不添加Cd時的18、55倍。EDTA誘導(dǎo)調(diào)控分別可顯增加印度芥菜地上部對Cd的提取量，Cd添加量分別為0、40、80、120、160、200 mg/kg的處理中，b組的提取量分別是a組的0.50、1.36、1.63、1.53、1.54、1.45倍。由結(jié)果可見，EDTA的加入可以提高植物修復(fù)的效果，縮短修復(fù)年限。

由圖3可見。土壤Cd添加量與試驗(yàn)結(jié)束后土壤中有效態(tài)Cd含量呈較好的線性關(guān)系，a組r2=0.916 1(n=6)，b組r2=0.867 4(n=6)。EDTA的施入在試驗(yàn)結(jié)束后的表現(xiàn)為土壤有效態(tài)Cd含量低于對照組(a組)，這與理論上預(yù)想的結(jié)果有些偏差，這可能是因?yàn)橥寥乐兄亟饘俨煌螒B(tài)之間處于不停轉(zhuǎn)換的動態(tài)變化之中，EDTA的加入使這種轉(zhuǎn)換更為活躍。如圖4所示，印度芥菜地上部Cd吸收量明顯高于對照組，說明植物吸收量增大，使此時土壤中有效態(tài)Cd含量反而低于對照組。由此說明，有效態(tài)重金屬含量的高低并不能直接反映植物吸收該種重金屬的情況。由圖3、圖4可以看出，a組有效態(tài)Cd含量增加的幅度是低濃度時較大，高濃度時較小，b組則相反；而印度芥菜地上部Cd吸收量在EDTA的誘導(dǎo)下不僅增大，而且隨著Cd添加量的增加，吸收量增加的幅度變化也加大。在Cd添加量為160 mg/kg時，芥菜地上部吸收量達(dá)最大，a、b組分別達(dá)107.67、217.34 mg/kg，Cd添加量分別為0、40、80、120、160、200 mg/kg的處理中，b組的吸收量分別是a組的0.80、1.85、2.22、2.14、2.12、1.83倍。由此可見，EDTA的加入可以的明顯提高印度芥菜對Cd的吸收量。

2.2 不同EDTA施用量對印度芥菜富集Cd、Pb、Zn效果影響

本研究用混合土種植印度芥菜，加入Cd、Pb、Zn的量分別為100、500、800 mg/kg，加上表1的背景含量，供試土壤Cd、Pb、Zn的含量分別為100.83、530.54、875.88 mg/kg。由表2可知，EDTA的添加使印度芥菜地上部生物量低于對照，隨著加入量的增加，生物量顯著下降，當(dāng)施入量達(dá)7 mmol/kg (處理e)時，印度芥菜死亡，b、c、d處理生物量分別降低20.44%、36.38%、59.34%。土壤有效態(tài)Cd、Pb、Zn含量變化無明顯規(guī)律性，除Zn外，多數(shù)顯著低于對照。印度芥菜地上部Cd、Pb含量最大的為b處理，Zn 為c處理，分別比對照提高 53.73%、233.36%、29.17%。印度芥菜地上部Cd、Pb提取量最大的為b處理，Cd、Pb提取量分別為對照的1.21、2.66倍，Zn提取量則均低于對照。綜合以上結(jié)果，EDTA施用量不宜太高，當(dāng)>5 mmol/kg時則對植株生長造成嚴(yán)重威脅，本研究中EDTA施用量為1 mmol/kg時取得了最好的試驗(yàn)修復(fù)效果，此時EDTA與土壤中Cd、Pb、Zn物質(zhì)量之比分別約為：10 ∶9、5 ∶13、5 ∶73，由于Zn物質(zhì)的量與EDTA相差較大，因此誘導(dǎo)效果并不理想。

表2 不同EDTA施用量印度芥菜Cd、Pb、Zn含量與土壤中有效態(tài)重金屬濃度及提取量

注：差異顯著性用Duncan’s檢驗(yàn)，同列不同小寫字母表示處理間有顯著差異(P<0.05)；提取量為各處理平均值；“—”表示因植株死亡而無數(shù)據(jù)。下表同。

2.3 不同EDTA施用階段對印度芥菜富集Cd、Pb、Zn效果影響

由表3可知，D處理使印度芥菜生物量降低程度最小，與對照幾乎無差別，其次是E處理，生物量只降低5.63%，B處理未能發(fā)芽，可能由于EDTA的加入使種子所處環(huán)境驟變，未能順利生長。土壤有效態(tài)Cd、Pb、Zn含量最低的是D處理，且除Zn外均低于對照。EDTA的施入使植株地上部含量均有所提高，最高的是E處理，Cd、Pb、Zn含量分別比對照提高20.11%、300.14%、37.16%；C處理分別提高6.59%、169.55%、29.17%；D處理Pb、Zn含量分別提高186.74%、26.29%，Cd含量略有下降。提取量最高的均為E處理，Cd、Pb、Zn提取量分別為對照的1.13、3.78、1.29倍。

2.3 不同EDTA施用階段對印度芥菜富集Cd、Pb、Zn效果影響

由表3可知，D處理使印度芥菜生物量降低程度最小，與對照幾乎無差別，其次是E處理，生物量只降低5.63%，B處理未能發(fā)芽，可能由于EDTA的加入使種子所處環(huán)境驟變，未能順利生長。土壤有效態(tài)Cd、Pb、Zn含量最低的是D處理，且除Zn外均低于對照。EDTA的施入使植株地上部含量均有所提高，最高的是E處理， Cd、Pb、Zn含量分別比對照提高20.11%、300.14%、37.16%；C處理分別提高6.59%、169.55%、29.17%；D處理Pb、Zn含量分別提高186.74%、26.29%，Cd含量略有下降。提取量最高的均為E處理，Cd、Pb、Zn提取量分別為對照的1.13、3.78、1.29倍。

2.4 最優(yōu)處理EDTA誘導(dǎo)對印度芥菜吸收重金屬的影響

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，EDTA單次施用量為1 mmol/kg，于播種前、生長30 d后、收獲前7 d，分別施入1 mmol/kg EDTA的處理取得了最好的誘導(dǎo)效果，因此微區(qū)試驗(yàn)中采用此EDTA處理方法。由表4可知，EDTA 的加入使印度芥菜生物量略有下降，但統(tǒng)計上差異并不顯著；EDTA的添加顯著增加了植物地上部重金屬的含量，但在收獲時土壤中有效態(tài)重金屬含量均顯著低于對照，這可能是由于土壤中重金屬各形態(tài)間一直處于動態(tài)變化之中，無效態(tài)重金屬向有效態(tài)轉(zhuǎn)變，有效態(tài)重金屬被植物根系吸收。筆者取樣測定的是某一時刻土壤中的情況，在以上試驗(yàn)中不難發(fā)現(xiàn)，有效態(tài)含量高的處理并不意味著植物吸收量也高，兩者之間不存在簡單的量之間的依賴關(guān)系，比如在表2、表3的數(shù)據(jù)中，土壤中有效態(tài)重金屬含量高的處理相對應(yīng)的植株吸收量并不一定高。由表4還可見，植物地上部重金屬含量較對照顯著增加，Cd、Pb、Zn含量分別是對照的1.31、2.88、2.18倍，印度芥菜對重金屬的提取量(以每個微區(qū)為單元)均明顯增加，對Cd、Pb、Zn的提取量分別是對照的1.24、2.06、2.07倍。由此可見，EDTA較大幅度地增加了印度芥菜對重金屬的吸收與富集量，由于本試驗(yàn)受種植面積、時間、氣溫等條件影響，如果開展較大規(guī)模田間試驗(yàn)，可能會取得更為理想的誘導(dǎo)活化效果。

表3 不同EDTA施用時間印度芥菜Cd、Pb、Zn含量與土壤中有效態(tài)重金屬濃度及提取量

表4 EDTA誘導(dǎo)下印度芥菜Cd、Pb、Zn含量與土壤中有效態(tài)重金屬濃度及提取量

3 結(jié)論

本研究采用盆栽試驗(yàn)探討了EDTA施用對印度芥菜吸收Cd的增效作用，比較了不同劑量、不同施用方式EDTA誘導(dǎo)活化的效果，結(jié)果表明：

(1)在Cd添加量為0～200 mg/kg的不同處理中，印度芥菜都能夠順利發(fā)芽生長，印度芥菜對Cd表現(xiàn)出極強(qiáng)的忍耐特征。Cd毒害主要影響了印度芥菜的生育進(jìn)程，地上部生物量隨Cd添加量的增加出現(xiàn)先升高后降低的拋物線形規(guī)律，其臨界Cd添加濃度均為120 mg/kg。施入EDTA印度芥菜生物量比未施入的明顯下降，6個處理平均下降了26.52%。土壤Cd添加量與試驗(yàn)結(jié)束后土壤中有效態(tài)Cd含量呈較好的線性關(guān)系，在收獲后土壤有效態(tài)Cd含量表現(xiàn)為施入EDTA組低于不施EDTA的對照組，但EDTA的加入可以明顯提高印度芥菜對Cd的吸收量。EDTA誘導(dǎo)調(diào)控可明顯增加印度芥菜地上部對Cd的提取量，提高植物修復(fù)的效果，縮短修復(fù)年限。

(2)EDTA施用量不宜太大，當(dāng)>5 mmol/kg時則對植株生長造成嚴(yán)重威脅，本研究中EDTA施用量為1 mmol/kg時取得了最好的試驗(yàn)修復(fù)效果。

(3)不同階段施入EDTA對印度芥菜生物量和吸收量的影響也是不同的。于播種前、生長30 d后、收獲前7 d 3個階段分別施入1 mmol/kg EDTA(E處理)時印度芥菜生物量和吸收量最大，達(dá)到較好的修復(fù)效果，這種方式優(yōu)于其他處理。在這種方式處理的微區(qū)試驗(yàn)中，印度芥菜對Cd、Pb、Zn的提取量均提高了。

(4)微區(qū)試驗(yàn)采用上述試驗(yàn)的最優(yōu)處理，即EDTA單次施用量為1 mmol/kg，于播種前、生長30 d后、收獲前7d，分別施入1 mmol/kg EDTA，極大地提高了印度芥菜地上部對Cd、Pb、Zn的吸收與富集量，對Cd、Pb、Zn的提取量分別是對照的1.24、2.06、2.07倍。

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10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.072

2015-11-16

2013年度河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃“重金屬污染土壤原位微生物修復(fù)技術(shù)研究”(13227504D)。

楊 卓(1980—)，女，河北秦皇島人，博士，副教授，主要從事土壤重金屬污染與植物修復(fù)方面的研究。E-mail：yangzhuo315566@126.com。

X53

A

1002-1302(2017)02-0258-04

楊 卓，陳 婧. 重金屬污染土壤植物修復(fù)的EDTA調(diào)控效果[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45(2)：258-261.