鼠李糖脂辅助紫穗槐修复钒矿污染土壤研究

李 昊，王 琼，孙 伟，吴亮亮，高文谦

(矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

从20世纪八十年代至今，我国钒工业迅速崛起，由于钒矿开采、冶炼及提钒过程引发的土壤钒及其伴生重金属铬污染日益严重，高浓度的钒会引起植物中毒[1]，致使植株枯萎和限制植物的生长，引起植株矮化及产量降低，减少植物对钙、磷酸盐等营养物质的吸收[2-3]。

目前针对钒矿污染土壤的植物修复，涉及较多的是植物提取，即利用一些植物根部对污染土壤中重金属的提取和转运至地上部积累的能力[4-5]。紫穗槐是钒矿生态修复常见物种[6-7]，但由于存在生长慢、周期长、重金属富集量较少等不足，因此通过强化措施提高植物的修复效率是植物修复技术应用的重要发展方向。

生物表面活性剂具有低毒性、生物可降解性和表面活性等优点，且可回收加以重复利用，具有较高的经济价值，可应用于辅助植物修复污染土壤[8]。有研究表明生物表面活性剂鼠李糖脂淋柱冲洗土壤，可以去除土壤中98%的锌[9]，皂角苷可以使土壤中铅和镉的去除率达60%以上[10-11]。王吉秀等[12]通过盆栽试验研究了十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、鼠李糖脂、茶角苷等不同离子类型的表面活性剂对小花南介生长和富集重金属的影响，发现3 种表面活性剂都能促进小花南芥各部位生物量增加，而且均有效促进了小花南芥对Zn、Pb 的吸收。

为了更好地了解生物表面活性剂对植物吸收累积重金属的影响，本文选取生物表面活性剂鼠李糖脂进行研究，对其辅助紫穗槐修复钒矿污染土壤进行研究，揭示鼠李糖脂对紫穗槐的生长情况、吸收富集钒(V)和铬(Cr)的影响及相关机制，为选择表面活性剂辅助植物修复重金属污染土壤提供理论依据和实践参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1)供试植物：供试植物为紫穗槐(AmorphafruticosaL.)，购于北京中联汇翠科技有限公司，选取颗粒饱满、个体均匀的种子作为试验材料，种植于盆栽中至长成幼苗，预先培养1个月。

2)供试土壤：实验用土采自矿冶科技集团有限公司研发中心温室基地，取0～20 cm的表层土，自然风干后，先初步剔除其中粗杂质，过150 μm筛后备用，将德沃多植物营养土和土壤按照1∶3混合后作为培养基质。根据《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)土壤污染风险筛选值及钒矿废石场现场调研重金属钒污染程度设置土壤污染浓度值为300 mg/kg和90 mg/kg，通过浇灌NH4VO3和K2Cr2O7溶液配制上述土壤污染浓度值，完成后钝化处理备用，实测污染土壤理化性质如表1所示。

表1 土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of soil

1.2 试验方法

采用盆栽试验方式，预先钝化处理的钒污染土壤装入试验用花盆中(规格：直径20 cm、高30 cm)，每盆加入土壤2 kg，并移取预先培养的长势基本一致的紫穗槐幼苗栽入花盆中，每盆5株，待植物生长半个月后，进行表面活性剂鼠李糖脂处理，共设置5个不同质量浓度处理组，具体如下：S1：0.25 g/L、S2：1.00 g/L、S3：3.00 g/L、S4：5.00 g/L，并设置对照组CK，每个处理3盆重复。鼠李糖脂所需剂量用去离子水配成相应溶液浇灌土壤，对照用等量的去离子水浇灌。整个试验过程中保持土壤的含水率在60%左右，期间不添加任何肥料，紫穗槐生长60 d后，收获植物并取土样，反复用自来水将植物根部冲洗干净，再用20 mmol/L的Na-EDTA交换15 min，去除根系表面吸附的重金属离子，最后用去离子水清洗干净，用吸水纸将植株表水吸干。将植物鲜样分成地上、地下两部分，在105 ℃下杀青30 min，然后在70 ℃下烘干至恒重，测量植物生物量，并用植物粉碎机进行粉碎，称取一定量植物粉末进行消解处理，测地上、根部两部分的钒含量。将土样自然风干后，研磨过149 μm尼龙筛待测。

1.3 测定方法

1)植物生物量：采用分析天平测定。

2)根活力的测定：氯化三苯基四氮唑(TTC)法[13]。

3)钒和铬测定：采用ICP-MS测定植物体内V、Cr的含量，植物样品预处理如下：称量破碎植物样品0.200 0 g于微波消解仪溶样杯中，加入6 mL HNO3和3 mL H2O2进行微波消解处理，微波消解程序参考HJ702-2014，消解程序结束待溶样杯冷却至室温后转入赶酸仪进行赶酸处理，将消解液转入50 mL容量瓶定容至刻度线，摇匀后取样待测。同时做一组空白对照实验，分析过程中加入国家标准植物样品(GSV-3)进行分析质量控制。

4)土壤理化性质测定：采用土壤农业化学常规分析方法[14]。

5)钒和铬形态的测定：分别称取鼠李糖脂处理组及对照组的土壤样品2.0 g，采用Tessier[15]分级方法对样品中重金属钒和铬的形态进行分析，分别测得各重金属的可交换态(Exch)、碳酸盐结合态(Carb)、铁锰氧化物结合态(FeMnOX)、有机结合态(OM)和残渣态(Res)5种形态的含量。

1.4 统计分析

所有数据记录于Excel 2016中，用SPSS19.0统计分析软件进行ANOVA单因素和双因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 鼠李糖脂对重金属胁迫下紫穗槐生长状况的影响

植物生物量是植物地上和地下部分的干重，能够直观反映植物在一定周期的生长情况。由图1可知，盆栽试验结束后，紫穗槐生物量随着鼠李糖脂处理浓度的增加呈现逐渐增大的趋势，就根部生物量而言，实验组S1、S2、S3、S4较对照组分别增加了19.35%、33.33%、47.31%和48.38%，各处理间差异显著(P<0.05)；就地上部分生物量而言，实验组S1、S2、S3、S4较对照组分别增加了5.17%、6.32%、12.07%和13.22%，说明鼠李糖脂能够促进紫穗槐的生长，且对根部的促进效果要好于地上部分，但随着鼠李糖脂添加浓度水平的增加，促进效果逐渐减弱。王吉秀等[12]研究了鼠李糖脂对Pb和Zn超富集植物小花南芥(ArabisalpinaL.var.parvifloraFranch)的生物量、吸收和富集重金属的影响，结果表明小花南芥叶长、根长、冠幅、地上部生物量及地下部生物量增加，与本研究结果一致。

图1 鼠李糖脂处理下紫穗槐生物量的变化Fig.1 Changes of biomass of Amorphafruticosa L.under rhamnolipid treatment

根系活力与根系生命活动的强弱有直接的关系，它是植物生长的重要生理指标之一，图2反映了鼠李糖脂不同浓度处理下紫穗槐根系活力的变化情况，与植物生物量反映的规律一致，紫穗槐根活力随着处理浓度的增加呈现逐渐增大的趋势，且各处理间差异性显著，不同处理下其根活力增加了7.69%～38.97%。当鼠李糖脂添加浓度为5.00 g/L时，根活力值达到最大，与对照组相比增加了38.97%。

图2 鼠李糖脂处理下紫穗槐根活力的变化Fig.2 Changes of root activity of Amorphafruticosa L.under rhamnolipid treatment

2.2 鼠李糖脂对重金属胁迫下紫穗槐富集和转运重金属的影响

紫穗槐地上部分和根部V和Cr分布及含量如表2和表3所示，结果表明：紫穗槐对V和Cr的累积随着鼠李糖脂添加浓度的增加呈现先增加的趋势，当鼠李糖脂的添加浓度为5.0 g/L时，植物体内V和Cr的含量达到最大，地上部分V含量为27.93 mg/kg，较对照组增加了60.79%;根部V含量为69.45 mg/kg，较对照组增加了94.10%；地上部分Cr含量为47.95 mg/kg，较对照组增加了81.97%；根部Cr含量为82.62 mg/kg，较对照组增加了26.19%。由此可知，鼠李糖脂能够促进紫穗槐对V和Cr的吸收和累积。

表3 紫穗槐体内铬含量及对铬(Cr)的富集系数(BF)和转运系数(TF)Table 3 Chromium(Cr)content and enrichment coefficient(BF)and transport coefficient(TF)for Cr in Amorphafruticosa L.

表2 紫穗槐体内钒含量及对钒(V)的富集系数(BF)和转运系数(TF)Table 2 Vanadium(V) content and enrichment coefficient(BF) and transport coefficient(TF) for V in Amorphafruticosa L.

为了评价植物对V和Cr的累积和转运效率，计算了生物富集系数(BF)和转运系数(TF)，富集系数(BF)表明了植物从外界环境将重金属吸收到自身组织的吸收效率，计算公式为：BF=植物根部重金属含量/土壤中同种重金属含量；转运系数(TF)指的是植物将富集的重金属由根部向地上部分运输的能力，其计算公式如下：TF=植物地上部分重金属含量/植物根部重金属含量。一般来说，植物对V和Cr的富集系数越大，表明其吸收砷和汞的能力越强，对土壤中V和Cr的提取效率越高。结果表明，随着鼠李糖脂添加浓度水平的增加，紫穗槐对V的转运系数以及对Cr的富集系数、转运系数逐渐增大，说明鼠李糖脂能够促进紫穗槐吸收重金属V和Cr，并将V和Cr从根部向地上部分迁徙。王吉秀等[12]的研究表明添加鼠李糖脂能显著促进小花南芥地下部和地上部累积Pb和Zn。叶和松等[16]研究表明表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵能够处理促进长柔毛委陵菜叶、柄和根各部位对重金属的吸收，与本研究结果一致。

2.3 鼠李糖脂对紫穗槐根际土壤性质的影响

土壤pH 值对土壤重金属形态以及植物吸收土壤重金属的影响显著，是影响重金属污染土壤修复效果的重要因素，当pH值较低时，重金属易呈离子态[17]。土壤有机质泛指土壤中以各种形式存在的含碳有机化合物，主要成分为腐殖酸，是决定土壤肥力高低的主要因素[18]。速效氮、速效磷、速效钾是指可以被植物直接迅速利用的营养物质，或者经过简单转化可以直接利用的氮、磷、钾，同土壤肥力的相关性较大。

本研究通过测定土壤pH值、有机质、速效氮、速效钾、速效磷来反映鼠李糖脂对土壤理化性质的影响，进而探索鼠李糖脂对紫穗槐生长和吸收重金属的影响机制。如表4所示，鼠李糖脂的添加对土壤pH值和速效钾影响不大，但显著提高了土壤有机质速效磷及速效氮含量，当鼠李糖脂添加量为5.0 g/L时，有机质、速效氮和速效磷含量较对照组分别增加了14.11%、24.08%和21.49%，从而增加土壤养分，促进植物生长。土壤有机质具有较多羧基、酚羟基以及N—和S—等重金属/类金属结合点位，有着很强的表面络合能力，腐殖酸的不同分子量分级组成对金属离子的络合能力及络合物的稳定性有很大的差异，可以直接改变土壤中重金属形态分布，而有机质的增加则会影响土壤中重金属的生物有效性、土壤微生物以及土壤酶活性[18]，从而影响紫穗槐对V和Cr的吸收和累积效应。

表4 鼠李糖脂对土壤理化性质的影响Table 4 Effects of rhamnolipid on physical and chemical properties of soil

2.4 修复前后土壤中重金属形态的变化

通过Tessier化学形态连续提取法，提取土壤中砷和汞的5种形态，分别为Exch-可交换态，Carb-碳酸盐结合态，FeMnOX-铁锰氧化物结合态，OM-有机结合态和Res-残渣态，测定土壤中砷和汞5种形态的浓度并计算其百分含量。鼠李糖脂添加前后土壤中V和Cr的形态分析结果如图3所示，由图3可知，未添加表面活性剂的土壤中V和Cr的铁锰氧化物结合态含量较低，主要以残渣态、碳酸盐结合态和有机结合态存在，施加鼠李糖脂后，土壤中碳酸盐结合态和残渣态重金属的比例减少，可交换态、铁锰氧化物结合态、有机结合态比例增加，当鼠李糖脂的添加浓度为5.0 g/L时，土壤中V的碳酸盐结合态和残渣态重金属的比例由78.28%降低至71.62%，而可交换态、铁锰氧化物结合态、有机结合态比例由14.71%提高至28.38%；土壤中Cr的碳酸盐结合态和残渣态重金属的比例由77.28%降低至65.57%，而可交换态、铁锰氧化物结合态、有机结合态比例由22.72%提高至34.43%；提高了土壤中V和Cr的生物有效性，从而提高了紫穗槐吸收重金属的水平。

注：Tessier等的化学形态连续提取法将土壤中重金属形态划分为可交换态(Exch)、碳酸盐结合态(Carb)、铁锰氧化物结合态(FeMnOX)、有机结合态(OM)和残渣态(Res)5种形态图3 不同浓度鼠李糖脂处理下土壤中钒(a)和铬(b)各形态的比例Fig.3 Proportions of V(a)and Cr(b)in soil treated with rhamnolipid of different concentrations

有研究表明表面活性剂以单体或半胶束的形式被吸附在土壤界面上，然后通过降低表面张力和静电作用力或与吸附在土壤上的金属离子形成离子对，使金属离子从土壤表面转移到表面活性剂胶束表面，从而将金属离子从土壤中解析出来，增加重金属的生物有效性[19-21]。

3 结论

1)紫穗槐生物量和根系活力随着鼠李糖脂处理浓度的增加呈现逐渐增大的趋势，当鼠李糖脂添加浓度为5.0 g/L时，地上部分生物量、根部生物量及根系活力分别较对照组增加了48.38%、13.22%和38.97%。

2)鼠李糖脂能够促进紫穗槐吸收重金属V和Cr，并促进V和Cr从根部向地上部分的转移。

3)鼠李糖脂的添加对土壤pH值和速效钾影响不大，但显著提高了土壤有机质速效磷及速效氮含量，从而促进植物生长；重金属形态分析结果表明鼠李糖脂的添加提高了土壤中V和Cr的生物有效性，从而提高了紫穗槐吸收重金属的水平。