中低汞污染下2種汞富集植物的發(fā)現(xiàn)

樊政 王新偉 喻小剛 楊曉霞 王歡歡 王一鳴 桂玉茹 鄭步云

摘要[目的]通過實(shí)地調(diào)研及實(shí)驗(yàn)室模擬法篩選汞的富集植物。[方法]采用冷原子熒光光譜法測定萬山汞礦植物汞含量，在此基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)室模擬法，研究更高土壤汞濃度下，優(yōu)勢植物的汞富集能力。[結(jié)果]在土壤汞濃度較低（0.141 mg/kg）時(shí)，苣荬菜（Sonchus brachyotus DC.）和野艾蒿（Artemisia lavandulaefolia）具有很高的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，分別為5.95和5.28。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)果，在土壤汞濃度為4.54和2.76 mg/kg時(shí)，苣荬菜和野艾蒿的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為1.92和1.26。[結(jié)論]在中低土壤汞污染水平下，綜合比較9種植物的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、生物量及生長繁殖速率等指標(biāo)，苣荬菜和野艾蒿可作為2 種新型汞富集植物。

關(guān)鍵詞汞富集植物；萬山汞礦；轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)；富集系數(shù)

中圖分類號(hào)S181；X53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2017）19-0062-04

The Discovery of 2 Kinds of Mercury Enrichment Plants Under Low and Middle Mercury Pollution

FAN Zheng ，WANG Xinwei*，YU Xiaogang et al

（China University of Petroleum （Beijing）， State Key Laboratory of Oil and Gas Resources and Exploration， Beijing 102200）

Abstract[Objective]Screening out Hg enrichment plants through field investigation and laboratory simulation method.[Method]Determining Wanshan mercury mine plants Hg content by cold atomic fluorescence spectrometry， on this basis， explore the enrichment ability of Hg in dominant plants under higher soil pollution through laboratory simulation method.[Result]When mercury concentration in soil was low （0.141 mg/kg）， Sonchus brachyotus DC.and Artemisia lavandulaefolia still has a high transfer coefficient，were 5.95 and 5.28， respectively.According to the simulation results，the transfer coefficient of Sonchus brachyotus DC.and Artemisia lavandulaefolia were 1.92 and 1.26 at soil Hg concentrations of 4.54 and 2.76 mg/kg.[Conclusion]As the enrichment coefficient， transfer coefficient， biomass and growth rate were compared，Sonchus brachyotus DC.and Artemisia lavandulaefolia can be regarded as 2 new mercury enrichment plants under the low and middle level of soil mercury pollution.

Key wordsMercury enrichment plants；Wanshan mercury mine；Transfer coefficient；Enrichment coefficient

汞具有長程跨界污染的屬性，是除了溫室氣體以外唯一一種對(duì)全球范圍產(chǎn)生影響的化學(xué)物質(zhì)，由于其持久性、生物蓄積性和毒性，已被聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署列為全球性污染物[1]。隨著1953年日本水俁灣汞污染以來，全球汞污染事件不斷升級(jí)，很多國家開始重視防治汞污染。研究表明，約95%的人為排放汞駐留在土壤[2]，因此，各國學(xué)者對(duì)土壤汞的關(guān)注尤為密切。

植物修復(fù)技術(shù)和化學(xué)修復(fù)、物理修復(fù)、微生物修復(fù)等技術(shù)手段相比，具有成本低、不破壞土壤、不引起二次污染、效率高且保護(hù)生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。因此，自1983年植物修復(fù)技術(shù)被美國科學(xué)家Chaney等首次提出以來，得到了廣大學(xué)者的重視[3]。在所有的重金屬中，對(duì)砷、鋅、鉛、錳及鎘等的富集植物研究較多[4-10]，相比之下，對(duì)汞富集植物的研究并不多[11]。王明勇等[12]研究發(fā)現(xiàn)，大戟科乳漿大戟（Euphorbia esula Linn）具有較強(qiáng)的汞富集能力，但其富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)不高。Liu等[13]發(fā)現(xiàn)了截至目前報(bào)道的汞富集能力最強(qiáng)的植物──三葉草（Trifolium repens），但該結(jié)果只是在實(shí)驗(yàn)室的含汞溶液中得出的，尚未證實(shí)在受汞污染土壤中的修復(fù)效果?？梢?，日益增長的土壤汞修復(fù)需求和相對(duì)滯后的土壤汞研究進(jìn)展形成了矛盾。由于自然選擇作用，在礦區(qū)內(nèi)往往存在某些重金屬的超富集植物或富集植物，這些植物的發(fā)現(xiàn)與培養(yǎng)成為植物修復(fù)的重要保證[14]。筆者對(duì)貴州萬山汞礦區(qū)的植物進(jìn)行了采集檢測，篩選后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬，以期找到一種汞的富集植物或超富集植物，為進(jìn)一步探索植物的汞富集機(jī)理奠定理論基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1研究對(duì)象。萬山汞礦的

苣荬菜（Sonchus brachyotus DC.）、抱莖苦荬菜（Xeris sonchifolia Hance.）、

野艾蒿（Artemisia lavandulaefolia）、牛膝（Achyranthes bidentata）、千里光（Senecio scandens Buch.Ham.）、

貫眾（Cyrtomium fortunei J.Sm.）、求米草（Oplismenus undulatifolius）、鳳尾蕨（Spider brake）、鐵角蕨（Asplenium trichomanes L.Sp.）

9種植物、土壤及實(shí)驗(yàn)室收獲的2種植物（苣荬菜、野艾蒿）及土壤。

1.1.2主要試劑。HgCl2晶體、新鮮王水、超純水、BrCl溶液、NH2OH·HCl溶液、純氮、營養(yǎng)土、植物營養(yǎng)液。

1.1.3主要儀器。冷原子熒光光譜儀（北京吉天儀器有限公司，AFS-920）、微波消解爐、粉碎機(jī)、恒溫箱、植物培養(yǎng)箱、全光譜植物燈。

1.2方法

1.2.1樣品采集。2015年8月在我國汞都──貴州萬山進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，并系統(tǒng)地采集萬山汞礦礦山地質(zhì)環(huán)境一坑（黑洞子）的植株樣及土樣。同時(shí)采集萬山汞礦六坑（張家灣）的土樣作為對(duì)照。植株樣按地上部、地下部分裝，土樣以0～5 cm表土采集。采樣點(diǎn)分布見圖1。

1.2.2樣品前處理。

1.2.2.1土壤樣品前處理。把土壤樣品均勻混合，使用四分法縮分去除土樣中的小石子等異物，放在陰涼處風(fēng)干，用研缽研磨。過100目尼龍篩，稱重，裝于玻璃瓶中，用錫紙封裝，貼上標(biāo)簽，備用。

1.2.2.2植物樣品前處理。先用自來水徹底沖洗植株，再使用去離子水淋洗，把洗凈的植株分為地下部（根）和地上部（莖、葉），風(fēng)干6 h，置于恒溫箱中于50 ℃烘干，用粉碎機(jī)粉碎，過100 目尼龍篩，稱重，分裝于玻璃瓶中，用錫紙封裝，貼上標(biāo)簽，備用。

1.2.3汞含量的測定。采用《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17136—1997》方法進(jìn)行土樣和植株樣中汞含量的測定（委托北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所進(jìn)行測定）。

1.3實(shí)驗(yàn)室培育及模擬

通過Hg含量檢測，綜合比較9種

植物的生物量、富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、繁殖速度、根系長度及

環(huán)境適應(yīng)性等因素，確定苣荬菜和野艾蒿2種植物為汞富集植物。通過實(shí)驗(yàn)室模擬法，探究更高土壤汞濃度下植物的富集系數(shù)及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。苣荬菜和野艾蒿的種子均在貴州市場購買，分別播種到8個(gè)花盆中，每種植物各4個(gè)，花盆隨機(jī)擺放于植物培養(yǎng)箱中，光照10～14 h/d，保持空氣溫度為25～35 ℃，土壤濕度為60%～80%。植物發(fā)芽2 d后，將花盆轉(zhuǎn)移到花盆架上，覆蓋上透明大棚膜，使用全光譜植物燈照射8～12 h/d。植物生長57 d時(shí)，每7 d添加1次HgCl2溶液，濃度分別為10、50、250和500 mg/L，收獲植物前7 d停止添加。85 d時(shí)，收獲所有植物和土壤，再次測定汞含量。

2結(jié)果與分析

2.1植物汞污染水平

由于萬山汞礦區(qū)特殊的地理位置及地形，在長期的自然選擇下，礦區(qū)中大多數(shù)是野生的草本植物，喬灌木相對(duì)較少。對(duì)萬山一坑生長良好、生物量較大的植物進(jìn)行了采集，植株地上、地下部分的汞含量見表1。由表1可知，苣荬菜、抱莖苦荬菜、野艾蒿、牛膝、千里光、貫眾、求米草、鳳尾蕨及鐵角蕨9種植物對(duì)汞的富集系數(shù)均大于100，對(duì)汞均具有較強(qiáng)的耐性和富集能力，其中苣荬菜、抱莖苦荬菜、野艾蒿、牛膝、千里光、貫眾的富集系數(shù)均大于5.00，可見菊科植物植株中汞含量及富集系數(shù)均排在前列。菊科是比較年青且進(jìn)化程度較高的一個(gè)大科，該科植物在形態(tài)結(jié)構(gòu)及繁殖方式上先進(jìn)，環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，生長速度快，廣泛分布在世界各地，具有作為修復(fù)植物的基本條件，也為汞富集植物的尋找與篩選提供了一定的指導(dǎo)方向。

因此，在較低的土壤汞脅迫下，萬山以菊科植物為主的富集植物比例達(dá)到444%，占最大比例，這不同于王明勇等[12]報(bào)道的大戟科乳漿大戟。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2017年

2.2土壤汞污染水平

萬山汞礦一坑的土壤平均汞濃度為0.141 mg/kg，汞礦六坑的土壤平均汞濃度為0.165 mg/kg。通過與以往研究對(duì)比分析可知，貴州萬山一坑和貴州萬山六坑土壤汞含量均高于國家11種土壤汞平均含量（0.071 mg/kg），也高于世界土壤汞的平均值 0.030～0.100 mg/kg[15]，但低于2005和2010年萬山汞礦的污染水平（表2），這說明礦區(qū)土壤汞污染得到了一定的治理，但汞污染依然存在。由表2可知，萬山汞礦區(qū)的汞污染在世界各地區(qū)中較為嚴(yán)重，迫切需要進(jìn)行土壤汞修復(fù)。

2.3優(yōu)勢植物的富集特征

為篩選可修復(fù)土壤汞污染的優(yōu)勢植物，對(duì)9種植物的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)等因素進(jìn)行對(duì)比分析。目前，對(duì)于重金屬富集系數(shù)的計(jì)算方法存在一些爭議，該研究采用韋朝陽等[18]和吳浩等[19]提出的計(jì)算方法。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的計(jì)算方法目前不存在爭議，為地上部與地下部重金屬含量之比。

富集系數(shù)=地上部重金屬含量/土壤重金屬含量

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=地上部重金屬含量/根部重金屬含量

由表1可知，在萬山汞礦一坑 9種常見的植物中，苣荬菜、抱莖苦荬菜、野艾蒿、牛膝地上部汞含量均超過0.900 mg/kg，為一般植物體內(nèi)（以辣椒為例）汞含量的45倍以上[20]。

苣荬菜和野艾蒿的富集系數(shù)分別為7.09和6.74，說明這2種植物在土壤汞含量較低時(shí)（0.141 mg/kg）能夠有效吸收土壤中的汞。苣荬菜和野艾蒿的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為5.95和5.28，說明這2種植物可有效地將植物地下部的汞轉(zhuǎn)移到地上部。在汞礦區(qū)，2種植物均生長良好，生物量較高。野艾蒿分布極廣，適應(yīng)性很強(qiáng)，對(duì)土壤無特殊要求，生長、繁殖速度快且根系發(fā)達(dá)，可以富集較深的含汞土壤。苣荬菜分布廣泛，不擇土壤，可生長于荒山和礫石灘，耐鹽堿、耐干旱且栽培技術(shù)成熟。因此，確定苣荬菜和野艾蒿作為優(yōu)勢植物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬。

2.4優(yōu)勢植物的實(shí)驗(yàn)室模擬通過對(duì)苣荬菜和野艾蒿的種植、培育、加汞、檢測，得出花盆中植物及土壤的汞含量見表3。

研究表明，汞主要累積在植物根部，故植物的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)一般較低[21]。但根據(jù)表1、3實(shí)測結(jié)果，在土壤汞濃度較低（0.141 mg/kg）時(shí)，苣荬菜和野艾蒿仍具有很高的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，分別為5.95和5.28。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)果，在土壤汞濃度為4.54和2.76 mg/kg時(shí)，苣荬菜和野艾蒿的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為1.92和1.26。當(dāng)土壤汞濃度增加時(shí)，苣荬菜和野艾蒿的富集系數(shù)均降低，但地上部、地下部汞濃度均較大提升，再次證明苣荬菜和野艾蒿為汞的富集植物。

3討論

3.1汞超富集植物的判定

超富集植物的概念首先是由 Brooks 等[20]提出，對(duì)于汞的超富集植物的定義至今尚無明確定論。一般情況下，重金屬超富集植物的認(rèn)定要考慮以下3個(gè)條件[22]：①植物地上部富集重金屬的量需要達(dá)到一定臨界標(biāo)準(zhǔn)，在較低污染水平下也要有較高的吸收速率；

②S/R>1（S和R分別代表植物地上部與地下部的重金屬含量），即植物要有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，而一般植物的S/R≤0.1；

③與一般植物相比較，超富集植物能夠忍耐較高濃度的重金屬毒害，而一般植物則會(huì)發(fā)生毒害甚至死亡。

通過趙慶令等[23]的評(píng)價(jià)指標(biāo)可以看出，在土壤汞含量為0.141 mg/kg時(shí)，苣荬菜和野艾蒿的富集程度均為顯著富集，作為汞的富集植物，這種富集程度很少見。趙甲亭等[24]在萬山汞礦區(qū)同樣證實(shí)了野艾蒿屬于汞富集植物，這與該研究結(jié)論一致。土壤汞含量大于50 mg/kg時(shí)，根部汞含量為13.6 mg/kg，地上部汞含量為5.2 mg/kg，說明在重度汞污染（大于50 mg/kg）情況下，野艾蒿富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均降低且小于1.00，但地上部、地下部汞含量均得到顯著提升。當(dāng)土壤汞含量在重度污染（大于50 mg/kg）水平時(shí)，苣荬菜的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)將如何變化還有待后續(xù)的試驗(yàn)研究。

3.2汞富集植物的選育

該研究表明，野艾蒿和苣荬菜均為汞富集植物。其中，野艾蒿并不滿足汞超富集植物的嚴(yán)格定義，苣荬菜是否滿足汞超富集植物的嚴(yán)格定義還有待后續(xù)研究。以往研究中，植物的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)得到了充分重視，但富集植物和超富集植物的篩選、引種培育和綜合試驗(yàn)工作，也應(yīng)該重點(diǎn)放在一些生物量大、根系發(fā)達(dá)、生長繁殖速度快、適應(yīng)性廣或栽培技術(shù)成熟的植物上。苣荬菜和野艾蒿的一系列特征正好滿足這一期望，在汞污染土壤的治理方面，尤其是在中低濃度的汞污染條件下具有較好的應(yīng)用前景，適合大面積推廣。

4結(jié)論

在萬山汞礦區(qū)一坑長勢較好的9種常見植物中，菊科植物的比例為44.4%，菊科植物在汞的修復(fù)中具有較大潛力。在中低土壤汞污染水平下，綜合比較9種植物的生物量、富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)等指標(biāo)可知，苣荬菜和野艾蒿可作為2種新型汞富集植物。

參考文獻(xiàn)

[1]

ZHANG H H，CHEN J J，ZHU L，et al.Anthropogenic mercury enrichment factors and contributions in soils of Guangdong Province，South China[J].Journal of geochemical exploration，2014，144：312-319.

[2] BIESTER H，MLLER G，SCHLER H F.Binding and mobility of mercury in soils contaminated by emissions from chloralkali plants[J].The science of the total environment，2002，284（1/2/3）：191-203.

[3] 劉小寧，馬劍英，張慧文，等.植物修復(fù)技術(shù)在土壤重金屬污染中應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].中國沙漠，2009，29（5）：859-865.

[4] 陳同斌，韋朝陽，黃澤春，等.砷超富集植物蜈蚣草及其對(duì)砷的富集特征[J] .科學(xué)通報(bào)，2002，47（3）：207-210.

[5] 楊肖娥，龍新憲，倪吾鐘，等.東南景天（Sedum alfredii H）：一種新的鋅超積累植物[J].科學(xué)通報(bào)，2002，47（13）：1003-1006.

[6] 韋朝陽，陳同斌，黃澤春，等.大葉井口邊草：一種新發(fā)現(xiàn)的富集砷的植物[J] .生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，22（5）：777-778.

[7] 薛生國，陳英旭，林琦，等.中國首次發(fā)現(xiàn)的錳超積累植物：商陸[J] .生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，23（5）：935 -937.

[8] 劉威，束文圣，藍(lán)崇鈺.寶山堇菜（Viola baoshanensis）：一種新的鎘超富集植物[J].科學(xué)通報(bào)，2003，48（19）：2046-2049.

[9] 魏樹和，周啟星，王新.超積累植物龍葵及其對(duì)鎘的富集特征[J].環(huán)境科學(xué)，2005，26（3）：167-171.

[10] 張學(xué)洪，羅亞平，黃海濤，等.一種新發(fā)現(xiàn)的濕生鉻超積累植物：李氏禾（Leersia hexandra Swartz）[J] .生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，26（3）：950-953.

[11] 蔣大猛，鄧天龍，賴冬梅，等.汞污染土壤的植物修復(fù)研究進(jìn)展[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（1）：126，128.

[12] 王明勇，乙引.一種新發(fā)現(xiàn)的汞富集植物：乳漿大戟[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010（2）：354-356.

[13] LIU Z C，WANG L A.A plant species （Trifolium repens） with strong enrichment ability for mercury[J].Ecological engineering，2014，70（5）：349-350.

[14] 王明勇，乙引，張習(xí)敏，等.汞礦廢棄地草本植物對(duì)汞污染土壤的適應(yīng)性特征[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（1）：29-31.

[15] 夏增祿，穆從如，李森照，等.我國若干土壤類型剖面中汞的自然含量及其分異的初步分析[J].科學(xué)通報(bào)，1984，29（10）： 620-620.

[16] MENG M，LI B，SHAO J J，et al.Accumulation of total mercury and methylmercury in rice plants collected from different mining areas in China[J].Environmental pollution，2014，184：179-186.

[17] WANG J X，F(xiàn)ENG X B，ANDERSON C W N.Remediation of mercury contaminated sites：A review[J].Journal of hazardous materials，2012，221/222：1-18.

[18] 韋朝陽，陳同斌.重金屬超富集植物及植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，21（7）：1196-1203.

[19] 吳浩，盧志軍，黃漢東，等.三種植物對(duì)土壤磷吸收和富集能力的比較[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，39（1）：63-71.

[20] BROOKS R R，LEE J，REEVES R D，et al.Detection of nickeliferous rocks by analysis of herbarium specimens of indicatorplants[J].Journal of geochemical exploration，1997， 7：49 -57.

[21] FERNNDEZMARTíNEZ R，LARIOS R，GMEZPINILLA I，et al.Mercury accumulation and speciation in plants and soils from abandoned cinnabar mines[J]，Geoderma，2015，253/254：30-38.

[22] 常青山，馬祥慶.重金屬超富集植物篩選研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，24（S1）：330-335.

[23] 趙慶令，李清彩，謝江坤，等.應(yīng)用富集系數(shù)法和地累積指數(shù)法研究濟(jì)寧南部區(qū)域土壤重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].巖礦測試，2015，34（1）：129-137.

[24] 趙甲亭，李云云，高愈希，等.貴州萬山汞礦地區(qū)耐汞野生植物研究[J].生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2014，9（5）：881-887.