螯合劑對鬼針草Cd、Zn、Pb和Cu吸收累積的影響

王天順, 陳 偉, 蔣文艷, 楊玉霞, 李曉妤, 王海軍, 廖 潔, 莫磊興

(廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與檢測技術(shù)研究所/農(nóng)業(yè)部甘蔗品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心(南寧)，廣西 南寧 530007)

【研究意義】鬼針草是一種繁殖速度快，抗逆性強(qiáng)的草本植物，在修復(fù)土壤重金屬污染中有較大的應(yīng)用價(jià)值。螯合劑可以強(qiáng)化活化土壤中的重金屬，提高富集植物的生物有效利用性，大大促進(jìn)植物對重金屬的吸收累積。因此，研究螯合劑作用下鬼針草對重金屬的吸收累積狀況，對推動(dòng)鬼針草在修復(fù)重金屬污染土壤中的應(yīng)用以及充分發(fā)揮鬼針草的修復(fù)潛力有著重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】鬼針草對Cd、Zn、Pb和Cu均有一定吸收富集作用，具有修復(fù)重金屬污染土壤的潛力[1-2]。而螯合劑作為一種有效誘導(dǎo)活化手段，可強(qiáng)化植物吸收累積重金屬并將其轉(zhuǎn)移至地上部分，達(dá)到降低或修復(fù)土壤中重金屬污染的目的，大大提高拓展了植物提取在環(huán)境重金屬修復(fù)中的應(yīng)用。目前國內(nèi)外學(xué)者廣泛采用這一手段治理環(huán)境土壤污染，比如Saifullah等[3]用ETDA螯合誘導(dǎo)Pb的吸收提取，樊揚(yáng)帆[4]采用外源螯合劑檸檬酸和NTA誘導(dǎo)苧麻對Cd的提取修復(fù)以及張磊和張磊[5]采用不同螯合劑強(qiáng)化棉花Cd的提取修復(fù)等，均取得較好效果。【本研究切入點(diǎn)】目前有關(guān)螯合劑螯合誘導(dǎo)植物吸收累積重金屬的研究較多，但螯合劑誘導(dǎo)鬼針草修復(fù)重金屬復(fù)合污染土壤的研究還鮮見報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過溫室大棚室內(nèi)盆栽土培試驗(yàn)，使用Cd、Zn、Pb和Cu復(fù)合污染土壤種植鬼針草，探討添加EGTA、NTA和EDDS對鬼針草Cd、Zn、Pb和Cu吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響，旨在結(jié)合利用螯合劑和鬼針草各自特性探索出一種治理土壤重金屬復(fù)合污染的高效方法，為植物修復(fù)土壤重金屬復(fù)合污染的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

表1 盆栽試驗(yàn)土壤的基本理化性質(zhì)

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試盆栽土壤采自廣西玉林鉛鋅礦區(qū)周邊某農(nóng)田0～20 cm耕作層。土壤經(jīng)風(fēng)干去除雜物后粉碎，過5 mm篩混勻。供試土壤為Cd、Zn、Pb和Cu復(fù)合污染土壤，土壤的基本理化性質(zhì)如表1所示。鬼針草(BidenspilosaL.)種子采自廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院。鬼針草為一年生草本植物，莖直立，高30～100 cm，鈍四棱形。以種子繁殖，發(fā)芽適溫為15～30 ℃，喜長于溫暖濕潤氣候區(qū)，以疏松肥沃、富含腐殖質(zhì)的砂質(zhì)壤土及粘壤土為宜，在廣西中南部地區(qū)一年四季均可繁殖、開花、結(jié)果。供試試劑為乙二醇二乙醚二胺四乙酸(EGTA)、氨三乙酸(NTA)、乙二胺二琥珀酸(EDDS)，均為分析純。

1.2 桶栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)采用上口徑16 cm、高11 cm和底徑9 cm的塑料樹脂盆，每盆裝土1.0 kg。試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理，分別為：①CK處理，不添加任何藥劑，作為空白對照；②EGTA處理，添加螯合劑EGTA，濃度為1.0 mmol/kg；③NTA處理，添加螯合劑NTA，濃度為1.0 mmol/kg；④EDDS處理，添加螯合劑EDDS，濃度為1.0 mmol/kg。每個(gè)處理3次重復(fù)。

試驗(yàn)于2018年8月1日至10月10日在廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院科研大棚內(nèi)實(shí)施。將鬼針草種子經(jīng)90 %乙醇浸泡消毒后，播種在塑料樹脂盆中，澆適量水保持土壤濕潤，待種子萌發(fā)生長15 d后定苗，每盆保留鬼針草幼苗3株。植物生長60 d后分別施加EGTA、NTA和EDDS，為保持螯合劑施加均勻，將螯合劑溶于超純水后再噴灑在土壤表面，螯合劑施加10 d后采收。

1.3 樣品處理與測定

將收獲的植物用超純水沖洗干凈后晾干，稱量其鮮重。然后將植物分成根、莖和葉3部分，于105 ℃下殺青30 min，在65 ℃下烘干至恒重，測定干重。然后用粉碎機(jī)將根、莖和葉分別粉碎過100目篩，用H2O2-HNO3法消解。采用PE900T火焰-石墨爐原子吸收分光光度計(jì)測定樣品消解液重金屬含量。

1.4 富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)

富集系數(shù)=植株地上部組織重金屬含量/土壤重金屬含量

轉(zhuǎn)移系數(shù)=植株地上部組織重金屬含量/植株根部重金屬含量

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010和SPSS 18.1軟件分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同螯合劑處理對鬼針草植株根莖葉組織內(nèi)Cd、Zn、Pb和Cu含量的影響

如圖1所示，3種螯合劑的添加使用對鬼針草根莖葉組織Cd含量均產(chǎn)生負(fù)面影響，不利于重金屬Cd的吸收累積。與CK比較，施用EGTA、NTA和EDDS后的鬼針草根部Cd含量分別降低了37.4%、31.5 %和24.3 %，莖部Cd含量分別降低了51.5 %、41.7 %和28.4 %，葉部Cd含量分別降低了6.7 %、38.4 %和27.9 %。

圖1 不同處理下鬼針草各部位Cd含量Fig.1 Concentrations of Cd in different parts of Bidens pilosa L. under different treatments

如圖2所示，3種螯合劑對鬼針草根莖葉組織Zn含量影響各異。與CK比較，螯合劑EGTA的使用使鬼針草葉部Zn含量降低了18.9 %，但其莖部和根部Zn含量分別提高了13.9 %和55.6 %；螯合劑NTA的使用使鬼針草葉部和莖部Zn含量分別降低了45.4 %和40.3 %，但其根部Zn含量提高了5.6 %；螯合劑EDDS的使用使鬼針草葉部和根部Zn含量分別降低了21.9 %和11.5 %，但其莖部Zn含量提高了19.6 %。

如圖3所示，3種螯合劑對鬼針草根莖葉組織Pb含量影響各異。與CK比較，施用EGTA、NTA和EDDS后的鬼針草葉部Pb含量分別降低了14.8 %、44.7 %和30.0 %；莖部Pb含量分別降低了16.1 %、39.3 %和14.7 %；根部Pb含量分別提高了82.2 %、355.1 %和446.5 %。

圖2 不同處理下鬼針草各部位Zn含量Fig.2 Concentrations of Zn in different parts of Bidens pilosa L. under different treatments

圖3 不同處理下鬼針草各部位Pb含量Fig.3 Concentrations of Pb in different parts of Bidens pilosa L. under different treatments

圖4 不同處理下鬼針草各部位Cu含量Fig.4 Concentrations of Cu in different parts of Bidens pilosa L. under different treatments

如圖4所示，3種螯合劑的添加使用對鬼針草根莖葉組織Cu含量均產(chǎn)生積極影響，有利于重金屬Cu的吸收累積。與CK比較，施用EGTA、NTA和EDDS后的鬼針草根部Cu含量分別提高了68.3 %、101.3 %和285.0 %；莖部Cu含量分別提高了156.5 %、4.3 %和17.4 %；葉部Cu含量分別提高了106.8 %、11.3 %和161.7 %。

2.2 不同螯合劑處理對鬼針草生物量的影響

螯合劑作用下植物對重金屬的吸收累積總量，不僅與植株組織內(nèi)單位質(zhì)量的富集濃度有關(guān)，還與植株本身的生物量密切相關(guān)。植株生物量越大，則重金屬的吸收富集量就越大。圖5表明，3種螯合劑的施加使用均促進(jìn)了鬼針草的生長，其鮮重均呈現(xiàn)不同程度的增加。其中EDDS作用下鬼針草的生物量最大，與對照CK比較生物量提高了24.9 %；EGTA作用下次之，與對照CK比較生物量提高了20.2 %；NTA作用下生物量提高了18.3 %。螯合劑施加到土壤中，除了影響土壤中重金屬的活性外，同時(shí)還影響土壤中氮、硫、磷等營養(yǎng)元素有效性，進(jìn)而促進(jìn)植物的吸收利用；而且低濃度的螯合劑與土壤中的重金屬發(fā)生螯合作用，還可以緩解重金屬對植物細(xì)胞組織的毒害作用，兩者皆有利于植物的生長發(fā)育。

2.3 不同螯合劑處理對鬼針草Cd、Zn、Pb和Cu吸收量的影響

螯合劑作用下鬼針草對Cd、Zn、Pb、Cu吸收量的影響如表2所示。不同處理下，鬼針草對Cd、Zn、Pb、Cu吸收范圍分別282.9～331.0、8171.0～11 845.5、466.9～1989.6和32.1～124.8 μg /盆。與CK比較，螯合劑EGTA、EDDS對鬼針草吸收Cd影響差異不顯著(P>0.05，下同)，1.0 mmol/kg NTA的施用甚至產(chǎn)生了負(fù)面影響，減少了鬼針草對Cd的吸收。除NTA對鬼針草Zn吸收提升不顯著外，螯合劑EGTA、EDDS作用下均顯著提升了鬼針草對Zn吸收量(P<0.05，下同)；3種螯合劑作用下均顯著提升了鬼針草對Pb和Cu吸收量，其中EGTA作用下鬼針草Zn吸收量最大為11 845.5 μg /盆，是CK的1.45倍；NTA、EDDS作用下鬼針草Pb、Cu吸收量最大分別為1989.6和124.8 μg /盆。

圖5 不同螯合劑處理下鬼針草的生物量Fig.5 Biomass of Bidens pilosa L. under treatments of different chelators

表2 螯合劑對鬼針草Cd、Zn、Pb和Cu吸收量的影響

注：同列不同小寫字母表示處理間達(dá)到0.05水平顯著差異。

Note: Different small letters in the same column mean significant difference with different treatments atP<0.05.

2.4 不同螯合劑處理對鬼針草Cd、Zn、Pb、Cu富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響

如表3所示，對于重金屬Cd不同處理下，鬼針草葉部和莖部富集系數(shù)分別為7.15～11.60和1.69～3.49，表明鬼針草能有效的吸收累積土壤中的Cd；鬼針草葉部和莖部轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為0.82～1.36和0.21～0.28，但除施加EGTA提高了鬼針草葉部的轉(zhuǎn)移系數(shù)外，3種螯合劑的施加均減小了鬼針草葉部、莖部對Cd的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)。

對于重金屬Zn 不同處理下，鬼針草葉部和莖部富集系數(shù)分別為2.73～5.00和0.83～1.66，表明鬼針草能有效的吸收累積土壤中的Zn，3種螯合劑的施加減小了葉部的富集系數(shù)，施加NTA也減小了莖部的富集系數(shù)，與CK比較減小了40.4 %，但EGTA和EDDS的施加效果相反，提高了莖部的富集系數(shù)，較CK分別提高了13.9 %和19.6 %。鬼針草葉部和莖部轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為0.35～0.68和0.11～0.25，3種螯合劑的施加均減小了葉部的轉(zhuǎn)移系數(shù)，施加EGTA和NTA同時(shí)也減小了莖部的轉(zhuǎn)移系數(shù)，較CK分別減小了26.8 %和43.5 %，但EDDS的施加提高了莖部轉(zhuǎn)移系數(shù)，較CK提高了35.2 %。

表3 螯合劑對鬼針草Cd、Zn、Pb和Cu富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響

注：IF為轉(zhuǎn)移系數(shù)，BCF為富集系數(shù)。

Note: IF is the translocation factor, BCF is the bioconcentration factor.

對于重金屬Pb不同處理下，鬼針草葉部和莖部富集系數(shù)分別為0.04～0.06和0.09～0.15，鬼針草葉部和莖部轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為0.01～0.10和0.03～0.23，但3種螯合劑的施加均減小了鬼針草葉部、莖部對Pb的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)。其中NTA鬼針草轉(zhuǎn)移系數(shù)的減小作用最為明顯，與CK比較葉部和莖部最大減幅分別為87.9 %和86.8 %。

對于重金屬Cu不同處理下，鬼針草葉部和莖部富集系數(shù)分別為0.47～1.23和0.16～0.42，3種螯合劑的施加均提高了葉部和莖部的富集系數(shù)，與CK比較葉部和莖部最大提高分別為161.7 %和156.5 %。鬼針草葉部和莖部轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為0.25～0.54和0.05～0.23，施加NTA和EDDS減小了葉部和莖部的轉(zhuǎn)移系數(shù)，與CK比較葉部和莖部最大減幅小分別為44.7 %和69.5 %，但EGTA的施加提高了葉部和莖部的轉(zhuǎn)移系數(shù)，與CK比較葉部和莖部最大增幅分別為22.8 %和52.4 %。

3 討 論

植物吸收累積重金屬，其生物量尤其是地上部生物量是衡量植株吸收累積效率的極其重要的生理指標(biāo)之一。施加螯合劑處理后對植物產(chǎn)生了兩方面影響，一是螯合劑活化土壤中的重金屬，植物吸收大量重金屬后產(chǎn)生毒性抑制植物生長，導(dǎo)致生物量下降[6]；二是在螯合劑施用后，通過復(fù)雜的生物、化學(xué)物理反應(yīng)及植物系統(tǒng)緩解了重金屬對植物的毒性[7]，促進(jìn)了植物的生長[5]。不同螯合劑對植物生長的不同影響可能與土壤微生物、植物種類、螯合劑種類及施用量、土壤重金屬含量以及土壤pH等有關(guān)。本研究中，EGTA、NTA和EDDS的施用均促進(jìn)了鬼針草的生長，這與張磊和張磊[5]、景琪等[8]研究結(jié)果有相似之處。本研究發(fā)現(xiàn)，3種螯合劑的施用，降低了對植物生理毒性最大的Cd在鬼針草根莖葉中的質(zhì)量含量，這可能是生物量提高的關(guān)鍵所在。楊波等[9]研究表明，適量的EDDS施用可以促進(jìn)鬼針草幼苗的生長，這與本研究的結(jié)果一致，但楊波的研究結(jié)果也表明，施加0.5～1.5 mmol/L EDDS同時(shí)增加了鬼針草根莖葉中Cd含量，這與本研究發(fā)現(xiàn)的EGTA、NTA和EDDS的施用降低了鬼針草根莖葉中Cd含量剛好相反，可能與本試驗(yàn)使用的土壤呈酸性有關(guān)，大量研究表明螯合劑作用于堿性土壤時(shí)，對重金屬的強(qiáng)化作用效果較好，對酸性土壤的活化作用不明顯[10]。

螯合劑可與土壤中重金屬發(fā)生螯合作用，增強(qiáng)重金屬的活性，提高植物對重金屬的吸收有效性[11-12]。本研究結(jié)果表明，EGTA、NTA和EDDS作用下，除鬼針草對試驗(yàn)土壤中Cd的吸收累積量影響不顯著外，這與Tandy等[13]研究發(fā)現(xiàn)的EDDS不會(huì)促進(jìn)重金屬復(fù)合污染土壤中向日葵對Cd的吸收結(jié)果類似，Evangelou等[14]研究施用1.5 mmol/kg EDDS對煙草地上部吸收土壤中的Cd沒有顯著提高，熊國煥等[15]研究發(fā)現(xiàn)EDDS也沒有顯著提高大口葉邊草地上部對Cd的吸收，這與本研究結(jié)果相符。土壤中的Zn、Pb、Cu吸收累積量較對照均有顯著提升。對于重金屬Cu，3種螯合劑處理下，鬼針草根部、莖部、葉部和總的Cu積累量均高于對照，而且葉部和莖部Cu富集系數(shù)較對照均有提高，在EGTA作用下，Cu轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)也有較大提升。適宜的螯合劑可以增加土壤中重金屬的活性，從而促進(jìn)植物地上部對重金屬的吸收和積累[16-17]，本研究發(fā)現(xiàn)在Cd、Zn、Pb和Cu復(fù)合存在下，施用1.0 mmol/kg EGTA、NTA和EDDS，鬼針草根部Pb和Cu的含量和累積量顯著高于對照。

Kayser等[18]研究結(jié)果表明，在堿性土壤中施加NTA和EDDS較對照使土壤中植物有效態(tài)Zn、Cd和Cu的含量分別提高了21、58和9倍，植物地上部重金屬的含量也提高了2～3倍；Tandy等[13]研究了在復(fù)合污染土壤上，EDDS的施用對向日葵提取修復(fù)Cu、Zn、Pb有強(qiáng)化作用，結(jié)果表明，投加了10 mmol/kg EDDS顯著促進(jìn)了向日葵地上部重金屬的積累，這些均與本研究的結(jié)論類似。大量研究表明，EDDS具有更強(qiáng)的溶解土壤中Cu和強(qiáng)化植物積累Cu的能力，同時(shí)金屬-EDDS絡(luò)合物更有利于植物的吸收[19-22]。樊揚(yáng)帆等[6]研究表明，NTA的應(yīng)用能促進(jìn)苧麻的生長和提高Pb在苧麻體內(nèi)的積累。植物吸收累積重金屬的效果，既與螯合劑和重金屬的絡(luò)合能力有關(guān)，又與植物種類密切相關(guān)[23]，其中Pb-EDDS絡(luò)合物有較穩(wěn)定的絡(luò)合系數(shù)[24]，其次是Pb-NTA和Pb-EGTA，說明EDDS比NTA、EGTA具有更強(qiáng)的溶解土壤Pb和增加植物吸收累積Pb的能力，本研究結(jié)果及熊國煥等[15]研究結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。從NTA和EDDS提升了鬼針草根部Pb含量，但對葉部及莖部影響不顯著的結(jié)果來看，螯合劑和鬼針草可聯(lián)合使用，作為污染土壤中Pb的植物固定修復(fù)，這與Zhao等[25]的研究有類似之處。

在土壤環(huán)境中施加有機(jī)螯合劑，除了可以活化絡(luò)合重金屬外，還能增加這些重金屬及營養(yǎng)元素鈣鎂鐵等的淋溶，伴隨著自然降雨及水利澆灌，可能會(huì)直接或間接導(dǎo)致重金屬及營養(yǎng)元素向河水或地下水流失遷移，給水資源帶來污染風(fēng)險(xiǎn)。本研究施用的3種螯合劑在環(huán)境中均有時(shí)間不等的半衰期。EDDS和NTA是易被降解的螯合劑，研究表明EDDS在土壤中28 d即可完全降解，NTA在土壤中21 d即可完全降解。盡管螯合劑的施用可以活化土壤中的重金屬，提高重金屬的生物有效性，從而促進(jìn)植物對重金屬的吸收累積，但螯合劑作為外源物質(zhì)添加到土壤環(huán)境中，或多或少將影響土壤的結(jié)構(gòu)、肥力、微生物菌落等，會(huì)給環(huán)境帶來潛在污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，在實(shí)際的利用中應(yīng)充分考慮土壤類型、pH值、有機(jī)質(zhì)含量及重金屬含量后確定最合適的施加劑量，從而最大程度發(fā)揮螯合劑的積極影響。鑒于研究時(shí)間有限，本研究目前只考察了低劑量的3種螯合劑對土壤中Cd、Zn、Pb、Cu的影響作用，今后可從螯合劑不同劑量梯度以及其作用下重金屬在土壤中各種形態(tài)變化、重金屬在鬼針草根莖葉細(xì)胞組織的細(xì)胞分布等角度進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

4 結(jié) 論

低劑量螯合劑的施用均促進(jìn)了鬼針草的生長，提升了鬼針草地上部的生物量，3種螯合劑處理促進(jìn)鬼針草生長的作用效果順序?yàn)椋篍DDS>EGTA>NTA。在Cd、Zn、Pb和Cu復(fù)合存在下pH為6.0的酸性土壤中，EGTA對鬼針草Zn吸收累積的促進(jìn)效果最好，NTA對鬼針草Pb吸收累積的促進(jìn)效果最好，EDDS對鬼針草Cu吸收累積促進(jìn)效果最好。EGTA作用下鬼針草葉部及莖部對Cu的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均高于對照，說明EGTA能有效促進(jìn)Cu在鬼針草體內(nèi)的富集及轉(zhuǎn)運(yùn)。