植物對鎘污染土壤的修復(fù)作用

陳 誠， 李中寶， 鄧楠鑫， 李升錦

(長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北荊州 434000)

隨著社會和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國境內(nèi)大部分土壤受到了不同程度的重金屬污染。重金屬污染是指由重金屬及其相應(yīng)的化合物所造成的環(huán)境污染，主要由廣泛使用礦產(chǎn)資源、電子垃圾、污水污泥以及化肥、除草劑、殺蟲劑和工業(yè)污水排放、廢氣與一些金屬制品等人為因素所致[1-2]，重金屬污染的危害程度取決于重金屬在環(huán)境、食品和生物體中存在的濃度和化學(xué)形態(tài)，主要出現(xiàn)在水、大氣固體廢物中[3]。

土壤中的重金屬進(jìn)入植物體內(nèi)的方式是通過根系吸收，重金屬會在一定程度上改變與植物光合作用有關(guān)酶的活性，改變細(xì)胞膜通透性，并促進(jìn)ATP(三磷酸腺苷)的降解，從而損傷遺傳物質(zhì)DNA(脫氧核糖核酸)等，進(jìn)而影響植物的生長、繁殖和代謝[4]。

植物修復(fù)是利用植物來降解或吸附土壤或水中的污染物，植物修復(fù)技術(shù)就是一項利用綠色植物及其根系與土壤中的微生物體系來降解環(huán)境中一些不易自然降解而造成永久性污染的物質(zhì)[5]。隨著關(guān)于重金屬植物修復(fù)技術(shù)研究的逐漸深入、根系分泌物與重金屬絡(luò)合理論的提出，以及“綠色化學(xué)”引起全球范圍內(nèi)的重視，植物修復(fù)技術(shù)的涵義和應(yīng)用越來越被重視[6]。并且該技術(shù)無二次污染，綠色環(huán)保，作用持久[7]。在重金屬污染土壤的植物修復(fù)中，根系分泌物中的有機(jī)酸、檸檬酸等物質(zhì)能有效降解土壤中的重金屬，能促進(jìn)重金屬離子的活化從而更易被植物或其他生物體吸收、富集[8]。

本研究以鎘為重金屬污染源，探究黑麥草、玉米草、蘇丹草、狼尾草4種不同植物對其污染土壤的修復(fù)作用。

1 材料與方法

1.1 發(fā)芽率的測定

本研究中的6種植物種子，分別為黑麥草、玉米草、蘇丹草、狼尾草、紫花苜蓿、白三葉草種子，均購自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)。試驗地點為長江大學(xué)東校區(qū)，試驗時間為2017年6月。取90個直徑為120 mm且經(jīng)過乙醇洗滌、高溫消毒的培養(yǎng)皿，在每個培養(yǎng)皿中放入2片直徑為120 mm的定性濾紙，取浸泡8 h后的各10粒種子置于培養(yǎng)皿中；配制不同濃度的含鎘離子的溶液，濃度分別設(shè)置為10、25、50、75、100 mg/L，將配制好的鎘離子溶液分批多次滴加在濾紙上，保持濾紙濕潤，每隔1 d滴加1次5 mL鎘離子溶液，并記錄種子的發(fā)芽情況。待種子萌發(fā)后，將所有培養(yǎng)皿移入人工氣候箱內(nèi)，設(shè)置濕度為70%，溫度為30 ℃，光照度為80 lx。

1.2 植物生長試驗

土壤取自長江大學(xué)校園附近無重金屬污染的農(nóng)田，土壤類型為褐土，取回后將土壤置于陰涼處風(fēng)干、磨碎待用，試驗地點為長江大學(xué)東校區(qū)，試驗時間為2017年7—9月。

污染土壤的配制：以分析純CdCl2作為Cd污染試劑，在每個盆中加入500 g土壤，按照0、25、50、75、100 mg/kg的土壤含量標(biāo)準(zhǔn)，求出每個盆栽所需的鎘離子含量，然后將所需的鎘離子含量配制成相應(yīng)溶液加入，攪拌均勻后放置2 d，風(fēng)干。

分別在培養(yǎng)箱中對黑麥草、玉米草、蘇丹草、狼尾草、紫花苜蓿、白三葉草6種草的種子進(jìn)行催芽，然后在每個盆中移植10粒已經(jīng)發(fā)芽的種子，保持土壤含水率為60%～70%，以 45 d 為生長周期。

1.3 植物及土壤中鎘離子的測定

1.3.1 儀器及試劑 WYS24OO型原子吸收分光光度計(杭州華創(chuàng)科學(xué)器材有限公司)、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)試劑有限公司)。

1.3.2 樣品前處理 (1)待植物生長45 d后，將植物與土壤分離，然后輕輕敲去根系周圍的土壤，用自來水充分沖洗，除去上面的泥土，再用蒸餾水清洗1遍，然后置于烘箱中于 104 ℃ 恒溫烘烤8 h至完全干燥，將干燥的植物樣品分別剪成根、莖、葉，然后分別稱質(zhì)量以計算生物量。

(2)稱取0.5 g土壤樣品，加入10 mL鹽酸(50%)，充分混勻消解(T=180 ℃)，待溶液揮發(fā)近干時，加入10 mL濃硝酸，過一段時間后，溶液揮發(fā)近干；再加入10 mL氫氟酸，過一段時間以后，氫氟酸揮發(fā)近干；再加入10 mL高氯酸，消解過程中要蓋蓋子，適當(dāng)搖晃消解罐使之充分消解。待土樣基本被消解后，用5%稀硝酸清洗消解罐內(nèi)壁，并將所有溶液轉(zhuǎn)移至25mL比色管中，用蒸餾水定容，置于 4 ℃ 冰箱內(nèi)待測[9]。

(3)植物根、莖、葉的處理方法同土壤樣品。

1.3.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的測定 (1)鎘標(biāo)準(zhǔn)貯備液的制備。準(zhǔn)確稱取0.100 0 g鎘粉，溶解于10 mL硝酸中，然后于1 L容量瓶中定容，得到100 mg/mL鎘的貯備液。

(2)鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制。分別取鎘貯備液0.2、0.5、1、2、4 mL于100 mL容量瓶中定容，獲得標(biāo)準(zhǔn)系列質(zhì)量濃度分別為0.2、0.5、1、2、4 mg/L的鎘離子溶液。

(3)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。用原子吸收分光光度計在波長228.8 nm處依次加入1 mL質(zhì)量濃度為0.2、0.5、1、2、4 mg/L的鎘離子溶液，測定其吸光度，然后以吸光度對濃度作圖，即得到其標(biāo)準(zhǔn)曲線，詳見圖1。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)芽率結(jié)果

經(jīng)過2周的培養(yǎng)，分別計算不同植物發(fā)芽種子的數(shù)量，并計算平均發(fā)芽率。由表1可以看出，狼尾草在全系鎘離子質(zhì)量濃度下的發(fā)芽率均可達(dá)到80%及以上；玉米草的發(fā)芽率隨著鎘離子質(zhì)量濃度的升高先降后升，但是也能穩(wěn)定在70%左右；蘇丹草的發(fā)芽率隨著鎘離子質(zhì)量濃度的升高而逐漸降低，當(dāng)鎘離子質(zhì)量濃度達(dá)到100 mg/kg時，其發(fā)芽率仍能達(dá)到60%以上；黑麥草的發(fā)芽率隨著鎘離子質(zhì)量濃度的升高而逐漸降低，直至最后降至50%；而紫花苜蓿、白三葉草的發(fā)芽率一直較低，在高質(zhì)量濃度時甚至不發(fā)芽。

表1 不同植物種子的發(fā)芽率

2.2 植物的生長狀況

在出苗之后，將各盆植物搬到室外，發(fā)現(xiàn)白三葉草、紫花苜蓿均有少量的根枯黃、變干的跡象，尤其是紫花苜蓿較為嚴(yán)重。紫花苜蓿和白三葉草在不同鎘離子濃度條件下與其他植物相比最明顯的就是生長緩慢、植株矮小，且植株數(shù)量隨著鎘離子濃度的升高而逐漸減少，因為Cd可對植物光合作用及根系與土壤產(chǎn)生的一系列氧化還原反應(yīng)的酶產(chǎn)生抑制作用，從而降低了生物量和抑制了根的伸長，導(dǎo)致植物出現(xiàn)植株矮小等狀況[10]。故本研究選用黑麥草、玉米草、蘇丹草、狼尾草4種草作為分析對象。

從圖2中4種草在不同鎘離子含量土壤中的生長狀況看出，隨著鎘離子含量上升，玉米草的根質(zhì)量先下降，但隨后基本不變，而莖、葉質(zhì)量出現(xiàn)小范圍的波動，目前認(rèn)為，玉米草對鎘離子的耐受能力是不錯的。對于狼尾草而言，葉質(zhì)量整體呈拋物線形先升后降，而根、莖質(zhì)量整體呈上升趨勢，說明其對鎘離子的修復(fù)主要靠葉、莖來固定及吸收。至于黑麥草，Lou等研究發(fā)現(xiàn)，黑麥草在Cd存在下的根系活動異常旺盛，除了根部被鎘離子抑制生長外，其他部位的生長波動不大，可以認(rèn)為黑麥草主要靠根系來修復(fù)污染土壤[11]。至于蘇丹草，在一定鎘離子含量范圍內(nèi)，其生物量明顯隨著鎘離子含量的上升而不斷增大，可以認(rèn)為它對鎘離子的耐受能力是極好的。

2.3 植物各部位的鎘離子含量

經(jīng)過45 d室外培養(yǎng)后，將培養(yǎng)盆中的所有植物收割，并分別將每種植物的根系、莖、葉剪碎，放入烘箱中烘干，稱質(zhì)量，然后將每種植物的根、莖和葉分別放入三角瓶中進(jìn)行消解。消解后溶液中的鎘離子含量用原子吸收分光光度計進(jìn)行測定。

從表2可以看出，隨著土壤中鎘離子含量的增加，玉米草根系中的鎘離子含量也越來越大，即隨著土壤中鎘離子含量的增加，玉米草根系對鎘離子的修復(fù)能力也隨之增強(qiáng)，而莖、葉中的鎘離子含量較少，可能是因為玉米草主要靠根系來固定和吸收鎘子。Schütze等研究發(fā)現(xiàn)，鏈霉菌可通過生物吸附、氧化還原作用以及增加酶活性來增強(qiáng)植物的抗重金屬特性[12]?？梢哉J(rèn)為，由于根際土壤中微生物數(shù)量的增加有效地促進(jìn)了植物對重金屬的修復(fù)，只有當(dāng)鎘離子在根系中的積累達(dá)到一定量時才會向莖和葉片中轉(zhuǎn)移。當(dāng)鎘離子含量逐漸升高時，去除率先升后降。

從表3可以看出，狼尾草葉片中的鎘離子含量最高，可能是狼尾草根系對重金屬幾乎沒有固定作用，主要靠葉片積累重金屬，可能是植物葉片內(nèi)產(chǎn)生了抗氧化酶或者一些抗性物質(zhì)能夠有效清除重金屬脅迫產(chǎn)生的有活性的和有毒性的超氧自由基，于是產(chǎn)生了相對于根莖更好的耐金屬效應(yīng)[13]。狼尾草對鎘離子的去除率穩(wěn)定在70%左右，并且不隨含量的增大而減小，可以認(rèn)為狼尾草對鎘的耐受能力是不錯的。

表3 狼尾草各部位的鎘離子含量

由表4可以看出，黑麥草對鎘離子的積累與狼尾草相似，靠葉片積累鎘離子，并且隨著鎘離子含量的增加，黑麥草葉片對鎘離子的吸收量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而根、莖則無明顯變化并且吸附量小到可忽略不計，這可能也是因為黑麥草的葉片比較發(fā)達(dá)，而根、莖則相對較弱小，又或者與狼尾草一樣，葉片內(nèi)產(chǎn)生了抗氧化酶或者其他一些抗性物質(zhì)，所以黑麥草在鎘離子污染土壤中主要是由其葉片吸收和固定鎘離子。而從對鎘離子的去除率來看，隨著含量的上升，對鎘離子的去除率下降得很明顯，最后不到20%，表明耐受性較差。

表4 黑麥草各部位鎘離子含量

由表5可以看出，蘇丹草主要靠莖固定重金屬，葉幾乎沒有固定效果，這可能與蘇丹草的莖比較發(fā)達(dá)有關(guān)，又或者由于莖向葉傳輸重金屬的路徑不如黑麥草、蘇丹草通順，但是總體上對鎘離子的去除率穩(wěn)定在60%以上。因此可以認(rèn)為，蘇丹草對鎘離子的耐受能力是不會隨著土壤中鎘離子含量的增加而降低的，其耐受能力也不錯。

為了更加直觀地對比不同植物在不同鎘離子含量土壤中對鎘離子的去除效率，對不同植物在不同含量下對鎘離子的去除率作圖。由圖3可以直觀地看出，當(dāng)土壤中鎘離子含量為25 mg/kg時，黑麥草對鎘離子的去除率最高， 玉米草對鎘離子的去除率最低，可以認(rèn)為此時玉米草處于被鎘離子抑制的階段，從而導(dǎo)致這一結(jié)果；當(dāng)土壤中鎘離子含量為 50 mg/kg 時，蘇丹草對鎘離子的去除率最高，并且一直穩(wěn)定在60%以上，而黑麥草此時對鎘離子的去除率最低；當(dāng)土壤中鎘離子含量為75～100 mg/kg時，狼尾草對鎘離子的去除率較高，而黑麥草對鎘離子的去除率較低，并且隨著土壤中鎘離子含量的升高，黑麥草對鎘離子的去除率逐漸降低，狼尾草對鎘離子的去除率先降后升再降，但總體比較穩(wěn)定，在75%左右。

表5 蘇丹草各部位鎘離子含量

3 結(jié)論

筆者根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，選取能夠在當(dāng)?shù)剌^好存活的6種植物——玉米草、狼尾草、蘇丹草、黑麥草與紫花苜蓿、白三葉草進(jìn)行模擬污染場地修復(fù)，在經(jīng)過45 d室外盆栽培養(yǎng)后，測定不同植物的生物量及各個部分的重金屬含量，分析其生長和富集規(guī)律，得到結(jié)論如下：

(1)以空白為對照，以不同種子的發(fā)芽率高低為篩選指標(biāo)，選取玉米草、狼尾草、蘇丹草、黑麥草為鎘離子污染土壤修復(fù)的主要植物，按富集能力大小排序為狼尾草>玉米草>蘇丹草>黑麥草。

(2)當(dāng)土壤中鎘離子含量為25 mg/kg時，黑麥草對鎘離子的去除率最高，達(dá)到79%，但隨著含量的升高，去除率逐漸下降，最后不到20%；玉米草對鎘離子的去除率先升后降；蘇丹草對鎘離子的去除率大致穩(wěn)定在60%左右；當(dāng)土壤中鎘離子含量為 75～100 mg/kg時，狼尾草對鎘離子的去除率較高，并且一直穩(wěn)定在75%左右。所以，目前認(rèn)為狼尾草、蘇丹草對鎘離子有很好的耐受能力，可以用于鎘離子污染土壤的修復(fù)。