万山和丹寨汞矿区24种野生植物钼富集特征

苟体忠,申敏,徐玉平,孙大方

(凯里学院 理学院,贵州 凯里 556011)

钼(Mo)是动植物必需的微量重金属元素之一[1]。钼缺乏会导致钼酶活性降低、氮饥饿反应、茎和叶发育受阻、叶枯斑病、种子发育不良、坐果率降低等症状[2]。Mo超标会导致人智力发育迟缓、骨骼生长抑制、神经异常等症状[3]。现代的工业活动使大量 Mo 排放于土壤环境中,导致Mo在土壤中富集,经食物链放大并进入人体,危害人体健康[4]。因此,对Mo污染土壤的修复已迫在眉睫。物理或化学修复技术因成本较高、操作复杂,不利于大面积Mo污染土壤的治理。植物修复技术不但成本低、环境友好,而且能将土壤中的Mo永久性地去除。植物修复是指利用植物去除土壤重金属的技术。植物修复包括:(1)植物萃取[5]-利用金属积累植物去除土壤中的重金属;(2)植物固定[6]-利用植物降低土壤中有毒金属的生物利用度;(3)植物挥发[7]-利用植物去除土壤中的挥发性重金属;(4)根际吸收[8]-利用植物根系去除污染水体中的有毒金属。其中,利用超富集植物消除土壤中的重金属是最有前景的修复技术[9]。超富集植物必须具备以下3个条件:(1)BCF>1,BTF>1[10];(2)植物体内重金属含量达到指定的量,如超富集Mo的含量标准为50 mg/kg[11];(3)在污染土壤中生长良好且生物量大[12]。目前已确认的重金属超富集植物有400多种[13]。然而大多数重金属超富集植物生长周期较长且生物量小,不利于对大面积重金属污染土壤的治理[14]。因此,寻找适合本地污染土壤生长、更理想的重金属超富集植物是植物修复技术的关键[15]。鉴于此,本研究采集了万山和丹寨汞矿区13科24种野生植物及其根际土壤样品(见表1)并分析其Mo含量,采用生物富集系数(Bioconcentration factors,BCF)[16]和生物转移系数(Biological tanslocation factors,BTF)[17]对研究区植物的Mo富集能力进行评价,旨在筛选出一些对Mo具有富集能力的植物,以期为矿区Mo污染土壤的修复提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析方法

野生植物及其根际土壤样品于2018年7月分别采自分别万山汞矿区和丹寨汞矿区。植物样品采用“多点”取样,将植物样品洗净,冷冻干燥至恒重,并粉碎至200目(粒径0.074 mm),待用。

根际土壤样品采用“多点”采样,经风干后用木棍压碎,过200目(孔径0.074 mm)筛,待用。

土壤和植物样品Mo分析由南京聚谱检测科技有限公司参照文献[18]完成,并采用BHVO-2标准样品进行质量控制,其测定值与推荐值吻合。

1.2 评价方法

1.2.1 染指数法

为了评价Mo的污染程度,本研究采用单项污染指数法(PI)对研究区土壤Mo污染进行评价[19],其计算公式为:

PI=S/B

(1)

式中S表示土壤样品Mo的实测值,B表示土壤Mo的背景值,选择贵州省土壤Mo(2.4 mg/kg)的背景值作为Bi[20]。污染程度分级为:PI≤1为无污染;15为重度污染[21]。

1.2.2 生物富集系数(BCF)

生物富集系数是指植物地上部分或根部重金属含量与土壤重金属浓度的比值,是衡量植物重金属富集能力的一个重要指标[22]。其计算公式如下:

(2)

(3)

BCFshoot为植物地上部分生物富集系数;BCFroot为植物根部生物富集系数;Wshoot为植物地上部分Mo质量含量;Wroot为植物地上部分Mo质量含量;Wsoil为根基土壤中Mo质量含量。当BCF>1时,植物体内Mo质量含量大于土壤,对Mo具有富集能力,可用于土壤Mo污染修复。

1.2.3 生物转运系数(BTF)

生物转运系数是指地上部分重金属质量含量与根部重金属质量含量之比,反映植物对重金属的转运能力[23]。其计算公式如下:

(4)

Wshoot为植物地上部分Mo质量含量;Wroot为植物地上部分Mo质量含量。当BTF>1时,植物易将根部吸收的Mo输送到地上部分,地上部分大量吸收Mo,通过植物提取的方式,可以治理Mo污染的土壤。当BTF<1时,植物具有耐受性,根部吸收了大部分Mo,防止Mo向地上部分迁移,可降低Mo引起的毒性[24]。

2 结果与分析

2.1 土壤Mo污染评价

万山和丹寨汞矿区土壤Mo质量含量见表2。从表2可见,万山汞矿区土壤Mo含量变化在1.80～7.11 mg/kg之间,平均值为3.89 mg/kg;丹寨汞矿区植物根际土壤Mo质量含量变化在1.43～9.32 mg/kg之间,平均值为4.85 mg/kg。以贵州省土壤Mo背景值为评价标准,其评价结果见图1,分析结果表明:万山汞矿区植物根际土壤Mo的PI值变化在0.7～3.0之间,平均值为1.6,土壤总体表现为轻度Mo污染;丹寨汞矿区植物根际土壤Mo的PI值变化在0.6～3.9之间,平均值为2.0,土壤总体表现为轻度Mo污染。

图1 土壤Mo的PI值

表2 土壤Mo含量和PI值

2.2 植物中的重金属含量

不同植物种类以及同一植物不同部位Mo含量差异较大(见表3),从表3可见,24种植物根部Mo含量变化在0.20～53.38 mg/kg之间,平均值为6.04 mg/kg,其中,长波叶山蚂蟥根部Mo含量最大,芒次之;地上部分Mo含量变化在0.16～44.29 mg/kg之间,平均值为7.46 mg/kg,其中长波叶山蚂蟥地上部Mo含量最大,其含量达53.38 mg/kg,已达超富集Mo植物标准(50 mg/kg[11]),芒次之。总体上,24种植物中Mo含量均高于正常植物(0.2 mg/kg[25])。此外,研究结果还表明,Mo在植物不同部位的含量呈现一定的规律性,即叶>地上部分>根部>茎,Mo在植物根部、茎、叶和地上部分呈现“N”型配分模式(见图2)。

图2 Mo在植物不同部位中的含量

表3 植物中的Mo含量

2.3 植物重金属富集及迁移特征

土壤重金属的植物提取潜力可以用生物转移系数(BTF)和生物富集系数(BCFshoot和BCFroot)进行评价[26]。在本研究中植物对重金属的吸收机制可分为3类:(1)富集型(Shoot accumulators):BCFshoot>1,BTF>1;(2)根部囤积型(Root compartments):BCFroot>1,BTF<1;(3)规避型(Excluders):BCFroot<1,BCFshoot<1[27-28]。

24种植物的生物富集系数和转移系数见表4,结果显示,水麻、葛、芒、龙葵、商陆、苎麻和凤尾蕨中Mo的BCFshoot>1,BTF>1,符合富集型植物特征,属于富集型植物;金丝草、长波叶山蚂蟥和鬼针草中Mo的BCFroot>1,BTF<1,符合根部囤积型特征,属于根部囤积型植物;藜、钻叶紫菀、鳞毛蕨、醉鱼草、苍耳、假酸浆、木蓝、刺苋、六月雪、魔芋、菊芋、盐麸木、牛膝和苔草中Mo的BCFroot<1,BCFshoot<1,符合规避型植物特征,属于规避型植物。此外,研究结果还显示,大多数植物中Mo的BTF>1,表明Mo在植物中具有较强的转移能力。

表4 Mo在植物中的BCF和BTF

3 结论

(1)万山和丹寨汞矿区土壤已被Mo轻度污染。

(2)Mo在植物不同部位的含量呈现一定的规律性,即叶>地上部分>根部>茎,Mo在植物根部、茎、叶和地上部分呈现“N”型配分模式。

(3)水麻、葛、芒、龙葵、商陆、苎麻和凤尾蕨属于富集型植物;金丝草、长波叶山蚂蟥和鬼针草属于根部囤积型植物;藜、钻叶紫菀、鳞毛蕨、醉鱼草、苍耳、假酸浆、木蓝、刺苋、六月雪、魔芋、菊芋、盐麸木、牛膝和苔草,属于规避型植物。