郴州柿竹园某尾矿区不同层次的土壤重金属含量及优势植物富集特征

肖玲珑, 阳莲, 尹纳洁, 廖子棋, 欧阳倩晖, 陈龙, 段彦之, 李姝, 黄熠,陈晓岚, 汤银娟,

(1. 湘南学院 临床学院, 湖南 郴州, 423000; 2. 湘南学院 化学生物与环境工程学院, 湖南 郴州, 423000; 3.湘南学院 基础医学院, 湖南 郴州, 423000; 4. 湘南学院 南岭药用资源研究所, 湖南 郴州, 423000)

郴州柿竹园某尾矿区不同层次的土壤重金属含量及优势植物富集特征

肖玲珑1, 阳莲1, 尹纳洁1, 廖子棋1, 欧阳倩晖1, 陈龙1, 段彦之1, 李姝1, 黄熠2,陈晓岚3, 汤银娟3,4

(1. 湘南学院 临床学院, 湖南 郴州, 423000; 2. 湘南学院 化学生物与环境工程学院, 湖南 郴州, 423000; 3.湘南学院 基础医学院, 湖南 郴州, 423000; 4. 湘南学院 南岭药用资源研究所, 湖南 郴州, 423000)

采用火焰原子吸收分光光度法、富集系数法及转移系数法等方法测定了郴州市柿竹园矿区不同土层中Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的含量以及分析优势植物富集特征, 结果表明: 不同层次同种重金属的条件下, Zn2+和Cd2+的土壤样本平均含量在4层中的第1层最高, 分别达到358.40和907.13 mg/kg; Cu和Pb的样本平均含量为第4层最高, 分别达到358.40和907.13 mg/kg; 大多优势植物符合超富集植物的部分特征也符合规避型植物的部分特征。该矿区的污染状况较为严重, 应按照每一层不同的污染情况及时建立保护及修复措施以减轻环境的污染。

重金属; 富集系数; 不同层次; 原子吸收分光光度计

上世纪90年代以来, 我国很多城市都开展了城市重金属调查, 特别是对工矿企业的Cd2+、Cu2+、Pb2+、Zn2+等重金属污染问题己成为关注热点[1]。廖启林等[2]在对江苏典型地区水稻与小麦籽实的元素富集系数的初步研究中发现不同地区的元素含量分布差异较明显, 清晰地显示了不同地区的元素富集系数不均匀的特征。潘义宏等[3]在对大型植物对重金属的富集与转移的研究中发现, 同一湖泊不同采样点水生植物对重金属的吸收和富集量不同, 这表明植物对重金属的富集与吸收能力跟元素所在地理位置有一定的关联。其次, 不同土层的植物富集重金属能力与其生长环境有关, 国内有相关研究也证明了这一点[4–5]。陈勤等[6]在对紫湖溪流域重金属污染风险与植物富集特征的研究表明, 所采的9种植物样本中大多数富集系数小于1, 表现出规避型植物特征, 转移系数却大于1, 对重金属耐受相对较强, 说明某些在重金属污染的区域生长的植物可表现出规避型植物和超富集植物的特征。

本研究通过测量郴州柿竹园某尾矿区不同土层的植物中富集的重金属含量, 对该地重金属矿区不同土层的污染情况进行评价, 为该地重金属污染的修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地区概况

郴州市地处湖南省东南部, 位于北纬24°53′～26°50′, 东经112°25′～114°22′。郴州市柿竹园重金属矿区拥有143种矿产资源, 被称为“世界有色金属博物馆”, 海拔高度为186～500 m[7]。

1.2 材料

主要试剂。1 000 μg/mL Cu2+(国家标准溶液, GSB G 62024-90(2902))、1 000 μg/mL Zn2+(国家标准溶液, GSB G 62025-90(3001))、1 000 μg/mL Pb2+(国家标准溶液, GSB G 62071-90(8201))、1 000 μg/mL Cd2+(国家标准溶液, GSB G 62040-90(4801))、浓硝酸(优级纯, 国药集团化学试剂有限公司)、H2O2、HF(优级纯, 西陇化工股份有限公司)、硫脲(分析纯, 天津市永大化学试剂有限公司)、抗坏血酸(分析纯,湖南省南化化学品有限公司)。

主要仪器。AA-7000型原子吸收分光光度计(日本岛津企业管理(中国)有限公司)、MD6C-10H型微波样品处理系统(北京盈安美诚科学仪器有限公司)、AF-10A型密封型摇摆式中药粉碎机(温岭市奥力中药机械有限公司)、DHG-9203A型电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)、eppendorf移液枪(德国)、FA2104N型电子天平(上海菁海仪器有限公司)。

1.3 方法

1.3.1 样品采集及处理

根据该重金属矿区山的高度及矿砂堆积的年限选择了4个采样层, 在每个采样层采用随机法选取2～5个采样点, 采集各样点1 m2内的优势植物种类, 并标记其地上和地下部分。同时采集植物周围0～20 cm的根部土壤, 分别用密封袋封装并编号, 再经过2 mm筛的过滤, 干燥保存, 参考胡宁静等[8]的方法对土壤样本进行pH测定, 结果见表1。用四分法取部分土壤置于65 ℃电热恒温鼓风干燥箱中烘干,充分混匀碾碎, 用于土壤重金属含量的测定。用蒸馏水清洗植物表面粘附的土壤及其它杂质后, 用去离子水冲洗3次, 置于65 ℃干燥箱中烘干, 将其粉碎后用于测定重金属含量。

1.3.2 样品重金属含量的测定

土壤、植物样本消解及实验样品溶液的配制[9–11]。(1) 土壤样品: 按编号称取0.2 g(精确至0.000 1 g)土壤样品置于消解罐中, 加入4 mL浓HNO3、1 mL H2O2以及2 mL HF。(2) 植物样品: 按编号准确称取0.3 g(精确至0.000 1 g)植物样品置于消解罐中, 加入5 mL浓HNO3和1mL H2O2。将上述样品放入微波样品处理系统中按表1中的参数进行消解。消解完成后, 转移至100 mL容量瓶内, 加5 mL混酸(由5%抗坏血酸和5%硫脲组成), 用2%的硝酸定容, 将消解液转移至广口瓶中待测。

实验标准溶液的配制及标准曲线的绘制[12–15]。吸取浓度为1 000 μg/mL 的Cu2+(国家标准溶液), 按梯度分别稀释为0.2、0.4、0.6、0.8和1 μg/L。Zn2+、Pb2+、Cd2+均按上述方法稀释, 设定好仪器工作参数之后, 进行绘制Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的标准曲线, 测得Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的相关系数分别为0.995 0、0.999 7、0.995 0、0.999 8, 其相对标准偏差(RSD)均小于8%。

表1 土壤及植物碎沫样本的微波样品处理系统消解参数

重金属含量测定[16–19]。在上述工作基础上, 用火焰原子吸收分光光度计测定各样品中Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+等重金属浓度。结果见表2。

植物富集系数和转移系数的计算。参考高陈玺等[3]的方法, 按照如下公式计算植物富集系数和转移系数: 富集系数(FBC)=植物地上部分的重金属含量/土壤的重金属含量; 转移系数(FT)=植物地上部分的重金属含量/植物根部重金属的含量。

2 结果与分析

2.1 土壤及植物中重金属含量及特征

由表2可知, 该矿山的所有采样点的土壤pH均小于6, 土壤为酸性, 且该矿区土壤中各重金属的变化范围一部分变化较大, 而另一部分, 其中Cu2+的变化范围为110.25～374.25 mg/kg, Zn2+的变化范围为598.05～2 156.45 mg/kg, Pb2+的变化范围为256.90～920.95 mg/kg, Cd2+的变化范围为23.60～42.95 mg/kg, 与国家2级标准(pH<6.5, Cu2+为50 mg/kg, Zn2+为200 mg/kg, Pb2+为250 mg/kg, Cd2+为0.3 mg/kg)相比[6], Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+最高含量分别为国家2级标准的7.49倍、10.78倍、3.68倍、143.17倍,Pb2+的含量相对较低, 其最高含量仅为国家2级标准的3.68倍。因此, 矿区土壤中Cd2+的污染较为严重,平均值为国家2级标准的109.71倍, 而Pb2+的污染较轻, 平均值为国家2级标准的2.13倍。从不同层次的同种重金属来看(表3), 在第1层土壤中, Zn2+和Cd2+的样本平均含量在四层中最高, 分别达到37.04、1 486.46 mg/kg, 分别为国家2级标准的123.47倍和7.43倍; 在第4层土壤中, Cu2+和Pb2+的样本平均含量在四层中最高, 分别达到358.40 mg/kg和907.13 mg/kg, 分别为国家2级标准的7.17倍和3.63倍; 其他两层相对于第1层和第4层各重金属含量相对较低, 这说明不同层次的土壤重金属含量各异, 其污染状况也不同。

表3 不同层次中的Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+含量及相关转移系数与富集系数平均值

2.2 各层植物的富集系数和转移系数及特征

从植物中重金属含量、富集系数以及转移系数(见表3)角度来看, 4种重金属中, Zn2+在整株植物体内的含量变化相对较大, 最高含量达401.96 mg/kg, 而最低含量为59.83 mg/kg, 最高值约为最低值的6.72倍; 而Cd2+在植物体内的含量变化相对较小, 最高值仅为35.60 mg/kg, 最低值为14.22 mg/kg, 由上述可知优势植物体内Zn2+含量的最低值也比Cd2+含量的最高值含量高。由表3可知, 植物对4种重金属的富集系数波动较小, 而转移系数却相对波动较大, 其中Cd2+的转移系数波动最大, 范围为0.22～4.16。

图1表示1～4层每一层所有植物样本对Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的平均的富集系数对比关系, 反映该层优势植物对各重金属吸收能力的对比关系; 图2表示1～4层每一层所有植物样本对Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的平均的转移系数对比关系, 反映该层优势植物从根部向地上部分运输转移重金属能力的大小。二者共同反映植物对各重金属富集能力的强弱。由图1可知, 在4种重金属中, Cd2+在各层的平均富集系数最高, 表明在各层中的优势植物对Cd2+的吸收能力最强; 在第1、2、3层中Pb2+的平均富集系数仅次于Cd2+, 表明在该矿区生长的优势植物整体上对Pb2+的吸收能力也较强。由图2可知: 在第1层中各金属的平均转移系数Cd2+> Pb2+> Zn2+> Cu2+; 在第2层中各金属平均转移系数Cd2+> Zn2+>Pb2+> Cu2+; 在第3层中各金属的平均转移系数Zn2+> Pb2+> Cd2+> Cu2+; 在第4层中各金属的平均转移系数Zn2+> Pb2+> Cu2+> Cd2+。这表明不同层次的优势植物对不同重金属的转系系数各有差异, 即优势植物从根部向地上部分运输转移重金属能力各不相同。

图3表示不同层次的Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的平均富集系数对比关系, 反映不同层次条件下, 优势植物吸收各重金属能力的对比关系。图4表示不同层次的Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的平均转移系数对比关系, 反映不同层次条件下, 优势植物从根部向地上部分运输转移各重金属能力的大小。由图3可知,从第1层到第4层, 优势植物对Cu2+的平均富集系数依次降低; 各层优势植物对Zn2+的平均富集系数第4层>第3层>第1层>第2层; 各层优势植物对Pb2+的平均富集系数第2层>第1层>第3层>第4层; 各层优势植物对Cd2+的平均富集系数第2层>第3层>第1层>第4层。由图4可知: 从第1层到第4层, 优势植物对Cu2+和Pb2+的平均转移系数逐渐降低; 各层优势植物对Zn2+的平均转移系数第3层>第1层>第2层>第4层; 各层优势植物对Cd2+的平均转移系数第2层>第1层>第3层>第4层。综上可知, 在不同层次的条件下, 优势植物对各金属的富集系数及转系系数均各有差异, 同时也反映了不同层次的优势植物对不同的重金属的富集能力在一定程度上具有差异性。

图1 各土层的植物样本对Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的平均富集系数对比

图2 各土层的植物样本对Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的平均转移系数对比

图3 相同重金属不同层次平均富集系数对比

图4 相同重金属不同层次平均转移系数对比

3 结论

通过对郴州市柿竹园某尾矿区不同层次的植物富集重金属含量的分析发现: 该尾矿区的重金属污染较为严重, 土壤中Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+四种重金属在该尾矿区的最大含量分别达到374.25、2156.45、920.95、143.17 mg/kg, 分别为国家2级标准的7.49倍、10.78倍、3.68倍、143.17倍。此前雷梅等[7]对湖南柿竹园进行研究发现Cu、Zn、Pb、Cd四种重金属在才山选矿厂的最高含量高达3 974、24 333、29 702、236 mg/kg, 各重金属含量远高于本研究所研究区域的含量, 表明选矿厂对土壤环境的污染比尾矿区对土壤环境的污染严重得多。但是二者具有污染较为严重的区域植物分布稀疏这一共同特点。本次研究发现不同层次的植物对各种重金属的富集能力具有一定的差异性。

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(责任编校: 刘刚毅)

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

汤银娟, 2265382029@qq.com; 陈晓岚, chxl64627@qq.com。

: 2017–03–06

国家级大学生创新创业训练计划项目(教高司函[2015]41号-201510545003); 湖南省大学生研究性学习和创新性实验项目(湘教通[2015]269号-490); 湘南学院大学生研究性学习与创新性实验项目([2015]66号-12); 湘南学院“橘井泉香”科技文化节项目(2014KJJ06); 中南林业科技大学对口支援湘南学院科技项目(2012XN04)。