镉锌铅复合污染土壤的超富集植物修复能力研究林诗悦

镉锌铅复合污染土壤的超富集植物修复能力研究*林诗悦1冯义彪2(1福州第三中学，福州，3500032福建省环境科学研究院，福州，350013)摘要：本研究在分析某金属矿区周边及试验基地土壤基本特征的基础上，采用正交试验法对超富集植物龙葵及印度芥菜进行镉、锌、铅复合污染的盆栽试验，同时对龙葵及印度芥菜根、茎、叶样品中镉、锌、铅含量进行测定和方差分析。主要研究结果如下：()龙葵和印度芥菜对重金属Cd、Zn具有很强的吸纳与耐受能力，且其吸收量随土壤中重金属浓度的增加而增加，但是对重金属Pb的吸纳能力并不强。2)在三种重金属同时存在的情况下，龙葵和印度芥菜地下部对重金属Pb的吸收富集能力分别约为地上部的2～4倍和2～12倍；龙葵和印度芥菜地下部对重金属Cd的吸收富集能力略小于地上部；而龙葵和印度芥菜地下部对Zn的吸收富集能力则小于地上部。3)在镉、锌、铅复合污染条件下，龙葵和印度芥菜对3种重金属吸收富集能力的大小依次为ZnCdPb。龙葵对重金属Cd和Pb的转运系数大于印度芥菜，而印度芥菜对Zn的转运系数则大于龙葵。关键词：超富集植物复合污染土壤植物修复龙葵印度芥菜Studyonphytoremediationofhyperaccumulatorsforcadmium，zincandleadinthemultiplecontaminatedsoilsAbstract:Thispaperisonthebasisthatthebasiccharacteristicsofsoilwaswellinvestigatedinminedistrictsandtestinggrounds.Potexperimentsofsolanumnigrum（L.）andBrassicajuncea（L.）forcadmium,zincandleadinthemultiplecontaminatedsoilshadbeendonewithaorthogonaltestmethod.Thecontentsofcadmium,zincandleadintheroots,stemsandleavesofsolanumnigrum（L.）andBrassicajuncea（L.）wereanalyzedandthevarianceanalysiswasalsoused.Theresearchcontentsandresultswerelistedasfollows:(1)Solanumnigrum（L.）andBrassicajuncea（L.）haveprofoundabilityofabsorptionandresistancetoheavymetalsofcadmiumandlead,theabsorptionwasincreasedwiththeincreasingconcentrationoftheheavymetals，butSolanumnigrum（L.）andBrassicajuncea（L.）don’thaveprofoundabilityofabsorptiontoheavymetalsofzinc.(2)TheaccumulatingabilityofleadintheundergroundpartofSolanumnigrum（L.）andBrassicajuncea（L.）were2～4timesand2～12timesthantheabovegroundpart.Theaccumulatingabilityofintheundergroundpartoftwohyperaccumulatorshassimilarefficacytotheabovegroundpart,whiletheaccumulatingabilityofzincintheundergroundpartoftwohyperaccumulatorswaslessthantheabovegroundpart.(3)Theaccumulatingabilityofcadmium,zincandleadintwohyperaccumulatorswasarrangedinorder:zinccadmiumlead.ThetransfercoefficientofcadmiumandleadinSolanumnigrum（L.）wasgreaterthanBrassicajuncea（L.）,however,thezincwasjusttheopposite.Keywordshyperaccumulators；multiplecontaminatedsoil；phytoremediation；solanumnigrum(L.）；Brassicajuncea（L.）土壤重金属污染来源包括工业企业“三废”的排放、矿山的开采溶淋、化肥和农药的施用、城市生活垃圾的排放、污水灌溉和污泥农用等。而导致土壤污染的重金属主要包括As、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb、Zn等，通常为几种重金属的复合污染[1]。重金属污染土地的治理大致有客土法、石灰改良法、化学淋洗法等[2]。这些方法在污染土壤的改良和治理方面虽然具有一定的理论意义，但在实际应用上往往都存在某些局限。如加入土壤改良剂的沉淀法虽然在一定时期内可以降低土壤溶液中重金属离子的溶解度，但同时却会导致某些土壤营养元素的沉淀[3]；淋洗法会同时造成营养元素的淋失[4]；客土法虽效果较好，但费用昂*福建省环保厅科技计划项目(KZLT1307)，福建省场地土壤环境风险评价筛选值研究子课题。2017-03-0910:17:11贵，难以大面积工程推广[5]。近年来发展起来的植物修复技术以其安全、廉价的特点正成为研究和开发的热点[6]。1977年，Brooks等首先提出了超富集植物（Hyperaccumulator）的概念，并认为若植物组织干重中Ni含量超过1000mg/kg，则该种植物就是Ni的超富集植物[7]。此后，Chaney等在1983年提出了利用超富集植物修复重金属污染土壤的思想，通过利用重金属超富集植物对重金属的富集特性，将环境中的重金属转运至植物体内，对富集重金属后的植物进行适当处理（如灰化回收）后可将重金属移出土体，达到治理污染与恢复生态的目的[8]。1989年Baker等对超富集植物进行了延伸，重新定义超积累植物为：植物能富集超过1000mg/kg的Cu、Co、Ni、Pb，或是10000mg/kg的Mn或Zn，且地上部分重金属含量大于地下部分的本地植物。同其他一般植物相比而言，超富集植物地上部分重金属含量应超过普通植物地上部分重金属含量的100倍以上[9]。重金属的超富集植物是一种能大量吸收转运重金属，但其生长未受严重抑制的植物物种，其特性引起了世界各国学者的广泛研究。聂发辉2005年在扩大了传统超富集植物的定义，并提出了新的评价系数———生物富集量系数，即给定生长期内单位面积地上部分植物吸收的重金属总量与土壤含量之比，远远的扩大了超富集植物的种类及其分布[10]。魏树和等人发现了龙葵(SolanumnigrumL.)这一超积累植物，其研究表明龙葵对Cd单一或者Cd、Pb、Cu、Zn复合污染耐性均较强,对Cd有较高的富集系数[11]。研究发现印度芥菜(BrassicajunceaL.)对多种重金属均有富集功能，尤其对Zn、Cd的富集最为明显，同时印度芥菜对重金属的吸收都面临一个问题,即富集的重金属大部分滞留在根部,只有很少一部分运输到地上部分[12-13]，但是由于印度芥菜生物量大、生长迅速，因此选择印度芥菜作用于污染土壤的植物修复具有广阔的应用前景[14]。重金属污染的植物修复技术是利用重金属超富集植物吸收土壤中的重金属，通过收割植物带走重金属，从而缓解土地污染。据此，本研究针对某矿区周边重金属污染问题，选用适合本地生长的超富集植物龙葵和印度芥菜，并且采用正交试验法对龙葵及印度芥菜进行镉、锌、铅复合污染的试验，研究其对复合污染土壤的修复潜力，以期为矿区周边重金属植物修复提供理论依据。1材料与方法1.1供试材料供试植物为超富集植物龙葵和印度芥菜。供试土壤采自矿区周边某农田0～20cm耕作层，土壤风干后过2mm筛，充分混匀，土壤pH为5.39，重金属含量见表1。表1供试土壤重金属含量Table1Theconcentrationofheavymetalinthetestedsoilmg/kgCdPbZnCuAsHg0.2231.8117.146.84.30.071.2试验方法以分析纯CdCl2·2.5H2O、ZnSO4·7H2O、Pb(NO3)2作为镉、锌、铅源，采用分析纯NH4Cl、KH2PO4、KCl作基肥，按正交表L16(43)（表3）实验方案将镉、锌、铅盐、基肥与土充分混匀装盆。共3因素(Pb、Cd、Zn)、4水平（对照、低污染、中污染和高污染）16个处理，每个处理设3个重复，每盆3株植物。Pb、Cd、Zn添加浓度水平见表2。表2正交试验设计Table2Orthogonaltestdesign水平Leves试验因素Factors/（mg·kg-1）PbZnCd1000102300300360060050100410001000表3错误！未找到引用源。(43)正交表Table3错误！未找到引用源。(43)orthogonaltable试验号T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T12T13T14T15T16因素Pb1111222233334444因素Zn1234123412341234因素Cd12342143341243211.3样品处理及测定方法重金属处理两周后，将植株幼苗从水培盆中取出，用去离子水洗净，再用吸水纸吸干后，用直尺测定超富集植物的株高和根长，然后将样品分为根、茎和叶3个部分，用万分之一天平称量根茎叶鲜重，并将植株不同器官于105℃下杀青0.5h，75℃烘干至恒重。取500mg粉碎烘干样品加入HNO3—HClO4，采用微波消解仪（上海新仪，MDS-6型）进行消解，采用火焰原子吸收分光光度计（北京瑞利，WFX-130A型）分别测定镉、锌、铅含量，再换算成植物根、茎和叶单位干重的镉、锌、铅含量，并计算TF和AF。每处理重复3次，每次重复3株，共9株幼苗，求平均值。2结果与分析2.1复合污染对龙葵和印度芥菜生物量影响观察表明，龙葵的生物量较小、生长周期较长而印度芥菜的生物量较大、生长周期较短，在正交实验Pb、Cd、Zn处理下，龙葵和印度芥菜均能正常生长。对龙葵和印度芥菜生物量影响方差分析见图1和表4。对龙葵而言，Pb对其株高影响最大，其次为Cd、Zn，但土壤中Cd和Zn均没有显著影响其株高(p0.05)；土壤中对Pb龙葵根部干重影响最大，其次为土壤中Zn，Cd对龙葵根部干重影响最小；Pb对龙葵地上部干重影响最大，其次为Zn、Cd。对印度芥菜而言，Pb对其株高影响最大，其次为Zn、Cd；在印度芥菜根部干重影响中Cd影响最大，其次为Pb、Zn，均没有显著影响印度芥菜根部干重；Cd对印度芥菜地上部干重影响最大，其次为Pb、Zn，Cd对印度芥菜地上部干重产生极显著影响(p0.01)。0510152025T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T12T13T14T15T16植物量（/pot）05101520253035404550株高（cm）龙葵根重龙葵茎叶重印度芥菜根重印度芥菜茎叶重龙葵株高印度芥菜株高图1复合污染对龙葵和印度芥菜生物量影响Fig.1ThebiomassofSolanumnigrum（L.）andBrassicajuncea（L.）intheMultipleContaminatedSoils表4复合污染对龙葵和印度芥菜生物量影响方差分析Table4ThebiomassanovaofSolanumnigrum（L.）andBrassic