可降解螯合剂及微生物强化植物吸收重金属的研究

佟秀春，王旭梅，*，王红旗，耿印印

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.北京师范大学水科学研究院，北京 100875）

重金属Cd、Pb是环境中重要的污染物，而且在自然界中常常伴随存在，构成复合污染[1－2]。由于重金属具有很强的蓄积性、隐蔽性、不可逆性和长期性，它所引起的环境问题一直是研究关注的焦点[3]。植物修复技术以其环境友好、易被接受和价格低廉等优点而成为研究热点之一[4]，而在植物修复中对超富集植物的筛选尤为关注。超富集植物至少应同时具有2个基本特征：其一是临界含量特征，广泛采用的植物茎或叶中重金属富集的临界含量：Pb为 1 000 mg·kg－1，Cd 为 100 mg·kg－1。其二是转移特征，植物地上部重金属含量大于其根部重金属含量，即地上部含量/根部含量大于1。龙葵（Solanum nigrum L.）是新近发现的一种Cd超富集植物，具有耐Cd毒害和富集Cd的能力[5]；羽叶鬼针草能大量富集重金属Pb[6]。

超富集植物对沉淀态的铅无法吸收等缺点，限制了在实际生产中的应用[7]，为提高植物修复效率，有采用化学调剂控制的成功事例，如3 mmol·kg－1EDTA可以显著地增加芥菜各组织Cu浓度和Cu吸收量[8]，但由于EDTA等络合物具有难降解、作用时间长等特点而易造成环境风险[9-10]。因此，寻找络合活化能力强且易降解的化学调控剂是近期研究的热点之一。[S,S]-乙二胺二琥珀酸（[S，S]-EDDS，简写为EDDS）是容易被生物降解的一种强金属螯合剂，近年来受到广泛关注[11-12]。乳酸乙酯（EL）毒性低，并且容易生物降解、价格便宜、易溶且易再生[13]。由于[S，S]-EDDS人工合成的成本高，这使得其在土壤修复中的应用受到限制，而单独使用乳酸乙酯对土壤中重金属的提取效率很低，所以本文设计正交试验，研究添加不同比例的EDDS和EL、不同种类的微生物时龙葵和羽叶鬼针草对镉和铅复合污染的吸收，以期为强化植物修复土壤中重金属复合污染的化学、生物学调控措施等提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试土壤

供试土壤采自北京西北旺某处农田土，风干后过2 mm筛。其理化性质为全氮0.077%，全碳1.002%，点有机质 0.566%，速效磷 7.68 mg·kg－1，全磷 3.57 g·kg－1，速效钾 66.6 mg·kg－1，全钾 20.04 g·kg－1。

1.1.2 供试菌株

耐镉菌株Z11和耐铅菌株ZC，筛选自北京市某工厂车间重金属污染土，均属铜绿假单胞菌。Z11黑绿色，不透明，可在Cd浓度高达60 mg·kg－1的培养液中生长。ZC乳白色，不透明，可在铅浓度为 1 200 mg·kg－1的培养液中生长。

1.1.3 供试植物

羽叶鬼针草：种子采自北京清河路沟旁。

龙葵：种子采自北京市大兴区某农家院。

1.2 方法

1.2.1 盆栽试验

本试验选用正交试验设计L16（45），共16个处理，重复3次。试验因素和水平见表1。采用盆栽法对龙葵和羽叶鬼针草进行室内培养。将采回的种子放在4℃冰箱里，低温催化一周，然后用纱布浸湿包裹催芽，苗床育苗。

将土壤风干后过2 mm筛，每盆装土1 kg，加入 CdCl2·2.5H2O 和Pb （NO3）2，放置 1 周。移栽龙葵、羽叶鬼针草幼苗，每盆定苗6株。定期追加营养液，使田间持水量保持在60%。将培养至对数期的供试抗镉（铅）菌株制备成菌液，待植物生长1周时，每盆添加30 mL菌液，收获前10 d加螯合剂。40 d后收获。收获时沿土面剪取植株地上部，分别采集地上部和根部。

表1 试验设计Table 1 Design of experiment

续表

1.2.2 植物体内镉和铅的含量测定方法

分别称取小于0.3 g的经过杀青并烘干至衡重的植物样品，进行微波消解。结果见表2。消解完全后取消解液采用电感耦合等离子光谱仪测定植物体内镉的含量，采用原子吸收分光光度计测定植物体内铅的含量。

表2 微波消解程序Table 2 Program of microwave digestion

2 结果与分析

2.1 不同处理时植物对镉的吸收量

结果见表 3～4，图 1～2。

转运系数是指植物地上部元素的含量与地下部同种元素含量的比值，它是用来评价超富集植物将重金属从地下向地上的运输和富集能力的一个重要的指标。转运系数越大，则重金属从根系向地上部器官转运能力越强。由表3可知，镉的转运系数大于1或接近1，甚至在土壤中镉投加浓度为20 mg·kg-1时，龙葵对镉的转运系数达到2.25。表明龙葵和羽叶鬼针草对镉具有很好的吸收富集能力。

由表4可以看出，对于不同的指标而言，因素影响的主次顺序不同。对于植物地上部和根部镉含量，土壤中镉投加浓度的极差R值均最大，说明对镉吸收的试验中，土壤中镉投加浓度是最主要影响因素，其次是植物种类和土壤中铅投加浓度对试验的两个指标影响也较大，而螯合剂比例和微生物种类对其影响较小。

当土壤中镉投加浓度为最大值60 mg·kg－1，土壤中铅投加浓度为1 800 mg·kg－1，螯合剂EDDS:EL比例为1∶1时，龙葵地上部和根部对镉的吸收效果最好。接种微生物ZC或Z11，植物地上部、根部对镉的吸收量都很高。

由图1与2可知，随着土壤中Pb和Cd投加浓度的升高，植物体中镉含量总体呈现增加态势。施用螯合剂处理组的植株中镉含量明显高于未施用螯合剂处理，当螯合剂EDDS：EL比例为1∶1时，效果更为显著，植株中镉含量高于单独使用EDDS时的镉含量，这说明EDDS+EL处理可以有效地增大污染土壤中Cd的活性，进而促进Cd向植物地上部运输，并且使用半量的EDDS也能达到全量的效果甚至更好，在实际应用时选用比例为1∶1可以降低修复成本。接种微生物比未接种微生物植物体中镉含量略高，可见接种微生物对植物吸收镉有促进作用；龙葵对镉的吸收量显著高于羽叶鬼针草对镉的吸收量，且第16组试验中龙葵对镉的吸收量超过100 mg·kg－1，且转运系数也大于 1，表明龙葵对土壤中镉具备超富集作用。

2.2 不同处理时植物对铅的吸收量

结果见表5，图3～4。

表3 Cd、Pb复合处理条件下植物对重金属吸收量及重金属转运系数Table 3 Absorption of heavy metal in plant and translation coefficient by composite treatment of Cd and Pb

表4 植物对镉吸收量结果分析Table 4 Result analysis of the absorption of Cd in plant （mg·kg－1）

图1 Cd、Pb复合胁迫下各因素对植物地上部Cd含量的作用Fig.1 Effect of various factors on cadmium content in plant shoot under Cd and Pb compound stress

图2 Cd、Pb复合胁迫下各因素对植物根部Cd含量的作用Fig.2 Effect of various factors on cadmium content in plant root under Cd and Pb compound stress

表5 植物对铅吸收量结果分析Table 5 Result analysis of the absorption of Pb in plant

图3 Cd、Pb复合胁迫下各因素对植物地上部Pb含量的作用Fig.3 Effect of various factors on lead content in plant shoot under Cd and Pb compound stress

图4 Cd、Pb复合胁迫下各因素对植物根部Pb含量的作用Fig.4 Effect of various factors on lead content in plant root under Cd and Pb compound stress

由表5可知，土壤中铅投加浓度对于两个指标均是最主要的影响因素，而土壤中镉的投加浓度的影响效果最小，因素微生物种类、螯合剂比例、植物种类影响主次顺序不同。

土壤中镉投加浓度为30和60 mg·kg－1时地上部和根部中铅含量较高，且数值相近，但考虑投加浓度，镉投加量为30 mg·kg－1时铅的富集效率相对较高。土壤中铅投加浓度为1 800 mg·kg－1时，植物地上部和根部对铅的吸收量最大。螯合剂比例为1∶0处理时植物地上部铅含量最高，而对于植物根部，螯合剂比例为1∶1处理时铅含量最高。对于地上部铅含量，螯合剂类型为第二重要影响因素，而对根部铅含量则影响很小，所以综合考虑螯合剂比例为1∶0时吸收效果最好。接种微生物Z11时，植物地上部铅含量最高，而接种ZC时，植物根部铅含量最高，根据因素微生物种类对不同指标的重要程度考虑，接种ZC效果较好。种植龙葵比种植羽叶鬼针草吸收效果好。所以土壤中镉投加浓度为30 mg·kg－1，铅投加浓度为 1 800 mg·kg－1，螯合剂施用比例为EDDS:EL为1∶0，接种微生物ZC，龙葵对铅的吸收效果最好。

如表3所示，第16组试验龙葵地上部和根部中的铅含量分别达到 4 364.97、3 724.72 mg·kg－1，且对铅的转运系数高达1.17，可见龙葵对铅具备超累积的作用。第7个处理未添加螯合剂且未添加微生物，地上部和根部铅含量都很低，转运系数为0.45，这主要是因为重金属元素Pb进入土壤后，Pb在土壤中可形成溶解度较小的PbCO3、Pb3（PO4）2和PbSO4等沉淀物，在没有添加螯合剂和微生物的情况下，在土壤中不容易移动。Pb进入土壤后主要以化学吸附占优势，生成稳定的络合物，使其不易吸收和向植物上部迁移。

由图3和4可知，土壤中镉投加浓度为40 mg·kg－1时植物对铅的吸收量最小。随着土壤中铅投加浓度的升高，植物对铅的吸收量也升高；Pb在土壤中的迁移能力较差、有效性低，但在施螯合剂后龙葵和羽叶鬼针草中Pb浓度显著上升。EDDS:EL为1∶0和1∶1时，植物中铅含量显著高于比例为2∶1和不添加螯合剂的处理，说明正确选取螯合剂比例对植物吸收铅有显著作用；接菌ZC和接菌Z11均比未添加菌处理的植物对铅的吸收量高，说明ZC和Z11对植物吸收铅均有促进作用，接种细菌的处理可能改变了土壤中金属形态，使土壤中可被生物吸收的金属量增加。两种菌株对植物生长及吸收镉的影响有所差异，这可能与菌株自身的生理机制相关。接菌ZC和Z11效果不是很明显，可能是两种菌有相互抑制作用，相互作用后阻碍植物对铅的吸收；植物龙葵吸收铅的含量显著高于羽叶鬼针草对铅的吸收量，说明龙葵对土壤中铅具有较强的吸收富集作用。

3 讨论与结论

盆栽试验结果表明，龙葵地上部镉含量最高为127.64 mg·kg－1，铅含量最高为 4 364.97 mg·kg－1；根部镉含量最大为119.42 mg·kg－1，铅含量最大为5 395.27 mg·kg－1，镉和铅的含量分别大于 100 和1 000 mg·kg－1，且转移系数也大于 1，说明龙葵对镉和铅具有超富集的作用。羽叶鬼针草地上部镉含量最高为 96.17 mg·kg－1，铅含量最高为 126.26 mg·kg－1；根部镉含量最大为49.33 mg·kg－1，铅含量最大为397.43 mg·kg－1，还没有达到超富集植物的富集特征，所以还不能断定羽叶鬼针草为镉和铅的超累积植物，与王素娟等的试验结果一致[14]。

龙葵在土壤中镉投加浓度为60 mg·kg－1，铅投加浓度为 1 800 mg·kg－1，螯合剂 EDDS:EL 施用比例为1∶1，接种微生物ZC或Z11，对镉的吸收量大；在土壤中镉投加浓度为30 mg·kg－1，铅投加浓度为 1 800 mg·kg－1，螯合剂 EDDS：EL 施用比例为1∶0，接种微生物ZC，对铅的吸收效果最好。

与未施用螯合剂处理相比，施用螯合剂处理对镉和铅的富集效果有显著提高，这说明螯合剂在促进植物吸收重金属方面起着重要的作用。接菌植物中重金属含量比未接菌处理组高，说明利用耐性细菌促进其对重金属的吸收是提高植物修复土壤重金属效率的一种可行方法。接种细菌的处理可能改变了土壤中金属形态，使土壤中可被生物吸收的金属量增加，两种菌株对植物生长及吸收镉的影响有所差异，这可能与菌株自身的生理机制相关。同时接菌ZC和Z11与单独接种这两种菌相比，植物中铅含量低很多，可能是两种菌有相互抑制作用，相互作用后阻碍植物对铅的吸收。

向土壤中添加改良剂从而活化重金属促进植物的吸收是植物修复研究的一个方向，运用螯合诱导植物修复技术的同时必须对其经济成本进行评估，所以以后鳌和诱导植物修复研究必须进一步研究用尽量少的鳌合剂诱导植物提取可观的重金属，达到修复土壤污染的目的，在经济上可行，同时又是环境安全的需要。

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