不同活化剂对伴矿景天富集镉的影响

吴孟君，张德馨，胡宏祥，詹林川，薛中俊，徐 年

（安徽农业大学 资源与环境学院，安徽 合肥 230036）

随着我国社会的不断发展，工业和矿产资源的开发利用带来的生活废水、污水、汽车废气等造成了严重的土壤重金属污染问题［1］.而土壤Cd污染是我国突出的环境问题之一，《全国土壤污染状况调查公报》显示，土壤Cd位点超标率是最高的，达到7%［2］.安徽铜陵是位于长江中下游的多金属矿区，长期采矿产生了含有大量重金属的酸性矿山废水，并伴随雨水流入周边水域、土壤.而土壤中的重金属对农作物、农产品等都产生了严重影响，并通过食物链危及人类健康［3］，因此修复重金属污染土壤这一问题迫在眉睫.常见的重金属修复方法有物理修复、化学修复及生物修复三种，其中生物修复中的植物修复凭借其环境友好、绿色经济等特点逐渐成为修复土壤的首选方式［4-5］.张会敏等［6］研究显示铜陵市相思谷铜尾矿区自然定居的八种植物中，芒对重金属 Cu、Pb、Zn、Cd 吸收累积能力较好，可作为重金属污染土壤的修复植物.叶文玲等［7］通过研究安徽铜陵石灰窑和相思谷尾矿库区的优势植物，筛选出断续菊对Cd具有较强的迁移能力和富集能力，地上部Cd含量达到了3.79mg/kg.但是单纯的植物修复存在一定的的局限性，通过合适的手段强化植物修复效果成为植物修复的关键之一.国内外学者在植物提取修复技术的基础上，增加了农艺、蚯蚓、根际微生物、活化剂、现代生物技术等强化措施，改善了植物提取的修复效果，并取得了阶段性的进展［8］.如徐年等［9］通过将油菜分别和黑麦草、酸模间作，发现这种种植模式能显著增加黑麦草和酸模地上部对Cd的吸收量.卫泽斌等［10］学者发现施加2.5mmol/kg的GLDA活化剂可以显著提高东南景天地上部的生物量和Cd、Zn浓度，进而提高了东南景天对土壤Cd和Zn的提取效率.许伟伟等［11］通过将浓度均为10mmol/L的柠檬酸、木醋液、聚天冬氨酸、羟基乙叉二磷酸和FeCl3分别与油菜联合进行试验，发现木醋液最能促进油菜对Cd的吸收，柠檬酸次之.其中利用活化剂促进植物对重金属的吸收累积，也被称为化学强化的植物提取技术［12］.螯合剂、低分子有机酸和表面活性剂是土壤重金属污染修复应用最为广泛的三类活化剂［13］.众所周知，伴矿景天（Sedum plumbizincicola）是一种Zn、Cd超积累植物，具有多年生、生物量大、生长速率快等优点［14］.崔立强等［15］研究表明，伴矿景天新叶中Cd和Zn含量最高可以达到777mg/kg和25～500mg/kg，是进行重金属修复的良好资源.而目前，利用活化剂强化超积累植物吸收积累重金属的相关报道较少.故本研究以安徽某镉污染农田土壤为试验用土，选择螯合剂乙二胺四乙酸二钠（EDTA）、天然有机酸柠檬酸（CA）及表面活性剂茶皂素（TS）分别作为单一活化剂辅助伴矿景天做盆栽试验，研究不同活化剂对伴矿景天累积镉的特点，以期为铜陵重金属污染区农田提供更有效、经济的修复手段.

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试植物：伴矿景天（Sedum plumbizincicola）幼苗，采自中国科学院南京土壤研究所培养基地，挑选长势相近的幼苗备用，均高约为8cm.

供试活化剂：乙二胺四乙酸二钠（EDTA）（分析纯）、茶皂素（TS）（分析纯）、柠檬酸（CA）（分析纯）.

供试土壤：采自安徽铜陵某矿区镉污染农田土壤（水稻土），其地理位置为：30°56'18.62"N，117°59'25.2"E.供试土壤养分达二级以上，土壤全镉含量超过国家农用地土壤污染风险管制值（GB15618-2018）.所取土壤皆为2017年10月初采集的农田表层0～20 cm土壤，经风干后去除杂物、混匀、磨碎、过5 mm尼龙筛备用.供试土壤主要性质见表1.

表1 供试土壤的主要性质

1.2 试验设计

采用盆栽试验：试验分别设置活化剂EDTA、TS和CA的五个不同浓度：0、1、3、5、10mmol/L（0浓度即为对照组CK）.

2018年10月10日在安徽农业大学农萃园将备用土壤装盆，每盆装土3kg，浇水稳定后种植3棵伴矿景天幼苗.2019年3月20日向盆栽中施加400ml各对应浓度的活化剂，小心浇灌到土壤表面，使之慢慢渗到底层15cm处，共13个处理，各处理重复三次，将处理编号为：EDTA-1（表示该盆施加400ml浓度为1mmol/L的EDTA）、EDTA-3、EDTA-5、EDTA-10、TS-1、TS-3、TS-5、TS-10、CA-1、CA-3、CA-5、CA-10和CK.盆栽完全随机摆放，试验期间不定期交换位置，使之减少边际效应产生的不良影响，5月10日收获盆栽样品和采集土壤.

1.3 样品的分析和测定

1.3.1 土壤样品的分析

土壤样品放在阴凉通风处风干后，用木棒敲打压碎，除去其中的石块与植物根系，分别过1mm和0.149mm筛，用于土壤重金属含量及基本理化性质测定.

1.3.2 植物样品的分析

收获后的伴矿景天分别用自来水、去离子水洗涤地上部及根系，晾干，置于信封袋中，在105℃下杀青30min，然后70℃烘干至恒重，记录干重，粉碎，过0.149mm筛备用.

1.3.3 样品测定指标与方法

土壤pH采用（水土比2.5：1）pH计电位测定，土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定，速效磷、速效钾含量分别采用Olsen法和醋酸铵浸提-火焰光度法测定.植株样品采用硝酸、高氯酸消解；土壤Cd全量采用王水、高氯酸消解，土壤有效态Cd含量采用DTPA浸提，用GSS-26、GSS-5土壤标准物质进行质量控制.消解液和浸提液中的Cd含量通过电感耦合等离子发射光谱仪（iCAP 6300）测定.

1.3.4 数据分析

试验数据利用SPSS19.0进行平均值的计算、方差分析、相关性分析；利用Origin2017软件作图.转移系数、富集系数、土壤Cd净化率计算公式为：

2 结果与分析

2.1 不同活化剂处理下伴矿景天的生物量

由表2可知，随着EDTA浓度的增加，伴矿景天生物量呈现降低趋势，生物量较对照增加5.01%～54.46%.处理EDTA-1的生物量最大，为23.20g/pot.浓度为10mmol/L时，伴矿景天地上部分生物量比对照降低2.56%.不同浓度茶皂素处理条件下，伴矿景天生物量较对照增加22.77%～51.26%，处理TS-5的生物量最大，为22.72g/pot，其地上部分生物量与其它三种处理之间均达到显著性差异（P＜0.05）.与对照相比，不同浓度柠檬酸处理下，伴矿景天生物量增加20.31%～71.70%，处理CA-1的生物量为25.79g/pot，增加幅度最大.随着柠檬酸浓度的增加，伴矿景天生物量也呈现降低趋势.同时，不同活化剂处理的伴矿景天根系生物量变化趋势与地上部分变化大体一致.

表2 不同活化剂处理下伴矿景天的生物量/g·pot-1

2.2 不同活化剂对伴矿景天地上部分及根系Cd含量的影响

由图1可知，不同处理下，伴矿景天中Cd含量均表现为：地上部分 根系.随着EDTA浓度的增加，其地上部分及根系Cd含量均呈先增大后减小的趋势.处理EDTA-3伴矿景天地上部分及根系Cd含量均最大，分别为379和145mg/kg，比对照显著增加77.93%和187.19%.而当1、5、10mmol/LEDTA处理时，伴矿景天根系Cd含量分别增加42.92%、137.67%、109.74%，处理间差别显著（P＜0.05）.

随着茶皂素浓度的增加，伴矿景天地上部分Cd含量逐渐减小，为286.06mg/kg～323.67mg/kg，相较于对照增加33.70%～51.28%；根系Cd含量比对照增加15.79%～140.77%，各处理间差别显著（P＜0.05）.处理TS-1伴矿景天地上部分和根系Cd含量均最大，分别为323.67和121.57mg/kg，表明此浓度下，伴矿景天对土壤中Cd的富集效果最好.

随着柠檬酸浓度的增加，伴矿景天地上部分Cd含量逐渐增大；不同处理间根系Cd含量差异显著（P＜0.05）.当柠檬酸浓度为10mmol/L时，地上部分及根系Cd含量都达最大值，显著高于对照67.80%、172.21%.

图1 活化剂对伴矿景天地上部及根系Cd含量的影响

2.3 不同活化剂对伴矿景天修复后土壤有效Cd的影响

由图2可知，随着EDTA浓度的增加，土壤有效Cd含量呈先增后减的趋势.相比于对照，各处理有效Cd含量增加0%～58.14%，其中处理EDTA-5增加幅度最大，与其它三种处理之间均达到了显著性差异（P＜0.05）.随着茶皂素浓度的增加，土壤有效Cd含量逐渐增大，其含量分别为0.93、1.02、1.36和1.46mg/kg，处理TS-3、TS-5和TS-10的有效Cd含量均显著高于对照（P＜0.05）.随着柠檬酸浓度的增加，土壤有效Cd含量呈增大趋势，增加范围为5.81%～37.21%，但各处理之间差异不明显.

图2 活化剂对土壤有效Cd的影响

2.4 不同活化剂对伴矿景天累积特征及土壤Cd净化率的影响

表3为不同活化剂处理下，伴矿景天对Cd的转移系数TF、富集系数BF、富集量及土壤Cd净化率情况.

活化剂EDTA、茶皂素和柠檬酸的不同浓度处理下，伴矿景天对Cd的转移系数不同.与对照相比，处理EDTA-3、EDTA-5和EDTA-10均显著减小，减小34.20%～38.44%；处理EDTA-1的伴矿景天对Cd的转移系数较对照增加3.3%，但未达到显著性差异.茶皂素处理条件下，TS-5的转移系数显著高于对照16.98%（P＜0.05），处理TS-1、TS-3和TS-10转移系数均有所减小，减小1.65%～37.26%，各处理之间差异性显著（P＜0.05）.柠檬酸处理下，转移系数普遍偏低，较对照降低22.41%～38.44%.

与对照相比，添加活化剂均不同程度提高了伴矿景天的富集系数.EDTA处理下伴矿景天富集系数较对照增加40.75%～77.58%，处理EDTA-3增幅最大，与其它处理均达到显著性差异（P＜0.05）.处理TS-1较对照显著增加51.28%，与处理TS-3、TS-5之间差异不显著.在柠檬酸不同浓度处理条件下，伴矿景天的富集系数较对照增加12.12%～67.96%，处理CA-10与各处理之间差异性显著（P＜0.05）.

不同浓度EDTA促进了伴矿景天对Cd的富集量，其中处理EDTA-3富集量能达到7.04mg，较对照显著增加139.46%，其次是处理EDTA-1增加幅度为124.15%.茶皂素处理条件下，伴矿景天对Cd的富集量较对照增加64.63%～97.96%，各处理之间未达到显著性差异.与对照相比，不同浓度柠檬酸处理，伴矿景天富集量增加37.76%～126.53%，处理CA-10增幅最明显，与对照差异显著（P＜0.05）.

与对照相比，施加活化剂能显著提高伴矿景天对土壤Cd的净化率，净化率范围为34.53%～60.02%.处理EDTA-1、EDTA-3和CA-10对Cd的净化效果最好，较对照提高了2～3倍.

综上：伴矿景天对Cd的富集量，90%以上都位于地上部分，这与伴矿景天地上部的生物量大和转移系数等因素有关.

表3 活化剂对伴矿景天累积特征及Cd净化率的影响

2.5 不同活化剂对土壤pH的影响

由图3可知：施加不同浓度活化剂对土壤pH的影响较小，各处理之间均未达到显著性差异.处理EDTA-3、EDTA-5及CA-5的pH较对照增加0.07～0.16个单位，而其它处理pH均低于对照，降低0～0.11个单位.

图3 活化剂对土壤pH的影响

3 讨论

虽然不同活化剂处理对土壤pH影响不大，但与对照相比，总体是略微降低的.可能是因为这些浓度活化剂本身呈酸性，EDTA溶液的pH为4.77～5.25，茶皂素的pH为5～6，以及柠檬酸的pH为2.34～3.02，将它们添加到土壤中，导致了土壤酸化，pH值小幅度降低.对于处理EDTA-3、EDTA-5及CA-5的土壤pH值升高，可能与土壤的缓冲性能有关.张根柱等［16］研究显示，土壤具有一定的缓冲作用，加入的EDTA和柠檬酸解离出H+会与土壤中的碳酸钙、磷酸盐等反应，造成H+的大量减少，使土壤pH有所升高，甚至高于对照处理，但是这并不影响活化剂对土壤Cd的活化作用.

研究中在未添加活化剂的情况下，种植伴矿景天210天后地上部分和根系的Cd含量分别为213.95、50.49mg/kg，土壤Cd净化率为25.06%；而添加不同浓度活化剂后，伴矿景天累积Cd总量最高能达到7.04mg，Cd净化率达到34.53%～60.02%.这是因为EDTA能与重金属形成稳定的络合物，易于从污染土壤表面去除，且能较大程度地提高水溶态重金属的浓度［17］，而水溶态金属最易被植物吸收和积累［18］；向污染土壤中加入茶皂素溶液，茶皂素分子能与土壤中的部分重金属结合，从而降低土壤重金属的生物有效性和毒性［19］；柠檬酸属于低分子有机酸，也是一种天然螯合剂，一方面以酸溶作用提取大部分酸溶态的重金属，另一方面能够通过螯合作用提取一定量其他形态的重金属［20］，有利于植物吸收带走重金属.

生物量是表征植物生长情况的重要指标［21］.研究中各浓度EDTA、茶皂素和柠檬酸的添加均不同程度上促进了伴矿景天的生长.可能是由于加入的活化剂可与土壤中的重金属离子络合成稳定的螯合化合物，活化了土壤中的营养成分，降低了土壤中重金属污染物对植物生长的胁迫作用，共同促进了植物的生长［22］.同时生物量的增加，使得伴矿景天对Cd的富集量较对照有所增加，这与杨勇［23］等研究结果一致，高生物量有利于植物吸收带走土壤中的重金属.但是各处理下伴矿景天中Cd含量的增加与植物生物量增加无对应关系，因为还可能与活化后土壤中的有效Cd含量有关.

活化剂EDTA处理条件下，随其浓度的增加，土壤有效Cd含量先增大后减小，在5mmol/L时最大；与对照相比，处理EDTA-10的土壤有效Cd含量几乎无增加，这是因为低浓度的EDTA在重金属污染土壤中大部分能与重金属结合［24］，而较高浓度的EDTA则通常会与其他离子（如Fe等）结合，导致其对重金属的活化效率降低［25］.茶皂素处理条件下，土壤有效Cd含量随其浓度的增加而增加，是由于低浓度的茶皂素主要由单分子构成，易被土壤颗粒吸附，导致对重金属的去除率较低；随着茶皂素浓度的增大超过成为胶束的临界浓度时，便会形成胶团，这种胶团将重金属包围在多个茶皂素分子之间，阻止了重金属与土壤颗粒的重新结合［26］，因此较高浓度的茶皂素对土壤重金属的活化能力更强.柠檬酸处理条件下，土壤有效Cd含量也随其浓度的增加而增加，可能与小分子有机酸存在的供体基团“-COOC-”有关［27］，同时也可能是因为低浓度有机酸容易被粘土和有机质吸附［28］，所以，在适宜浓度范围内，柠檬酸浓度越高，其活化重金属的效果越好.

添加不同浓度活化剂，一定程度上增加了伴矿景天对Cd的吸收累积，由上述讨论可知，伴矿景天的高生物量促进了植物对Cd的富集，提高了伴矿景天对土壤的净化效果，所以活化剂复配超富集植物伴矿景天修复Cd污染土壤能达到较好的修复效果.但是文章研究的是盆栽试验，伴矿景天的生长受到了环境的限制，生物量偏小，因此改变种植空间，给植物提供一个合适的生长环境，适当增加种植数量，利用3mmol/LEDTA或10mmol/L柠檬酸辅助伴矿景天进行种植，可能会达到更好的土壤修复效率.

4 结论

（1）盆栽显示不同活化剂均显著提高了伴矿景天地上部分和根系的Cd含量，尤其是处理EDTA-5和CA-10，伴矿景天的地上部Cd含量分别达到379.94、359.35mg/kg，土壤Cd净化率分别为60.02%、56.78%.

（2）由转移系数（TF）和富集系数（BF）可知，伴矿景天对Cd的高富集量主要表现在地上部分.同时，活化剂的添加在一定程度上增加了伴矿景天的生物量.

（3）这三种活化剂对土壤pH的影响较小，但是与对照相比，增加了土壤有效Cd含量，增加幅度为0%～69.77%.

（4）从更高效和安全角度考虑，建议选用3mmol/LEDTA或10mmol/L柠檬酸辅助伴矿景天进行种植，并适当增加伴矿景天的种植空间，以达到更好的土壤净化效果.