不同螯合劑誘導(dǎo)下黑麥草對(duì)鉛污染土壤的修復(fù)效果研究

劉寶勇，陶曉楠，楊奇麗，鄭晶倫，趙志浩

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新 123000)

近年來，由于工業(yè)排放、汽車尾氣、農(nóng)藥使用等人為活動(dòng)影響，我國土壤面臨的重金屬污染問題日趨加重，Li等[1]對(duì)我國沈陽市鐵西工業(yè)區(qū)土壤的重金屬污染現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，其中調(diào)查土壤中Pb2+污染超標(biāo)的占比1.5%，位居第二，農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全受到嚴(yán)重影響[2-4]。重金屬污染土壤的修復(fù)模式主要包括固化/穩(wěn)定化、植物修復(fù)、微生物修復(fù)、化學(xué)淋洗、電動(dòng)修復(fù)等[5-7]，其中植物修復(fù)重金屬污染土壤技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便、成本低廉、效果持久等優(yōu)勢(shì)，近年來成為污染土壤修復(fù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[8-9]。植物修復(fù)技術(shù)是利用植物對(duì)土壤內(nèi)重金屬的良好吸收和富集作用，將土壤中的重金屬逐漸轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)，再通過收獲植物從而減少土壤中重金屬濃度[10]。目前，世界上發(fā)現(xiàn)的超富集植物有400多種[11-13]。螯合誘導(dǎo)技術(shù)是最具發(fā)展?jié)摿Φ闹参镄迯?fù)強(qiáng)化措施之一[14-15]，通過活化土壤中的重金屬離子，與重金屬離子形成螯合物從而促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收和由根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的能力，進(jìn)一步達(dá)到提高生物有效性、降低重金屬植物毒性以及提高重金屬積累量和提取效率的目的，在鉛污染處理中得到廣泛應(yīng)用[16-18]。相關(guān)研究表明，乙二胺四乙酸(EDTA)和氨三乙酸(NTA)2種螯合劑在不同施用方式下對(duì)不同植物修復(fù)鉛污染土壤具有強(qiáng)化效應(yīng)[19]，EDTA可以提高土壤水溶性鉛的濃度，促進(jìn)鉛從根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)，增加植物地上部鉛的濃度和提取量[20]。黑麥草是一種重要的牧草和綠化植物，具有適應(yīng)范圍廣、生長(zhǎng)快速、易于收割的特點(diǎn)，十分適合用作重金屬修復(fù)植物。該研究選用黑麥草為修復(fù)植物，通過盆栽試驗(yàn)，探究乙二胺四乙酸(EDTA)、氯化鐵(FeCl3)和檸檬酸(CA)3種常見重金屬螯合劑對(duì)黑麥草生長(zhǎng)規(guī)律和修復(fù)鉛污染土的強(qiáng)化效果的影響，比較3類螯合劑作用下黑麥草對(duì)不同濃度鉛污染土壤中重金屬的富集作用和轉(zhuǎn)運(yùn)效果，明確3類螯合劑對(duì)強(qiáng)化黑麥草修復(fù)鉛污染土壤的可行性，以期為鉛污染土壤植物修復(fù)工程提供重要的理論和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料該試驗(yàn)所用土壤均取自遼寧省阜新市遼寧工程技術(shù)大學(xué)校園，土層深度為10～20 cm的表層土，取樣時(shí)間為2020年4—6月。將土壤取回實(shí)驗(yàn)室后烘干破碎，再過2 mm篩，測(cè)試土壤的基本理化性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)土壤含水率為22.5%、有機(jī)質(zhì)濃度為1.8%,pH為6.85，主要由粉粒組成，占比為54.3%。向土壤中分別加入質(zhì)量比為2‰尿素、3‰復(fù)合肥粉末和1%生物底肥，攪拌均勻后備用。黑麥草種購買于山東立國農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司。供試螯合劑選用乙二胺四乙酸二鈉(EDTA-2Na)、氯化鐵(FeCl3)和檸檬酸(CA)，選用醋酸鉛[Pb(CH3COOH)2·3H2O]配制鉛污染土壤，上述藥品均購自上海麥克林生化科技有限公司；所有試劑均為分析純。

1.2 試驗(yàn)方法試驗(yàn)所用土壤為人工污染土，土壤的Pb2+濃度分別為0、200、500、1 000和2 000 mg/kg，以硝酸鉛水溶液的形式分層加至土壤中，同時(shí)控制土壤含水率為田間持水率的70%，密封2 d后將土壤攪拌均勻，再次密封平衡28 d，確保土顆粒-水分子-鉛離子能均勻充分結(jié)合。取1.8 kg處理土壤裝入盆內(nèi)，盆的內(nèi)徑和高度均為15 cm。先將黑麥草種用濃度5%的次氯酸鈉溶液沖洗一遍，隨后放入蒸餾水中浸泡30 min，再將草種直接播入裝有土壤的盆內(nèi)，每個(gè)處理做4個(gè)重復(fù)，共計(jì)20盆土壤?？刂泼颗璨莘N的播入量為20顆。將播有草種的處理盆直接放在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，溫度為20～28 ℃，相對(duì)濕度50%～70%，確保自然光充足。養(yǎng)護(hù)期間每7 d 噴灑蒸餾水250 mL，確保土壤含水率控制在田間持水率的60%～80%。黑麥草種在播下5 d左右開始發(fā)芽生長(zhǎng)，生長(zhǎng)14 d后，將每盆黑麥草苗均保留到5株，確保每盆留存的苗體生長(zhǎng)健康且高度基本一致。生長(zhǎng)21 d后，將濃度為10 mmol/L 的EDTA、FeCl3和CA溶液分別噴灑至對(duì)應(yīng)試驗(yàn)組的幼苗上，每7 d噴灑一次，每次每盆噴灑50 mL，連續(xù)噴灑3次后處理完成，未噴灑任何螯合劑的盆栽作為對(duì)照組(CK)。繼續(xù)生長(zhǎng)18 d后，對(duì)盆內(nèi)黑麥草進(jìn)行收割測(cè)試。

1.3 測(cè)定分析將收割的黑麥草苗按照莖葉(地上部分)和根系(地下部分)分開處理，先將莖葉和根系用蒸餾水清洗干凈并自然晾干，隨后放入烘箱在105 ℃條件下殺青30 min，再在75 ℃條件下烘干至恒重。采用分析天平分別測(cè)試黑麥草根系與莖葉的干重量(生物量)，然后再將植物體人工磨碎并過0.15 mm篩備用。

采用原子吸收分光光度計(jì)對(duì)黑麥草根部和莖葉內(nèi)的鉛濃度進(jìn)行測(cè)試分析。取1.00 g植物體粉末放入坩堝內(nèi)，然后置于馬弗爐內(nèi)在500 ℃下灼燒6 h，冷卻后取出，確保植物體完全灰化。向灰化后的植物體內(nèi)加入10 mL HNO3∶HClO4=9∶4(v/v)的濃酸消解24 h[21]，再采用火焰原子吸收分光光度計(jì)對(duì)浸出液內(nèi)Pb2+濃度進(jìn)行測(cè)試，從而得到植物體內(nèi)的Pb2+濃度。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析根據(jù)測(cè)試結(jié)果，分析黑麥草生長(zhǎng)過程中的鉛污染富集效果，分別計(jì)算黑麥草耐性指數(shù)(TI)、生物富集系數(shù)(BCF)和Pb2+轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)，計(jì)算方法如下[22]：

(1)

(2)

(3)

該試驗(yàn)圖形處理利用Origin 2021軟件完成，統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 20.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同螯合劑作用下黑麥草對(duì)Pb2+的耐性分析從不同土壤Pb2+濃度作用下黑麥草的生長(zhǎng)特性(圖1)可以看出，隨著土壤Pb2+濃度的增大，除FeCl3處理組外，各處理組黑麥草莖葉和根系生物量均出現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，峰值均出現(xiàn)在土壤Pb2+濃度為500 mg/kg時(shí)。FeCl3處理組黑麥草莖葉和根系生物量隨土壤Pb2+濃度的增大分別表現(xiàn)出先升高后穩(wěn)定和先升高后降低的變化趨勢(shì)，二者峰值均出現(xiàn)在土壤Pb2+濃度為1 000 mg/kg時(shí)。

與對(duì)照組(CK)相比，不同土壤Pb2+濃度下3種螯合劑對(duì)黑麥草莖葉和根系生物量的影響不同。EDTA處理組黑麥草莖葉和根系生物量在土壤Pb2+濃度為200 mg/kg時(shí)顯著低于CK，其他土壤Pb2+濃度下無顯著差異。FeCl3處理組黑麥草莖葉和根系生物量在土壤Pb2+濃度為200、500 mg/kg 時(shí)顯著低于CK，在土壤Pb2+濃度為1 000、2 000 mg/kg時(shí)顯著高于CK；當(dāng)土壤Pb2+濃度為0 mg/kg時(shí)，F(xiàn)eCl3處理組黑麥草莖葉生物量與CK無顯著差異，根系生物量顯著低于CK。CA處理組黑麥草莖葉和根系生物量在土壤Pb2+濃度為0 mg/kg 時(shí)與CK無顯著差異，在土壤Pb2+濃度為200、500、1 000 mg/kg 時(shí)顯著低于CK，在土壤Pb2+濃度為2 000 mg/kg 時(shí)顯著高于CK。整體上看，低濃度Pb2+(200 mg/kg)條件下，3種螯合劑對(duì)黑麥草莖葉生長(zhǎng)均出現(xiàn)明顯的抑制效果，隨著Pb2+濃度增大，螯合劑對(duì)黑麥草的根系和莖葉生長(zhǎng)的抑制出現(xiàn)改善。當(dāng)土壤Pb2+濃度為2 000 mg/kg時(shí)，F(xiàn)eCl3處理組對(duì)黑麥草生長(zhǎng)促進(jìn)作用最為顯著，黑麥草生物總量提高了約1倍。

注：不同小寫字母表示同一螯合劑不同濃度間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示同一濃度不同螯合劑間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant difference between different concentrations of the same chelators (P<0.05),different uppercase letters indicate significant difference between different chelators of the same concentration (P<0.05).圖1 不同土壤Pb2+濃度下黑麥草莖葉與根系的生長(zhǎng)狀況Fig.1 Growth of ryegrass stems and leaves and root system under different soil Pb2+ concentration

植物耐性指數(shù)對(duì)于污染場(chǎng)地修復(fù)效果具有重要的影響，根據(jù)公式(1)可計(jì)算不同Pb2+濃度下黑麥草的耐性指數(shù)，結(jié)果如圖2所示。當(dāng)土壤受Pb2+污染程度不高時(shí)(濃度為200、500 mg/kg)，3種螯合劑作用下黑麥草的根系和莖葉耐性指數(shù)均小于1，表明植物生長(zhǎng)受到抑制，其中FeCl3和CA對(duì)黑麥草生長(zhǎng)的抑制效果較明顯。當(dāng)土壤受Pb2+污染程度較高時(shí)(濃度1 000、2 000 mg/kg)，F(xiàn)eCl3和EDTA這2種螯合劑對(duì)黑麥草的莖葉和根系生長(zhǎng)均具有顯著的促進(jìn)作用。CA只有在土壤Pb2+濃度達(dá)到2 000 mg/kg時(shí)才對(duì)黑麥草生長(zhǎng)表現(xiàn)出促進(jìn)作用。

注：不同小寫字母表示同一螯合劑不同濃度間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示同一濃度不同螯合劑間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant difference between different concentrations of the same chelators (P<0.05),different uppercase letters indicate significant difference between different chelators of the same concentration (P<0.05).圖2 不同土壤Pb2+濃度下黑麥草莖葉與根系的耐性指數(shù)Fig.2 Tolerance index of ryegrass stem,leaf and root under different soil Pb2+ concentrations

2.2 不同螯合劑作用下黑麥草對(duì)Pb2+的富集作用分析從黑麥草不同部位對(duì)Pb2+的富集作用(圖3)可以看出，隨著土壤Pb2+濃度的增大，黑麥草根系和莖葉Pb2+濃度均顯著增加。不同土壤Pb2+濃度下，3種螯合劑對(duì)黑麥草莖葉和根系Pb2+濃度的影響有所差異。EDTA處理組和FeCl3處理組黑麥草莖葉和根系Pb2+濃度在土壤Pb2+濃度為0、200 mg/kg時(shí)高于CK，在其他土壤Pb2+濃度下顯著高于CK。CA處理組黑麥草莖葉Pb2+濃度在所有土壤Pb2+濃度下均高于CK。CA處理組黑麥草根系Pb2+濃度在土壤Pb2+濃度為500 mg/kg 時(shí)顯著高于CK，其他土壤Pb2+濃度下無顯著差異。整體而言，當(dāng)土壤中Pb2+濃度高于1 000 mg/kg時(shí)，F(xiàn)eCl3和EDTA對(duì)提升黑麥草富集Pb2+效果更為顯著。對(duì)于Pb2+濃度為2 000 mg/kg土壤，施加FeCl3螯合劑后，黑麥草莖葉和根系對(duì)Pb2+的富集量分別為492.4和827.6 mg/kg，相比于CK對(duì)照組分別提高了2.64和0.95倍。

注：不同小寫字母表示同一螯合劑不同濃度間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示同一濃度不同螯合劑間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant difference between different concentrations of the same chelators (P<0.05),different uppercase letters indicate significant difference between different chelators of the same concentration (P<0.05).圖3 不同土壤Pb2+濃度下黑麥草莖葉與根系對(duì)Pb2+的富集作用Fig.3 Enrichment of Pb2+ by stems,leaves and roots of ryegrass in different soil Pb2+ concentrations

注：不同小寫字母表示同一螯合劑不同濃度間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示同一濃度不同螯合劑間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant difference between different concentrations of the same chelators (P<0.05),different uppercase letters indicate significant difference between different chelators of the same concentration (P<0.05).圖4 不同土壤Pb2+濃度下黑麥草莖葉與根系Pb2+的生物富集系數(shù)Fig.4 Bioconcentration coefficients of Pb2+ in ryegrass stems and leaves and roots under different soil Pb2+ concentrations

根據(jù)公式(2)計(jì)算不同土壤Pb2+濃度下黑麥草莖葉和根系Pb2+的生物富集系數(shù)，結(jié)果如圖4所示。不同土壤Pb2+濃度下，黑麥草莖葉的生物富集系數(shù)(0.10～0.33)明顯小于根系Pb2+生物富集系數(shù)(0.22～0.63)。隨著土壤Pb2+濃度增大，對(duì)照組和CA處理組黑麥草的根系和莖葉Pb2+生物富集系數(shù)均持續(xù)降低，EDTA處理組黑麥草莖葉和根系Pb2+生物富集系數(shù)分別呈現(xiàn)出先降后升和持續(xù)下降的變化趨勢(shì)，F(xiàn)eCl3處理組黑麥草莖葉和根系對(duì)Pb2+生物富集系數(shù)分別呈現(xiàn)出先降后穩(wěn)定和先降后升的變化趨勢(shì)。當(dāng)土壤Pb2+濃度為2 000 mg/kg，EDTA處理組黑麥草莖葉和根系Pb2+生物富集系數(shù)顯著大于CK，F(xiàn)eCl3處理組黑麥草莖葉和根系Pb2+生物富集系數(shù)顯著大于CK，CA處理組黑麥草莖葉Pb2+生物富集系數(shù)顯著大于CK，此時(shí)，EDTA對(duì)黑麥草莖葉Pb2+生物富集系數(shù)和FeCl3對(duì)黑麥草根系Pb2+生物富集系數(shù)相比于對(duì)照組分別提高了2.6和2.1倍。

2.3 不同螯合劑作用下黑麥草對(duì)Pb2+的轉(zhuǎn)運(yùn)效果分析單因素方差分析結(jié)果表明，不同Pb2+濃度下的黑麥草莖葉與根系的Pb2+濃度呈極顯著差異(P<0.01)。不同Pb2+濃度下黑麥草根系與莖葉中Pb2+濃度的相關(guān)性如圖5所示，不同Pb2+濃度條件下，對(duì)照組黑麥草的根系與莖葉中Pb2+濃度具有良好的線性關(guān)系，此時(shí)線性擬合曲線斜率(k1)為0.313。施加3種螯合劑后，不同Pb2+濃度土壤中黑麥草根系與莖葉的Pb2+濃度仍然具有良好的線性關(guān)系，此時(shí)擬合曲線斜率(k2)為0.567。表明隨著3種螯合劑的加入，均可以促進(jìn)Pb2+從植物根部向莖葉部位轉(zhuǎn)移。

圖5 不同Pb2+濃度下黑麥草莖葉與根系Pb2+濃度關(guān)系Fig.5 Relationship between Pb2+ concentration in ryegrass stem,leaf and roots under different Pb2+ concentrations

為進(jìn)一步探究不同Pb2+濃度下黑麥草Pb2+的轉(zhuǎn)運(yùn)效率，根據(jù)公式(3)計(jì)算黑麥草Pb2+的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，結(jié)果如圖6所示。隨著土壤Pb2+濃度增大，對(duì)照組黑麥草對(duì)Pb2+的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)逐漸減小，土壤Pb2+濃度為2 000 mg/kg時(shí)，對(duì)照組黑麥草的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.32。3種螯合劑加入后，黑麥草Pb2+轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨著土壤Pb2+濃度增大出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)土壤Pb2+濃度為500 mg/kg時(shí)，3種螯合劑作用下黑麥草的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均出現(xiàn)最小值，當(dāng)土壤Pb2+濃度達(dá)到2 000 mg/kg，EDTA、FeCl3和CA作用下黑麥草Pb2+的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為0.56、0.59和0.48，相比于對(duì)照組分別提高了0.75、0.84和0.50倍，此時(shí)根系部位富集的Pb2+大部分可轉(zhuǎn)運(yùn)至莖葉部位以供收割。

圖6 不同螯合劑誘導(dǎo)下黑麥草Pb2+的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Fig.6 Transport coefficients of Pb2+ in ryegrass induced by different chelators

3 結(jié)論與討論

研究表明，黑麥草對(duì)土壤Pb2+有良好的耐受性和富集作用，整體表現(xiàn)為中低濃度(≤500 mg/kg)促進(jìn)生長(zhǎng)，高濃度(≥1 000 mg/kg)抑制生長(zhǎng)。3種螯合劑加入后，黑麥草對(duì)土壤Pb2+的耐受性和富集作用在一定程度上發(fā)生改變，具體表現(xiàn)為低濃度(<500 mg/kg)抑制生長(zhǎng)，而中高濃度促進(jìn)生長(zhǎng)。當(dāng)土壤Pb2+濃度為2 000 mg/kg時(shí)，F(xiàn)eCl3對(duì)黑麥草生長(zhǎng)促進(jìn)作用最為顯著，對(duì)應(yīng)黑麥草生物量提高約1倍。推測(cè)其原因可能與植物受到環(huán)境的影響有關(guān)。低濃度Pb2+作用能夠提高植物葉綠體的酶活動(dòng)，從而加速葉綠素的合成，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。但當(dāng)土壤內(nèi)Pb2+過高時(shí)，會(huì)影響植物的呼吸作用和細(xì)胞器的正常結(jié)構(gòu)，并抑制根細(xì)胞的光合作用和有絲分裂，從而抑制了植物生長(zhǎng)[23]。

該研究中，黑麥草對(duì)Pb2+的富集作用規(guī)律表現(xiàn)為根系>莖葉，且根系與莖葉中Pb2+濃度表現(xiàn)出較好的線性相關(guān)關(guān)系。黑麥草具有富集重金屬Pb2+的能力，Pb2+主要富集于其根部，施加不同類型螯合劑后可顯著增強(qiáng)黑麥草對(duì)土壤重金屬Pb2+污染的修復(fù)效率[24]。3種螯合劑加入均能顯著促進(jìn)黑麥草對(duì)Pb2+的富集作用，具體表現(xiàn)為低濃度(≤200 mg/kg)時(shí)CA>EDTA>FeCl3，中低濃度(500 mg/kg)時(shí)EDTA>CA>FeCl3，中高濃度(1 000 mg/kg)時(shí)EDTA>FeCl3>CA,高濃度(>1 000 mg/kg)時(shí)FeCl3>EDTA>CA，因此，對(duì)于受Pb2+污染程度較高的土壤，選用FeCl3誘導(dǎo)黑麥草的方式可對(duì)場(chǎng)地Pb2+濃度起到較好的降低作用。EDTA對(duì)黑麥草修復(fù)任何Pb2+濃度土壤具有較好的提升作用，而FeCl3僅對(duì)Pb2+污染程度嚴(yán)重的土壤修復(fù)才能起到較好的促進(jìn)作用，CA對(duì)黑麥草修復(fù)Pb2+污染程度嚴(yán)重的土壤修復(fù)效果影響較小。對(duì)于Pb2+污染程度較高的土壤，EDTA和FeCl3誘導(dǎo)作用下可顯著提高黑麥草對(duì)Pb2+的富集效率，有利于提升污染場(chǎng)地的植物修復(fù)效果。而CA誘導(dǎo)作用下對(duì)于黑麥草修復(fù)Pb2+污染程度較低的土壤提升效果明顯。

該研究表明3種螯合劑的施加均能促進(jìn)黑麥草對(duì)重金屬Pb2+的富集作用，綜合考慮螯合劑適應(yīng)性及成本，EDTA和FeCl3這2種螯合劑對(duì)于黑麥草修復(fù)高濃度Pb2+污染土具有良好的提升效果，且FeCl3效果更為顯著。