重金屬離子吸附植物
——金邊吊蘭的環(huán)境脅迫誘導(dǎo)研究*

周曾艷，李泓峣，姚元勇，徐 路，蔡忠樺，盧俊霖，顧 云

(銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300)

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)之一，人口總數(shù)量位于全球第一，對(duì)糧食產(chǎn)量的需求十分關(guān)注。因此，糧食與土地的緊密關(guān)系成為我國(guó)研究土壤性質(zhì)及生物特征的熱點(diǎn)之一。改革開(kāi)放期間，隨著我國(guó)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化推進(jìn)進(jìn)程加快，采礦、冶煉、化工、工業(yè)“三廢”、城市生活垃圾和污水排放逐漸加重[1-2]。另外，人們大批量的使用農(nóng)膜、肥料、農(nóng)藥等，使得我國(guó)土壤中的重金屬含量超標(biāo)，其中Hg、Mn、Zn、Cd等重金屬的污染十分嚴(yán)重[3-4]，已經(jīng)嚴(yán)重危及到我國(guó)合格糧食產(chǎn)量。根據(jù)2014年環(huán)保部發(fā)布的土壤污染調(diào)查公報(bào)顯示，全國(guó)土壤總的超標(biāo)率為16.1%，其中輕度、輕度、中度和重度污染點(diǎn)位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%[5-8]。汞污染是全國(guó)土壤中重金屬污染最嚴(yán)重事件之一。在土壤中汞主要以甲基汞的形式存在，可通過(guò)食品、農(nóng)作物、水等方式進(jìn)入人類(lèi)和動(dòng)物身體中，嚴(yán)重危害人們的身體健康。我國(guó)土壤中汞的幾何平均值為0.04 mg/kg，含量范圍90.001～45.9 mg/kg[9]，然而，我國(guó)西部貴州銅仁萬(wàn)山區(qū)，因歷史原因，土壤中汞含量最高達(dá)790 mg/kg是我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的526倍[10]，Hg最高超標(biāo)倍數(shù)達(dá)135倍[11]。因此，如何解決土壤中重金屬污染問(wèn)題成了世界性的難題。

近幾十年來(lái)，眾多研究者們研究了多種方法對(duì)土壤進(jìn)行修復(fù)。常用方法有客土法、固汞法、水洗法、熱解析法、生物修復(fù)法[12-13]，其中生物修復(fù)主要包含三種修復(fù)類(lèi)型，它們分別是植物修復(fù)、菌根根際修復(fù)和微生物修復(fù)[4]。相對(duì)目前而言，植物修復(fù)技術(shù)是一種很有效并且廉價(jià)處理污染的新方法[12]，同時(shí)也是比較符合土壤的實(shí)際情況。目前發(fā)現(xiàn)的能夠吸附重金屬汞的植物有紙皮樺、加拿大楊、小葉黃楊、紅樹(shù)、苧麻、蜈蚣草、乳漿大戟、節(jié)節(jié)草、酸模、白茅、吊蘭等植物[14]。近年來(lái)，課題組對(duì)貴州銅仁萬(wàn)山汞礦開(kāi)采區(qū)舊址進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)某區(qū)域生長(zhǎng)著較為茂盛的草本性植物，其中乳漿大戟、吊蘭生長(zhǎng)突出。因此，課題組對(duì)具有潛在汞吸附植物——金邊吊蘭進(jìn)行人工環(huán)境脅迫誘導(dǎo)，并試圖通過(guò)環(huán)境誘導(dǎo)，增強(qiáng)其吸附能力，獲得總金屬離子超吸附植物人工馴化提供研究思路。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 藥品及試劑

硝酸汞、氯化汞、氯化亞錫，均為分析級(jí)；水為二次蒸餾水(自制)。

1.2 儀 器

FA220HN電子天平，常州市衡正電子儀器有限公司；LGJ-30S真空冷凍干燥機(jī)，北京松源華興科技發(fā)展有限公司；RA-915S測(cè)汞儀，加拿大劉梅克斯。

1.3 實(shí)驗(yàn)選材

金邊吊蘭(Chlorophytum comosum f.variegata)，購(gòu)買(mǎi)于市場(chǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 土壤中重金屬汞污染模擬過(guò)程

選擇9盆沒(méi)有受到汞污染且長(zhǎng)勢(shì)相同的金邊吊蘭進(jìn)行盆栽實(shí)驗(yàn)，將其中的7盆金邊吊蘭編號(hào)為1～7號(hào)實(shí)驗(yàn)組，剩余為1～2號(hào)空白組。選擇沒(méi)有受到汞污染且長(zhǎng)勢(shì)相同的6株乳漿大戟進(jìn)行帶土移栽進(jìn)行盆栽實(shí)驗(yàn)，移植后對(duì)乳漿大戟用營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)一周直至長(zhǎng)出新芽，將5株乳漿大戟編號(hào)為1～5號(hào)實(shí)驗(yàn)組，剩余1株為空白組。分別配制50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L、1000 mg/L的硝酸汞溶液依次澆灌，每次澆灌20 mL，將藥品從根部澆灌使其滲入土壤中，當(dāng)植物葉片開(kāi)始出現(xiàn)枯黃時(shí)，則停止?jié)补嘞跛峁芤骸Ｈ煊涗浺淮沃参锏纳L(zhǎng)情況直到其死亡。

2.2 樣品處理

分別將采集得到的根、莖、葉置于自來(lái)水中沖洗至體表無(wú)雜物，再用去離子水反復(fù)漂洗。隨后，剪碎放置冰箱冷凍12小時(shí)，再真空冷凍干燥機(jī)干燥48 h，然后研磨，過(guò)篩(80目)，密封保持在干燥環(huán)境中待用。

2.3 汞含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線

采用RA-915S測(cè)汞儀測(cè)量汞的含量。

圖1 汞含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線

工作曲線：一次曲線；線性方程：If=631.100×m+195.8；相關(guān)系數(shù)：0.9999。

3 結(jié)果與討論

在環(huán)境因素誘導(dǎo)植物——金邊吊蘭方面，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了人工誘導(dǎo)具有潛在重金屬離子吸附植物——金邊吊蘭，通過(guò)人工改變植物的生長(zhǎng)環(huán)境，迫使發(fā)生植物生理變化，發(fā)揮具有對(duì)土壤中重金屬離子汞更高的吸附性能。

由表1可知，植物--金邊吊蘭在相同的環(huán)境條件下，對(duì)其進(jìn)行不同濃度的汞離子溶液灌溉，并觀察期生長(zhǎng)狀況。實(shí)驗(yàn)組1～4，分別灌溉總汞離子量405 mg。15天后，分別對(duì)其植物的地上部分和地下部分進(jìn)行總汞離子的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)組1，植物——金邊吊蘭在灌溉液濃度(50 mg/L)，灌溉15天，植物生長(zhǎng)狀況影響不大，且有新葉長(zhǎng)出，說(shuō)明植物在該環(huán)境具有一定的適應(yīng)性。然而，相比其他實(shí)驗(yàn)組而言，植物--金邊吊蘭在高濃度灌溉液(100 mg/L、200 mg/L、1000 mg/L)的灌溉下，植物生長(zhǎng)狀況均呈現(xiàn)出中毒現(xiàn)象，并可觀察到葉片部分開(kāi)始枯黃。其灌溉液濃度越高，葉片部分枯黃越嚴(yán)重。

表1 金邊吊蘭澆藥總的含汞量

如表1和圖2所示可知，實(shí)驗(yàn)選取了植物——金邊吊蘭在灌溉液濃度(50 mg/L)的條件下，與空白組在純水灌溉的條件下，進(jìn)行植物生長(zhǎng)長(zhǎng)勢(shì)的比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：0～30天，實(shí)驗(yàn)組金邊吊蘭生長(zhǎng)高度為24.6 cm，空白組的金邊吊蘭生長(zhǎng)高度為25.3 cm。隨著栽培時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組的生長(zhǎng)趨勢(shì)，相比空白組而言，要弱。然而，在150～170天期間，實(shí)驗(yàn)組金邊吊蘭可觀察到葉片出現(xiàn)枯竭現(xiàn)象，170天，實(shí)驗(yàn)組植物徹底凋亡，無(wú)法測(cè)量其生長(zhǎng)趨勢(shì)，而，空白組生長(zhǎng)狀況正常。另外，在觀察金邊吊蘭生長(zhǎng)趨勢(shì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)分別在0、30、60、90、120、150天期間，對(duì)實(shí)驗(yàn)組植物的地上部分和地下部分進(jìn)行采樣和總汞含量的測(cè)定分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：金邊吊蘭地上部分的汞含量在4.710～9.264 mg/kg之間，地下部分的汞含量在8.039～12.120 mg/kg之間，相比空白組(全植物)的含量在1.480～2.259 mg/kg，說(shuō)明環(huán)境脅迫誘導(dǎo)后的金邊吊蘭對(duì)重金屬離子汞吸附能力和適應(yīng)能力得到了一定程度的提高。

圖2 金邊吊蘭在模擬重金屬汞土壤中的生長(zhǎng)情況

4 結(jié) 論

本研究通過(guò)對(duì)金邊吊蘭進(jìn)行人工環(huán)境脅迫誘導(dǎo)，增強(qiáng)其對(duì)重金屬離子汞的吸附能力和適應(yīng)能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：金邊吊蘭地上部分的汞含量在4.710～9.264 mg/kg之間，地下部分的汞含量在8.039～12.120 mg/kg之間，相比空白組(全植物)的含量在1.480～2.259 mg/kg，說(shuō)明環(huán)境脅迫誘導(dǎo)后的金邊吊蘭對(duì)重金屬離子汞吸附能力和適應(yīng)能力得到了一定程度的提高。該研究對(duì)土壤植物修復(fù)提供了重要研究思路。