6種植物對銅污染土壤的修復(fù)作用

陳 誠，李中寶，鄧楠鑫，梅 平

(長江大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

從工業(yè)革命特別是20世紀(jì)之后，不斷的工業(yè)化和城市化活動(dòng)，使得大量廢水、采礦廢渣、化學(xué)試劑等未經(jīng)妥善處理而直接排入水體和土壤，導(dǎo)致全球土壤遭到不同程度的污染[1-2]。其中,大部分重金屬離子難以降解而在土壤中大量積累，在食物鏈的累積下最終到達(dá)人體，從而對人體造成傷害[3-4]。

目前，國內(nèi)外土壤修復(fù)的方法主要有動(dòng)電修復(fù)[5]、化學(xué)固化修復(fù)[6]，淋溶修復(fù)[7],但其化學(xué)試劑容易造成二次污染。植物修復(fù)方法操作更加簡單且無二次污染，是一種新穎、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)友好型的修復(fù)方法[8]。敬路淮等[9]發(fā)現(xiàn)，黑麥草對于修復(fù)重金屬污染土壤與廢水均有較好的效果，其中，對鈾的富集量達(dá)到213.70 mg/kg。陳東霞等[10]利用水培法探究植物對模擬污水中重金屬銅、鉻、鉛的去除能力，發(fā)現(xiàn)黑麥草、紫花苜蓿、早熟禾均有較好的效果。

長嶺-威遠(yuǎn)一帶是國內(nèi)非常規(guī)油氣田開發(fā)區(qū)域，通過對該地實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域受到不同程度的石油及重金屬污染，考慮到植物生長受環(huán)境影響較大，從油氣田開發(fā)現(xiàn)場周邊選取黑麥草、玉米草、蘇丹草、狼尾草、紫花苜蓿和白三葉草6種植物作為研究對象，探究植物對不同含量銅污染土壤中銅離子的去除能力，為治理長嶺-威遠(yuǎn)一帶的重金屬污染提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料及儀器

材料包括：濃硝酸 (分析純)、高氯酸 (分析純)、氫氟酸 (分析純)、檸檬酸 (分析純)、甘氨酸 (分析純)、麥芽糖 (分析純)(國藥集團(tuán)化學(xué)有限公司)及玉米草、黑麥草、蘇丹草、狼尾草、紫花苜蓿、白三葉草種子(華中農(nóng)業(yè)大學(xué))。

儀器包括：WYS22OO型原子吸收分光光度計(jì)(杭州華創(chuàng)科學(xué)器材有限公司)、RQH-450氣候箱(上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司)。

1.2 供試土壤

原始土壤取自某農(nóng)田無污染場地土壤，刮除表面1 cm厚的土壤進(jìn)行采樣，采樣深度1～20 cm。自然風(fēng)干，去除異物進(jìn)行研磨，過2 mm 篩備用，土壤pH值為7.34，有機(jī)碳含量為19.60 mg/kg。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 發(fā)芽率試驗(yàn) 取 90 個(gè)直徑120 mm、經(jīng)過乙醇洗滌并且高溫消毒的培養(yǎng)皿，每個(gè)培養(yǎng)皿中放入2片直徑120 mm 的濾紙，取經(jīng)過 8 h浸泡后的每種植物種子各10顆置于培養(yǎng)皿中。配制不同含量的銅離子溶液，銅離子含量設(shè)置為0(對照)、25、50、75、 100 mg/kg，倒入培養(yǎng)皿中，記錄種子發(fā)芽情況。待種子萌發(fā)之后將所有的培養(yǎng)皿移入人工氣候箱，設(shè)置濕度為 70%、溫度為 30 ℃，光照為80 lx。

1.3.2 植物生長性試驗(yàn) 于每個(gè)培養(yǎng)皿中放入6種植物各20顆種子，以改進(jìn)的Hoagland溶液[11]為培養(yǎng)液，向培養(yǎng)皿中分別加入5.0 mmol/L Ca2+、1.0 mmol/L KH2PO4、1.0 mmol/L Mg2+、1.0 mmol/L Zn2+、1.0 mmol/L Cu2+溶液，放入人工氣候箱中，設(shè)置濕度為70%，溫度為25 ℃，光照為80 lx。待種子發(fā)芽后進(jìn)行盆栽試驗(yàn)(直徑16 cm、高10 cm)，于對應(yīng)含量(0、25、50、75、100 mg/kg)每盆放入10顆發(fā)芽的種子進(jìn)行生長性試驗(yàn)，每日早晚每盆各澆1次水，維持土壤濕度為60%左右。待植物生長45 d后，將植物與土壤分離，輕輕敲去根系周圍土壤，用自來水充分沖洗，然后于104 ℃恒溫烘烤8 h至完全干燥，將干燥的植物樣品剪成根、葉、莖，分別稱其質(zhì)量以計(jì)算生物量，硝化后用WYS22OO型原子吸收分光光度計(jì)分別測量根、葉、莖及土壤中銅離子的含量。銅離子去除率(R)的計(jì)算公式如下：

式中，C0為土壤中原始銅離子含量，C1為修復(fù)后土壤中銅離子含量。

2 結(jié)果與分析結(jié)果

2.1 6種植物發(fā)芽率試驗(yàn)結(jié)果

6種植物在不同含量銅離子處理下的發(fā)芽率見表1。

由表1可知，玉米草、蘇丹草、黑麥草和狼尾草在不同銅離子含量處理下發(fā)芽率均達(dá)到70%以上，說明這4種植物對銅離子具有比較高的耐性；紫花苜蓿和白三葉草雖然在銅離子含量小于50 mg/kg時(shí)發(fā)芽率達(dá)到60%以上，但銅離子含量大于75 mg/kg時(shí)，這2種植物的發(fā)芽率甚至不足40%，說明其對高含量銅離子的耐受性不佳。故本研究將選擇玉米草、蘇丹草、黑麥草和狼尾草4種植物來分析其生物量及對土壤中銅離子的去除率。

表1 6種植物在不同含量銅離子處理下的平均發(fā)芽率Tab.1 Average germination rates of six plants under different content of copper ion treatments %

2.2 4種植物在不同含量銅離子土壤條件下的生物量

圖1為4種植物在不同含量銅離子土壤條件下根、莖、葉的生物量對比。玉米草根的生物量隨著土壤中銅離子含量的升高逐漸降低，但其生物量是莖、葉的2～4倍。在銅離子含量為25 mg/kg時(shí)，根的生物量達(dá)到了8.92 g，可能是因?yàn)橛衩撞莸母当容^發(fā)達(dá)，對銅的耐受性比較好。與對照相比，土壤中銅離子含量為25 mg/kg時(shí)，玉米草莖的生物量略微上升。與對照相比，隨著土壤中銅離子含量的升高，蘇丹草地上和地下部分的生物量均出現(xiàn)了下降的趨勢，根、莖、葉的生物量大小順序?yàn)榍o>根>葉。狼尾草各部位的生物量變化與玉米草類似，根的生物量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于莖和葉，在銅離子含量為0 mg/kg時(shí)，根、莖、葉的生物量分別為2.76、1.07、1.15 g，即使在其他含量時(shí)，根的生物量始終約是葉、莖的2倍左右。黑麥草生物量整體隨銅離子含量的上升變化不大，但莖和葉的生物量要高于根，這可能是因?yàn)楹邴湶莸娜~、莖對銅的耐受性比較高。在同種銅離子含量條件下，總生物量由大到小順序?yàn)橛衩撞?狼尾草>蘇丹草>黑麥草。

a: 玉米草；b: 蘇丹草; c: 狼尾草；d：黑麥草

2.3 4種植物不同部位對銅離子的富集效果

由圖2可知，不同植物對銅離子的富集部位及富集能力均有很大的差別。玉米草中的銅離子主要富集在根系，在銅離子含量為25 m/kg時(shí)，根、莖、葉中銅離子的含量分別為10.63、1.35、1.25 mg/kg，此時(shí)根中銅離子的含量為葉、莖的10倍左右，當(dāng)銅離子含量為100 mg/kg時(shí)，根中銅離子含量為57.25 mg/kg，而莖、葉中銅離子含量分別為1.50、1.90 mg/kg，根中銅離子含量為葉、莖的50倍以上。狼尾草對銅離子的富集效果與玉米草相似，主要富集在根系，在銅離子含量為25 mg/kg時(shí)，根、莖、葉中銅離子含量分別為11.30、1.75、0.00 mg/kg；而葉中銅離子含量與對照相同，說明此時(shí)銅離子未從根轉(zhuǎn)移到葉；當(dāng)土壤中銅離子含量為100 mg/kg時(shí)，根、莖、葉中銅離子含量分別為 52.70、1.00、1.25 mg/kg，莖中一部分銅離子向葉發(fā)生了轉(zhuǎn)移。蘇丹草中銅離子也主要富集在根系，呈現(xiàn)先上升后趨于平緩的趨勢，在土壤中銅離子含量為100 mg/kg時(shí)，葉片中的銅離子含量達(dá)到了17.25 mg/kg，說明此時(shí)根部銅離子有效地向莖和葉發(fā)生了轉(zhuǎn)移。黑麥草與其他3種植物不同，銅離子主要富集在葉和莖部，在銅離子含量為25 mg/kg時(shí)，根、莖、葉中銅離子含量分別為0.35、6.57、8.96 mg/kg，葉中銅離子含量最高，隨著土壤中銅離子含量的上升，這種差別越來越明顯，當(dāng)土壤中銅離子含量為100 mg/kg時(shí)，根、莖、葉中銅離子含量分別為1.24、12.32、23.29 mg/kg，此時(shí)，葉中銅離子含量分別約是莖、根中的2倍、20倍。

a: 玉米草；b: 蘇丹草；c: 狼尾草；d：黑麥草

2.4 4種植物在不同銅離子含量土壤條件下的銅離子去除率

圖3是不同銅離子含量土壤條件下4種植物對銅離子的去除率，蘇丹草和黑麥草對土壤中銅離子的去除率均隨著銅離子含量的升高而降低。在土壤中銅離子含量為25 mg/kg時(shí)，黑麥草和蘇丹草的銅離子去除效果較好，銅離子去除率均達(dá)到了60%以上；土壤中銅離子含量為50 mg/kg時(shí)，玉米草的銅離子去除率最高，達(dá)到了74%，此時(shí)蘇丹草、狼尾草、黑麥草的銅離子去除率分別為 56%、50%、47%；土壤中銅離子含量為75 mg/kg及以上時(shí)，狼尾草、玉米草的銅離子去除率均達(dá)到了55%以上，大于黑麥草與蘇丹草，其中，玉米草的銅離子去除率達(dá)到了60%以上。

圖3 4種植物在不同銅離子含量土壤

3 結(jié)論與討論

有研究報(bào)道，重金屬可降低植物生物量、抑制根的伸長，導(dǎo)致出現(xiàn)植株矮小等狀況[12]。植物修復(fù)指利用超累積植物對土壤中的重金屬進(jìn)行吸收和轉(zhuǎn)移，余曉華等[13]在研究雜交狼尾草和類蘆對鎘、銅、鋅、鉛復(fù)合污染土壤的修復(fù)作用發(fā)現(xiàn)，雜交狼尾草對銅、鎘污染土壤具有巨大的修復(fù)潛力，可作為該類重金屬污染土壤修復(fù)的超累積植物。本研究中的玉米草、蘇丹草、黑麥草、狼尾草在不同銅離子含量條件下的發(fā)芽率均達(dá)到了70%以上，并且生長情況較紫花苜蓿和白三葉草好，可作為超累積植物。

超累積植物相對于非超累積植物，其根系往往比較發(fā)達(dá)。植物對土壤中銅離子的去除與根際環(huán)境有較大的關(guān)系，有研究報(bào)道，植物根系分泌的蘋果酸、檸檬酸等有機(jī)酸能有效地活化和絡(luò)合土壤中的重金屬，從而被植物吸收和轉(zhuǎn)移[14]。另外，植物分泌的氨基酸和糖類等物質(zhì)能有效地促進(jìn)根系土壤周圍微生物的生長，而這些微生物與植物共生，反過來促進(jìn)了植物對于土壤中養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而促進(jìn)了植物的生長，更有利于植物吸收重金屬[15]。陳生濤等[16]發(fā)現(xiàn)Rhizobiumsp.W33能夠顯著促進(jìn)黑麥草吸收銅離子，并提高其對銅離子的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)。本研究選用的玉米草、蘇丹草、黑麥草、狼尾草對銅離子的耐受性較好，當(dāng)銅離子含量為25 mg/kg時(shí)，黑麥草與蘇丹草的銅離子去除率均達(dá)到了60%以上，高于狼尾草和玉米草，而當(dāng)土壤中銅離子含量為50 mg/kg時(shí)，蘇丹草、玉米草的銅離子去除率均達(dá)到了55%以上，高于黑麥草與狼尾草。與黑麥草與蘇丹草不同的是，玉米草、狼尾草分別在銅離子含量為50、75 mg/kg時(shí)的銅離子去除率出現(xiàn)增大的現(xiàn)象，特別是玉米草在高銅離子含量條件下,仍然對土壤中銅離子具有更好的耐性，甚至在銅離子含量為50 mg/kg時(shí)，玉米草的銅離子去除率達(dá)到了74%。有研究報(bào)道，當(dāng)植物受重金屬的刺激時(shí)，某些根系分泌物組分的生成和積累會有所增加，這是植物對有毒和有害物質(zhì)的應(yīng)激反應(yīng)，植物通過增加根系分泌物中特殊組分的含量來調(diào)整根際微環(huán)境，使根際微環(huán)境更有利于植物吸收及分解有害物質(zhì)[17-20]?？赡苁怯衩撞菰谕寥乐秀~離子含量為50 mg/kg時(shí)，根系中某些特異性分泌物的含量增加，從而在一定程度上促進(jìn)土壤中銅離子的活化以及玉米草對其的吸收。

同時(shí)，不同植物、不同部位對重金屬的富集效果不同，但與其各部位生物量有較大的關(guān)系，植物某個(gè)部位生物量越高，該部位富集重金屬的效果也越明顯。趙雅曼等[21]研究鉛、鋅礦區(qū)的草本植物對該礦區(qū)重金屬的富集時(shí)發(fā)現(xiàn)，就地下部分對鎘、鉛、鋅的富集能力而言，蘆葦>毛蕨；而毛蕨地上部分吸收鎘、鉛、鋅的能力較強(qiáng)。趙玉紅等[22]研究西藏中部礦區(qū)先鋒植物對重金屬富集的結(jié)果表明，植物不同部位對重金屬的吸附能力不同。本研究結(jié)果表明，玉米草根的生物量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于葉和莖，而根對銅離子的富集也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于葉和莖，葉和莖的生物量相差不大，其銅離子的含量也基本一樣；黑麥草在不同銅離子含量土壤條件下的生物量大小順序?yàn)槿~>莖>根，而黑麥草根、莖、葉中銅離子含量大小順序也為葉>莖>根。植物某個(gè)部位的生物量越高，對于重金屬的耐受性越好，該部位銅離子含量也就越高。在土壤中銅離子含量為100 mg/kg時(shí)，玉米草、狼尾草、蘇丹草根系中銅離子含量分別達(dá)到了57.25、52.70、47.50 mg/kg；黑麥草的銅離子主要富集在葉、莖，在土壤中銅離子含量為100 mg/kg時(shí)，葉、莖中銅離子含量分別達(dá)到了23.29、12.32 mg/kg。

本研究篩選的4種植物可為長嶺-威遠(yuǎn)一帶非常規(guī)油氣開發(fā)區(qū)域及其他重金屬污染區(qū)域不同濃度銅污染土壤修復(fù)提供參考，在高銅離子含量(大于 50 mg/kg)時(shí)，可選用玉米草作為修復(fù)植物，在低銅離子含量(小于25 mg/kg)時(shí)，可選用黑麥草和蘇丹草作為修復(fù)植物。