李玉雙,胡曉鈞,侯永俠,宋雪英,孫禮奇

(沈陽大學(xué) 環(huán)境學(xué)院 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點實驗室,遼寧 沈陽 110044)

利用白菜修復(fù)污灌區(qū)重金屬污染土壤的螯合誘導(dǎo)植物修復(fù)技術(shù)

李玉雙,胡曉鈞,侯永俠,宋雪英,孫禮奇

(沈陽大學(xué) 環(huán)境學(xué)院 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點實驗室,遼寧 沈陽 110044)

以沈陽張士灌區(qū)重金屬污染土壤為修復(fù)對象,采用盆栽試驗,研究了乙二胺四乙酸(EDTA)對白菜富集重金屬及其生長狀況的影響.結(jié)果表明,EDTA能夠提高白菜對土壤中Cu、Cd、Pb和Zn的植物提取效率.受EDTA與不同重金屬絡(luò)合能力的影響,EDTA輔助提取Cd和Zn的有效施加量高于提取Cu和Pb的有效施加量,其對Cu、Pb和Cd、Zn的有效施加質(zhì)量摩爾濃度分別為3 mmol·kg-1和5 mmol·kg-1,植物提取效率隨著EDTA施加量的增加而升高.高質(zhì)量摩爾濃度EDTA的施用降低了白菜地上部的生物量,因此,在實踐應(yīng)用中應(yīng)在植物已具有較高生物量的情況下進(jìn)行EDTA的施加,從而避免因植物生長受抑制而導(dǎo)致的植物提取效率降低.

螯合誘導(dǎo);植物修復(fù)技術(shù);重金屬;白菜;土壤

近年來,隨著我國工業(yè)化和城市化進(jìn)程的不斷加快,土壤環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻,對土地資源可持續(xù)利用與農(nóng)產(chǎn)品生態(tài)安全構(gòu)成了威脅[1].據(jù)資料顯示,我國重金屬污染的土壤約2 000萬hm2,占耕地總面積的1/6左右,每年因重金屬污染的糧食更高達(dá)數(shù)百萬噸[2].

重金屬污染的植物修復(fù)技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種通過金屬超積累(metalaccumulating)植物的吸收、揮發(fā)、根濾、穩(wěn)定等作用去除土壤或水體中有害金屬的一種低成本、有效的綠色環(huán)境凈化技術(shù)[34].植物修復(fù)被認(rèn)為是治理重金屬污染土壤有效而又實用的環(huán)境生物技術(shù)[5],因其具有治理效果的永久性、治理過程的原位性、治理成本的低廉性、環(huán)境美學(xué)的兼容性、后期處理的簡易性等特點,而迅速得到了公眾和學(xué)術(shù)界的廣泛的認(rèn)可和關(guān)注.但是,目前發(fā)現(xiàn)的許多用于修復(fù)的超積累植物生長緩慢、植株矮小、地上部生物量小,這成了實際應(yīng)用中的最大限制[6].在此背景下,重金屬污染土壤的螯合誘導(dǎo)植物修復(fù)技術(shù)(chelate-induced phytoextraction)應(yīng)運而生.螯合誘導(dǎo)植物修復(fù)技術(shù)主要是通過人工添加特定的螯合劑活化釋放被土壤固相固定的重金屬離子,并使其溶解進(jìn)入土壤溶液,從而提高植物對重金屬的吸收富集效率[7],現(xiàn)已成為植物修復(fù)技術(shù)發(fā)展的一個新方向.

白菜是十字花科蕓薹屬葉用蔬菜,在我國北方大面積栽培,生長周期短,生物量較大,是具有較高經(jīng)濟價值的蔬菜作物和較為理想的環(huán)保植物.目前,國內(nèi)利用白菜修復(fù)重金屬污染土壤方面的研究已有報道,如叢孚奇等將白菜用于鉬礦區(qū)重金屬污染土壤的修復(fù)研究,結(jié)果表明磷酸氫二鈉檸檬酸緩沖溶液能顯著提高白菜的地上部富集土壤中重金屬元素的能力[8].但其他相關(guān)研究較少.因此,本文將白菜作為修復(fù)植物,以沈陽張士灌區(qū)重金屬污染土壤為修復(fù)對象,采用盆栽試驗,系統(tǒng)研究在施加不同質(zhì)量摩爾濃度EDTA的情況下,白菜對Cu、Cd、Pb和Zn的植物提取能力及植物生長的影響,為重金屬污染農(nóng)田土壤的植物修復(fù)提供調(diào)控依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試作物為白菜(冬寶牌),購于遼寧東亞種業(yè)有限公司.供試土壤樣品采自沈陽張士灌區(qū)(N41°46′0.4″,E123°16′43.0″),采樣深度為0～20 cm,土壤樣品經(jīng)室溫風(fēng)干后過4 mm篩備用.經(jīng)測定,土壤基本性質(zhì)如表1所示.

1.2 盆栽試驗

采用溫室土培盆栽試驗,向過4 mm篩的風(fēng)干土壤中添加EDTA溶液,使其質(zhì)量摩爾濃度分別為1、3、5、7、10 mmol·kg-1,攪拌均勻,風(fēng)干一周,分裝,3 kg/盆.將經(jīng)催芽的種子播種在盆中, 12株/盆,澆適量水,成活后,保留8株.每個樣品重復(fù)3次,同時不添加EDTA的為對照組.每天觀察一次,澆適量水,60 d后按常規(guī)方法采集白菜樣品,測定株高.然后,分別用自來水和蒸餾水沖洗3次,90℃殺青30 min,65℃烘48 h,稱重,過40目篩,貯于密封袋內(nèi)備用.

表1 供試土壤的部分理化性質(zhì)Table 1 Some physical and chemical properties of the experimental soil

1.3 樣品分析

植物樣品經(jīng)干法灰化后,用HNO3-HClO4消解,火焰原子吸收分光光譜法測定消解液中Cd、Pb、Cu、Zn的質(zhì)量比[9].土壤樣品的形態(tài)分析采用連續(xù)提取法,在Tessier連續(xù)提取法[10]的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)[1112],火焰原子吸收分光光度法測定,具體步驟見表2.

表2 連續(xù)提取試驗步驟Table 2 Test procedure of sequential extraction

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其形態(tài)分析

經(jīng)測定,土壤中Cu、Cd、Pb、和Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為87.85×10-6、4.73×10-6、77.78× 10-6和375.33×10-6,分別約為沈陽市農(nóng)田土壤背景值的4倍、43倍、2.3倍和5倍.

重金屬對環(huán)境的危害除了與其總量有關(guān)外,更大程度上由其形態(tài)分布所決定,重金屬的存在形態(tài)直接影響重金屬的毒性、遷移和轉(zhuǎn)化及在自然界的循環(huán)[13].土壤中以可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)存在的重金屬容易受環(huán)境變化的影響,其生物可利用性也較高;有機態(tài)在強氧化條件下也可釋放出來,存在潛在的危害性;而殘渣態(tài)主要賦存于礦物晶格中,只有在風(fēng)化過程才能釋放,而風(fēng)化過程是以地質(zhì)年代計算的,相對于生物周期來說,殘渣態(tài)性質(zhì)十分穩(wěn)定,一般認(rèn)為對環(huán)境是安全的[1416].

采用連續(xù)提取法分析得到的土壤中各種重金屬形態(tài)分布如圖1所示.從圖1中可知,Cd在土壤中可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)所占的比例最大,這三種形態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和占土壤中總Cd的60%;其次是Pb,三種形態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和為38%.而Cu和Zn主要以活動性較弱的殘渣態(tài)存在,殘渣態(tài)Cu和Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為58%和56%.這表明土壤中Cd和Pb的生物可利用性相對較高,易于發(fā)生遷移或被生物體吸收,造成直接毒害.盆栽實驗結(jié)果也表明(見圖2),用該土壤栽培出的白菜地上部(可食用部分) Cd和Pb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.18×10-6干重和3.53×10-6干重,分別相當(dāng)于0.25×10-6鮮重和0.20×10-6鮮重,均超過了我國食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)(《食品中污染物限量》(GB 2762—2012))中的限量規(guī)定(Cd:0.05×10-6;Pb:0.1×10-6),白菜地上部Cd和Pb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定限量的5倍和2倍.因此,該土壤如不加以修復(fù),直接用于白菜生產(chǎn)將會帶來食品安全風(fēng)險.

圖1 Cu、Cd、Pb和Zn在土壤中的賦存形態(tài)Fig.1 Mode of occurrence of Cu,Cd,Pb and Zn in the soil

2.2 EDTA對白菜提取土壤重金屬效率的影響

向土壤中施加不同質(zhì)量摩爾濃度EDTA處理后,白菜地上部重金屬Cd、Pb、Cu、Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖2所示.由圖2可知,當(dāng)向土壤中添加EDTA的質(zhì)量摩爾濃度為3 mmol·kg-1時,白菜地上部Cu和Pb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于不施加EDTA的對照處理,當(dāng)EDTA質(zhì)量摩爾濃度達(dá)到5 mmol·kg-1時,白菜對Cd和Zn的富集能力顯著提高,且白菜地上部重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著EDTA施用量的進(jìn)一步增加而增大.當(dāng)EDTA質(zhì)量摩爾濃度為10 mmol·kg-1時,白菜地上部Cu、Cd、Pb、Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為對照處理的14.2、3.4、40.8和2.9倍.以上結(jié)果表明施加EDTA能夠促進(jìn)白菜對土壤中重金屬的吸收及其向地上部運輸,從而提高白菜對土壤重金屬的植物提取效率.然而,對于不同重金屬元素來說, EDTA輔助提取修復(fù)的有效施加濃度不同,這可能與EDTA對不同重金屬的活化絡(luò)合能力有關(guān). EDTA與本研究中所涉及的4種重金屬所形成配合物的穩(wěn)定常數(shù)分別為CdEDTA 16.4,CuEDTA 18.7,PbEDTA 18.3,ZnEDTA 16.4[17],這表明EDTA對重金屬Cu和Pb的活化能力較強,而對Cd和Zn的活化能力相對較弱.在土壤中多種金屬元素共存的情況下,不同金屬離子之間會相互競爭與EDTA的結(jié)合位點,從而導(dǎo)致EDTA輔助提取Cd和Zn的有效施加量高于提取Cu和Pb的施加量.

圖2 在不同質(zhì)量摩爾濃度EDTA處理下白菜地上部Cu、Cd、Pb和Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.2 Mass fraction of Cu,Cd,Pb,and Zn in the aboveground part of Chinese cabbage treated with different molality of EDTA

2.3 EDTA對白菜生長的影響

EDTA質(zhì)量摩爾濃度與白菜的株高和生物量之間的關(guān)系見圖3.由圖3可以看出,當(dāng)EDTA質(zhì)量摩爾濃度為1 mmol·kg-1時,白菜的株高和生物量均高于對照處理;而當(dāng)EDTA質(zhì)量摩爾濃度進(jìn)一步升高時,白菜的株高和生物量均低于對照處理.這說明低質(zhì)量摩爾濃度EDTA有助于白菜的生長,而高質(zhì)量摩爾濃度EDTA則在一定程度上抑制了白菜的生長.這可能和EDTA與土壤中金屬元素的絡(luò)合能力有關(guān).由于EDTA對金屬元素絡(luò)合的非專一性,其在活化土壤中重金屬元素的同時也活化了土壤中的其他礦質(zhì)元素,如植物營養(yǎng)元素Ca、Mg、Fe、Mn、Al等.如Wu等(2004)研究表明,進(jìn)入土壤中的EDTA有68%與目標(biāo)金屬離子結(jié)合,剩下的32%則與其他離子結(jié)合[18].EDTA的活化作用使這些植物營養(yǎng)元素更易被植物吸收,從而促進(jìn)了植物的生長.而當(dāng)EDTA的質(zhì)量摩爾濃度進(jìn)一步增高,被活化的重金屬元素大量被吸收進(jìn)植物體,從而導(dǎo)致植物生長受到抑制.因此在螯合誘導(dǎo)植物修復(fù)實踐中,應(yīng)將螯合劑的施用時間控制在植物生長末期,植物已經(jīng)具有較高生物量的情況下再進(jìn)行螯合劑的施用,以提高植物提取效率.

圖3 在不同質(zhì)量摩爾濃度EDTA處理下白菜的株高和生物量Fig.3 The height and biomass of Chinese cabbage treated with different molality of EDTA

3 結(jié) 論

(1)向土壤中施加EDTA能夠促進(jìn)白菜對土壤中Cu、Cd、Pb和Zn的吸收及其向地上部運輸,從而提高白菜對土壤中重金屬的植物提取效率.

(2)由于受EDTA與不同重金屬絡(luò)合能力的影響,EDTA輔助提取Cd和Zn的有效施加質(zhì)量摩爾濃度高于提取Cu和Pb的有效施加質(zhì)量摩爾濃度,其對Cu、Pb和Cd、Zn的有效質(zhì)量摩爾濃度分別為3 mmol·kg-1和5 mmol·kg-1,且螯合誘導(dǎo)植物提取能力隨著EDTA施加質(zhì)量摩爾濃度的增加而增大.

(3)向土壤中施加高質(zhì)量摩爾濃度的EDTA能夠抑制白菜的生長,致使其生物量減少,因此在實踐應(yīng)用中應(yīng)在植物生長末期已經(jīng)具有較高生物量的情況下進(jìn)行螯合劑的施用,從而避免由于植物生長受抑制而導(dǎo)致的植物提取效率降低.

[1] 李玉雙,胡曉鈞,孫鐵珩,等.污染土壤淋洗修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)雜志,2011,30(3):596602. (Li Yushuang,Hu Xiaojun,Sun Tieheng,et al.Soil Washing/Flushing of Contaminated Soil:A Review[J]. Chinese Journal of Ecology,2011,30(3):596602.)

[2] 易龍生,陶冶,劉陽,等.重金屬污染土壤修復(fù)淋洗劑研究進(jìn)展[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2012,12(4):4246. (Yi Longsheng,Tao Ye,Liu Yang,et al.Research Advances of Rinsing Reagents Favorable for Remediating Heavy Metal Soilcontaminants[J].Journal of Safety and Environment,2012,12(4):4246.)

[3]Lasat M M.Phytoextraction of Toxic Metals:A Review of Biological Mechanisms[J].Environ Qual,2002,31(1): 109120.

[4]Kr?mer U.Phytoremediation:Novel Approaches to Cleaning up Polluted Soils[J].Current Opinion in Biotechnology,2005,16(2):133141.

[5] 宋雪英,胡曉鈞,郝一力,等.工業(yè)搬遷區(qū)常見喬木樹種重金屬累積特征分析[J].沈陽大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2012,24(2):10 14. (Song Xueying,Hu Xiaojun,Hao Yili,et al.Accumulation Characteristic Analysis of Common Afforestation Plants in Industrial Moving Region[J].Journal of Shenyang University:Natural Science,2012,24(2):1014.)

[6]Datta R,Sarkar D.Effective Integration of Soil Chemistry and Plant Molecular Biology in Phytoremediation of Metals[J].Environmental Geosciences,2004,11(2):5363.

[7]唐浩,王敏,劉釗釗,等.APCAS在重金屬污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用綜述[J].上海交通大學(xué)學(xué)報:農(nóng)業(yè)科學(xué)版, 2013,31(2):4452. (Tang Hao,Wang Min,Liu Zhaozhao,et al.Review on Application of Aminopolycarboxylic Chelating Agents (APCAS)for Remediation of Heavy Metal Contaminated Soils[J].Journal of Shanghai Jiaotong University: Agricultural Science,2013,31(2):4452.)

[8] 叢孚奇,曲蛟,叢俏.磷酸氫二鈉檸檬酸緩沖溶液調(diào)控下白菜對鉬礦區(qū)重金屬污染土壤的修復(fù)[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué),2009,35(1):6466. (Cong Fuqi,Qu Jiao,Cong Qiao.Remediation of Heavy Metals in the Soil of Molybdenum Mine by Cabbage under the Adjustment of Sodium Hydrogen Phosphate-citric Acid Buffer Solution[J].Environmental Protection Science,2009,35(1):6466.)

[9] 劉鳳枝.農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測實用手冊[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001:495496. (Liu Fengzhi.Practical Handbook of Agricultural Environmental Monitoring[M].Beijing:Standards Press of China,2001:495 496.)

[10]Tessier A,Campbell P G C,Bisson M.Sequential Extraction Procedure for the Speciation of Particulate Trace Metals[J].Analytical Chemistry,1979,51:844 851.

[11] 李玉雙,胡曉鈞,宋雪英,等.檸檬酸對重金屬復(fù)合污染土壤的淋洗修復(fù)效果與機理[J].沈陽大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,24(2):69. (Li Yushuang,Hu Xiaojun,Song Xueying,et al. Remediation of Soil Co-contaminated with Heavy Metals by Washing with Citric Acid:Batch Experiment and Extraction Mechanism[J].Journal of Shenyang University:Natural Science,2012,24(2):69.)

[12]Vulkan R,Mingelgrin U,Ben-Asher J,et al.Copper and Zinc Speciation in the Solution of a Soil-sludge Mixture [J].Journal of Environmental Quality,2002,31(1):193203.

[13] 朱光旭,郭慶軍,楊俊興,等.淋洗劑對多金屬污染尾礦土壤的修復(fù)效應(yīng)及技術(shù)研究[J].環(huán)境科學(xué),2013,34(9): 36903696. (Zhu Guangxu,Guo Qingjun,Yang Junxing,et al. Research on the Effect and Technique of Remediation for Multi-metal Contaminated Tailing Soils[J]. Environmental Science,2013,34(9):36903696.)

[14] 鐘曉蘭,周生路,黃明麗,等.土壤重金屬的形態(tài)分布特征及其影響因素[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2009,18(4):12661273. (ZHong Xiaolan,Zhou Shenglu,Huang Mingli,et al. Chemical Form Distribution Characteristic of Soil Heavy Metals and its Influencing Factors[J].Ecology and Environmental Science,2009,18(4):12661273.)

[15] 黃思宇,彭曉春,吳彥瑜,等.土壤中重金屬形態(tài)分析研究進(jìn)展[J].廣東化工,2012,39(2):8688. (Huang Siyu,Peng Xiaochun,Wu Yanyu,et al. Advancement in theAnalysis of Heavy Metals Forms in Soil[J].Guangdong Chemical Industry,2012,39(2):86 88.)

[16] 關(guān)天霞,何紅波,張旭東,等.土壤中重金屬元素形態(tài)分析方法及形態(tài)分布的影響因素[J].土壤通報,2011,42(2): 503 512. (Guan Tianxia,He Hongbo,Zhang Xudong,et al.The Methodology of Fractionation Analysis and the Factors Affecting the Species of Heavy Metals in Soil[J].Chinese Journal of Soil Science,2011,42(2):503512.)

[17]劉偉生.配位化學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社. 2013:382. (Liu Weisheng.Coordination Chemistry[M].Beijing: China Chemical Industry Press,2013:382.)

[18]Wu L H,Luo Y M,Xing X R,et al.EDTA-enhanced Phytoremediation of Heavy Metal Contaminated Soil with Indian Mustard and Associated Potential Leaching Risk [J].Agriculture,Ecosystems&Environment,2004,102 (3):307318.

【責(zé)任編輯:李 艷】

Chelate-induced Phytoextraction of Heavy Metal Contaminated Soil of Irrigation Area by Cabbage

Li Yushuang,Hu Xiaojun,Hou Yongxia,Song Xueying,Sun Liqi
(Key Laboratory of Regional Environment and Eco-Remediation(Ministry of Education),School of Environmental Science,Shenyang University,Shenyang 110044,China)

Series of pot experiments were conducted to investigate the effect of ethylenediamine tetraacetic acid(EDTA)on the heavy metals accumulation in Chinese cabbage growing in heavy metals contaminated soils of Zhangshi irrigation area in Shenyang,and the growth of Chinese cabbage was also investigated.The results show that EDTA could improve Cu,Cd,Pb and Zn extraction efficiency of Chinese cabbage.Due to the complexing ability of EDTA with different heavy metals, the effective EDTA amount for extraction Cd and Zn is higher than that for Cu and Pb.The effective EDTA amount for Cu and Pb is 3 mmol·kg-1,while 5 mmol·kg-1for Cd and Zn.The efficiency of plant extraction increases with the increasing amount of EDTA.High molality of EDTA reduce the aboveground biomass of cabbage.Therefore,in practical application,EDTA should be applied when the plants have higher biomass,so as to avoid decreasing plant extraction efficiency as a result of restrained plant growth.

chelate-induced;phytoremediation;heavy metals;Chinese cabbage;soil

20131023

國家自然科學(xué)基金資助項目(21307084,41101289);國家科技支撐計劃課題資助項目(2011 BAJ06B02).

李玉雙(1978),女,遼寧凌源人,沈陽大學(xué)講師,博士;胡曉鈞(1977),男,浙江淳安人,沈陽大學(xué)教授,博士后研究人員.

2095-5456(2014)01-0009-05

X 53

A