鼠李糖脂輔助紫穗槐修復釩礦污染土壤研究

李 昊，王 瓊，孫 偉，吳亮亮，高文謙

(礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

從20世紀八十年代至今，我國釩工業(yè)迅速崛起，由于釩礦開采、冶煉及提釩過程引發(fā)的土壤釩及其伴生重金屬鉻污染日益嚴重，高濃度的釩會引起植物中毒[1]，致使植株枯萎和限制植物的生長，引起植株矮化及產(chǎn)量降低，減少植物對鈣、磷酸鹽等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收[2-3]。

目前針對釩礦污染土壤的植物修復，涉及較多的是植物提取，即利用一些植物根部對污染土壤中重金屬的提取和轉(zhuǎn)運至地上部積累的能力[4-5]。紫穗槐是釩礦生態(tài)修復常見物種[6-7]，但由于存在生長慢、周期長、重金屬富集量較少等不足，因此通過強化措施提高植物的修復效率是植物修復技術(shù)應用的重要發(fā)展方向。

生物表面活性劑具有低毒性、生物可降解性和表面活性等優(yōu)點，且可回收加以重復利用，具有較高的經(jīng)濟價值，可應用于輔助植物修復污染土壤[8]。有研究表明生物表面活性劑鼠李糖脂淋柱沖洗土壤，可以去除土壤中98%的鋅[9]，皂角苷可以使土壤中鉛和鎘的去除率達60%以上[10-11]。王吉秀等[12]通過盆栽試驗研究了十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、鼠李糖脂、茶角苷等不同離子類型的表面活性劑對小花南介生長和富集重金屬的影響，發(fā)現(xiàn)3 種表面活性劑都能促進小花南芥各部位生物量增加，而且均有效促進了小花南芥對Zn、Pb 的吸收。

為了更好地了解生物表面活性劑對植物吸收累積重金屬的影響，本文選取生物表面活性劑鼠李糖脂進行研究，對其輔助紫穗槐修復釩礦污染土壤進行研究，揭示鼠李糖脂對紫穗槐的生長情況、吸收富集釩(V)和鉻(Cr)的影響及相關(guān)機制，為選擇表面活性劑輔助植物修復重金屬污染土壤提供理論依據(jù)和實踐參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1)供試植物：供試植物為紫穗槐(AmorphafruticosaL.)，購于北京中聯(lián)匯翠科技有限公司，選取顆粒飽滿、個體均勻的種子作為試驗材料，種植于盆栽中至長成幼苗，預先培養(yǎng)1個月。

2)供試土壤：實驗用土采自礦冶科技集團有限公司研發(fā)中心溫室基地，取0～20 cm的表層土，自然風干后，先初步剔除其中粗雜質(zhì)，過150 μm篩后備用，將德沃多植物營養(yǎng)土和土壤按照1∶3混合后作為培養(yǎng)基質(zhì)。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)土壤污染風險篩選值及釩礦廢石場現(xiàn)場調(diào)研重金屬釩污染程度設(shè)置土壤污染濃度值為300 mg/kg和90 mg/kg，通過澆灌NH4VO3和K2Cr2O7溶液配制上述土壤污染濃度值，完成后鈍化處理備用，實測污染土壤理化性質(zhì)如表1所示。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of soil

1.2 試驗方法

采用盆栽試驗方式，預先鈍化處理的釩污染土壤裝入試驗用花盆中(規(guī)格：直徑20 cm、高30 cm)，每盆加入土壤2 kg，并移取預先培養(yǎng)的長勢基本一致的紫穗槐幼苗栽入花盆中，每盆5株，待植物生長半個月后，進行表面活性劑鼠李糖脂處理，共設(shè)置5個不同質(zhì)量濃度處理組，具體如下：S1：0.25 g/L、S2：1.00 g/L、S3：3.00 g/L、S4：5.00 g/L，并設(shè)置對照組CK，每個處理3盆重復。鼠李糖脂所需劑量用去離子水配成相應溶液澆灌土壤，對照用等量的去離子水澆灌。整個試驗過程中保持土壤的含水率在60%左右，期間不添加任何肥料，紫穗槐生長60 d后，收獲植物并取土樣，反復用自來水將植物根部沖洗干凈，再用20 mmol/L的Na-EDTA交換15 min，去除根系表面吸附的重金屬離子，最后用去離子水清洗干凈，用吸水紙將植株表水吸干。將植物鮮樣分成地上、地下兩部分，在105 ℃下殺青30 min，然后在70 ℃下烘干至恒重，測量植物生物量，并用植物粉碎機進行粉碎，稱取一定量植物粉末進行消解處理，測地上、根部兩部分的釩含量。將土樣自然風干后，研磨過149 μm尼龍篩待測。

1.3 測定方法

1)植物生物量：采用分析天平測定。

2)根活力的測定：氯化三苯基四氮唑(TTC)法[13]。

3)釩和鉻測定：采用ICP-MS測定植物體內(nèi)V、Cr的含量，植物樣品預處理如下：稱量破碎植物樣品0.200 0 g于微波消解儀溶樣杯中，加入6 mL HNO3和3 mL H2O2進行微波消解處理，微波消解程序參考HJ702-2014，消解程序結(jié)束待溶樣杯冷卻至室溫后轉(zhuǎn)入趕酸儀進行趕酸處理，將消解液轉(zhuǎn)入50 mL容量瓶定容至刻度線，搖勻后取樣待測。同時做一組空白對照實驗，分析過程中加入國家標準植物樣品(GSV-3)進行分析質(zhì)量控制。

4)土壤理化性質(zhì)測定：采用土壤農(nóng)業(yè)化學常規(guī)分析方法[14]。

5)釩和鉻形態(tài)的測定：分別稱取鼠李糖脂處理組及對照組的土壤樣品2.0 g，采用Tessier[15]分級方法對樣品中重金屬釩和鉻的形態(tài)進行分析，分別測得各重金屬的可交換態(tài)(Exch)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)(Carb)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)(FeMnOX)、有機結(jié)合態(tài)(OM)和殘渣態(tài)(Res)5種形態(tài)的含量。

1.4 統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)記錄于Excel 2016中，用SPSS19.0統(tǒng)計分析軟件進行ANOVA單因素和雙因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鼠李糖脂對重金屬脅迫下紫穗槐生長狀況的影響

植物生物量是植物地上和地下部分的干重，能夠直觀反映植物在一定周期的生長情況。由圖1可知，盆栽試驗結(jié)束后，紫穗槐生物量隨著鼠李糖脂處理濃度的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，就根部生物量而言，實驗組S1、S2、S3、S4較對照組分別增加了19.35%、33.33%、47.31%和48.38%，各處理間差異顯著(P<0.05)；就地上部分生物量而言，實驗組S1、S2、S3、S4較對照組分別增加了5.17%、6.32%、12.07%和13.22%，說明鼠李糖脂能夠促進紫穗槐的生長，且對根部的促進效果要好于地上部分，但隨著鼠李糖脂添加濃度水平的增加，促進效果逐漸減弱。王吉秀等[12]研究了鼠李糖脂對Pb和Zn超富集植物小花南芥(ArabisalpinaL.var.parvifloraFranch)的生物量、吸收和富集重金屬的影響，結(jié)果表明小花南芥葉長、根長、冠幅、地上部生物量及地下部生物量增加，與本研究結(jié)果一致。

圖1 鼠李糖脂處理下紫穗槐生物量的變化Fig.1 Changes of biomass of Amorphafruticosa L.under rhamnolipid treatment

根系活力與根系生命活動的強弱有直接的關(guān)系，它是植物生長的重要生理指標之一，圖2反映了鼠李糖脂不同濃度處理下紫穗槐根系活力的變化情況，與植物生物量反映的規(guī)律一致，紫穗槐根活力隨著處理濃度的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，且各處理間差異性顯著，不同處理下其根活力增加了7.69%～38.97%。當鼠李糖脂添加濃度為5.00 g/L時，根活力值達到最大，與對照組相比增加了38.97%。

圖2 鼠李糖脂處理下紫穗槐根活力的變化Fig.2 Changes of root activity of Amorphafruticosa L.under rhamnolipid treatment

2.2 鼠李糖脂對重金屬脅迫下紫穗槐富集和轉(zhuǎn)運重金屬的影響

紫穗槐地上部分和根部V和Cr分布及含量如表2和表3所示，結(jié)果表明：紫穗槐對V和Cr的累積隨著鼠李糖脂添加濃度的增加呈現(xiàn)先增加的趨勢，當鼠李糖脂的添加濃度為5.0 g/L時，植物體內(nèi)V和Cr的含量達到最大，地上部分V含量為27.93 mg/kg，較對照組增加了60.79%;根部V含量為69.45 mg/kg，較對照組增加了94.10%；地上部分Cr含量為47.95 mg/kg，較對照組增加了81.97%；根部Cr含量為82.62 mg/kg，較對照組增加了26.19%。由此可知，鼠李糖脂能夠促進紫穗槐對V和Cr的吸收和累積。

表3 紫穗槐體內(nèi)鉻含量及對鉻(Cr)的富集系數(shù)(BF)和轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)Table 3 Chromium(Cr)content and enrichment coefficient(BF)and transport coefficient(TF)for Cr in Amorphafruticosa L.

表2 紫穗槐體內(nèi)釩含量及對釩(V)的富集系數(shù)(BF)和轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)Table 2 Vanadium(V) content and enrichment coefficient(BF) and transport coefficient(TF) for V in Amorphafruticosa L.

為了評價植物對V和Cr的累積和轉(zhuǎn)運效率，計算了生物富集系數(shù)(BF)和轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)，富集系數(shù)(BF)表明了植物從外界環(huán)境將重金屬吸收到自身組織的吸收效率，計算公式為：BF=植物根部重金屬含量/土壤中同種重金屬含量；轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)指的是植物將富集的重金屬由根部向地上部分運輸?shù)哪芰Γ溆嬎愎饺缦拢篢F=植物地上部分重金屬含量/植物根部重金屬含量。一般來說，植物對V和Cr的富集系數(shù)越大，表明其吸收砷和汞的能力越強，對土壤中V和Cr的提取效率越高。結(jié)果表明，隨著鼠李糖脂添加濃度水平的增加，紫穗槐對V的轉(zhuǎn)運系數(shù)以及對Cr的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運系數(shù)逐漸增大，說明鼠李糖脂能夠促進紫穗槐吸收重金屬V和Cr，并將V和Cr從根部向地上部分遷徙。王吉秀等[12]的研究表明添加鼠李糖脂能顯著促進小花南芥地下部和地上部累積Pb和Zn。葉和松等[16]研究表明表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨能夠處理促進長柔毛委陵菜葉、柄和根各部位對重金屬的吸收，與本研究結(jié)果一致。

2.3 鼠李糖脂對紫穗槐根際土壤性質(zhì)的影響

土壤pH 值對土壤重金屬形態(tài)以及植物吸收土壤重金屬的影響顯著，是影響重金屬污染土壤修復效果的重要因素，當pH值較低時，重金屬易呈離子態(tài)[17]。土壤有機質(zhì)泛指土壤中以各種形式存在的含碳有機化合物，主要成分為腐殖酸，是決定土壤肥力高低的主要因素[18]。速效氮、速效磷、速效鉀是指可以被植物直接迅速利用的營養(yǎng)物質(zhì)，或者經(jīng)過簡單轉(zhuǎn)化可以直接利用的氮、磷、鉀，同土壤肥力的相關(guān)性較大。

本研究通過測定土壤pH值、有機質(zhì)、速效氮、速效鉀、速效磷來反映鼠李糖脂對土壤理化性質(zhì)的影響，進而探索鼠李糖脂對紫穗槐生長和吸收重金屬的影響機制。如表4所示，鼠李糖脂的添加對土壤pH值和速效鉀影響不大，但顯著提高了土壤有機質(zhì)速效磷及速效氮含量，當鼠李糖脂添加量為5.0 g/L時，有機質(zhì)、速效氮和速效磷含量較對照組分別增加了14.11%、24.08%和21.49%，從而增加土壤養(yǎng)分，促進植物生長。土壤有機質(zhì)具有較多羧基、酚羥基以及N—和S—等重金屬/類金屬結(jié)合點位，有著很強的表面絡(luò)合能力，腐殖酸的不同分子量分級組成對金屬離子的絡(luò)合能力及絡(luò)合物的穩(wěn)定性有很大的差異，可以直接改變土壤中重金屬形態(tài)分布，而有機質(zhì)的增加則會影響土壤中重金屬的生物有效性、土壤微生物以及土壤酶活性[18]，從而影響紫穗槐對V和Cr的吸收和累積效應。

表4 鼠李糖脂對土壤理化性質(zhì)的影響Table 4 Effects of rhamnolipid on physical and chemical properties of soil

2.4 修復前后土壤中重金屬形態(tài)的變化

通過Tessier化學形態(tài)連續(xù)提取法，提取土壤中砷和汞的5種形態(tài)，分別為Exch-可交換態(tài)，Carb-碳酸鹽結(jié)合態(tài)，F(xiàn)eMnOX-鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)，OM-有機結(jié)合態(tài)和Res-殘渣態(tài)，測定土壤中砷和汞5種形態(tài)的濃度并計算其百分含量。鼠李糖脂添加前后土壤中V和Cr的形態(tài)分析結(jié)果如圖3所示，由圖3可知，未添加表面活性劑的土壤中V和Cr的鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)含量較低，主要以殘渣態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和有機結(jié)合態(tài)存在，施加鼠李糖脂后，土壤中碳酸鹽結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)重金屬的比例減少，可交換態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)比例增加，當鼠李糖脂的添加濃度為5.0 g/L時，土壤中V的碳酸鹽結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)重金屬的比例由78.28%降低至71.62%，而可交換態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)比例由14.71%提高至28.38%；土壤中Cr的碳酸鹽結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)重金屬的比例由77.28%降低至65.57%，而可交換態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)比例由22.72%提高至34.43%；提高了土壤中V和Cr的生物有效性，從而提高了紫穗槐吸收重金屬的水平。

注：Tessier等的化學形態(tài)連續(xù)提取法將土壤中重金屬形態(tài)劃分為可交換態(tài)(Exch)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)(Carb)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)(FeMnOX)、有機結(jié)合態(tài)(OM)和殘渣態(tài)(Res)5種形態(tài)圖3 不同濃度鼠李糖脂處理下土壤中釩(a)和鉻(b)各形態(tài)的比例Fig.3 Proportions of V(a)and Cr(b)in soil treated with rhamnolipid of different concentrations

有研究表明表面活性劑以單體或半膠束的形式被吸附在土壤界面上，然后通過降低表面張力和靜電作用力或與吸附在土壤上的金屬離子形成離子對，使金屬離子從土壤表面轉(zhuǎn)移到表面活性劑膠束表面，從而將金屬離子從土壤中解析出來，增加重金屬的生物有效性[19-21]。

3 結(jié)論

1)紫穗槐生物量和根系活力隨著鼠李糖脂處理濃度的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，當鼠李糖脂添加濃度為5.0 g/L時，地上部分生物量、根部生物量及根系活力分別較對照組增加了48.38%、13.22%和38.97%。

2)鼠李糖脂能夠促進紫穗槐吸收重金屬V和Cr，并促進V和Cr從根部向地上部分的轉(zhuǎn)移。

3)鼠李糖脂的添加對土壤pH值和速效鉀影響不大，但顯著提高了土壤有機質(zhì)速效磷及速效氮含量，從而促進植物生長；重金屬形態(tài)分析結(jié)果表明鼠李糖脂的添加提高了土壤中V和Cr的生物有效性，從而提高了紫穗槐吸收重金屬的水平。