不同强化剂强化德国景天提取土壤镉和铅研究

蔡海军 宋丹丹 尚玉俊 王秀莉 李中贤 韩科 毕越 赵小学

摘要 为提高超富集植物对土壤中镉（Cd）、铅（Pb）污染物的植物提取效率，以德国景天为研究对象，通过盆栽试验，研究了6种化学强化剂：鼠李糖脂生物表面活性剂（Rha）、乙二胺二琥珀酸（EDDS）、聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯酸接枝腐殖酸（PAA-HA）、植物调节剂增产胺（DCPTA）、增产胺接枝氯化胆碱（DCPTA-ChCl）强化德国景天提取农田土壤Cd和Pb的效果，并考察不同强化剂对土壤重金属Cd、Pb形态的影响。结果表明，6种添加剂处理均能促进德国景天根部对Cd的吸收，DCPTA、DCPTA-ChCl、PAA、PAA-HA处理对德国景天地上部分Cd的吸收表现为促进作用，而Rha和EDDS抑制了Cd从根部向地上部分的转移。PAA-HA对德国景天根部吸收Pb的促进作用最为显著，对应的吸收提高率为51.7%。德国景天对Cd和Pb的富集系数（BCF）范围为3.96～4.83和0.11～0.19，转移系数（TF）为2.19～3.05和0.19～0.39，属于Cd超富集植物。德国景天修复重金属污染土壤中，聚丙烯酸类添加剂、增产胺类生长调节剂有效促进了德国景天对Cd和Pb的吸收富集，在土壤重金属污染植物修复中具有很好的应用潜力。

关键词 德国景天；土壤；重金属；强化剂；植物提取

中图分类号 X 53  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）12-0080-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.12.016

Comparison of the Effects of Different Enhancing Agents on Uptake and Transfer of Cd and Pb by Sedum hybridum in the Contaminated Soil

CAI Hai-jun1，2，SONG Dan-dan1，SHANG Yu-jun1 et al

（1.High and New Technology Research Center of Henan Academy of Sciences，Zhengzhou，Henan 450002;2.Jiyuan Ecological Environment Testing Center，Jiyuan，Henan 454650）

Abstract At present，enhancing heavy metal accumulation in hyperaccumulator has been a hot topic.One of the most promising technologies to increase the efficiency of phytoremediation is the use of enhancing agents.The key of the technology is to choose suitable agents and the combining-hyperaccummulator.In this study，the effects of six different enhancing agents on the remediation of cadmium （Cd） and lead （Pb） contaminated soil by Sedum hybridum in pot experiments were investigated.The enhancing agents were as follows：rhamonolipid （Rha），ethylenediamine dissuccinic acid （EDDS），polyacrylic acid （PAA），polyacrylic acid grafted with humic acid （PAA-HA），plant growth regulator：diethylaminoethyl-3，4-dichlorophrylether （DCPTA） and diethylaminoethyl-3，4-dichlorophrylether grafted with Choline Chloride （DCPTA-ChCl）.Effects of enhancing agents on Cd and Pb speciation in soil were also studied.The results showed that all these six kinds of agents promoted Cd uptake by Sedum hybridum root.DCPTA，DCPTA-ChCl，PAA and PAA-HA promoted Cd uptake by the shoot parts of Sedum hybridum compared to the control.However，Rha and EDDS decreased root Cd translocation into the shoot parts of Sedum hybridum.PAA-HA was more effective at contributing to Pb uptake by Sedum hybridum root，and the corresponding absorption improvement rate is 51.7%.Cd and Pb enrichment factor （BCF） of Sedum hybridum were in the range of 3.96-4.83 and 0.11-0.19，respectively.Cd and Pb translocation factor （TF） of Sedum hybridum were in the range of 2.19-3.05 and 0.19-0.39，respectively.Sedum hybridum was further validated as a Cd hyperaccumulating plant species.The results suggest that PAA and plant growth regulator DCPTA has also been demonstrated to promote plant growth，enhancing Cd and Pb uptake by Sedum germanica.The above findings may be essential for understanding the characteristics of heavy metals hyperaccumulation in plants and selection of excellent candidates of enhancing agents for phytoremediation of heavy metal from contaminated soils.

Key words Sedum hybridum;Soil;Heavy metals;Enhancing agents;Phytoextraction

基金项目 河南省重点研发与推广专项（科技攻关）项目（212102310080，222102320294）；中央公益性科研院所河南省科学院基本科研费项目（220602024）；河南省科学院重大科研聚焦专项（220102002）。

作者简介 蔡海军（1971—），男，河南济源人，高级工程师，从事生态环境监测研究。* 通信作者，副研究员，博士，从事土壤重金属污染修复研究。

收稿日期 2023-08-02

在农用地重金属修复领域，植物修复是一项新发展起来的用于改善土壤重金属污染的生态技术，因具有成本低、过程简单、环保等优点，受到广泛关注［1］。植物修复技术主要包括植物提取、植物挥发、植物稳定以及植物促进等技术［2-3］。其中，植物提取是指在受重金属污染的土壤上连续种植专性植物（包括超富集植物和忍耐-富集型植物），用其根系吸收污染土壤中的重金属并运移至植物的地上部分，通过收割地上部物质带走土壤重金属的一种方法［4］。该法具有费用低廉、不破坏场地结构、不造成地下水二次污染、修复植物同时能实现其生态功能和修复功能、易被社会接受等优点，适用于修复大面积的、污染程度轻的重金属污染土壤，被认为是最具发展前景的重金属污染土壤修复技术［5］。

虽然植物提取是一种过程简单、绿色环保的修复技术，但是，大部分超富集植物自身固有的生物量低、生长速率缓慢以及对土壤中重金属的活化能力有限等特性，使得植物提取修复效率低、周期长，难以满足修复要求［6］。因此，为提高修复效率、缩短修复周期，国内外学者在植物提取修复技术的基础上，通过化学添加剂［7］、根际细菌［8］以及农艺措施［9］来强化植物修复，进而提高植物提取修复效率［2］。其中，化学强化植物提取修复效果较为显著，是通过向污染土壤中添加化学助剂，改变土壤中重金属的存在形态及其生物可利用性或者提高植物对重金属的耐受性从而提高植物对重金属的提取修复效率。石旻飞等［10］研究表明，采用螯合剂EDTA-Na2与表面活性剂SAA可以有效提高东南景天对土壤中镉（Cd）的吸收。然而目前在化学强化植物修复中用到的螯合剂和表面活性剂多为EDTA及化学合成表面活性剂［11-12］，这些化学添加剂存在生物降解性差，易产生二次污染的风险。因此，环境友好型添加剂受到广泛的关注。研究表明，易降解的乙二胺二琥珀酸（EDDS）可促进三叶鬼针草幼苗的生长，增加三叶鬼针草对Cd的吸收和富集能力［13］。此外，采用植物调节剂如脱落酸、生长素、细胞分裂素等也可提高东南景天对Cd污染土壤的修复效率［14］。柴薇薇等［15］研究表明，采用适宜浓度的增产胺（DCPTA）浸种可以增加黑麦草叶片的叶绿素含量，增加鲜重和干重并促进根系的生长。氯化胆碱是一种植物光合作用促进剂，对增加产量有明显的效果。研究结果表明，氯化胆碱能增强作物的抗逆性，促进水稻、玉米、棉花等幼苗健壮生长［16］。在植物修复重金属污染土壤中，将增产胺和氯化胆碱应用到植物修复重金属污染土壤中的研究还比较缺乏。因此，该研究选择环境友好型强化剂（鼠李糖脂生物表面活性剂和乙二胺二琥珀酸），并通过自主研发合成聚丙烯酸接枝腐殖酸和增产胺接枝氯化胆碱生长调节剂两类添加剂，采用盆栽试验，考察添加不同强化剂对德国景天提取农田污染土壤中镉和铅（Pb）的影响，为化学强化植物提取修复农田重金属污染提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试土壤。采自河南济源某铅厂附近重金属复合污染农田，土样采自耕作层0～20 cm，经自然风干后过2 mm筛，采用常规分析方法［17］测定基本理化性质为pH7.8、有机质21.0 g/kg、阳离子交换量25.2 cmol（+）/kg、总氮1.72 g/kg、全磷3.51 g/kg、全钾22.3 g/kg、

砂粒41.%、粉粒48.8%、黏粒10.1 %、土壤质地为粉质壤土、总Cd 5.62 mg/kg、DTPA提取态Cd 2.31 mg/kg、总Pb 166 mg/kg、DTPA提取态Pb 33.9 mg/kg。根据土壤环境农用地土壤污染风险管控标准［18］，Cd浓度高于农用地土壤污染风险管制值，属于重度污染水平；Pb处于风险筛选值水平。

1.1.2 供试植物。德国景天，幼苗由南京土壤研究所提供。

1.1.3 供试试剂。鼠李糖脂（Rha，纯度95%）购于湖州紫金生物科技有限公司，乙二胺二琥珀酸（EDDS）为分析纯，聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯酸接枝腐殖酸（PAA-HA）、增产胺（DCPTA）、增产胺接枝氯化胆碱（DCPTA-ChCl）为笔者所在研发团队合成。

1.2 试验方法

1.2.1 盆栽试验。采用白色塑料盆，盆规格为：上口径20 cm，底面直径15 cm，高20 cm。德国景天种植每盆装土5 kg，底肥施用量为尿素0.4 g/kg、磷酸二氢钾0.3 g/kg、硫酸钾0.3 g/kg，保持盆栽土持水量为大田持水量的50%。2022年4月移栽德国景天幼苗，每盆种植4株，共设7个处理，各处理设置分别为施加Rha、EDDS、PAA、PAA-HA、DCPTA、DCPTA-ChCl，不加添加剂的处理作为空白对照（CK），每个处理3次重复，共21盆。添加剂添加方法为Rha、EDDS、PAA、PAA-HA分别以2 mmol/kg的用量加入土壤，DCPTA和DCPTA-ChCl分别以0.5 mg/株的用量喷洒到植株叶面。添加剂在植物种植20～30 d后施加，植物种植3个月后收获。

1.2.2 分析测试方法。将植物分为根和地上部，先用自来水冲洗，再用蒸馏水洗净，105 ℃杀青60 min，于70～80 ℃烘干至恒重，磨碎后测定各部分镉、铅的总含量，新鲜植株叶片采用植物营养测定仪测定叶绿素。采收盆栽土样，于室内自然风干，研磨过100目筛，进行镉、铅总量和镉、铅各形态分析。其中植物中镉、铅含量采用高压微波消解后ICP-MS分析，土壤中镉、铅总量采用盐酸/硝酸/氢氟酸/高氯酸四酸消解后采用ICP-AES分析，镉、铅重金属形态分析按照BCR顺序提取法［19-20］分析。植物、土壤分别采用国家标准物质GBW-07603（GSV-2）、GBW-07404（GSS-4）进行质量控制，样品回收率控制在96.5%～102.8%。

1.3 数据分析

采用Origin 2018软件对试验数据进行绘图，采用SPSS16.0对试验数据进行单因素方差分析（one-way ANOVA），P<0.05表示处理间差异显著。

2 结果与分析

2.1 不同强化剂对德国景天叶绿素含量的影响

不同强化剂处理下，德国景天叶片叶绿素含量如图1所示，Rha和EDDS的添加导致德国景天叶片叶绿素含量有所下降。这可能是由于Rha和EDDS的添加使得土壤中的重金属得到活化，增加了有效态重金属的含量，使得德国景天的生长受到了一定的胁迫。PAA和PAA-HA的添加对德国景天的生长影响不显著（P>0.05）。相对于DCPTA及对照组，DCPTA-ChCl对德国景天的生长具有促进作用。由此可见，通过采用将增产胺与氯化胆碱进行接枝，可进一步提高植物生长调节剂生长调节作用。

2.2 不同强化剂处理对德国景天不同部位吸收积累Cd、Pb的影响

德国景天地上部和根部对Cd的吸收如图2a所示，德国景天地上部分Cd浓度明显高于地下根部的Cd浓度，不同添加剂处理地上部分对应的Cd含量为：PAA > DCPTA-ChCl > PAA-HA > DCPTA > CK> Rha > EDDS，相对于对照组，PAA和DCPTA-ChCl对应增幅平均为11.5%和9.0%，而Rha和EDDS对应的植株地上部分Cd含量低于对照组，但各组间差异不显著（P>0.05）；不同添加剂处理下地下根部对应的Cd含量为：DCPTA > EDDS> Rha> PAA-HA> PAA > DCPTA-ChCl> CK，相对于对照组，除PAA和DCPTA-ChCl外，添加不同添加剂对应德国景天根部Cd含量与对照组相比具有显著性差异（P<0.05），对应增幅范围为21.8%～24.4%。与地上部分Cd含量结果对比可以看出，PAA和DCPTA-ChCl促进了Cd从根部向地上部分转移，从而产生根部Cd浓度降低的结果。Rha和EDDS可与土壤中的Cd形成络合物进而活化土壤中的Cd，促进德国景天根部对Cd的吸收，然而地上部的Cd含量反而低于对照组，说明Rha和EDDS使德国景天吸收富集的Cd滞留在德国景天根部，可能是由于Rha和EDDS与Cd形成了络合物对植物的生长产生了一定的胁迫，如“2.1”所述叶绿素含量的降低，通过抑制Cd向地上部分转移，进而起到缓解Cd毒性的作用。

德国景天地上部和根部对Pb的吸收如图2b所示，德国景天地下部分Pb浓度明显高于地上部分Pb浓度，根为主要的富集部位。不同添加剂处理地上部分对应的Pb含量为：PAA>EDDS>DCPTA-ChCl>PAA-HA>DCPTA>CK>Rha，与对照相比，PAA、EDDS、DCPTA-ChCl促进作用具有显著性差异（P<0.05），对应增幅分别为：32.2%、29.6%、25.0%；不同添加剂处理地下部分对应的Pb含量为：PAA-HA>PAA>Rha>CK>DCPTA-ChCl>DCPTA > EDDS，与对照相比，PAA-HA和PAA对德国景天根部吸收Pb促进作用显著（P<0.05），对应增幅为51.7%和19.4%。PAA常用作保水剂，同时具有螯合重金属的作用，PAA-HA为在PAA结构的基础上接枝腐殖酸（HA），兼具保水、螯合和增肥的效果，在土壤中可以增加土壤的导水性和含水量，减少土壤表面蒸发，还可以有效地减少土壤中营养元素的流失，比如速效氮、磷、钾等，可以增强土壤的保肥率［21］。此外，聚丙烯酸类的化合物因为轻度交联关系形成一种网格结构，可以吸附土壤中的重金属离子，且这些吸附在小分子聚丙烯酸表面的金属离子容易脱离，使得与PAA及PAA-HA结合的重金属离子具有更好的生物有效性而被德国景天富集［22］。

2.3 不同强化剂处理对德国景天富集和转运Cd和Pb能力的影响

富集系数（BCF）为重金属在植物体内的平衡浓度与环境中浓度的比值，代表植物富集土壤中的重金属的能力；转运系数（TF）为植物地上部的重金属含量与地下根部重金属含量的比值，代表植物将重金属元素转运到地上部分的能力。如表2所示，除EDDS添加组外，其他5组添加剂组中Cd的BCF均高于对照组，其中PAA促进作用最强，其次为PAA-HA、DCPTA、DCPTA-Chcl，由此可见聚丙烯酸类添加剂和植物调节剂对德国景天应对逆境胁迫均具有较好的调节作用，其在强化植物修复作用上具有极大的潜力。不同添加剂对Cd的TF结果可知，除DCPTA-ChCl和PAA添加组外，其他4组添加剂对Cd的TF均低于对照组，且均大于1，可见德国景天对Cd的吸收易于从根部向地上部分转移并富集在地上部分，这种转运能力受添加剂的影响较小。德国景天对Pb的BCF结果显示，PAA和PAA-HA促进了德国景天对Pb的富集，另外4组添加剂与对照较为接近；不同处理对Pb的TF结果显示，TF均小于0.5，说明Pb在德国景天体内的移动性小，不易转移，德国景天不属于Pb超富集植物，体内富集的大多数Pb都存留于地下，无法被转运到地上部分，会较为明显地影响德国景天对于土壤Pb的提取效果，这一结果与报道的伴矿景天［23］对Pb的富集转运结果一致，这可能主要和景天植物对不同重金属吸收转运的基因调控作用有关［24］。

2.4 德国景天种植后土壤重金属形态变化

在德国景天种植收获后测定盆栽土壤中Cd和Pb形态变化，结果见图3。可知土壤中Cd的弱酸提取态（F1）和可还原态（F2）占比较高，分别为50.51%～53.84%和32.84%～38.76%，表明Cd在土壤中的迁移能力较强；土壤中Pb的可还原态（F2）和残渣态（R）占总百分含量较高，分别为63.80%～79.18%和15.81%～31.84%，表明土壤Pb的迁移能力较弱。从不同添加剂条件下Cd的形态变化来看（图3a），PAA组对应的弱酸提取态与对照组相比有所降低，其他5组无显著差异（P>0.05），主要是由于PAA与Cd的弱酸提取态络合，促进了Cd从地下向德国景天地上部分的转移，从而使得Cd的弱酸提取态比例降低；与对照组相比，除DCPTA-ChCl外，可还原态Cd比例在其他5种添加剂处理下都有不同程度的降低，可氧化态（F3）Cd比例变化不显著（P>0.05），残渣态（R）Cd占比表现出增加的现象，这可能是由于加入土壤中的这些添加剂与重金属结合形成络合物，一方面被植株吸收，另一方面较为稳定的络合物在土壤中进一步向残渣态（R）转化。从不同添加剂条件下Pb的形态变化来看（图3b），PAA、PAA-HA、DCPTA-ChCl处理对应的弱酸提取态（F1）Pb较对照组有所降低，其他3种处理对应的弱酸提取态Pb比例与对照没有显著差异（P>0.05），添加剂的处理组对应的可还原态（F2）Pb比例和可氧化态（F3）Pb比例较对照组均呈现下降的特征，残渣态（R）Pb比例均表现出增加的趋势，结合德国景天对Pb的吸收结果可以推测，PAA和PAA-HA与土壤中有效态Pb结合，促进Cd从土壤向植株的迁移，而DCPTA-ChCl通过促进植株生长，进一步增加了德国景天对有效态Pb的吸收，使得残渣态（R）Pb相对含量增加。从土壤中Cd和Pb的形态变化分析可推测，生物表面活性剂、螯合剂可以与土壤中的铁、锰等元素结合，破坏土壤中Cd和Pb的可还原态（F3），增加土壤溶液中重金属含量，提高Cd和Pb的迁移能力；植物调节剂的添加促进德国景天的生长，在根压和蒸腾作用下，可使土壤中酸溶态的Cd和Pb向德国景天根部转移，非根际土壤中的Cd和Pb向根际土壤扩散转移，在土壤中进行沉积和吸附，转化为其他形态，并处于不断转换的动态变化之中［25］。

3 结论

（1）6种添加剂均能促进德国景天根部对Cd的吸收，聚丙烯酸类（PAA和PAA-HA）和生长调节剂类（DCPTA和DCPTA-ChCl）添加剂对德国景天地上部分和根部Cd的吸收均表现出促进作用，Rha和EDDS对Cd从德国景天根部向地上部分的转移有一定抑制作用。PAA-HA可有效促进德国景天根部对Pb的吸收。

（2）德国景天为Cd超富集植物，不属于Pb超富集植物。除EDDS添加组外，其他5组添加剂组对Cd的BFC均高于对照组，其中PAA促进作用最强，聚丙烯酸类添加剂和植物调节剂对德国景天应对逆境胁迫均具有较好的调节作用，在强化植物修复重金属污染土壤中具有极大的潜力。

（3）Cd在土壤中的迁移能力较强，Pb的迁移能力较弱；PAA-HA兼具保水、螯合和增肥的效果，植物调节剂促进德国景天的生长，提高了德国景天对Cd和Pb的富集能力；随着土壤中酸溶态的Cd和Pb向德国景天根部转移，非根际土壤中的Cd和Pb向根际土壤扩散转移，在土壤中进行沉积和吸附，转化为其他形态，并处于不断转换的动态变化之中。

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