喀斯特山地煤矿废弃地几种优势植物的重金属耐性特征

龙健 , 冉海燕



喀斯特山地煤矿废弃地几种优势植物的重金属耐性特征

龙健1,*, 冉海燕2

1. 贵州师范大学荞麦产业技术研究中心, 贵阳 550001 2. 贵州省农业科学院植物保护研究所, 贵阳 550006

对贵阳花溪区麦坪乡煤矿废弃地进行了野外调查, 对该地优势植物和土壤进行了采样, 测定样品As、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn的含量, 发现当地优势植物雀稗(Kunth ex Steud.)地上部分Cu含量达到1058.12 mg·kg-1, 转移系数2.89, 富集系数16.07。研究了雀稗在铜离子胁迫实验中的根系活力变化和叶绿素浓度变化, 雀稗根系活力随实验进行而逐渐降低, 铜离子浓度为500 µg·mL-1的实验进行到第四周时TTC还原量达到最低值; 叶绿素浓度随着铜离子浓度的增加而缓慢降低, 进一步确认当地土著植物雀稗对铜离子有一定的耐受性。

煤矿废弃地; 优势植物; 重金属耐性

0 前言

重金属污染土壤问题近年来受到很多的关注，据有关统计, 全国土壤点位超标率为16.1%, 其中受到汞、铜、铅、砷等重金属污染的耕地达到了10%以上[1]。在矿山开采过程和尾矿的堆积过程中会产生大量的废弃物, 它们含有较高浓度的有毒重金属, 是土壤非常重要的重金属污染源。煤矿区由于煤矸石中重金属迁移转化的影响使得这一地区的生态问题复杂多样[2]。矿区土壤中重金属元素种类繁多, 包括Ｃd、Ｐb、Ｚn、Ｃu等[3]。目前治理土壤重金属污染的方法有深耕法、客土法、施用石灰或螯合剂、电化学法、化学淋溶法和植物修复法等, 前面这些方法工艺复杂, 成本高, 土壤结构和肥力易遭破坏, 对于低浓度、大范围重金属污染的土壤不适用[4], 而植物修复法具有对土壤环境扰动少、无二次污染等优点, 是具有发展潜力的绿色修复技术[1], 植物修复是利用植物的耐受、积累某种重金属离子的能力来减少土壤环境中的重金属污染物, 具体方法包括植物筛选, 微生物联合植物修复, 农艺措施, 水分管理和植物修复剂, 其中植物筛选超富集植物是首要步骤。目前国内用于筛选超富集植物的方法主要是野外调查法, 根据植物的一些特性选择一些特殊的植物来测定它们对重金属的富集特性, 利用土壤种子库—重金属浓度梯度法来筛选超富集植物, 其中土壤种子库方法操作简单[5]。相关研究报道目前已筛选出几百种重金属超富集植物[4], 大部分是Ni超富集植物, 其他包括Co、Cu、Se、Zn和Mn的超富集植物都只有几十种[6], 在中国发现的有海州香薷()[7]、鸭跖草()[8]、酸模(Linn)[9]、密毛蕨()[10]、印度芥菜(L)[11], 这些已经发现的铜超富集植物集中在鸭跖草科、唇形科、石竹科、马齿苋科、莎草科等科属, 且这些超富集植物均存在分布地域范围狭小的问题, 仅在特定生境中表现出超累积特性[12]。因此, 铜超富集植物的研究需要考虑生态型物种的筛选和分析, 喀斯特矿区土壤重金属污染治理的植物筛选应该在污染地进行野外土著植物筛选, 并通过胁迫实验确认有效的土著物种及其耐受性、富集性特征。

1 材料与方法

1.1 研究地优势植物调查

研究地位于贵州省贵阳市花溪区麦坪乡煤矿废弃地, 地理坐标东经106°30′35", 北纬26°28′33"。麦坪乡煤矿资源丰富, 属亚热带季风温润气候, 平均气温14 ℃, 年均降雨量为1102 mm, 无霜期270 d, 森林资源丰富, 森林覆盖率达28.6%; 矿藏富储, 有煤炭、石灰石、重金石、铁矿石等。麦坪乡位于贵阳重要水源保护地“两湖一库”的阿哈水库和红枫湖之间的中间位置, 对该处煤矸石土壤进行改良有助于防范土壤污染对重要水源地产生污染影响。研究地砂质壤土, 植被覆盖率低, 我们对该地采样点煤矸石土壤及周围自然定居的优势植物进行调查, 对煤矸石土壤和优势植物的重金属含量进行测定分析。野外调查发现采样地优势植物有蔷薇科蔷薇属的野蔷薇(Thunb.), 蔷薇科悬钩子属的悬钩子(L.f.), 壳斗科栎属的白栎(Hance), 松科松属的马尾松(Lamb.), 木犀科女贞属的大叶女贞(Ait.), 禾本科芒属的五节芒((Labill.) Warb.ex Schum.et Laut.), 禾本科雀稗属的雀稗(ex Steud.), 禾本科白茅属的白茅((L.)Beauv.)。

1.2 研究地土壤pH值、有效磷、全氮和重金属含量测定

按照梅花点法采集0—20 cm深度的土壤样品, 四分法留样带回实验室, 自然风干, 过筛, 电位测定法测定pH值, 0.5 mol·L–1NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定有效磷含量, 紫外分光光度法测定土壤含氮量, 采用原子吸收分光光度法测定土壤Cd、Cu、Pb、Zn含量, 原子荧光光谱法测定土壤Hg、As含量。同时在该研究点进行植物样方调查, 调查发现个体数量较多, 生长较好的优势植物8种, 对这些优势植物物种进行了采样, 各选取5株, 带回实验室进行了重金属As、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn含量的测定。带回实验室后, 对植物样品进行清洗后杀青、风干, 用切碎机粉碎过100目尼龙筛后进行消解, 溶液定容摇匀后采用原子吸收分光光度法测定Cd、Cu、Pb、Zn含量, 采用原子荧光光谱法测定Hg、As含量。

1.3 研究地优势植物重金属含量测定

对在废弃地采集的八种优势植物进行了野外调查和采样, 带回实验室后对As、Cd、Cr、Hg、Cu、Hg、Pb和Zn的含量进行了测定, 为了解自然状态下这些优势植物对这几种重金属的转移及吸收效果, 采用转移系数和富集系数进行分析, 公式[13-14]如下:

转移系数(TF)=植物地上部分(或植物叶)的重金属含量/植物地下部分的重金属含量

富集系数(BCF)=植物地上部分(或植物叶)的重金属含量/土壤重金属含量

1.4 铜离子胁迫实验中雀稗根系活力与雀稗叶绿素含量的变化

在研究地播种雀稗种子一年后采集雀稗带回实验室, 用Hoagland营养液进行培养, 将采样回来的植株用自来水洗干净后进行水培, 预培养20天后进行铜离子处理, 营养液用0.1 mol·L–1的NaOH、0.1 mol·L–1的HCL调PH至5.8, 铜离子浓度为0 µmol·L–1、25 μmol·L–1、50 µmol·L–1、75µmol·L–1、100 µmol·L–1、250 µmol·L–1和500 µmol·L–1, 每个浓度梯度3个重复处理, 营养液每7天更换一次。进行雀稗根系活力的测定和雀稗叶绿素含量的测定。

1.4.1 雀稗根系活力的变化测定

(1)TTC标准曲线的制作: 取0.4% TTC溶液0.2 mL放入大试管中, 加9.8 mL乙酸乙酯, 再加少许Na2SO4粉末摇匀, 则立即产生红色的TTF。此溶液浓度为每毫升含有TTF80 µg。分别取此溶液0.25 mL、0.50 mL、1.00 mL、1.50 mL、2.00 mL置10 mL刻度试管中, 用乙酸乙酯定容, 即得到含TTF20 µg、40 µg、80 µg、120 µg、160 µg的系列标准溶液, 以乙酸乙酯做参比, 在485 nm波长下测定吸光度, 绘制标准曲线。

(2)称取根尖样品0.25 g, 放入小烧杯中, 加入0.4% TTC溶液和磷酸缓冲液(pH7.0)各2.5 mL, 在37℃下暗保温1.5 h, 此后立即加入1 mol·L–1硫酸1 mL, 以停止反应。(与此同时做一空白, 先加硫酸, 再加根样品, 37 ℃暗保温后不加硫酸)

(3)把根取出, 用滤纸吸干水分, 放入研钵中, 加乙酸乙酯1—2 mL, 充分压按, 以提出TTF。把红色提取液移入刻度试管, 并用少量乙酸乙酯把残渣洗涤2—3次, 皆移入刻度试管, 最后加乙酸乙酯使总量为5 mL, 用分光光度计在波长485 nm下比色, 以乙酸乙酯做空白对照测出吸光度, 查标准曲线求出TTC还原量。

1.4.2 雀稗叶绿素含量的变化测定

称取新鲜(或干材料)的洗净擦于的雀稗叶片0.2 g, 剪碎后放入25 ml容量瓶中, 加4.5:4.5:1(丙酮: 无水乙醇: 水)定容, 然后在低温避光条件下静止提取24 h(中间振荡3次)。以4.5:4.5:1(丙酮: 无水乙醇: 水)为空白对照采用分光光度计测定, 在663 nm波长下读取吸光度(A)值测量叶绿素A, 663 nm波长下读取吸光度(A)值测量叶绿素B。

1.5 数据处理

所有数据用Excel 2016进行统计和作图。

2 结果与分析

2.1 研究地土壤pH值、有效磷和全氮以及重金属含量测定分析

煤矿废弃地砂质壤土, 采样点煤矸石土壤pH值、有效磷含量和总氮百分比, As、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn含量测定结果如下表。As、Cd、Hg、Pb和Zn含量按《土壤环境质量标准》GB15618—1995的最低标准均未超标。采样点土壤酸化严重, pH算术平均值为3.84, 有效磷含量0.29 mg·kg–1, 土壤全氮百分比0.29%, 采样点土壤铜离子含量算数平均值为65.83 mg·kg–1, 标准差16.82 mg·kg–1, 超过了土壤环境质量标准(GB 15618-1995)的二级标准。

表1 采样点土壤pH值、有效磷和全氮以及重金属含量

注: 土壤环境质量标准(GB 15618—1995)。

2.2 研究地优势植物野外调查和重金属含量测定分析

从表2和表3看到研究点优势植物对As、Cd、Cr、Hg、Hg、Pb和Zn的转移能力和富集能力都有不同的表现, 对As的转移系数大于1的有野蔷薇、马尾松、悬钩子和白茅, 对Cd的转移系数大于1的有野蔷薇、马尾松和五节芒, 对Cr的转移系数大于1的有白茅, 对Cu的转移系数大于1的有雀稗和白茅, 对Hg的转移系数大于1的有大叶女贞、野蔷薇、马尾松、悬钩子和五节芒, 对Pb的转移系数大于1的有大叶女贞、白栎、马尾松、悬钩子和白茅, 对Zn的转移系数大于1的有大叶女贞、白栎、马尾松和悬钩子。土著植物雀稗对铜的富集系数到达16.07, 转移系数大于的1的雀稗和白茅都是禾本科, 其中雀稗地上部分铜含量达1058.12 mg·kg–1, 雀稗地下部分铜含量达到366.60 mg·kg–1。白茅地上部分铜含量达918.66 mg·kg–1, 白茅地下部分铜含量达到373.17 mg·kg–1, 这两种禾本科植物作为当地优势植物显示出了良好的铜耐受性。

表2 研究点优势植物对As、Cd和Cr的富集特征

注: BCF为富集系数; TF为转运系数。

表3 研究地优势植物对Hg、Pb和Zn的富集特征

注: BCF为富集系数; TF为转运系数。

2.3 铜离子胁迫实验中的根系活力和叶绿素含量变化

随着铜离子浓度的增加, TTC还原量(根系活力)急速降低, 铜离子浓度为25 µg·mL–1时, TTC还原量(根系活力)降低幅度减缓, 相同铜离子浓度下雀稗根系活力随实验进行而降低, 铜离子浓度为500 µg·mL–1的实验进行到第四周时TTC还原量达到最低。

图1 铜离子胁迫对雀稗根系活力变化的影响

Figure1 Effect of copper ion stress on change of roots activity inKunth ex Steud

随着铜离子浓度的增加, 叶绿素浓度降低, 不同铜离子浓度下的叶绿素含量都随着实验的进行而缓慢降低。

图2 铜离子胁迫对雀稗叶绿素含量变化的影响

Figure2 Effect of copper ion stress on change of Chloro­phyll inKunth ex Steud

3 讨论

研究地砂质壤土酸化严重, pH算术平均值3.84, 土铜离子含量算数平均值65.83 mg·kg–1, 超过《土壤环境质量标准》GB15618—1995的二级标准。在正常土壤中铜的含量一般为20—30 mg·kg–1[15], 在污染较严重的地区, 如矿区附近土壤中的铜含量高达5000 mg·kg–1以上[16], 研究地是煤矸石为主的废弃地, 铜含量来源可能是煤矸石, 煤矸石是无机质和少量有机质组成的混合物, 主要成分是SiO2, 其次是AL2O3, 还包括少量的钡、锰、铜等金属元素, 煤矸石的化学成分不稳定, 不同地区的煤矸石成分变化较大[17]。所以, 此类环境下的土壤理化分析结果只适用于在该地点开展的分析研究。

植物对重金属的转运系数越大, 重金属从根部向地上部的转运能力越强, 转运系数大于1说明植物地上部吸收重金属含量大于地下部。植物对重金属的转移能力表征植物对重金属的转移能力, 与植物的生理、生化和遗传等因素关系密切。超积累植物与其他植物最大的区别在于向上部转移重金属的能力[18], 转移效率大于0.5的可以作为植物修复备选的物种[19-20-21]。研究点雀稗地上部分Cu含量达到1058.12 mg·kg–1, 转移系数2.89, 对铜污染具有很好的耐受性和富集性。白茅地上部分的Cu含量达到918.61 mg·kg–1, 接近Cu超富集植物的定义标准, 转移数2.46, 可作为Cu污染修复的备选物种。铜污染的土壤较易生长草本植物, 比如湖北黄石市西南20 km的铜绿山冶炼渣堆因自然选择的作用, 形成了以草本植物为主体的良好植被[22], 这是因为禾本科植物种子具有较强的传播能力, 植物有较强的适应性[23]。本研究中禾本科的五节芒、雀稗和白茅的铜含量都高于该地其他优势物种。矿业废弃地除了具有重金属污染的特征以外, 土壤贫瘠也是一大特点, 禾本科植物种子具有较强的传播能力, 有较强的适应性, 在矿业废弃地常见其作为自然定居的优势植物存在。所以禾本科植物较其他植物更适合用于植物修复。

植物对重金属的富集系数是植物地上部分或叶的重金属含量与土壤中该重金属含量的比值, 是评价植物对重金属富集能力的指标之一[13]。富集系数用来评价植物将重金属吸收转移到体内的能力大小, 富集系数越高, 说明植物地上部分重金属富集质量分数越大[14]。从表2看到, 研究地优势植物的富集系数各不相同, 大叶女贞对Hg的富集系数最多为2.34, 野蔷薇对Cu的富集系数最多是5.16, 白栎对Zn的富集系数最多是4.29, 马尾松对Cd的富集系数最多是19.38, 悬钩子对Hg的富集系数最多是6.5, 五节芒对Cu的富集系数最多是9.96, 雀稗对Cu的富集系数最多是16.07, 白茅对Cu的富集系数最多是13.96。考虑物种的富集能力以外, 植物生物量大小也是考虑修复物种的重要因素, 生物量越大, 富集效率越高, 越适合污染土壤的植物修复。

实验还发现, Cd的含量测定结果中转移系数大于1的物种有野蔷薇、马尾松和五节芒。转移系数是否大于1是Brook等对重金属超富集植物的定义的标准之一, 有学者根据实际情况建议降低Cd超富集植物定义中对Cd含量的界定[24]。因此这三种植物可以在Cd污染的植物修复中给与考虑。另外, 本研究中对Zn的转移系数大于1的植物有蔷薇科、壳斗科、松科和木犀科, 没有禾本科植物, 这个与聂亚平等总结的常见Zn超富集植物中没有禾本科[25]的结论是一致的, 这两个研究结果对于Cd、Zn污染土壤的植物修复研究有参考意义。

本研究地土著植物雀稗对铜的富集系数到达16.07, 转移系数大于的1的两种植物雀稗和白茅都是禾本科, 其中雀稗地上部分铜含量最大值达1058.12 mg·kg–1, 在铜胁迫实验中也表现出了雀稗对铜离子有较强的耐受性。目前发现的铜超积累植物有37种[26], 研究得较详细的有海州香薷(), 其超积累效果也较好, 但生物量较小是其最大的缺点。鸭跖草()[27], 鸭跖草作为一种喜湿的草本植物, 并不适合在矿区干燥贫瘠的土壤上生长, 而且与海州香薷一样, 它的生物量也较少[28]。本研究发现的自然定居植物雀稗在其他地点进行的铜污染修复种可以作为备选物种, 因为不同生态型的同类植物对同种重金属的耐性和积累特性表现不一, 比如不同地区的镉超富集植物龙葵植株体内的镉含量差异很大[29]。

在污染地进行优势植物调查的众多研究中出现了一些规律, 比如空间上超积累植物一般只生长在矿山区、成矿作用带或由富含某些化学元素的岩石风化而成的地表土壤上, 构成生态学岛屿, 且是不均匀分布的[26], 因此在矿山区对本地优势植物进行分析是矿区进行植物修复很重要的一步, 筛选超富集植物, 建立网上数据库实验资源共享是未来研究的一个方向[30]。本研究的分析结果适用于在本研究地开展的植物修复, 对于其他地点同类环境下开展的污染土壤植物修复具有参考意义, 尤其关注和利用土著禾本科植物在植物修复工作中有很好的现实意义。

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Heavy metal tolerance characteristics of several dominant species in coal mine wasteland of Karst mountain

LONG Jian1,*, RAN Haiyan2

1. Buckwheat Industrial Technology Research Center, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China 2. Plant Protection Institute, Guizhou Academy of Agricultural Sciences, Guiyang 550006, China

A field survey was carried out on the abandoned land of Maiping coal mine wasteland in Huaxi district, Guiyang city，by sampling the dominant species and soil and determining the content of As, Cd, Cu, Hg, Pb and Zn. It was found that the content of Cu in the dominant speciesKunth ex Steud. reached to 1058.12 mg·kg-1.The transfer coefficient was 2.89 and enrichment coefficient was 16.07.Effects of copper ion stress on chlorophyll and root activity inKunth ex Steud. were studied. Root activity decreased gradually with the experiment. The reduction amount of TTC reached the lowest value at the fourth week after the experiment with copper ion concentration of 500 g·mL-1was carried out.The chlorophyll concentration decreased slowly with the increase of copper ion concentration.It was further confirmed thatKunth ex Steud. was tolerant to copper ion as a native species.

coal mine wasteland; dominant species; heavy metal tolerance

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.02.028

X53

A

1008-8873(2019)02-212-07

2018-08-03;

2019-01-18

重金属污染土壤的修复技术研究(黔教科2011028号)

龙健(1979—), 女, 贵州贵阳人, 硕士, 副教授, 主要从事环境生态学研究, E-mail: 123714701@qq.com

龙健, 女, 硕士, 副教授, 主要从事环境生态学研究, E-mail: 123714701@qq.com

龙健, 冉海燕. 喀斯特山地煤矿废弃地几种优势植物的重金属耐性特征[J]. 生态科学, 2019, 38(2): 212-218.

LONG Jian, RAN Haiyan. Heavy metal tolerance characteristics of several dominant species in coal mine wasteland of Karst mountain[J]. Ecological Science, 2019, 38(2): 212-218.