不同活化劑對伴礦景天富集鎘的影響

吳孟君，張德馨，胡宏祥，詹林川，薛中俊，徐 年

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230036）

隨著我國社會的不斷發(fā)展，工業(yè)和礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用帶來的生活廢水、污水、汽車廢氣等造成了嚴(yán)重的土壤重金屬污染問題［1］.而土壤Cd污染是我國突出的環(huán)境問題之一，《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，土壤Cd位點超標(biāo)率是最高的，達(dá)到7%［2］.安徽銅陵是位于長江中下游的多金屬礦區(qū)，長期采礦產(chǎn)生了含有大量重金屬的酸性礦山廢水，并伴隨雨水流入周邊水域、土壤.而土壤中的重金屬對農(nóng)作物、農(nóng)產(chǎn)品等都產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，并通過食物鏈危及人類健康［3］，因此修復(fù)重金屬污染土壤這一問題迫在眉睫.常見的重金屬修復(fù)方法有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)及生物修復(fù)三種，其中生物修復(fù)中的植物修復(fù)憑借其環(huán)境友好、綠色經(jīng)濟等特點逐漸成為修復(fù)土壤的首選方式［4-5］.張會敏等［6］研究顯示銅陵市相思谷銅尾礦區(qū)自然定居的八種植物中，芒對重金屬 Cu、Pb、Zn、Cd 吸收累積能力較好，可作為重金屬污染土壤的修復(fù)植物.葉文玲等［7］通過研究安徽銅陵石灰窯和相思谷尾礦庫區(qū)的優(yōu)勢植物，篩選出斷續(xù)菊對Cd具有較強的遷移能力和富集能力，地上部Cd含量達(dá)到了3.79mg/kg.但是單純的植物修復(fù)存在一定的的局限性，通過合適的手段強化植物修復(fù)效果成為植物修復(fù)的關(guān)鍵之一.國內(nèi)外學(xué)者在植物提取修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加了農(nóng)藝、蚯蚓、根際微生物、活化劑、現(xiàn)代生物技術(shù)等強化措施，改善了植物提取的修復(fù)效果，并取得了階段性的進展［8］.如徐年等［9］通過將油菜分別和黑麥草、酸模間作，發(fā)現(xiàn)這種種植模式能顯著增加黑麥草和酸模地上部對Cd的吸收量.衛(wèi)澤斌等［10］學(xué)者發(fā)現(xiàn)施加2.5mmol/kg的GLDA活化劑可以顯著提高東南景天地上部的生物量和Cd、Zn濃度，進而提高了東南景天對土壤Cd和Zn的提取效率.許偉偉等［11］通過將濃度均為10mmol/L的檸檬酸、木醋液、聚天冬氨酸、羥基乙叉二磷酸和FeCl3分別與油菜聯(lián)合進行試驗，發(fā)現(xiàn)木醋液最能促進油菜對Cd的吸收，檸檬酸次之.其中利用活化劑促進植物對重金屬的吸收累積，也被稱為化學(xué)強化的植物提取技術(shù)［12］.螯合劑、低分子有機酸和表面活性劑是土壤重金屬污染修復(fù)應(yīng)用最為廣泛的三類活化劑［13］.眾所周知，伴礦景天（Sedum plumbizincicola）是一種Zn、Cd超積累植物，具有多年生、生物量大、生長速率快等優(yōu)點［14］.崔立強等［15］研究表明，伴礦景天新葉中Cd和Zn含量最高可以達(dá)到777mg/kg和25～500mg/kg，是進行重金屬修復(fù)的良好資源.而目前，利用活化劑強化超積累植物吸收積累重金屬的相關(guān)報道較少.故本研究以安徽某鎘污染農(nóng)田土壤為試驗用土，選擇螯合劑乙二胺四乙酸二鈉（EDTA）、天然有機酸檸檬酸（CA）及表面活性劑茶皂素（TS）分別作為單一活化劑輔助伴礦景天做盆栽試驗，研究不同活化劑對伴礦景天累積鎘的特點，以期為銅陵重金屬污染區(qū)農(nóng)田提供更有效、經(jīng)濟的修復(fù)手段.

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試植物：伴礦景天（Sedum plumbizincicola）幼苗，采自中國科學(xué)院南京土壤研究所培養(yǎng)基地，挑選長勢相近的幼苗備用，均高約為8cm.

供試活化劑：乙二胺四乙酸二鈉（EDTA）（分析純）、茶皂素（TS）（分析純）、檸檬酸（CA）（分析純）.

供試土壤：采自安徽銅陵某礦區(qū)鎘污染農(nóng)田土壤（水稻土），其地理位置為：30°56'18.62"N，117°59'25.2"E.供試土壤養(yǎng)分達(dá)二級以上，土壤全鎘含量超過國家農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管制值（GB15618-2018）.所取土壤皆為2017年10月初采集的農(nóng)田表層0～20 cm土壤，經(jīng)風(fēng)干后去除雜物、混勻、磨碎、過5 mm尼龍篩備用.供試土壤主要性質(zhì)見表1.

表1 供試土壤的主要性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

采用盆栽試驗：試驗分別設(shè)置活化劑EDTA、TS和CA的五個不同濃度：0、1、3、5、10mmol/L（0濃度即為對照組CK）.

2018年10月10日在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園將備用土壤裝盆，每盆裝土3kg，澆水穩(wěn)定后種植3棵伴礦景天幼苗.2019年3月20日向盆栽中施加400ml各對應(yīng)濃度的活化劑，小心澆灌到土壤表面，使之慢慢滲到底層15cm處，共13個處理，各處理重復(fù)三次，將處理編號為：EDTA-1（表示該盆施加400ml濃度為1mmol/L的EDTA）、EDTA-3、EDTA-5、EDTA-10、TS-1、TS-3、TS-5、TS-10、CA-1、CA-3、CA-5、CA-10和CK.盆栽完全隨機擺放，試驗期間不定期交換位置，使之減少邊際效應(yīng)產(chǎn)生的不良影響，5月10日收獲盆栽樣品和采集土壤.

1.3 樣品的分析和測定

1.3.1 土壤樣品的分析

土壤樣品放在陰涼通風(fēng)處風(fēng)干后，用木棒敲打壓碎，除去其中的石塊與植物根系，分別過1mm和0.149mm篩，用于土壤重金屬含量及基本理化性質(zhì)測定.

1.3.2 植物樣品的分析

收獲后的伴礦景天分別用自來水、去離子水洗滌地上部及根系，晾干，置于信封袋中，在105℃下殺青30min，然后70℃烘干至恒重，記錄干重，粉碎，過0.149mm篩備用.

1.3.3 樣品測定指標(biāo)與方法

土壤pH采用（水土比2.5：1）pH計電位測定，土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定，速效磷、速效鉀含量分別采用Olsen法和醋酸銨浸提-火焰光度法測定.植株樣品采用硝酸、高氯酸消解；土壤Cd全量采用王水、高氯酸消解，土壤有效態(tài)Cd含量采用DTPA浸提，用GSS-26、GSS-5土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進行質(zhì)量控制.消解液和浸提液中的Cd含量通過電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（iCAP 6300）測定.

1.3.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)利用SPSS19.0進行平均值的計算、方差分析、相關(guān)性分析；利用Origin2017軟件作圖.轉(zhuǎn)移系數(shù)、富集系數(shù)、土壤Cd凈化率計算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 不同活化劑處理下伴礦景天的生物量

由表2可知，隨著EDTA濃度的增加，伴礦景天生物量呈現(xiàn)降低趨勢，生物量較對照增加5.01%～54.46%.處理EDTA-1的生物量最大，為23.20g/pot.濃度為10mmol/L時，伴礦景天地上部分生物量比對照降低2.56%.不同濃度茶皂素處理條件下，伴礦景天生物量較對照增加22.77%～51.26%，處理TS-5的生物量最大，為22.72g/pot，其地上部分生物量與其它三種處理之間均達(dá)到顯著性差異（P＜0.05）.與對照相比，不同濃度檸檬酸處理下，伴礦景天生物量增加20.31%～71.70%，處理CA-1的生物量為25.79g/pot，增加幅度最大.隨著檸檬酸濃度的增加，伴礦景天生物量也呈現(xiàn)降低趨勢.同時，不同活化劑處理的伴礦景天根系生物量變化趨勢與地上部分變化大體一致.

表2 不同活化劑處理下伴礦景天的生物量/g·pot-1

2.2 不同活化劑對伴礦景天地上部分及根系Cd含量的影響

由圖1可知，不同處理下，伴礦景天中Cd含量均表現(xiàn)為：地上部分 根系.隨著EDTA濃度的增加，其地上部分及根系Cd含量均呈先增大后減小的趨勢.處理EDTA-3伴礦景天地上部分及根系Cd含量均最大，分別為379和145mg/kg，比對照顯著增加77.93%和187.19%.而當(dāng)1、5、10mmol/LEDTA處理時，伴礦景天根系Cd含量分別增加42.92%、137.67%、109.74%，處理間差別顯著（P＜0.05）.

隨著茶皂素濃度的增加，伴礦景天地上部分Cd含量逐漸減小，為286.06mg/kg～323.67mg/kg，相較于對照增加33.70%～51.28%；根系Cd含量比對照增加15.79%～140.77%，各處理間差別顯著（P＜0.05）.處理TS-1伴礦景天地上部分和根系Cd含量均最大，分別為323.67和121.57mg/kg，表明此濃度下，伴礦景天對土壤中Cd的富集效果最好.

隨著檸檬酸濃度的增加，伴礦景天地上部分Cd含量逐漸增大；不同處理間根系Cd含量差異顯著（P＜0.05）.當(dāng)檸檬酸濃度為10mmol/L時，地上部分及根系Cd含量都達(dá)最大值，顯著高于對照67.80%、172.21%.

圖1 活化劑對伴礦景天地上部及根系Cd含量的影響

2.3 不同活化劑對伴礦景天修復(fù)后土壤有效Cd的影響

由圖2可知，隨著EDTA濃度的增加，土壤有效Cd含量呈先增后減的趨勢.相比于對照，各處理有效Cd含量增加0%～58.14%，其中處理EDTA-5增加幅度最大，與其它三種處理之間均達(dá)到了顯著性差異（P＜0.05）.隨著茶皂素濃度的增加，土壤有效Cd含量逐漸增大，其含量分別為0.93、1.02、1.36和1.46mg/kg，處理TS-3、TS-5和TS-10的有效Cd含量均顯著高于對照（P＜0.05）.隨著檸檬酸濃度的增加，土壤有效Cd含量呈增大趨勢，增加范圍為5.81%～37.21%，但各處理之間差異不明顯.

圖2 活化劑對土壤有效Cd的影響

2.4 不同活化劑對伴礦景天累積特征及土壤Cd凈化率的影響

表3為不同活化劑處理下，伴礦景天對Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)TF、富集系數(shù)BF、富集量及土壤Cd凈化率情況.

活化劑EDTA、茶皂素和檸檬酸的不同濃度處理下，伴礦景天對Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)不同.與對照相比，處理EDTA-3、EDTA-5和EDTA-10均顯著減小，減小34.20%～38.44%；處理EDTA-1的伴礦景天對Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)較對照增加3.3%，但未達(dá)到顯著性差異.茶皂素處理條件下，TS-5的轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著高于對照16.98%（P＜0.05），處理TS-1、TS-3和TS-10轉(zhuǎn)移系數(shù)均有所減小，減小1.65%～37.26%，各處理之間差異性顯著（P＜0.05）.檸檬酸處理下，轉(zhuǎn)移系數(shù)普遍偏低，較對照降低22.41%～38.44%.

與對照相比，添加活化劑均不同程度提高了伴礦景天的富集系數(shù).EDTA處理下伴礦景天富集系數(shù)較對照增加40.75%～77.58%，處理EDTA-3增幅最大，與其它處理均達(dá)到顯著性差異（P＜0.05）.處理TS-1較對照顯著增加51.28%，與處理TS-3、TS-5之間差異不顯著.在檸檬酸不同濃度處理條件下，伴礦景天的富集系數(shù)較對照增加12.12%～67.96%，處理CA-10與各處理之間差異性顯著（P＜0.05）.

不同濃度EDTA促進了伴礦景天對Cd的富集量，其中處理EDTA-3富集量能達(dá)到7.04mg，較對照顯著增加139.46%，其次是處理EDTA-1增加幅度為124.15%.茶皂素處理條件下，伴礦景天對Cd的富集量較對照增加64.63%～97.96%，各處理之間未達(dá)到顯著性差異.與對照相比，不同濃度檸檬酸處理，伴礦景天富集量增加37.76%～126.53%，處理CA-10增幅最明顯，與對照差異顯著（P＜0.05）.

與對照相比，施加活化劑能顯著提高伴礦景天對土壤Cd的凈化率，凈化率范圍為34.53%～60.02%.處理EDTA-1、EDTA-3和CA-10對Cd的凈化效果最好，較對照提高了2～3倍.

綜上：伴礦景天對Cd的富集量，90%以上都位于地上部分，這與伴礦景天地上部的生物量大和轉(zhuǎn)移系數(shù)等因素有關(guān).

表3 活化劑對伴礦景天累積特征及Cd凈化率的影響

2.5 不同活化劑對土壤pH的影響

由圖3可知：施加不同濃度活化劑對土壤pH的影響較小，各處理之間均未達(dá)到顯著性差異.處理EDTA-3、EDTA-5及CA-5的pH較對照增加0.07～0.16個單位，而其它處理pH均低于對照，降低0～0.11個單位.

圖3 活化劑對土壤pH的影響

3 討論

雖然不同活化劑處理對土壤pH影響不大，但與對照相比，總體是略微降低的.可能是因為這些濃度活化劑本身呈酸性，EDTA溶液的pH為4.77～5.25，茶皂素的pH為5～6，以及檸檬酸的pH為2.34～3.02，將它們添加到土壤中，導(dǎo)致了土壤酸化，pH值小幅度降低.對于處理EDTA-3、EDTA-5及CA-5的土壤pH值升高，可能與土壤的緩沖性能有關(guān).張根柱等［16］研究顯示，土壤具有一定的緩沖作用，加入的EDTA和檸檬酸解離出H+會與土壤中的碳酸鈣、磷酸鹽等反應(yīng)，造成H+的大量減少，使土壤pH有所升高，甚至高于對照處理，但是這并不影響活化劑對土壤Cd的活化作用.

研究中在未添加活化劑的情況下，種植伴礦景天210天后地上部分和根系的Cd含量分別為213.95、50.49mg/kg，土壤Cd凈化率為25.06%；而添加不同濃度活化劑后，伴礦景天累積Cd總量最高能達(dá)到7.04mg，Cd凈化率達(dá)到34.53%～60.02%.這是因為EDTA能與重金屬形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，易于從污染土壤表面去除，且能較大程度地提高水溶態(tài)重金屬的濃度［17］，而水溶態(tài)金屬最易被植物吸收和積累［18］；向污染土壤中加入茶皂素溶液，茶皂素分子能與土壤中的部分重金屬結(jié)合，從而降低土壤重金屬的生物有效性和毒性［19］；檸檬酸屬于低分子有機酸，也是一種天然螯合劑，一方面以酸溶作用提取大部分酸溶態(tài)的重金屬，另一方面能夠通過螯合作用提取一定量其他形態(tài)的重金屬［20］，有利于植物吸收帶走重金屬.

生物量是表征植物生長情況的重要指標(biāo)［21］.研究中各濃度EDTA、茶皂素和檸檬酸的添加均不同程度上促進了伴礦景天的生長.可能是由于加入的活化劑可與土壤中的重金屬離子絡(luò)合成穩(wěn)定的螯合化合物，活化了土壤中的營養(yǎng)成分，降低了土壤中重金屬污染物對植物生長的脅迫作用，共同促進了植物的生長［22］.同時生物量的增加，使得伴礦景天對Cd的富集量較對照有所增加，這與楊勇［23］等研究結(jié)果一致，高生物量有利于植物吸收帶走土壤中的重金屬.但是各處理下伴礦景天中Cd含量的增加與植物生物量增加無對應(yīng)關(guān)系，因為還可能與活化后土壤中的有效Cd含量有關(guān).

活化劑EDTA處理條件下，隨其濃度的增加，土壤有效Cd含量先增大后減小，在5mmol/L時最大；與對照相比，處理EDTA-10的土壤有效Cd含量幾乎無增加，這是因為低濃度的EDTA在重金屬污染土壤中大部分能與重金屬結(jié)合［24］，而較高濃度的EDTA則通常會與其他離子（如Fe等）結(jié)合，導(dǎo)致其對重金屬的活化效率降低［25］.茶皂素處理條件下，土壤有效Cd含量隨其濃度的增加而增加，是由于低濃度的茶皂素主要由單分子構(gòu)成，易被土壤顆粒吸附，導(dǎo)致對重金屬的去除率較低；隨著茶皂素濃度的增大超過成為膠束的臨界濃度時，便會形成膠團，這種膠團將重金屬包圍在多個茶皂素分子之間，阻止了重金屬與土壤顆粒的重新結(jié)合［26］，因此較高濃度的茶皂素對土壤重金屬的活化能力更強.檸檬酸處理條件下，土壤有效Cd含量也隨其濃度的增加而增加，可能與小分子有機酸存在的供體基團“-COOC-”有關(guān)［27］，同時也可能是因為低濃度有機酸容易被粘土和有機質(zhì)吸附［28］，所以，在適宜濃度范圍內(nèi)，檸檬酸濃度越高，其活化重金屬的效果越好.

添加不同濃度活化劑，一定程度上增加了伴礦景天對Cd的吸收累積，由上述討論可知，伴礦景天的高生物量促進了植物對Cd的富集，提高了伴礦景天對土壤的凈化效果，所以活化劑復(fù)配超富集植物伴礦景天修復(fù)Cd污染土壤能達(dá)到較好的修復(fù)效果.但是文章研究的是盆栽試驗，伴礦景天的生長受到了環(huán)境的限制，生物量偏小，因此改變種植空間，給植物提供一個合適的生長環(huán)境，適當(dāng)增加種植數(shù)量，利用3mmol/LEDTA或10mmol/L檸檬酸輔助伴礦景天進行種植，可能會達(dá)到更好的土壤修復(fù)效率.

4 結(jié)論

（1）盆栽顯示不同活化劑均顯著提高了伴礦景天地上部分和根系的Cd含量，尤其是處理EDTA-5和CA-10，伴礦景天的地上部Cd含量分別達(dá)到379.94、359.35mg/kg，土壤Cd凈化率分別為60.02%、56.78%.

（2）由轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）和富集系數(shù)（BF）可知，伴礦景天對Cd的高富集量主要表現(xiàn)在地上部分.同時，活化劑的添加在一定程度上增加了伴礦景天的生物量.

（3）這三種活化劑對土壤pH的影響較小，但是與對照相比，增加了土壤有效Cd含量，增加幅度為0%～69.77%.

（4）從更高效和安全角度考慮，建議選用3mmol/LEDTA或10mmol/L檸檬酸輔助伴礦景天進行種植，并適當(dāng)增加伴礦景天的種植空間，以達(dá)到更好的土壤凈化效果.