螯合劑強(qiáng)化植物修復(fù)重金屬Pb、Cd復(fù)合污染土壤的研究*

王 娜，盧 楠

（1.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075；2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西西安 710075；3.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075）

土壤是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，也是植物生長(zhǎng)所需水分和養(yǎng)分的重要來源。伴隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，工業(yè)污染、礦產(chǎn)開發(fā)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等活動(dòng)導(dǎo)致土壤重金屬污染日益加劇，對(duì)植物生長(zhǎng)和質(zhì)量也產(chǎn)生了極大的危害[1-2]。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[3]，目前全世界平均每年排入土壤中的重金屬大約為元素Hg1.5萬t，元素Cu340萬t，元素Pb500萬t，元素 Mn1500萬 t，元素Ni100萬 t。土壤重金屬污染具有污染范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、污染物隱蔽、無法被生物降解的特點(diǎn)，并可以通過食物鏈在生物體內(nèi)不斷富集，最終在人體內(nèi)蓄積而危害人類健康4-5]。研究發(fā)現(xiàn)，暴露在含Cd環(huán)境中的人患腎功能不全等疾病的可能性增加，而且骨折的風(fēng)險(xiǎn)也很高[6]。在懷孕期間長(zhǎng)期接觸Pb可能會(huì)導(dǎo)致胎兒神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育紊亂，因?yàn)镻b可以迅速?gòu)脑袐D的骨骼轉(zhuǎn)移到胎兒身上[7-8]，并且影響胎兒的一生[9]；除此之外，Pb還會(huì)對(duì)人體多個(gè)器官產(chǎn)生威脅，包括心血管系統(tǒng)[10-11]、腎功能系統(tǒng)[12-13]和肝臟系統(tǒng)[14]。因此，重金屬污染已日益引起人們的關(guān)注，重金屬污染土壤修復(fù)則成為國(guó)際上的研究難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

近年來，土壤重金屬修復(fù)的方法較多，主要有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)、工程技術(shù)修復(fù)及農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)[15-16]。螯合劑誘導(dǎo)植物修復(fù)技術(shù)是新發(fā)展起來的一種污染土壤修復(fù)技術(shù)，螯合誘導(dǎo)修復(fù)技術(shù)是通過人工外加螯合劑（EDTA、DPTA、EDDS等）使被土壤固相鍵結(jié)合的重金屬重新釋放并進(jìn)入土壤溶液，成為溶解態(tài)或易溶態(tài)，從而有效提高植物對(duì)重金屬的吸收或富集效率[17]。EDTA是目前被廣泛應(yīng)用的一種螯合劑[18]。EDTA能夠活化Pb、Cu、Zn、Cd等重金屬離子，促進(jìn)植物對(duì)金屬離子的吸收。蔣先軍等[19]研究表明，土壤中加入EDTA能大幅度地提高土壤中水溶態(tài)鎘的濃度，同時(shí)當(dāng)土壤中Cd濃度在130mg·kg-1以上時(shí)，顯著增加了地上部Cd的濃度。Sun等[20]研究認(rèn)為，EDTA能提高根際土壤Pb的植物有效性，促進(jìn)Pb從根系向地上部的運(yùn)輸，顯著提高植物對(duì)Pb的富集能力。

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）是豆科苜蓿，屬多年生植物，能同時(shí)積累Cd、Zn、Cu等多種重金屬元素，因此成為治理污染土壤的首選植物材料[21-22]。然而，關(guān)于EDTA對(duì)Pb-Cd復(fù)合污染脅迫下紫花苜蓿生長(zhǎng)發(fā)育的影響研究鮮有報(bào)道。鑒于此，通過添加不同濃度梯度外源的EDTA，初步探討EDTA對(duì)Pb-Cd復(fù)合污染脅迫下紫花苜蓿生長(zhǎng)的影響，解析紫花苜蓿在Pb-Cd復(fù)合污染脅迫下的耐受機(jī)制，為螯合劑誘導(dǎo)植物修復(fù)Pb-Cd復(fù)合污染土壤提供理論指導(dǎo)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試土壤

供試土壤為采自富平中試基地的塿土，所采集土樣為0-20cm的表層土壤，風(fēng)干后研磨，過5mm篩備用。

重金屬?gòu)?fù)合污染土壤制備：取若干塑料盆，稱重，每盆中加入上述土樣3kg，將重金屬Pb和Cd分別以Pb（CH3COO）2、CdCl2形式溶解后一起施入土壤中，按《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618-2018）管制值，擴(kuò)大3倍量添加重金屬鹽類物質(zhì)，使土壤中Pb和Cd含量分別達(dá)到2100mg/kg和9mg/kg，控制含水量為田間持水量的60%，每隔3d檢查1次，老化30d，獲得重金屬?gòu)?fù)合污染土壤。

1.1.2 供試螯合劑

EDTA分析純。

1.1.3 供試植物

紫花苜蓿。

1.2 試驗(yàn)方法

采用室內(nèi)盆栽試驗(yàn)，底肥施N=0.15g/kg，P2O5=0.12g/kg，K2O=0.09g/kg。設(shè)置 CK（只添加底肥）和 3、4.5、6、7.5、9、10.5mmol·kg-16 個(gè)水平的 EDTA，共 7 個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共計(jì)21盆，試驗(yàn)處理見表1。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)置

將制備的重金屬?gòu)?fù)合污染土壤按比例分別加入EDTA，同時(shí)施底肥，混合均勻。每盆均勻撒入苜蓿種子（預(yù)先催芽），在人工氣候室中栽培，出苗后每盆留下長(zhǎng)勢(shì)相同的幼苗4株。種植60d后收獲，采集土壤樣品和植物樣品。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 植物生長(zhǎng)指標(biāo)

主要選取株高作為植物生長(zhǎng)的指標(biāo)，株高按照自然狀態(tài)下地面到植株最高點(diǎn)的距離為準(zhǔn)，用直尺測(cè)定。

1.3.2 植物生物量及Pb、Cd含量測(cè)定

植物生物量采用稱重法測(cè)定，將新鮮植物體稱重后放入105℃烘箱殺青10min，然后在75℃下烘干24h左右至恒重，稱量植物干重。植物體Pb、Cd含量采用ICPMS測(cè)定。

1.3.3 土壤Pb、Cd可提取態(tài)

準(zhǔn)確稱取2.000g土壤樣品置于聚丙烯塑料具塞離心試管中，加入20mL提取試劑，在室溫下振蕩提取2h，以6000r/min離心10min，取上清液作為待測(cè)液。提取試劑 分 別 為 0.5mol/L MgCl2，1.0mol/L NH4NO3，1.0mol/L NaAc。提取液Pb、Cd濃度采用ICP-MS測(cè)定。

2 研究結(jié)果

2.1 EDTA對(duì)紫花苜蓿株高的影響

紫花苜蓿的株高生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)見表2。4.5mmol/kg（E2）EDTA處理顯著促進(jìn)了植株生長(zhǎng)，植株生長(zhǎng)較為迅速，株高均顯著高于對(duì)照。隨著EDTA濃度的增大，植株生長(zhǎng)逐漸降低，9mmol/kg（E5）與 10.5mmol/kg（E6） EDTA處理紫花苜蓿葉片隨著處理時(shí)間的增加逐漸變黃，后期出現(xiàn)大量黑色斑點(diǎn)，植株矮小，表現(xiàn)出嚴(yán)重受毒害癥狀，地上部基本萎蔫，地下部腐爛，基本無收成。60d的株高和20d的株高相比，對(duì)照增加了41.6%，而4.5mmol/kg（E2）和 6mmol/kg（E3）EDTA 處理分別增加了 28.3%和26.9%，至6mmol/kg EDTA處理后株高逐漸降低，60d的株高以4.5mmol/kg EDTA處理為最高，高出對(duì)照47.6%。

表2 EDTA對(duì)紫花苜蓿株高的影響

2.2 EDTA對(duì)紫花苜蓿生物量的影響

由表3可知，隨著EDTA濃度的增加，盆栽苜蓿的生物量呈緩慢增加后減少的趨勢(shì)，在EDTA濃度為4.5mmol/kg（E2）時(shí)，苜蓿的生物量達(dá)到最大，其地上部生物量比對(duì)照增產(chǎn)71.0%，地下部生物量比對(duì)照增產(chǎn)75.6%；與不添加EDTA處理相比，4.5mmol/kg EDTA處理能夠顯著增加苜蓿產(chǎn)量，使苜蓿增產(chǎn)33.3%，但隨著EDTA濃度的不斷增加，苜蓿產(chǎn)量開始逐漸降低，說明高濃度的EDTA不利于苜蓿的生長(zhǎng)。

表3 EDTA對(duì)紫花苜蓿生物量的影響

2.3 EDTA對(duì)紫花苜?？墒巢糠种亟饘俸康挠绊?/h3>

EDTA施用對(duì)紫花苜蓿地上部累積重金屬Pb和Cd的影響如圖1所示。由圖1可知，EDTA處理明顯促進(jìn)了紫花苜蓿地上部對(duì)重金屬Pb、Cd的吸收，不同濃度EDTA處理下，紫花苜蓿對(duì)Pb、Cd的吸收、累積能力不同。隨著EDTA濃度的增加，紫花苜蓿地上部累積Pb的量呈先增加后減小的趨勢(shì)，其中在4.5mmol/kg EDTA處理下，Pb在紫花苜蓿體內(nèi)的含量達(dá)到452.32mg/kg，為對(duì)照的8.6倍；紫花苜蓿地上部對(duì)重金屬Cd的累積隨著其濃度的增加而增加，3、4.5、6、7.5mmol/kg EDTA 處理下紫花苜蓿累積重金屬Cd的量分別為對(duì)照的4.8、6.1、7.3和8.2倍。

圖1 不同EDTA濃度紫花苜蓿地上部對(duì)重金屬Pb、Cd的影響

2.4 不同濃度EDTA對(duì)土壤中Pb、Cd可交換態(tài)的提取效率影響研究

不同提取劑提取重金屬Pb、Cd的含量結(jié)果見表4，從表4可以看出對(duì)重金屬Pb而言，NH4NO3提取重金屬Pb的量比MgCl2和NaAc高，且當(dāng)土壤中EDTA濃度為4.5mmol/kg（E2）時(shí)提取劑NH4NO3提取重金屬Pb的量最大，達(dá)到234.40mg/kg，當(dāng)土壤中EDTA濃度為6mmol/kg（E3）時(shí)，提取劑MgCl2和NaAc提取重金屬Pb的量相差不大；對(duì)重金屬Cd而言，三種提取劑對(duì)其的提取量差異不明顯，當(dāng)土壤中EDTA濃度為3mmol/kg（E1）時(shí)，NH4NO3對(duì)重金屬Cd的提取量達(dá)到最大為2.75mg/kg，當(dāng)土壤中 EDTA濃度為7.5mmol/kg（E4）時(shí)，MgCl2對(duì)重金屬Cd的提取量達(dá)到最大為2.87mg/kg，NaAc對(duì)重金屬Cd的提取量為2.85mg/kg。對(duì)比三種提取劑的提取效率，三種提取劑對(duì)重金屬Cd的提取效率顯著高于對(duì)重金屬Pb的提取效率，其中當(dāng)EDTA濃度為4.5mmol/kg（E2）時(shí)，NH4NO3對(duì)重金屬 Pb、Cd 提取效率最高，分別為22.95%和46.80%，詳見表5。

表4 不同提取劑提取土壤中可交換態(tài)重金屬的含量（mg/kg）

表5 不同提取劑提取土壤中Pb、Cd的提取率（%）

3 結(jié)論

（1）結(jié)果表明，高濃度EDTA的處理對(duì)苜蓿株高和生物量均產(chǎn)生抑制作用，當(dāng)EDTA濃度在4.5mmol/kg（E2）時(shí)，苜蓿的株高和生物量均出現(xiàn)最大值，隨著EDTA濃度的增加，盆栽苜蓿的生物量呈緩慢增加后又減少的趨勢(shì)，當(dāng)EDTA濃度超過9mmol/kg（E5）時(shí)，苜蓿葉片發(fā)黃，地上部萎蔫，基本無收成。

（2）EDTA處理明顯促進(jìn)了紫花苜蓿地上部對(duì)重金屬Pb、Cd的吸收，隨著EDTA濃度的增加，紫花苜蓿地上部累積Pb的量呈先增加后減小的趨勢(shì)，對(duì)重金屬Cd的累積隨著其濃度的增加而增加。