納米材料改良土壤對小白菜吸收和富集重金屬的影響

李朝陽，楊勝香，陳 玲，李 鸝

（吉首大學(xué)植物資源保護與利用湖南省高校重點實驗室，湖南 吉首 416000）

隨人類活動加劇，重金屬污染問題越來越嚴(yán)重，對污染土壤的治理日顯重要。其中改良劑的使用是治理重金屬污染的重要措施之一。一系列研究表明，無機材料中石灰[1-3]、磷酸鹽[4-5]、天然沸石[6-7]、天然改性和人工合成礦物[8]等可有效降低重金屬在植物中的積累，對污染土壤有明顯的改良作用。

納米材料是由尺寸介于原子、分子和宏觀體系之間的納米顆粒所組成的新一代材料，具有大的比表面積和較強的吸附能力，近年來被應(yīng)用于污染土壤的治理。如Hada等[9]和Gao等[10]在20世紀(jì)末利用納米ZnO、TiO2顆粒開展了Ag＋污染土壤修復(fù)的研究。Rajesh-war等[11]發(fā)現(xiàn)銅（Cu）包裹的納米TiO2對鉻（Cr）污染土壤的修復(fù)治理有一定效果。將改性納米碳黑用于重金屬污染土壤改良，可降低土壤中有效態(tài)Cu和鉛（Pb）的含量，促進黑麥草的生長[12]；在污染土壤中添加介孔分子篩（MCM-41）可有效抑制鎘（Cd）、Pb和Cu在小白菜體內(nèi)的積累[13-14]。但不同的納米材料吸附能力不一樣，因此對土壤的改良效果也會有差異。為此，選用4種納米材料為土壤改良劑，監(jiān)測4個品種小白菜生長及重金屬元素吸收的情況，研究這4種納米材料對鉛鋅礦區(qū)污染土壤的改良作用，以期為合理使用納米材料作土壤改良劑提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自廣東韶關(guān)鉛鋅礦區(qū)，基本理化性質(zhì)如下：土壤有機質(zhì)為（4.9±0.15）%，總氮為1.83 g/kg，Cd、Pb、Cu、鋅（Zn）含量分別為 1.2±0.31、968±47、50±3.7、747±58 mg/kg。4 種納米材料分別為：納米SiO2和TiO2購于廣東華力森公司；碳納米管（CNT）購于深圳納米港；MCM-41購于河南南召分子篩廠。4個品種小白菜：極早三十日（JZ）、早熟五號（ZS）、青江白（QJB）、黃葉白（HYB），均購于廣州蔬菜種子公司。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設(shè)計 將采集的礦區(qū)污染土壤風(fēng)干，過5 mm 篩。設(shè)置5個處理：（1）對照（CK）：不加任何改良劑；（2） 碳納米管處理（CNT）；（3）MCM-41 處理（MCM）；（4）納米 SiO2處理（SiO2）；（5）納米 TiO2處理（TiO2）。每處理4個重復(fù)。將納米材料按0.45%（質(zhì)量比）的比例摻入，充分混勻，裝盆，每盆混合物的總重量為1 kg。然后每盆加水250 mL（水:土=25%，最大田間持水量），平衡14 d，播種，播種量為10粒/盆，待苗出齊后間苗，每盆留4株，45 d后采收。盆栽試驗在溫室中進行，溫室白天22～30°C，夜間10～16°C。為避免位置效應(yīng)的影響，按隨機區(qū)組排列，每7 d調(diào)整一次位置，每3 d澆水一次。

1.2.2 樣品處理及分析 小白菜收獲后，分為地上部和地下部，用自來水沖洗，將根放入0.02 mol/L EDTANa2溶液中浸泡15 min，除去表面吸附的重金屬，然后用去離子水沖洗3次，吸水紙吸干，于70℃烘箱中烘至恒重，稱重。盆栽土壤風(fēng)干，碾碎，過2 mm篩，待測。

植物樣品用濃HNO3加熱消解，土壤樣品用王水（體積比 HNO3∶HCl＝1∶3）消解，ICP-AES 法測定重金屬Pb、Cu、Cd、Zn含量。數(shù)據(jù)分析用SPSS 15.0和Excel進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 納米材料處理對不同品種小白菜生物量的影響

4種納米材料處理對不同品種小白菜的生物量影響見表1。與對照相比，添加4種納米材料均使早熟和黃葉白的生物量明顯下降，而不同納米材料處理對極早和青江白的生物量影響不明顯。添加MCM-41和納米SiO2處理的極早生物量有所增加，添加CNT和TiO2的處理使極早生物量明顯下降。總體來看，添加納米材料后小白菜的生物量有所下降，這與林大松[13]提出的添加納米材料（無機分子篩）可明顯增加小白菜產(chǎn)量，提高小白菜品質(zhì)相矛盾。該試驗結(jié)果與王震宇等[15]提出的納米材料對植物生長的產(chǎn)生抑制作用一致，其原因可能是納米材料比表面積大，具有很強的吸附能力和很高的化學(xué)活性，容易造成有機體細胞或組織損傷，故導(dǎo)致生物量降低。

表1 納米材料改良土壤對小白菜生物量的影響 （g/盆）

2.2 納米材料處理對不同品種小白菜吸收重金屬的影響

2.2.1 小白菜地上部分 4種納米材料處理下小白菜地上部分對重金屬Pb、Cd、Cu和Zn的吸收情況見圖1。添加不同的納米材料對不同品種的小白菜地上部分重金屬的吸收情況影響是不同的。由圖1可知，與對照相比，添加4種不同的納米材料處理，極早對Pb、Cu、Zn的吸收沒有明顯的變化，但添加SiO2和TiO2顯著減少了極早對Cd的吸收，減少量分別為50%和57%；添加CNT降低了早熟對Cd的吸收，但提高了對Zn的吸收。添加CNT、MCM和TiO2顯著降低了黃葉白對Cd的吸收，而添加TiO2顯著提高了黃葉白對Pb和Cu的吸收。添加TiO2顯著降低了青江白對Pb的吸收，添加4種納米材料均顯著提高了青江白對Cd的吸收，其中添加SiO2的處理Cd的增加量為對照處理的4.3倍。據(jù)研究報道，MCM能夠一致降低小白菜對Cd、Pb、Cu的吸收分別高達 44.2%～53.2%、30.2%～42.7%和16.9%～22.1%[13]。從本試驗結(jié)果來看，添加4種納米材料僅使極早品種對四種重金屬吸收情況有所減少外，對另外3個品種的小白菜的影響則是因重金屬種類而異。因此，我們認為納米材料用于污染土壤的治理效果不是很理想。青江白和黃葉白兩個小白菜品種因地上部分出現(xiàn)不同程度高的Pb、Cd累積現(xiàn)象，會使重金屬經(jīng)食物鏈進入生物體或人體造成機體傷害，因此，不宜用作污染土壤小白菜種植的優(yōu)選蔬菜物種。

圖1 納米材料改良土壤對小白菜地上部累積重金屬的影響

2.2.2 小白菜根部 4種納米材料處理下小白菜地下部分對重金屬Pb、Cd、Cu和Zn的吸收情況見圖2。由圖2可知，與對照相比，除添加TiO2使早熟對Pb的吸收顯著增加外，4種納米材料處理對4種小白菜根部對Pb的吸收均沒有顯著影響。添加TiO2顯著增加了黃葉白對Cu的吸收，添加CNT、SiO2和TiO2顯著降低了青江白對Cu的吸收。添加4種納米材料使極早對Cd的吸收有所降低，但未達到顯著水平（p>0.05）。添加MCM顯著增加了青江白對Cd的吸收。添加SiO2和TiO2顯著提高了黃葉白對Zn的吸收。盡管添加不同的納米材料使不同品種小白菜根部對重金屬的吸收情況不同，總體來看，添加4種納米材料對4個品種的小白菜根部吸收重金屬Pb、Cd、Cu和Zn的影響不大。

圖2 納米材料改良土壤對小白菜根累積重金屬的影響

3 結(jié) 論

（1）添加納米材料MCM-41和SiO2使極早生物量有所增加外，4種納米材料對小白菜生物量影響不大或有所下降。

（2）添加不同的納米材料對不同品種的小白菜地上部分重金屬的吸收情況影響是不同的。添加SiO2和TiO2顯著降低極早對Cd的吸收，添加CNT、MCM和TiO2顯著降低了黃葉白對Cd的吸收，添加4種納米材料均顯著提高了青江白對Cd的吸收。

（3）添加4種納米材料對不同品種的小白菜地下部分重金屬Pb、Cd、Cu和Zn的累積影響不大。相比較而言，MCM-41表現(xiàn)出了一定的土壤修復(fù)能力，但總體來看，本試驗選用的納米材料不是污染土壤治理的理想材料。

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