Cu、Cd、Pb在翅堿蓬體內(nèi)富集動(dòng)力學(xué)研究

田山川，魏海峰，劉長(zhǎng)發(fā)，張明亮，何 潔，劉 全，趙肖依，趙雨朦，夏 寧，霍玉潔

(1. 大連海洋大學(xué)近岸海洋環(huán)境科學(xué)與技術(shù)遼寧省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116023； 2. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院， 山東 青島 266003； 3. 大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院， 遼寧 大連 116023)

隨著人類對(duì)灘涂濕地越來(lái)越大的開(kāi)發(fā)利用和重視，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、以及旅游業(yè)等人類產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致灘涂濕地各種污染日益嚴(yán)重，尤其是重金屬污染。重金屬污染具有許多特征，例如不可降解性、長(zhǎng)期性、隱蔽性等[1]，如周振民等[2]利用含Pb的重金屬污水對(duì)玉米進(jìn)行澆灌，發(fā)現(xiàn)污水會(huì)同時(shí)嚴(yán)重影響玉米的產(chǎn)量和質(zhì)量，當(dāng)Pb超過(guò)300 mg/kg時(shí)，玉米產(chǎn)量下降五分之一左右。重金屬若長(zhǎng)期存在于土壤中，不僅破壞生態(tài)環(huán)境，更會(huì)通過(guò)進(jìn)入食物鏈而影響人類和其他動(dòng)植物的生命[3]。

翅堿蓬作為一年生的典型鹽堿指示植物，經(jīng)開(kāi)發(fā)利用發(fā)現(xiàn)其具有藥用、食用、工業(yè)等多種用途。劉宇等[4]人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)翅堿蓬對(duì)低濃度重金屬具有非常良好的富集能力，因此翅堿蓬也具有改善鹽堿荒地條件，防止水土流失等生態(tài)修復(fù)作用，是由陸地向海岸方向發(fā)展的先鋒植物[5]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)重金屬影響翅堿蓬生長(zhǎng)作出了大量的研究，例如Cu2+在翅堿蓬發(fā)芽以及器官形成過(guò)程中有著不可或缺的作用，低濃度的Cu2+被植物體內(nèi)質(zhì)體藍(lán)素所利用，有利于翅堿蓬的光合作用，而高濃度Cu2+與之相反，不僅抑制光合作用，還抑制翅堿蓬呼吸作用酶[6]。朱鳴鶴等人[7]發(fā)現(xiàn)翅堿蓬的不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)重金屬的吸收能力也不盡相同，生長(zhǎng)過(guò)程中吸收能力為果期>幼苗期>花期>生長(zhǎng)期。王擺等人[1]則對(duì)大凌河口濕地的翅堿蓬生長(zhǎng)過(guò)程中重金屬在體內(nèi)的分布作了詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)大部分重金屬在根部積累最多，為Zn > Pb > Cu > As > Cd > Hg。

研究翅堿蓬對(duì)Cu、Cd、Pb三種不同濃度重金屬的富集吸收規(guī)律和富集能力，同時(shí)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的非線性擬合探討雙箱動(dòng)力學(xué)模型用于模擬翅堿蓬吸收重金屬的可行性，可為植物修復(fù)重金屬污染土壤提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 供試材料

試驗(yàn)用翅堿蓬種子購(gòu)自遼寧省盤錦市，為當(dāng)年生翅堿蓬干燥種子。

試驗(yàn)土壤為大連西郊花卉市場(chǎng)購(gòu)買的干燥花土，碾碎后經(jīng)200網(wǎng)目過(guò)篩得到較為干凈的土壤。

淡水:自來(lái)水。

1.1.2 藥品與試劑

試驗(yàn)用到的化學(xué)試劑有硫酸鋅、硝酸鉛、硫酸銅、硝酸鉻、硝酸、高錳酸鉀、硫酸、過(guò)氧化氫、Cu標(biāo)準(zhǔn)溶液、Zn標(biāo)準(zhǔn)溶液、Pb標(biāo)準(zhǔn)溶液、Cd標(biāo)準(zhǔn)溶液，以上試劑均為分析純。

1.1.3 主要儀器設(shè)備

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科技有限公司，DHG-9140A 型)、分析天平(梅特勒托利多儀器上海有限公司AL-204型)、消煮電爐、電加熱石墨爐、15 mL試管、燒杯。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)Cu濃度分別設(shè)置為10、20、50 μg/L，Pb濃度分別設(shè)置為5、20、80 μg/L，Cd濃度分別設(shè)置為5、10、20 μg/L。另外設(shè)置1組空白對(duì)照組，每組設(shè)置三個(gè)平行試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)容器套袋后加入400 g固定質(zhì)量的土壤，共計(jì)12個(gè)容器。實(shí)驗(yàn)在塑料材質(zhì)的花盆中進(jìn)行，花盆開(kāi)口直徑為25 cm。

(2)種子于500 mg/L的高錳酸鉀中浸泡1 h，播種前用清水沖洗干凈，播種到400 g土壤中進(jìn)行培育，每個(gè)花盆種子重量20 g，長(zhǎng)至4 ～ 7 cm時(shí)，每盆翅堿蓬幼苗數(shù)量保證150株以上，開(kāi)始澆灌重金屬混合溶液。以澆灌重金屬溶液為時(shí)間起始點(diǎn)，試驗(yàn)期間每隔48 h澆灌相應(yīng)濃度的重金屬溶液100 mL，且實(shí)驗(yàn)在室外進(jìn)行，保證翅堿蓬接受充足光照，試驗(yàn)期間，溫度20～26℃，試驗(yàn)期間遇到下雨，將實(shí)驗(yàn)花盆轉(zhuǎn)移到室內(nèi)，避免雨水對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響。

(3)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始第3、6、9、12、15 d取樣，每次每個(gè)處理組取翅堿蓬9株。采集的樣品經(jīng)純水沖洗后，由電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱60℃恒溫干燥24 h后冷凍備測(cè)。

1.3 金屬測(cè)定方法

將干燥后的翅堿蓬研磨過(guò)篩，準(zhǔn)確稱量樣品，利用HNO3-H2O2混合溶液消解完全。重金屬分析按照GB 17378.6-1998[8]規(guī)定進(jìn)行分析。Pb、Cu、Zn、Cd的測(cè)定均采用石墨爐原子吸收光譜法。

1.4 雙箱動(dòng)力學(xué)模型

生物體對(duì)重金屬的富集作用，常用穩(wěn)態(tài)模型、雙箱模型和生物動(dòng)力學(xué)模型等進(jìn)行描述[9]。本研究采用的雙箱動(dòng)力學(xué)模型是在最近幾年發(fā)展起來(lái)的一類數(shù)學(xué)模型，它可以很好的描述出重金屬或多芳環(huán)烴在生態(tài)系統(tǒng)中遷移和轉(zhuǎn)化的過(guò)程[10]，并能模擬出達(dá)到生物富集平衡情況下的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。(詳情見(jiàn)圖1)例如Clason等人[11-12]對(duì)Cu、Cr、Cd、Pd和Ni采用雙箱動(dòng)力學(xué)研究，獲得一系列動(dòng)力學(xué)參數(shù)后進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和評(píng)估。

圖1 生物富集雙箱動(dòng)力學(xué)模型Fig.1 Two-compartment kinectic model of bioconcentration

含有重金屬的土壤為第一相，生物體為第二相。相對(duì)于土壤相，重金屬的變化過(guò)程為：

dCw/dt=0

(1)

對(duì)于生物體相：

dCA/ dt =K1×Cw- (K2+KM+KV) ×CA

(2)

其中:CA為生物體中重金屬濃度(ng/g)

K1為吸收速率常數(shù)，K2為釋放速率常數(shù)

Cw為土壤中重金屬濃度(μg/L)

t*為富集天數(shù)

KV為揮發(fā)速率常數(shù)，KM為生物體的代謝速率常數(shù)

由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短,且Cu、Pb、Cd三種重金屬均難揮發(fā),故忽略土壤中重金屬污染物的自然揮發(fā)及生物體的代謝,即假設(shè)KV和KM均為零,由方程(1)、(2)推導(dǎo)可得：

雙箱動(dòng)力學(xué)模型生物富集階段 (0

(3)

排出過(guò)程 (t>t*)：

寧夏十年九旱，是我國(guó)極度干旱缺水的地區(qū)之一。多年平均降水量289 mm，蒸發(fā)量1 250 mm。當(dāng)?shù)厮Y源量少質(zhì)差、時(shí)空分布不均。全區(qū)水資源總量11.63億m3，其中地表水資源量9.49億m3。經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展主要依賴于國(guó)家限量分配的黃河水，全區(qū)水資源可利用量41.5億m3，人均占有量687m3，不足全國(guó)平均值的1/3。按自然地理特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)狀況，全區(qū)大體分為北部引黃灌區(qū)、中部干旱帶和南部山區(qū)。

(4)

其中:C0為實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前生物體內(nèi)重金屬濃度(ng/g)

t*為富集階段結(jié)束時(shí)實(shí)驗(yàn)天數(shù)

根據(jù)四個(gè)不同試驗(yàn)濃度的生物富集量數(shù)據(jù)，使用MatLab由方程 (3)、(4)進(jìn)行非線性擬合可得到K1，K2(K1、K2>0 )。

理論平衡狀態(tài)下生物富集因子BCF用公式 (2) 表示:

BCF=K1/K2= limCA/Cw(t→∞)

(5)

生物半衰期公式：

t1/2= ln2/K2

(6)

富集達(dá)到平衡時(shí)，生物體內(nèi)重金屬含量Cmax用公式表示為:

Cmax=BCF×Cw

(7)

1.4.1 模型的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)

2 結(jié)果

2.1 翅堿蓬對(duì)重金屬Cu的生物富集過(guò)程

由圖2可知，Cu在低濃度10 μg/L處理中，第3、6、9、12、15 d翅堿蓬體內(nèi)Cu的含量分別為148.688、178.62、195.65、195.89、245.61 μg/g。在中濃度20 μg/L處理中，第3、6、9、12、15 d翅堿蓬體內(nèi)Cu的含量分別為106.93、191.45、216.00、221.95以及294.58 μg/g。在高濃度50 μg/L處理中，第3、6、9、12、15 d翅堿蓬體內(nèi)Cu的含量分別為177.40、257.76、295.02、412.39和462.62 μg/g。根據(jù)相同時(shí)間翅堿蓬體內(nèi)Cu增加的量，在三種濃度下翅堿蓬對(duì)Cu的富集速率先快后慢后再加快。由圖2可觀察到，高濃度條件下翅堿蓬總富集Cu的速率最大，低濃度條件下翅堿蓬富集Cu的速率最低，也就是隨著濃度的升高翅堿蓬對(duì)重金屬Cu的生物富集能力逐漸增加。由表1可知，Cu在低濃度10 μg/L處理中，K1=6.367，K2=0.304，R2=0.706(95%置信區(qū)間)。此濃度下翅堿蓬對(duì)Cu的生物富集過(guò)程符合雙箱動(dòng)力學(xué)模型(K1、K2>0)。在中濃度Cu 20 μg/L處理中，K1=1.951，K2=0.126，R2=0.910(95%置信區(qū)間)，也符合雙箱動(dòng)力學(xué)模型(K1、K2>0)。在高濃度Cu 50 μg/L處理中，K1= 1.015，K2= 0.079，R2=0.946(95%置信區(qū)間)。綜上所述，翅堿蓬對(duì)Cu的生物富集在三種濃度下皆符合雙箱動(dòng)力學(xué)模型。

圖2 翅堿蓬對(duì)Cu的生物富集過(guò)程Fig.2 Bioaccumulation of Cu by S. heteroptera

2.2 翅堿蓬對(duì)重金屬Pb的生物富集過(guò)程

由圖3可知，Pb在低濃度5 μg/L處理中，第3、6、9、12、15 d翅堿蓬體內(nèi)Pb的含量分別為204.66、284.13、298.344、298.17、304.17 μg/g。在該濃度下，翅堿蓬對(duì)Pb的生物富集速率先快后趨于平穩(wěn)，大約在第9 d時(shí)濃度保持在300 μg/g左右，可視為達(dá)到富集平衡。在中濃度Pb 20 μg/L處理中，第3、第6、第9、第12、第15 d翅堿蓬體內(nèi)Pb的含量分別為301.98、303.87、361.31、389.94、581.34 μg/g。Pb在第3 d到第6 d時(shí)富集速率較慢，但是從第6 d以后，富集速率開(kāi)始加快。在高濃度Pb 80 μg/L處理中，第3、6、9、12、15 d翅堿蓬體內(nèi)Pb的含量分別為334.37、415.67、468.78、631.90、671.5 μg/g。該濃度下Pb的生物富集速率一直較快，在第12 d到第15 d時(shí)才開(kāi)始緩慢降低。由圖3可知，翅堿蓬對(duì)于Pb的生物富集總速率與Cu相似，為高濃度>中濃度>低濃度。

圖3 翅堿蓬對(duì)Pb的生物富集過(guò)程Fig.3 Bioaccumulation of Pb by S. heteroptera

由表1可知，低濃度Pb 5 μg/L處理中，K1= 18.5，K2= 0.344，R2= 0.972(95%置信區(qū)間)，符合雙箱動(dòng)力學(xué)模型(K1、K2>0)。對(duì)于中濃度Pb 20 μg/L處理中，K1=3.26，K2=0.115，R2=0.564(95%置信區(qū)間)，也符合雙箱動(dòng)力學(xué)模型(K1、K2>0)。在高濃度Pb 80 μg/L處理中，K1=1.173，K2= 0.131，R2= 0.886 (95%置信區(qū)間)。綜上所述，翅堿蓬對(duì)于Pb的生物富集皆符合雙箱動(dòng)力學(xué)模型。

2.3 翅堿蓬對(duì)重金屬Cd的生物富集過(guò)程

由圖4可知，Cd在低濃度5 μg/L處理中，第3、6、9、12、15 d翅堿蓬體內(nèi)Cd的含量分別為11.37、12.942、13.458、11.338和18.391 μg/g。前三次采樣數(shù)據(jù)Cd濃度一直增加，而第12 d時(shí)濃度突然降低，第15 d時(shí)恢復(fù)正常。該濃度下K1=0.346，K2=0.172，R2=0.298 (95%置信區(qū)間),符合雙箱動(dòng)力學(xué)模型(K1、K2>0)。Cd在中濃度10 μg/L處理中，第3、6、9、12、15 d翅堿蓬體內(nèi)Cd的含量分別為13.342、14.918、14.86、22.63和44.143 μg/g。該濃度下翅堿蓬對(duì)Cd的生物富集規(guī)律不明顯，且具計(jì)算K1=-0.193，并不符合雙箱動(dòng)力學(xué)模型，在Cd高濃度20 μg/L處理中，第3、6、9、12、15 d翅堿蓬體內(nèi)Cd的含量分別為15.47、42.85、47.23、53.27和140.12 μg/g。該濃度下K2同樣為負(fù)值，也不符合雙箱動(dòng)力學(xué)模型。三種濃度平均富集速率比較，為高濃度>中濃度>低濃度。綜上所述，只有低濃度下翅堿蓬對(duì)Cd的生物富集符合雙箱動(dòng)力學(xué)模型。

圖4 翅堿蓬對(duì)Cd的生物富集過(guò)程Fig. 4 Bioaccumulation of Cd by S. heteroptera

3 討論

3.1 翅堿蓬對(duì)三種重金屬的生物富集

金屬Cu在三種濃度下富集速率都是先快后慢再加快?？赡苁情_(kāi)始時(shí)翅堿蓬對(duì)Cu大量富集，隨著濃度增高，翅堿蓬也隨之對(duì)其進(jìn)行釋放。但當(dāng)超過(guò)某一濃度范圍時(shí)，Cu對(duì)翅堿蓬產(chǎn)生一定的毒性，影響其釋放重金屬的能力，所以出現(xiàn)富集速率又加快的現(xiàn)象。隨著濃度的升高翅堿蓬對(duì)Cu的生物富集能力逐漸增加，一方面可能是因?yàn)槌釅A蓬對(duì)高濃度Cu更加敏感。另一方面由于Cu離子可以參與光合作用，且是氧化酶的重要組成成分，因此可被翅堿蓬大量吸收而在體內(nèi)的含量卻不是特別高[3]。所以低濃度條件下翅堿蓬體內(nèi)部分Cu離子含量增長(zhǎng)速率低于高濃度。

表1 幾種重金屬在翅堿蓬體內(nèi)生物富集動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 1 Kinetic parameters of bioaccumulation of several heavy metals in S. heteroptera

Pb一般通過(guò)質(zhì)外體途徑進(jìn)入翅堿蓬根部細(xì)胞，且其在翅堿蓬體內(nèi)極難遷移，吸收后蓄積在根部[14]。所以Pb的富集規(guī)律較為穩(wěn)定，三種濃度下皆符合雙箱動(dòng)力學(xué)模型。

Cd并不屬于植物生長(zhǎng)的必需的營(yíng)養(yǎng)元素，其只在低濃度條件下符合雙箱動(dòng)力學(xué)模型。這可能是環(huán)境中微量的Cd即可顯著影響翅堿蓬的活性，高濃度的Cd通過(guò)影響翅堿蓬體內(nèi)的SOD活性，使O2-含量大量上升從而影響翅堿蓬的富集能力。也有可能是本實(shí)驗(yàn)采用金屬混合液，而其他金屬對(duì)翅堿蓬吸收高濃度的Cd具有拮抗作用。

3.2 翅堿蓬與其他生物相比對(duì)重金屬的生物富集

國(guó)內(nèi)目前在植物對(duì)重金屬的生物富集有著大量的研究。例如聶利華等人[15]探討擬柱胞藻對(duì)水體重金屬的生物富集作用，利用擬柱胞藻對(duì)7種重金屬進(jìn)行吸附，7種重金屬吸附能力依次為Pb > Hg > Ag > Cu > Ni > Co > Cr。呂芳等人[16]對(duì)海黍子和脆江蘺對(duì)Zn、Cd富集能力進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)二者均是對(duì)Zn的富集能力大于Cd。吳東麗等人[17]發(fā)現(xiàn)野生大豆地下部分對(duì)重金屬Cd的富集能力大于Cu和Pb，說(shuō)明野生大豆對(duì)重金屬的富集具有選擇性。孫天國(guó)等人[18]發(fā)現(xiàn)小羽蘚對(duì)Cr、Cu、Zn、Cd、Ni的富集系數(shù)均大于1，可作為重金屬污染的凈化植物。朱加賓[19]發(fā)現(xiàn)人工濕地中梭魚(yú)草對(duì)鉻、砷的富集速率最大。王增煥[20]進(jìn)行了龍須菜對(duì)銅、鎘富集的模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)龍須菜對(duì)重金屬Cu、Cd 的生物累積均符合兩箱動(dòng)力學(xué)模型，且龍須菜對(duì)這兩種金屬均具有良好的富集能力。劉智禹等人[21]利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定養(yǎng)殖池內(nèi)滸苔中鉛、鎘和鋁的含量，分別利用雙箱動(dòng)力學(xué)模型擬合鉛和鎘以及利用Logistic模型擬合金屬鋁，所得結(jié)論與王增煥一致。

本試驗(yàn)同樣利用雙箱動(dòng)力學(xué)模型將翅堿蓬對(duì)幾種重金屬的生物富集過(guò)程進(jìn)行了線性擬合，發(fā)現(xiàn)三種重金屬的富集能力依次為：Pb>Cu>Cd，該結(jié)論與聶利華等人[15]的結(jié)論一致，卻與吳東麗等人[17]的結(jié)論相反。由于翅堿蓬對(duì)Pd具有較高的富集能力，可以考慮將翅堿蓬列為改良濕地灘涂土壤重金屬污染的重要植物[22]。

4 結(jié)論

(1)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Cu各富集動(dòng)力學(xué)參數(shù)K1、K2、BCF以及Cmax、t1/2的平均值分別為3.111、0.17、6.42、335和3.66 d，富集速率在三組不同濃度下均先快后平緩再加快。Cu在三種濃度下均符合雙箱動(dòng)力學(xué)模型。

(2)Pb各富集動(dòng)力學(xué)參數(shù)K1、K2、BCF以及Cmax、t1/2的平均值分別為0.346、0.172、2.26、519.3 μg/g和4.03 d。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可觀測(cè)到Pb在低濃度5 μg/L下富集速率先快后慢，在第9 d左右達(dá)到平衡，而高濃度80 μg/L則在第12 d左右開(kāi)始達(dá)到平衡。Pb在三種濃度下均符合雙箱動(dòng)力學(xué)模型。

(3)Cd各富集動(dòng)力學(xué)參數(shù)K1、K2、BCF以及Cmax、t1/2的平均值分別為7.64、0.196、26.88、39.5 μg/g和4.45 d，翅堿蓬對(duì)Cd生物富集規(guī)律不太明顯，可能是三種金屬之間的拮抗作用所導(dǎo)致的。由試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Cd只在低濃度5 μg/L下符合雙箱動(dòng)力學(xué)模型。

(4)翅堿蓬對(duì)三種重金屬的富集能力依次為Pb>Cu>Cd。