土壤和植物中鉛含量測(cè)定及分析*

黃周滿　湯璐　尹春燕

(1.武昌理工學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院　武漢 430223；　2.武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院化工與材料學(xué)部　武漢 430073；　3.華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院農(nóng)藥與化學(xué)生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　武漢 430079)

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土壤修復(fù)

土壤和植物中鉛含量測(cè)定及分析*

黃周滿1湯璐2尹春燕3

(1.武昌理工學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院武漢 430223；2.武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院化工與材料學(xué)部武漢 430073；3.華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院農(nóng)藥與化學(xué)生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢 430079)

采用BCR連續(xù)浸提法提取土壤和植物中鉛，對(duì)土壤中4種不同形態(tài)(酸可提取態(tài)(BCR1)、可還原態(tài)(BCR2)、可氧化態(tài)(BCR3)和殘?jiān)鼞B(tài))的鉛進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，土壤中的鉛含量呈現(xiàn)如下的趨勢(shì)：BCR2>BCR3>BCR1；土壤的理化性質(zhì)，如土壤含水率、pH值、有機(jī)質(zhì)及微生物數(shù)量等對(duì)鉛元素有效態(tài)以及鉛元素遷移狀態(tài)都有影響；對(duì)作物中鉛進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)作物中鉛濃度依次為根>葉>莖；另外土地上覆膜也能促進(jìn)土壤中的鉛元素轉(zhuǎn)化為可供植物直接利用的有效態(tài)。

鉛污染土壤BCR連續(xù)浸提法植物

0　引言

重金屬、農(nóng)藥能破壞土壤結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)狀況，已成為污染土壤的主要污染物[1]。重金屬具有長(zhǎng)期性和非移動(dòng)性等特性，土壤被重金屬污染后，會(huì)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)品和地下水產(chǎn)生次級(jí)污染，并通過(guò)食物鏈影響人類健康。土壤中鉛(Pb)的質(zhì)量濃度范圍通常為2～200 mg/kg，平均含量約為13～42 mg/kg[2]。鉛是蓄積性毒物，可以隨血液循環(huán)而遷移，隨后除少量在肝、脾、腎等組織及紅細(xì)胞中存留外，大約有90%～95%的鉛以穩(wěn)定的不溶性磷酸鉛儲(chǔ)存于骨骼系統(tǒng)。

雖然各國(guó)在意識(shí)到鉛污染問(wèn)題后改用無(wú)鉛汽油代替鉛汽油以期減少鉛污染，但是進(jìn)入土壤中的鉛已經(jīng)富集，外援鉛大都停留在土壤表層[3]，并在生態(tài)系統(tǒng)中傳遞，一些土壤已經(jīng)喪失生機(jī)。因此，土壤功能修復(fù)就顯得尤為重要。ROTKITTIKHUN P等研究比較了Vetiveriazizanioides和Thysanolaenamaxima對(duì)鉛的積累以及它們的生物量，從而選擇其中一種用于Bo Ngam鉛礦土壤的植物提取修復(fù)技術(shù)[4]。在了解了土壤特性對(duì)重金屬含量的影響后，改變土壤的特性，選擇超積累和高生物量的植物便可修復(fù)土壤的重金屬污染，這也是植物吸收重金屬的應(yīng)用。

1　實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)樣品的種植地點(diǎn)是某市一苗圃內(nèi)。實(shí)驗(yàn)將一塊土地分成兩塊，兩塊土地相連接。在一塊土地上直接種植小白菜，另一塊土地覆膜后種植小白菜。當(dāng)小白菜約生長(zhǎng)了兩個(gè)月的時(shí)間，采集樣品。樣品的采集分成植物與土壤兩個(gè)部分。

1.1土壤理化指標(biāo)的測(cè)定

土壤理化指標(biāo)主要測(cè)定土壤中微生物(血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù))、有機(jī)質(zhì)(重鉻酸鉀法)、含水率和燒失量(重量法)及pH值(pH酸度計(jì))，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2植物樣品的消解

采集的植物樣品洗凈后自然風(fēng)干，繼而將植株分為根、莖、葉三部分，分別于105 ℃烘干，碾磨成粉狀。采集的土壤根據(jù)需要自然風(fēng)干，以備用。將植物樣品分為根、莖、葉三部分，分別消解：稱取待消解的植物樣品0.25 g于150 mL的錐形瓶中，用幾滴去離子水潤(rùn)濕后，加入5 mL的濃硝酸(分析純)，蓋上坩堝蓋，浸泡過(guò)夜。第二天，將坩堝蓋倒扣，放于電熱板上加熱消解，至錐形瓶中的植物樣品全部溶解，溶液透明澄清，打開(kāi)坩堝蓋，將瓶中的濃硝酸蒸干，即得白色晶體。將該白色晶體定容至25 mL，貯存于聚乙烯試管中。若消解過(guò)程中，直至濃硝酸蒸干，仍未得澄清透明溶液，可補(bǔ)加濃硝酸，再輔以濃硫酸以幫助消解，其余步驟相同，同時(shí)做兩個(gè)空白樣。

表1　土壤理化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

1.3土壤中鉛的提取

土壤中鉛的提取采用歐共體的BCR連續(xù)浸提法。按序號(hào)稱取0.75 g土壤樣品于50 mL的聚乙烯試管中，實(shí)驗(yàn)步驟如下。

(1)按照土液質(zhì)量比1∶40往試管中加入濃度為0.11 mol/L的HAc溶液30 mL，室溫下震蕩16 h，在2 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心30 min后，取上清液保存。

(2)按照土液質(zhì)量比1∶40的比例往經(jīng)過(guò)步驟1的含土壤的試管中加入30 mL濃度為0.5 mol/L的鹽酸羥胺溶液，室溫下震蕩16 h，在2 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心30 min后，取上清液保存。剩余試管中的土壤加去離子水洗滌，震蕩、離心，棄去上清液。

(3)按照1∶10的比例往試管中加入7.5 mL濃度為8.8 mol/L的H2O2，在85 ℃水浴下恒溫，蒸至近干。重復(fù)上述操作一次。

(4)按照土液質(zhì)量比1∶50的比例往試管中加入37.5 mL濃度為1.0 mol/L的乙酸銨溶液，震蕩16 h，在2 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心70 min。取上清液保存。

植物體中和土壤中提取的鉛樣品標(biāo)上順序后，用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1土壤中鉛含量

本實(shí)驗(yàn)采用歐共體BCR連續(xù)浸提法提取土壤中的鉛。BCR連續(xù)浸提法將土壤中的鉛分成4個(gè)形態(tài)，分別是：酸可提取態(tài)(對(duì)應(yīng)BCR第一步，即BCR1)、可還原態(tài)(對(duì)應(yīng)BCR第二步，即BCR2)、可氧化態(tài)(對(duì)應(yīng)BCR第三步，即BCR3)和殘?jiān)鼞B(tài)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，除殘?jiān)鼞B(tài)外，鉛在土壤中可還原態(tài)的濃度最高，其次為可氧化態(tài)，酸可提取態(tài)的含量最低。具體測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　BCR提取的土壤中的鉛含量　mg/kg

BCR1提取的鉛形態(tài)，對(duì)應(yīng)Tessior連續(xù)五步提取法中的可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)[5]，該態(tài)是能被植物直接吸收利用，是最有效的形態(tài)[6]。由表2可知覆膜與不覆膜之間鉛濃度的異同，以及各步提取的鉛的異同。覆膜條件下，土壤中的可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)遠(yuǎn)高于不覆膜條件下，前者比后者高3.01倍，由此說(shuō)明覆膜促進(jìn)了土壤中的鉛轉(zhuǎn)化成能易于被植物吸收的有效態(tài)。無(wú)論是覆膜還是不覆膜的土壤，BCR2與BCR3兩步驟提取的鉛濃度相差不多，BCR2中可還原態(tài)鉛的濃度大小為覆膜>不覆膜，根據(jù)表2給出的數(shù)據(jù)計(jì)算可知，兩者僅相差1.65%。但是在不覆膜CR3中可氧化態(tài)鉛的濃度卻是不覆膜>覆膜，后者比前著低了4.86%。三步提取的鉛的總濃度是覆膜>不覆膜，鑒于同一土壤中鉛的含量相同，且沒(méi)有外源鉛進(jìn)入土壤，因而土壤中的全鉛濃度在同一水平，可以推測(cè)殘?jiān)鼞B(tài)的鉛濃度應(yīng)是覆膜<不覆膜。

2.2植物中鉛含量

植物中鉛測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　植物根、莖、葉中的鉛含量　mg/kg

一般來(lái)說(shuō)，植物中重金屬的濃度應(yīng)按照如下的排列：根>莖>葉。這是因?yàn)?，植物中重金屬的主要?lái)源是土壤，根從土壤中吸收重金屬，再運(yùn)輸?shù)角o，繼而輸送到葉。在運(yùn)輸過(guò)程中，總有一部分重金屬受到植株生理作用的抑制而滯留，這就會(huì)導(dǎo)致了重金屬含量根>莖>葉結(jié)果，無(wú)論是覆膜條件或是不覆膜條件，植株中鉛的濃度都呈現(xiàn)如下趨勢(shì)，即根>葉>莖。分析原因應(yīng)該是植株通過(guò)其葉子從大氣中獲得并富集鉛，以致葉子中鉛的濃度大于莖中鉛的濃度，并與根中的鉛濃度相差無(wú)幾。再比較覆膜與不覆膜條件下植株各器官內(nèi)鉛濃度的差異，根中鉛濃度表現(xiàn)出覆膜>不覆膜，從表2和表3可知，可交換態(tài)鉛(不覆膜CR1)濃度在覆膜條件下比不覆膜條件下的高，即能夠被植物直接吸收利用的鉛在覆膜條件下高，因而，覆膜條件下根中的鉛也較高。葉中的鉛濃度與根中的鉛濃度呈現(xiàn)同樣的現(xiàn)象，即覆膜>不覆膜，這可能是因?yàn)楦材l件下水分利用率的提高增強(qiáng)了植株的蒸騰作用，使得葉子上的氣孔孔徑增大，氣孔數(shù)量增多，從大氣中吸收的鉛也就多。

3　結(jié)語(yǔ)

(1)土壤的理化性質(zhì)，如含水率、pH值、有機(jī)質(zhì)等，都對(duì)鉛的有效性有非常重要的影響，進(jìn)而影響作物中鉛的含量。土壤含水率的高低，影響了土壤中水溶態(tài)鉛和可交換態(tài)鉛(即酸可提取態(tài))的含量，含水率高，則酸可提取態(tài)的有效性好，易與被植物吸收利用。土壤微生物量通過(guò)影響土壤中的pH值和有機(jī)質(zhì)間接影響土壤中鉛的有效性。覆膜為土壤微生物的生存提供了適宜的溫度和水分條件，在覆膜條件下，微生物的生命活動(dòng)比較強(qiáng)烈，產(chǎn)生的二氧化碳導(dǎo)致了土壤中pH的降低，增強(qiáng)了土壤鉛的有效性。

(2)實(shí)驗(yàn)采用不覆膜CR連續(xù)浸提法提取土壤中的鉛，該法將土壤中的鉛分為四個(gè)形態(tài)：酸可提取態(tài)(不覆膜CR1)、可還原態(tài)(不覆膜CR2)可氧化態(tài)(不覆膜CR3)和殘?jiān)鼞B(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，土壤中的鉛含量呈現(xiàn)如下的趨勢(shì)：不覆膜CR2>不覆膜CR3>不覆膜CR1，殘?jiān)鼞B(tài)鉛沒(méi)有直接測(cè)定，從總鉛不變的情況，只能判斷殘?jiān)鼞B(tài)鉛覆膜>不覆膜。

(3)植物體中的鉛含量，呈現(xiàn)如下趨勢(shì)：根>葉>莖。植物由根部從土壤中吸收并富集鉛，鉛再由根部遷移到莖，然后再遷移到葉，而葉還從大氣中吸收并富集鉛，使得葉中的鉛含量高于莖中的鉛含量。經(jīng)過(guò)相關(guān)性分析計(jì)算得知葉中的鉛含量與不覆膜CR2提取的鉛含量呈正相關(guān)，莖中的鉛與不覆膜CR3提取的鉛呈正相關(guān)。

(4)pH值是影響重金屬生物地球化學(xué)行為的控制因素，土壤pH值愈低，土壤有效態(tài)Pb含量愈高，愈有利于植物吸收。土壤低pH值有利于Pb離子通過(guò)自由擴(kuò)散出入根部及自由空間。土壤中的粘土礦物、水合氧化物和有機(jī)質(zhì)都具有一定數(shù)量的可變電荷，隨著體系pH 值的升高，表面的負(fù)電荷增加，因而對(duì)重金屬離子的吸附能力加強(qiáng)。土壤體系pH值還可影響鉛化合物的溶解度及鉛絡(luò)合物的穩(wěn)定常數(shù)，當(dāng)土壤pH 值較高時(shí)，土壤中的鉛化合物的溶解度減小，而鉛絡(luò)合物的穩(wěn)定常數(shù)增加。

(5)覆膜能促進(jìn)土壤中的鉛元素轉(zhuǎn)化為可供植物直接利用的有效態(tài)，使植物對(duì)元素吸收的抗性增強(qiáng)，但不會(huì)改變植株的生理效應(yīng)。

[1]白紅娟，肖根林，賈萬(wàn)利，等.光合細(xì)菌提高污染土壤中酶活性的研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2011,37(6)：13-15.

[2]李學(xué)垣.土壤化學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]游芳.蔬菜種植基地土壤中鉛的含量與農(nóng)產(chǎn)品——菠菜鉛含量相關(guān)性的調(diào)查研究[J].科技信息，2010(12)：386-390.

[4]RPTKITTIKHUM P,CHAIYARAT R, KRUATRACHUE M, et al. Growth and lead accumulation by the grasses vetiveria zizanioides and thysanolaena maxima in lead-contaminated soil amended with pig manure and fertilerzer: A glasshouse study[J]. Chemosphere,2007,66:45-53.

[5]李非里，劉叢強(qiáng)，宋照亮.土壤中重金屬形態(tài)的化學(xué)分析綜述[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2005,21(8):21-27.

[6]劉云惠,魏顯有，王秀敏，等.土壤中鉛鎘的化學(xué)形態(tài)和有效態(tài)的提取與分離研究[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1998,21(4):44-47.

Determination and Analysis of the Lead Content in Soil and Plant

HUANG Zhouman1TANG Lu2YIN Chunyan3

(1.SchoolofLifeScience,WuchangUniversityofTechnologyWuhan430223)

BCR continuous extraction is used to extract the lead in soil and plants and analyze the lead in four different forms (acid extractable state (BCR1), reducible state (BCR2), oxidizable state (BCR3)) and residue state. The results show that the contents of lead in soil show the following trends: BCR2>BCR3>BCR1. The physical and chemical properties of soil, such as soil moisture content, pH, organic matter and microbe content etc. influence the available and transition state of lead. The lead determination in crops shows that lead concentration follows root >leaf>stem. In addition, film can promote the transformation of the lead in soil into the available state which can be used by plants directly.

lead pollutionsoilBCR continuous extractionplants

國(guó)家自然科學(xué)基金(21502061)，湖北省自然科學(xué)基金(2015CFB384)。

黃周滿，女，1981年生，講師，碩士，主要從事水污染控制及固體廢物處理等研究。

湯璐，女，1980年生，碩士，講師，主要從事化學(xué)分析及檢測(cè)與無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品研究。

2015-10-26)