萱草對(duì)重金屬鉛污染土壤的修復(fù)效果研究

李秀仙，王斌，李 珣，孔文亮，孫寶年，姚士新

（天津市北大港濕地自然保護(hù)區(qū)管理中心，天津300270）

在人類生產(chǎn)和生活過(guò)程中，平均每年排放約5×106t鉛。我國(guó)每年排放到環(huán)境中的鉛約為7.83×105t[1]。大量有害重金屬鉛進(jìn)入土壤，造成土壤中的鉛含量嚴(yán)重超標(biāo)，使得土壤結(jié)構(gòu)和功能惡化，土壤肥力下降，直接危害到人類的健康和發(fā)展。

重金屬鉛雖然是植物生長(zhǎng)所需的微量元素,在植物體內(nèi)的含量適中時(shí)，會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起到良好的促進(jìn)作用。但是，鉛在植物體內(nèi)的含量較高時(shí)則會(huì)影響植物的正常生長(zhǎng),紊亂植物的生長(zhǎng)代謝，抑制植物的生長(zhǎng)和發(fā)育,最終導(dǎo)致植物死亡。如，長(zhǎng)期使用含鉛量較高的水灌溉農(nóng)作物時(shí),會(huì)影響農(nóng)作物的根部對(duì)氮的轉(zhuǎn)化和吸收[2]，而且，重金屬鉛污染的土壤中的鉛會(huì)富集到植物體內(nèi)并會(huì)通過(guò)食物鏈在人體內(nèi)富集。重金屬在食物鏈中的傳遞是具有累積性的，食物鏈頂端的人類會(huì)在體內(nèi)累計(jì)大量的重金屬，當(dāng)人體累積的重金屬鉛含量過(guò)高，會(huì)造成重金屬中毒并產(chǎn)生絞痛；孕婦體內(nèi)的鉛含量過(guò)高時(shí)會(huì)造成死胎、早產(chǎn)及嬰兒精神呆滯等病癥[3]。通過(guò)研究萱草對(duì)不同濃度的鉛的富集與轉(zhuǎn)運(yùn)情況來(lái)探究植物修復(fù)的機(jī)制，為防治重金屬鉛的土壤污染提供數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

準(zhǔn)備材料：栽培土壤、營(yíng)養(yǎng)土、花盆、萱草的幼苗等。

實(shí)驗(yàn)儀器：石墨爐原子吸收分光光度計(jì)、鉛空心陰極燈、10 uL移液槍等。

實(shí)驗(yàn)試劑：濃硝酸、氫氟酸、高氯酸、磷酸氫二胺溶液、鉛標(biāo)準(zhǔn)使用溶液 Pb（NO3）2：250 μg/L 等。

1.2 檢測(cè)方法

實(shí)驗(yàn)測(cè)定土壤及植物體內(nèi)重金屬鉛的方法依據(jù)是GB/T 17141—1997《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測(cè)定石墨爐原子吸收分光光度法》。儀器的使用條件見(jiàn)表1。

表1 儀器條件

1.3 計(jì)算公式

1.4 萱草培育

實(shí)驗(yàn)是以萱草為栽培對(duì)象，盆栽所用土以5.5 kg野外土壤，0.5 kg營(yíng)養(yǎng)土配置栽培土壤，即每個(gè)花盆裝土6.0 kg，共配置16盆，每盆摘種1株萱草嫩芽。自2018年1月培養(yǎng)至2018年11月。在寒冷季節(jié)，溫度較低時(shí)，轉(zhuǎn)移到室內(nèi)培育，室內(nèi)溫度23℃，溫度波動(dòng)為2℃，于2018年1月15日將配置好的Pb（NO3）2以溶液形式加入土壤中（均勻滴滲）。以查閱的大量資料為依據(jù)，將實(shí)驗(yàn)組分為三組，每組培養(yǎng)4盆，剩余4盆不加 Pb（NO3）2作為對(duì)照組（CK），各實(shí)驗(yàn)組重金屬鉛的處理濃度具體值見(jiàn)表2。

表2 重金屬鉛處理濃度

1.5 試樣制備與測(cè)定

取樣時(shí)，將萱草完整取出，將花盆中的土壤收集完全，裝入準(zhǔn)備好的信封中，于烘箱中80℃烘干4 h，稱重記錄。之后用研磨器研磨，通過(guò)100目的網(wǎng)篩，以除去孔徑較大的沙粒，取篩下土混勻后備用；將采集的萱草植物去除根部沙土并稱重記錄（具體質(zhì)量見(jiàn)表3），后續(xù)處理方法與土壤相同。

表3 萱草烘干后的生物量

在電子天平上稱取0.2 g樣品倒入50 mL的坩堝中，先在坩堝中加少量去離子水再加入5 mL濃鹽酸，在電熱板上加熱，溫度控制在120～160℃，初步分解樣品，待試樣剩余約2 mL時(shí)，取出冷卻，然后加入5 mL硝酸、4 mL氫氟酸、2 mL高氯酸。加蓋后在電熱板上恒溫加熱1 h，溫度控制在160～190℃。到時(shí)間后，開(kāi)蓋加熱除硅，并經(jīng)常搖動(dòng)坩堝。直到坩堝內(nèi)冒厚重的高氯酸白煙時(shí)，再加蓋，這樣是為了使黑色的有機(jī)碳化物能夠充分分解。坩堝內(nèi)的黑色有機(jī)物消失后，開(kāi)蓋趕酸，等到樣品呈粘稠狀，取下坩堝冷卻，然后用去離子水淋洗坩堝的蓋和內(nèi)壁，再加入1 mL硝酸于120℃恒溫加熱溶解剩余殘?jiān)堅(jiān)芙馔耆髮③釄鍍?nèi)溶液移至25 mL容量瓶中，再加入3 mL磷酸氫二胺溶液于容量瓶中，待溶液冷卻后定容。

依據(jù)GB/T 17141—1997《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測(cè)定石墨爐原子吸收分光光度法》。測(cè)定各實(shí)驗(yàn)組泥土和萱草樣品中重金屬鉛的含量 W［Pb（Cd），mg/kg］，按公式（3）計(jì)算：

式中：c—制備的樣品中鉛含量，μg/L；

V—試液定容的體積，mL；

m—稱取試樣的質(zhì)量，g；

f—試樣中水分的含量，%。

2 結(jié)果及討論

2.1 土壤本底值

測(cè)定剛配置的土壤中重金屬鉛的本底值（表4、表5）。

表4 土壤重金屬鉛本底值 mg·kg-1

表5 土壤本底值其他指標(biāo) mg·kg-1

2.2 測(cè)定結(jié)果與分析

各實(shí)驗(yàn)組萱草根葉中鉛的濃度（表6）。

表6 萱草根葉中Pb的濃度 mg·kg-1

由表6可以看出，萱草的兩個(gè)器官中對(duì)重金屬鉛的吸收富集能力會(huì)隨著加入土壤中重金屬鉛的含量升高而增大。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，萱草根在各個(gè)實(shí)驗(yàn)組中所富集的鉛含量均大于葉。其中鉛含量為100～1 000 mg/kg時(shí)，葉中的鉛含量大約是根中的1/2。此外，萱草的根對(duì)重金屬鉛的吸收能力在各濃度梯度均大于萱草葉。

2.3 富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

利用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定土壤樣品和萱草中鉛的含量，通過(guò)公式（1）（2）即可計(jì)算出萱草的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（表7）。

表7 萱草根-葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)及富集系數(shù)

在鉛的處理濃度較低時(shí)，根和葉的富集系數(shù)較高，濃度高時(shí)根的富集系數(shù)迅速減小。這是因?yàn)榈秃康闹亟饘巽U離子是萱草生長(zhǎng)過(guò)程中所需要的必需元素，因此根和葉器官會(huì)富集重金屬鉛；轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在處理濃度為100 mg/kg時(shí)達(dá)到最大為1.15，此時(shí)萱草葉中的鉛含量大于根，土壤中的Pb趨向于向萱草的地上部分積累。

2.4 修復(fù)效率

利用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定土壤樣品中鉛的含量，通過(guò)公式（4）即可計(jì)算出萱草對(duì)土壤中Pb的修復(fù)效果：

土壤修復(fù)效率=植物修復(fù)前后土壤重金屬含量的差值/泥土中最初的重金屬含量 （4）

由公式（4）計(jì)算得萱草對(duì)土壤修復(fù)效率，如表8。

表8 萱草對(duì)土壤中Pb的修復(fù)效率

從表8可以看出，萱草對(duì)鉛的修復(fù)效率都比空白對(duì)照組要大，修復(fù)效果比較穩(wěn)定，最大修復(fù)效率可達(dá)到82.14%。說(shuō)明萱草對(duì)重金屬污染土壤具有一定的修復(fù)能力。

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出，在重金屬Pb脅迫濃度較高時(shí)（大于500 mg/kg），萱草葉的富集系數(shù)均大于根部的富集系數(shù)，說(shuō)明重金屬Pb向萱草葉部轉(zhuǎn)化的較多。萱草的根在100 mg/kg實(shí)驗(yàn)組中富集系數(shù)達(dá)到最高；地上部分在500 mg/kg實(shí)驗(yàn)組，富集系數(shù)達(dá)到最高。萱草對(duì)鉛的修復(fù)效率都比空白對(duì)照組要大，修復(fù)效果比較穩(wěn)定，最大修復(fù)效率可達(dá)到82.14%。說(shuō)明萱草對(duì)重金屬污染土壤具有一定的修復(fù)能力，修復(fù)后萱草平均土壤含水率為59.2%，是原來(lái)19%的3倍多，說(shuō)明萱草可以改善土壤的性質(zhì)。根據(jù)國(guó)家無(wú)公害蔬菜重金屬含量的標(biāo)準(zhǔn)，鉛的含量應(yīng)不超過(guò)50 mg/kg，萱草種植在鉛濃度低于100 mg/kg的土壤中，其莖部和葉片中的鉛含量一般不超過(guò)50 mg/kg，萱草作為花卉植物很少被食用，可減少對(duì)人類身體健康的危害，將萱草用于城市隔離帶或者作為景區(qū)的景觀，不會(huì)進(jìn)入食物鏈循環(huán)。這種方式可減少重金屬鉛在生態(tài)系統(tǒng)的流動(dòng)過(guò)程中對(duì)人體健康產(chǎn)生的威脅。用萱草修復(fù)污染土壤，既能修復(fù)土壤，又能美化環(huán)境，是一種較為綠色的修復(fù)手段，可謂一舉多得。因此，萱草完全可用于環(huán)境的優(yōu)化和治理。