硫代硫酸铵添加对黄平大黄油菜富集土壤汞的影响-田间试验

王建旭，张军方，冯新斌,*，谢园艳,3，余 志

1. 中国科学院地球化学研究所 环境地球化学国家重点实验室，贵阳 550002 2. 贵州省环境科学研究设计院，贵阳 550081 3. 中国科学院大学，北京100049

硫代硫酸铵添加对黄平大黄油菜富集土壤汞的影响-田间试验

王建旭1，张军方2，冯新斌1,*，谢园艳1,3，余 志2

1. 中国科学院地球化学研究所 环境地球化学国家重点实验室，贵阳 550002 2. 贵州省环境科学研究设计院，贵阳 550081 3. 中国科学院大学，北京100049

在田间条件下，研究添加硫代硫酸铵对黄平大黄油菜(Brassica juncea var. HPDH)富集土壤汞(总汞含量13.7 mg·kg-1)及土壤汞形态转化影响。试验设置2个处理，对照小区(无硫代硫酸铵)和处理小区(每公斤土壤加入8 g硫代硫酸铵)，硫代硫酸铵溶液在植物收获前7 d添加到土壤。试验结束后，分析植物生物量和组织内汞含量。结果表明，硫代硫酸铵处理小区植物生物量(干重)要略高于对照区。硫代硫酸铵处理小区植物根系和地上部分汞含量分别是对照区的600和250倍。利用连续化学浸提法分析了修复前后土壤汞形态变化特征，发现硫代硫酸铵辅助植物修复后能显著降低土壤有机结合态汞含量，大幅度提高残渣态汞含量，溶解态与可交换态汞含量略有增加，特殊吸附态和铁锰氧化态汞含量无显著变化。

硫代硫酸铵；汞污染土壤；植物提取；汞形态

汞是一种人体非必需的有毒重金属元素，它进入人体后能损伤人的神经系统、肾脏系统和生殖系统。人在长期低剂量汞暴露下，会造成人体行动缓慢、大脑迟缓和语言障碍等。由于汞对人体健康的危害巨大使其被国际卫生组织列为优先控制污染物。

贵州清镇有机化工厂早期利用硫酸汞作为催化剂生产醋酸，生产过程中产生了大量的含汞废水，这些含汞废水没有经过处理就直接排放到了邻近的河流中[1]。沿废水排放河流两岸稻田常年利用这些含汞废水进行灌溉，造成了大面积农田汞含量严重超标。据报道，汞污染农田中总汞含量可高达723 mg·kg-1，是我国土壤环境质量标准中所允许的最大土壤汞含量(1.5 mg·kg-1) 482倍[2]。种植在清镇有机化工厂周边农田的稻米，其汞含量就达133～155 ng·g-1，是我国食品安全卫生限量标准中所允许的最大汞含量(20 ng·g-1)的6～8倍[3]。因此，研发汞污染土壤修复技术对清镇汞污染土壤进行修复十分必要。

植物提取技术是利用植物将土壤中的重金属吸收或富集到植物体中，通过收割植物并集中处理，达到去除土壤重金属目的的一种技术[4]。植物修复技术的关键是找到重金属的超富集植物，但目前，尚无报道发现汞的超富集植物。此外，土壤中大部分汞都以惰性的硫化汞存在，生物可利用态汞含量普遍较低[5]。因此，利用植物提取技术修复汞污染土壤，需要提高土壤中汞的生物有效性，从而提高植物提取效率。温室盆栽试验发现，添加硫代硫酸铵可能是提高汞污染土壤植物提取效率的一个相对较理想的方法[6]。但是，在田间环境下添加硫代硫酸铵对植物修复汞污染土壤的研究相对较少。因此，本研究在清镇汞污染农田开展修复试验，探究在大田环境下，添加硫代硫酸铵对黄平大黄油菜(Brassica juncea var. HPDH)富集汞的影响以及土壤汞形态变化特征。

1 材料和方法(Materials and methods)

1.1 仪器与试剂

仪器：F732-S 冷原子荧光测汞仪(上海华光仪器仪表)，Tekran 2500 原子荧光测汞仪(加拿大Tekran 公司)，Vario MACRO cube元素分析仪(PE公司)，SORVALL Contifug型台式离心机(Thermo Fisher公司)等。

试剂：盐酸和硝酸等酸均为国产超纯试剂。硝酸镁、醋酸钠、盐酸羟胺等为国产分析纯试剂。硫代硫酸铵溶液为工业用试剂，纯度约为60%。实验用水为去离子水(DDW, Minipore 18.2 MΩ·cm)。

1.2 试验设计

本试验所用的黄平大黄油菜种子由贵州农科院油料研究所提供。试验田选择在清镇青龙村，该村农田由于灌溉有机化工厂排出的含汞废水使得土壤汞含量超标。选择靠近公路一块污染农田进行田间试验，试验田面积为100 m2。试验田土壤容重为1.2 g·cm-3，总碳、总氮和总硫分别为3.56 ±0.68 mg·g-1、0.32 ±0.02 mg·g-1和0.14±0.02 mg·g-1。土壤总汞含量为13.7 mg·kg-1，是我国土壤环境质量标准(GB 15618-1995)中所允许最大汞含量的9倍。将试验田划分为10个10 m×1 m的小区，其中50 m2作为硫代硫酸铵处理，50 m2作为对照。植物生长期为70 d。植物收获前1个星期向土壤添加硫代硫酸铵溶液，按每公斤土壤8克量加入。土壤重量按照修复深度15 cm、实测土壤容重1.2 g·cm-3和修复面积计算。植物在生长期间，田间管理由当地农民按照常规手段进行管理。植物收获后，在对照区和硫代硫酸铵处理小区分别选取3个小区植物进行生物量分析，在3个小区随机采集5株植物进行汞含量分析，同时在每个小区随机采集5个土壤样品进行汞形态分析。

1.3 样品分析方法

将土壤样品置于密封袋中带回实验室，自然风干后过100目筛。土壤容重用环刀法测定，土壤总碳、总氮和总硫用元素分析仪测定。植物样品带回实验室后，用自来水反复冲洗干净，在烘箱中50℃烘干，然后用不锈钢剪刀将植物分为地上部分和根系并分别记录它们的干重。植物样品经植物粉碎机粉碎后待测。称取约0.05～0.1 g植物粉末样品利用LUMEX联合PYRO915+热解系统测定。称取0.1 g土壤样品置于50 mL比色管中，加入10 mL 新配置王水，在水浴锅中95℃消解40 min，消解完后定容，利用冷原子荧光测汞仪(F732-S)测定消解液中总汞浓度。

土壤不同形态汞分离及测定参照包正铎等[5]人方法，具体如下：

溶解态与可交换态(F1)：称取1.0 g土壤样品，加入8 mL 1 mol·L-1硝酸镁(Mg(NO3)2)，室温下振荡1 h，离心20 min (3 500 r· min-1)，取上清液分析。 特殊吸附态(F2)：向步骤1处理后的残留物中，加入8 mL 1 mol·L-1的乙酸钠(NaAc)(提取前用冰醋酸(HAc)将乙酸钠pH调至5.0)，室温下振荡5 h，离心，取上清液分析。

铁锰氧化态(F3)：向步骤2处理后的残留物中，加入20 mL 0.4 mol·L-1盐酸羟胺(NH2OH·HCl)(提取前将盐酸羟胺溶于20%(V/V) 醋酸(HAc)中)，96℃水浴6h，离心，取上清液分析。

有机结合态(F4)：向步骤3处理后的残留物中，加入30%过氧化氢(H2O2) 8 mL(用硝酸(HNO3)调节pH至2.0)，80℃水浴2 h，再加入3 mL 30%过氧化氢80℃水浴3 h，离心，取上清液分析。

残渣态(F5)：向步骤4处理后的残留物中加入10 mL王水(硝酸：盐酸=1：3(V/V))水浴消解。

以上步骤的浸提液汞浓度用冷原子荧光测汞仪(F732-S)和Tekran 2500原子荧光测汞仪测定。

1.4 数据质量控制

实验用空白试验、标准工作曲线、标准物质(GBW07405，GBW10020)对实验数据进行质量控制，土壤标准物质(GBW07405)的总汞测定值为0.28±0.01 mg·kg-1(n=3)，参考值为0.29±0.04 mg·kg-1。植物标准物质(GBW10020)的总汞测定值为0.14±0.01 mg·kg-1(n=3)，参考值为0.15±0.02 mg·kg-1。

1.5 数据分析

采用SPSS 17.0软件对对照和硫代硫酸铵处理后汞含量差异进行显著性分析(文中*，**分别表示：p<0.05、p<0.01)，用Origin 8.0对植物生物量、植物汞含量和土壤汞形态分布比例进行绘图。植物根系和地上部分对土壤总汞和生物有效态汞的生物富集系数分别用BAF总汞和BAF生物有效态汞表示。BAF总汞=植物体汞含量/土壤总汞含量；BAF生物有效态汞=植物体汞含量/土壤生物有效态汞含量。

2 结 果(Results)

2.1 植物生物量

对照组植物，每平米可分别收获约15和130 g根系和地上部分。硫代硫酸铵处理植物，每平米可分别收获约18和190 g根系和地上部分(图1)。硫代硫酸铵处理植物根系和地上部分生物量要高于对照组小区，说明土壤加入硫代硫酸铵后，能在一定程度上促进黄平大黄油菜生长。

图1 对照和硫代硫酸铵处理植物根系和地上部分生物量Fig. 1 The dry biomass of root and shoot of control and thiosulphate treated plant

2.2 植物对汞的富集

对照区黄平大黄油菜根系和地上部分总汞含量分别为0.02 mg·kg-1和0.04 mg·kg-1(图 2)，植物提取效率低。硫代硫酸铵处理后，植物体汞含量大幅度增加，根系和地上部分汞含量分别达12 mg·kg-1和10 mg·kg-1，分别是对照区植物的600和250倍。可见，施用硫代硫酸铵能极大促进黄平大黄油菜对土壤汞吸收。表1为对照和硫代硫酸铵处理植物的生物富集系数。对照组植物总汞和生物有效态汞(溶解态和可交换态+特殊吸附态)的生物富集系数分别为0.002～0.003和0.003～0.005，硫代硫酸铵处理后，黄平大黄油菜对土壤总汞和生物有效态汞的生物富集系数显著增加，分别为0.9～1.2和15～19，说明硫代硫酸铵处理后土壤生物有效态汞能被植物有效富集在其体中。

2.3 土壤汞含量及汞形态

修复前后土壤总汞及不同形态汞含量变化特征见表2。可以看出，与修复前土壤相比，对照区土壤总汞含量无明显变化。虽然硫代硫酸铵处理小区土壤总汞含量平均值略有降低，但在统计学上无显著差异(p > 0.05)。

图1 对照和硫代硫酸铵处理植物根系和地上部分汞含量, * p<0.05Fig. 1 The Hg concentrations in the root and aboveground tissues of control and thiosulphate treated plant, * p<0.05

表1 对照和硫代硫酸铵处理植物对土壤总汞和生物有效态汞的生物富集系数Table 1 The bioaccumulation factor (BAF) of control and thiosulphate treated plant for soil total Hg and bioavailable Hg

**：p<0.01.

表2 修复前后土壤总汞和不同形态汞含量变化特征Table 2 The change of concentration of total Hg and different mercury fractionations in soil before and after remediation

*：p<0.05.

利用连续化学浸提法分析了修复前后土壤汞形态变化特征。从表2可以看出，试验区土壤中汞主要以有机结合态和残渣态为主。与修复前土壤相比，对照区土壤特殊吸附态汞含量显著降低，铁锰氧化态汞含量显著增加，溶解态与可交换态、有机结合态和残渣态汞含量无显著变化(p > 0.05)。与对照区土壤不同，硫代硫酸铵处理小区土壤特殊吸附态和铁锰氧化态汞含量无明显变化，有机结合态汞含量显著降低(p<0.05)，而残渣态汞和溶解态与可交换态汞含量显著增加(p<0.05)。由图3可知，有机结合态汞比例减少了51.3%，残渣态汞比例增加了50.8%，溶解态与可交换态汞比例增加了约0.4%。可见，硫代硫酸铵辅助植物提取后，土壤汞形态分配比例发生显著变化，大部分有机结合态汞转化成残渣态汞，少部分转化成溶解态与可交换态汞。以上结果说明有机结合态汞转化成溶解态与可交换态汞后可能被植物吸收。

3 讨论(Discussion)

目前，尚没有报道发现汞的超富集植物，因此添加螯合剂增加土壤汞的生物有效性成为提高植物提取效率的一个重要手段。不同学者发现碘化钾(KI)和乙二胺四乙酸(EDTA)都能在一定程度上促进植物根系对土壤汞的吸收，但是汞从根系转运到植物地上部分效率不高[7,8]。Moreno等人[9]报道硫代硫酸铵不仅能促进植物根系对土壤汞的吸收而且能极大促进根系汞向地上部分转运。本研究发现在田间条件下添加硫代硫酸铵能显著提高黄平大黄油菜中汞的含量以及其对土壤总汞和生物有效态汞的生物富集系数，这不仅证实了本课题组的温室试验结果[10]，而且与Moreno研究组和Pedron研究组室内研究结果一致[9, 11,12]。

(1)

(2)

因此，土壤修复后残留的溶解态与可交换态汞可能会随时间延长而转化成惰性的硫化汞。通过本研究发现，在田间条件下，硫代硫酸铵辅助黄平大黄油菜修复汞污染土壤能通过降低有机结合态汞含量而降低土壤汞的潜在风险。

致谢：感谢贵州油料研究所提供供试油菜种子。

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EffectofAmmoniumThiosulphateAdditiononMercuryAccumulationbyBrassicajunceavar.HPDH-AFieldStudy

Wang Jianxu1, Zhang Junfang2, Feng Xinbin1,*, Xie Yuanyan1,3,Yu Zhi2

1. State Key Laboratory of Environmental Geochemistry, Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550002, China 2. Guizhou Academy of Environmental Science and Designing, Guiyang 550081, China 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

14 May 2014accepted30 June 2014

The current study was carried out to investigate the addition of ammonium thiosulphate on mercury accumulation by Brassica juncea var. HPDH and mercury fractionation transformation in soil (total Hg: 13.7 mg·kg-1) under field condition. The two treatments including control plot (non-thiosulphate) and treated plot (ammonium thiosulphate was applied at a rate of 8 g·kg-1soil). The ammonium thiosulphate was applied at 7 days before the harvest of plant. The biomass and the mercury content in plants were analyzed after experiment. The results indicated that the dry biomass of the treated plant was higher than that of the control plant. The mercury concentrations in root and aboveground tissue of treated plant were nearly 600 and 250 times higher than that of the control plant. Mercury fractionation in soil was analyzed by the sequential extraction procedure (SEP) before and after remediation, and the result showed that the concentration of mercury associated with organic substance significantly decreased, while the concentration of mercury associated with residual fractions extensively increased, the concentration of mercury associated with soluble and exchangeable slightly increased. In addition, the concentration of mercury associated with specifically sorbed and Fe/Mn oxide bound fractions were relatively stable.

ammonium thiosulphate; mercury contaminated soil; phytoextraction; mercury fractionation

国家自然科学基金(No. 41303068)和2012年度贵州环保厅重金属污染防治专项资金资助

王建旭(1984-)，男，博士，研究方向为污染土壤修复，E-mail: wangjianxu@vip.gyig.ac.cn；

*通讯作者(Corresponding author)，E-mail: fengxinbin@vip.skleg.ac.cn

10.7524/AJE.1673-5897-20140514010

2014-05-14录用日期：2014-06-30

1673-5897(2014)5-992-06

： X171.5

： A

冯新斌(1968—)，男，地球化学博士，研究员，主要研究方向为表生环境中汞的地球化学循环，发表学术论文140余篇。

王建旭, 张军方, 冯新斌, 等. 硫代硫酸铵添加对黄平大黄油菜富集土壤汞的影响-田间试验[J]. 生态毒理学报，2014, 9(5): 992-997

Wang J X, Zhang J F, Feng X B, et al. Effect of ammonium thiosulphate addition on mercury accumulation by Brassica juncea var. HPDH- a field study [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2014, 9(5): 992-997 (in Chinese)