肖玲瓏, 陽蓮, 尹納潔, 廖子棋, 歐陽倩暉, 陳龍, 段彥之, 李姝, 黃熠,陳曉嵐, 湯銀娟,

(1. 湘南學院 臨床學院, 湖南 郴州, 423000; 2. 湘南學院 化學生物與環(huán)境工程學院, 湖南 郴州, 423000; 3.湘南學院 基礎醫(yī)學院, 湖南 郴州, 423000; 4. 湘南學院 南嶺藥用資源研究所, 湖南 郴州, 423000)

郴州柿竹園某尾礦區(qū)不同層次的土壤重金屬含量及優(yōu)勢植物富集特征

肖玲瓏1, 陽蓮1, 尹納潔1, 廖子棋1, 歐陽倩暉1, 陳龍1, 段彥之1, 李姝1, 黃熠2,陳曉嵐3, 湯銀娟3,4

(1. 湘南學院 臨床學院, 湖南 郴州, 423000; 2. 湘南學院 化學生物與環(huán)境工程學院, 湖南 郴州, 423000; 3.湘南學院 基礎醫(yī)學院, 湖南 郴州, 423000; 4. 湘南學院 南嶺藥用資源研究所, 湖南 郴州, 423000)

采用火焰原子吸收分光光度法、富集系數法及轉移系數法等方法測定了郴州市柿竹園礦區(qū)不同土層中Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的含量以及分析優(yōu)勢植物富集特征, 結果表明: 不同層次同種重金屬的條件下, Zn2+和Cd2+的土壤樣本平均含量在4層中的第1層最高, 分別達到358.40和907.13 mg/kg; Cu和Pb的樣本平均含量為第4層最高, 分別達到358.40和907.13 mg/kg; 大多優(yōu)勢植物符合超富集植物的部分特征也符合規(guī)避型植物的部分特征。該礦區(qū)的污染狀況較為嚴重, 應按照每一層不同的污染情況及時建立保護及修復措施以減輕環(huán)境的污染。

重金屬; 富集系數; 不同層次; 原子吸收分光光度計

上世紀90年代以來, 我國很多城市都開展了城市重金屬調查, 特別是對工礦企業(yè)的Cd2+、Cu2+、Pb2+、Zn2+等重金屬污染問題己成為關注熱點[1]。廖啟林等[2]在對江蘇典型地區(qū)水稻與小麥籽實的元素富集系數的初步研究中發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的元素含量分布差異較明顯, 清晰地顯示了不同地區(qū)的元素富集系數不均勻的特征。潘義宏等[3]在對大型植物對重金屬的富集與轉移的研究中發(fā)現(xiàn), 同一湖泊不同采樣點水生植物對重金屬的吸收和富集量不同, 這表明植物對重金屬的富集與吸收能力跟元素所在地理位置有一定的關聯(lián)。其次, 不同土層的植物富集重金屬能力與其生長環(huán)境有關, 國內有相關研究也證明了這一點[4–5]。陳勤等[6]在對紫湖溪流域重金屬污染風險與植物富集特征的研究表明, 所采的9種植物樣本中大多數富集系數小于1, 表現(xiàn)出規(guī)避型植物特征, 轉移系數卻大于1, 對重金屬耐受相對較強, 說明某些在重金屬污染的區(qū)域生長的植物可表現(xiàn)出規(guī)避型植物和超富集植物的特征。

本研究通過測量郴州柿竹園某尾礦區(qū)不同土層的植物中富集的重金屬含量, 對該地重金屬礦區(qū)不同土層的污染情況進行評價, 為該地重金屬污染的修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

郴州市地處湖南省東南部, 位于北緯24°53′～26°50′, 東經112°25′～114°22′。郴州市柿竹園重金屬礦區(qū)擁有143種礦產資源, 被稱為“世界有色金屬博物館”, 海拔高度為186～500 m[7]。

1.2 材料

主要試劑。1 000 μg/mL Cu2+(國家標準溶液, GSB G 62024-90(2902))、1 000 μg/mL Zn2+(國家標準溶液, GSB G 62025-90(3001))、1 000 μg/mL Pb2+(國家標準溶液, GSB G 62071-90(8201))、1 000 μg/mL Cd2+(國家標準溶液, GSB G 62040-90(4801))、濃硝酸(優(yōu)級純, 國藥集團化學試劑有限公司)、H2O2、HF(優(yōu)級純, 西隴化工股份有限公司)、硫脲(分析純, 天津市永大化學試劑有限公司)、抗壞血酸(分析純,湖南省南化化學品有限公司)。

主要儀器。AA-7000型原子吸收分光光度計(日本島津企業(yè)管理(中國)有限公司)、MD6C-10H型微波樣品處理系統(tǒng)(北京盈安美誠科學儀器有限公司)、AF-10A型密封型搖擺式中藥粉碎機(溫嶺市奧力中藥機械有限公司)、DHG-9203A型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精宏實驗設備有限公司)、eppendorf移液槍(德國)、FA2104N型電子天平(上海菁海儀器有限公司)。

1.3 方法

1.3.1 樣品采集及處理

根據該重金屬礦區(qū)山的高度及礦砂堆積的年限選擇了4個采樣層, 在每個采樣層采用隨機法選取2～5個采樣點, 采集各樣點1 m2內的優(yōu)勢植物種類, 并標記其地上和地下部分。同時采集植物周圍0～20 cm的根部土壤, 分別用密封袋封裝并編號, 再經過2 mm篩的過濾, 干燥保存, 參考胡寧靜等[8]的方法對土壤樣本進行pH測定, 結果見表1。用四分法取部分土壤置于65 ℃電熱恒溫鼓風干燥箱中烘干,充分混勻碾碎, 用于土壤重金屬含量的測定。用蒸餾水清洗植物表面粘附的土壤及其它雜質后, 用去離子水沖洗3次, 置于65 ℃干燥箱中烘干, 將其粉碎后用于測定重金屬含量。

1.3.2 樣品重金屬含量的測定

土壤、植物樣本消解及實驗樣品溶液的配制[9–11]。(1) 土壤樣品: 按編號稱取0.2 g(精確至0.000 1 g)土壤樣品置于消解罐中, 加入4 mL濃HNO3、1 mL H2O2以及2 mL HF。(2) 植物樣品: 按編號準確稱取0.3 g(精確至0.000 1 g)植物樣品置于消解罐中, 加入5 mL濃HNO3和1mL H2O2。將上述樣品放入微波樣品處理系統(tǒng)中按表1中的參數進行消解。消解完成后, 轉移至100 mL容量瓶內, 加5 mL混酸(由5%抗壞血酸和5%硫脲組成), 用2%的硝酸定容, 將消解液轉移至廣口瓶中待測。

實驗標準溶液的配制及標準曲線的繪制[12–15]。吸取濃度為1 000 μg/mL 的Cu2+(國家標準溶液), 按梯度分別稀釋為0.2、0.4、0.6、0.8和1 μg/L。Zn2+、Pb2+、Cd2+均按上述方法稀釋, 設定好儀器工作參數之后, 進行繪制Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的標準曲線, 測得Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的相關系數分別為0.995 0、0.999 7、0.995 0、0.999 8, 其相對標準偏差(RSD)均小于8%。

表1 土壤及植物碎沫樣本的微波樣品處理系統(tǒng)消解參數

重金屬含量測定[16–19]。在上述工作基礎上, 用火焰原子吸收分光光度計測定各樣品中Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+等重金屬濃度。結果見表2。

植物富集系數和轉移系數的計算。參考高陳璽等[3]的方法, 按照如下公式計算植物富集系數和轉移系數: 富集系數(FBC)=植物地上部分的重金屬含量/土壤的重金屬含量; 轉移系數(FT)=植物地上部分的重金屬含量/植物根部重金屬的含量。

2 結果與分析

2.1 土壤及植物中重金屬含量及特征

由表2可知, 該礦山的所有采樣點的土壤pH均小于6, 土壤為酸性, 且該礦區(qū)土壤中各重金屬的變化范圍一部分變化較大, 而另一部分, 其中Cu2+的變化范圍為110.25～374.25 mg/kg, Zn2+的變化范圍為598.05～2 156.45 mg/kg, Pb2+的變化范圍為256.90～920.95 mg/kg, Cd2+的變化范圍為23.60～42.95 mg/kg, 與國家2級標準(pH<6.5, Cu2+為50 mg/kg, Zn2+為200 mg/kg, Pb2+為250 mg/kg, Cd2+為0.3 mg/kg)相比[6], Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+最高含量分別為國家2級標準的7.49倍、10.78倍、3.68倍、143.17倍,Pb2+的含量相對較低, 其最高含量僅為國家2級標準的3.68倍。因此, 礦區(qū)土壤中Cd2+的污染較為嚴重,平均值為國家2級標準的109.71倍, 而Pb2+的污染較輕, 平均值為國家2級標準的2.13倍。從不同層次的同種重金屬來看(表3), 在第1層土壤中, Zn2+和Cd2+的樣本平均含量在四層中最高, 分別達到37.04、1 486.46 mg/kg, 分別為國家2級標準的123.47倍和7.43倍; 在第4層土壤中, Cu2+和Pb2+的樣本平均含量在四層中最高, 分別達到358.40 mg/kg和907.13 mg/kg, 分別為國家2級標準的7.17倍和3.63倍; 其他兩層相對于第1層和第4層各重金屬含量相對較低, 這說明不同層次的土壤重金屬含量各異, 其污染狀況也不同。

表3 不同層次中的Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+含量及相關轉移系數與富集系數平均值

2.2 各層植物的富集系數和轉移系數及特征

從植物中重金屬含量、富集系數以及轉移系數(見表3)角度來看, 4種重金屬中, Zn2+在整株植物體內的含量變化相對較大, 最高含量達401.96 mg/kg, 而最低含量為59.83 mg/kg, 最高值約為最低值的6.72倍; 而Cd2+在植物體內的含量變化相對較小, 最高值僅為35.60 mg/kg, 最低值為14.22 mg/kg, 由上述可知優(yōu)勢植物體內Zn2+含量的最低值也比Cd2+含量的最高值含量高。由表3可知, 植物對4種重金屬的富集系數波動較小, 而轉移系數卻相對波動較大, 其中Cd2+的轉移系數波動最大, 范圍為0.22～4.16。

圖1表示1～4層每一層所有植物樣本對Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的平均的富集系數對比關系, 反映該層優(yōu)勢植物對各重金屬吸收能力的對比關系; 圖2表示1～4層每一層所有植物樣本對Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的平均的轉移系數對比關系, 反映該層優(yōu)勢植物從根部向地上部分運輸轉移重金屬能力的大小。二者共同反映植物對各重金屬富集能力的強弱。由圖1可知, 在4種重金屬中, Cd2+在各層的平均富集系數最高, 表明在各層中的優(yōu)勢植物對Cd2+的吸收能力最強; 在第1、2、3層中Pb2+的平均富集系數僅次于Cd2+, 表明在該礦區(qū)生長的優(yōu)勢植物整體上對Pb2+的吸收能力也較強。由圖2可知: 在第1層中各金屬的平均轉移系數Cd2+> Pb2+> Zn2+> Cu2+; 在第2層中各金屬平均轉移系數Cd2+> Zn2+>Pb2+> Cu2+; 在第3層中各金屬的平均轉移系數Zn2+> Pb2+> Cd2+> Cu2+; 在第4層中各金屬的平均轉移系數Zn2+> Pb2+> Cu2+> Cd2+。這表明不同層次的優(yōu)勢植物對不同重金屬的轉系系數各有差異, 即優(yōu)勢植物從根部向地上部分運輸轉移重金屬能力各不相同。

圖3表示不同層次的Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的平均富集系數對比關系, 反映不同層次條件下, 優(yōu)勢植物吸收各重金屬能力的對比關系。圖4表示不同層次的Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的平均轉移系數對比關系, 反映不同層次條件下, 優(yōu)勢植物從根部向地上部分運輸轉移各重金屬能力的大小。由圖3可知,從第1層到第4層, 優(yōu)勢植物對Cu2+的平均富集系數依次降低; 各層優(yōu)勢植物對Zn2+的平均富集系數第4層>第3層>第1層>第2層; 各層優(yōu)勢植物對Pb2+的平均富集系數第2層>第1層>第3層>第4層; 各層優(yōu)勢植物對Cd2+的平均富集系數第2層>第3層>第1層>第4層。由圖4可知: 從第1層到第4層, 優(yōu)勢植物對Cu2+和Pb2+的平均轉移系數逐漸降低; 各層優(yōu)勢植物對Zn2+的平均轉移系數第3層>第1層>第2層>第4層; 各層優(yōu)勢植物對Cd2+的平均轉移系數第2層>第1層>第3層>第4層。綜上可知, 在不同層次的條件下, 優(yōu)勢植物對各金屬的富集系數及轉系系數均各有差異, 同時也反映了不同層次的優(yōu)勢植物對不同的重金屬的富集能力在一定程度上具有差異性。

圖1 各土層的植物樣本對Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的平均富集系數對比

圖2 各土層的植物樣本對Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的平均轉移系數對比

圖3 相同重金屬不同層次平均富集系數對比

圖4 相同重金屬不同層次平均轉移系數對比

3 結論

通過對郴州市柿竹園某尾礦區(qū)不同層次的植物富集重金屬含量的分析發(fā)現(xiàn): 該尾礦區(qū)的重金屬污染較為嚴重, 土壤中Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+四種重金屬在該尾礦區(qū)的最大含量分別達到374.25、2156.45、920.95、143.17 mg/kg, 分別為國家2級標準的7.49倍、10.78倍、3.68倍、143.17倍。此前雷梅等[7]對湖南柿竹園進行研究發(fā)現(xiàn)Cu、Zn、Pb、Cd四種重金屬在才山選礦廠的最高含量高達3 974、24 333、29 702、236 mg/kg, 各重金屬含量遠高于本研究所研究區(qū)域的含量, 表明選礦廠對土壤環(huán)境的污染比尾礦區(qū)對土壤環(huán)境的污染嚴重得多。但是二者具有污染較為嚴重的區(qū)域植物分布稀疏這一共同特點。本次研究發(fā)現(xiàn)不同層次的植物對各種重金屬的富集能力具有一定的差異性。

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(責任編校: 劉剛毅)

The characteristics of different levels of heavy metal contents and advantages of soil plant enrichment Chenzhou Shizhuyuan tailing area

Xiao Linglong1, Yang Lian1, Yin Najie1, Liao Ziqi1, Ouyang Qianhui1, Chen Long1, Duan Yanzhi1, Li Shu1Huang Yi2, Chen Xiaolan3, Tang Yinjuan3,4
(1. Clinical College of XiangNan University, Chenzhou 423000, China; 2. College of chemistry and biological engineering; XiangNan University, Chenzhou 423000, China; 3. College of Basic Medical Sciences, XiangNan University, Chenzhou 423000, China; 4. Institute of medicinal resources; XiangNan University, Chenzhou 423000,China)

The flame atomic absorption spectrophotometric method, the enrichment coefficient method and the transfer coefficient method were used for determinating the content of Cu2+, Zn2+, Pb2+and Cd2+of different levels soil in the mining area of Chenzhou City, and analysing the characteristic of dominant plant enrichment. The results show that under the condition of different levels of the same heavy metal, the average content of Zn and Cd of the soil samples are highest in first layer among four layers, reaching 358.40mg/kg and 907.13 mg/kg respectively, and the average content of Cu and Pb are highest in fourth layer, reaching 358.40 mg/kg and 907.13 mg/kg respectively.Most dominant plants not only accord with some parts of hyperaccumulators’ characteristics, but also conform to the characteristics of the avoid-type-plants . The pollution of this area is serious and we should take some protecting andrepairing measures according to different conditions of every layer to alleviate environmental pollution in time.

heavy metal; enrichment factor; different levels; atomic absorption spectrophotometer

X 171

: A

1672–6146(2017)03–0022–06

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.03.006

湯銀娟, 2265382029@qq.com; 陳曉嵐, chxl64627@qq.com。

: 2017–03–06

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(教高司函[2015]41號-201510545003); 湖南省大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗項目(湘教通[2015]269號-490); 湘南學院大學生研究性學習與創(chuàng)新性實驗項目([2015]66號-12); 湘南學院“橘井泉香”科技文化節(jié)項目(2014KJJ06); 中南林業(yè)科技大學對口支援湘南學院科技項目(2012XN04)。