可降解螯合劑及微生物強化植物吸收重金屬的研究

佟秀春，王旭梅，*，王紅旗，耿印印

（1.東北農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150030；2.北京師范大學水科學研究院，北京 100875）

重金屬Cd、Pb是環(huán)境中重要的污染物，而且在自然界中常常伴隨存在，構成復合污染[1－2]。由于重金屬具有很強的蓄積性、隱蔽性、不可逆性和長期性，它所引起的環(huán)境問題一直是研究關注的焦點[3]。植物修復技術以其環(huán)境友好、易被接受和價格低廉等優(yōu)點而成為研究熱點之一[4]，而在植物修復中對超富集植物的篩選尤為關注。超富集植物至少應同時具有2個基本特征：其一是臨界含量特征，廣泛采用的植物莖或葉中重金屬富集的臨界含量：Pb為 1 000 mg·kg－1，Cd 為 100 mg·kg－1。其二是轉移特征，植物地上部重金屬含量大于其根部重金屬含量，即地上部含量/根部含量大于1。龍葵（Solanum nigrum L.）是新近發(fā)現的一種Cd超富集植物，具有耐Cd毒害和富集Cd的能力[5]；羽葉鬼針草能大量富集重金屬Pb[6]。

超富集植物對沉淀態(tài)的鉛無法吸收等缺點，限制了在實際生產中的應用[7]，為提高植物修復效率，有采用化學調劑控制的成功事例，如3 mmol·kg－1EDTA可以顯著地增加芥菜各組織Cu濃度和Cu吸收量[8]，但由于EDTA等絡合物具有難降解、作用時間長等特點而易造成環(huán)境風險[9-10]。因此，尋找絡合活化能力強且易降解的化學調控劑是近期研究的熱點之一。[S,S]-乙二胺二琥珀酸（[S，S]-EDDS，簡寫為EDDS）是容易被生物降解的一種強金屬螯合劑，近年來受到廣泛關注[11-12]。乳酸乙酯（EL）毒性低，并且容易生物降解、價格便宜、易溶且易再生[13]。由于[S，S]-EDDS人工合成的成本高，這使得其在土壤修復中的應用受到限制，而單獨使用乳酸乙酯對土壤中重金屬的提取效率很低，所以本文設計正交試驗，研究添加不同比例的EDDS和EL、不同種類的微生物時龍葵和羽葉鬼針草對鎘和鉛復合污染的吸收，以期為強化植物修復土壤中重金屬復合污染的化學、生物學調控措施等提供試驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試土壤

供試土壤采自北京西北旺某處農田土，風干后過2 mm篩。其理化性質為全氮0.077%，全碳1.002%，點有機質 0.566%，速效磷 7.68 mg·kg－1，全磷 3.57 g·kg－1，速效鉀 66.6 mg·kg－1，全鉀 20.04 g·kg－1。

1.1.2 供試菌株

耐鎘菌株Z11和耐鉛菌株ZC，篩選自北京市某工廠車間重金屬污染土，均屬銅綠假單胞菌。Z11黑綠色，不透明，可在Cd濃度高達60 mg·kg－1的培養(yǎng)液中生長。ZC乳白色，不透明，可在鉛濃度為 1 200 mg·kg－1的培養(yǎng)液中生長。

1.1.3 供試植物

羽葉鬼針草：種子采自北京清河路溝旁。

龍葵：種子采自北京市大興區(qū)某農家院。

1.2 方法

1.2.1 盆栽試驗

本試驗選用正交試驗設計L16（45），共16個處理，重復3次。試驗因素和水平見表1。采用盆栽法對龍葵和羽葉鬼針草進行室內培養(yǎng)。將采回的種子放在4℃冰箱里，低溫催化一周，然后用紗布浸濕包裹催芽，苗床育苗。

將土壤風干后過2 mm篩，每盆裝土1 kg，加入 CdCl2·2.5H2O 和Pb （NO3）2，放置 1 周。移栽龍葵、羽葉鬼針草幼苗，每盆定苗6株。定期追加營養(yǎng)液，使田間持水量保持在60%。將培養(yǎng)至對數期的供試抗鎘（鉛）菌株制備成菌液，待植物生長1周時，每盆添加30 mL菌液，收獲前10 d加螯合劑。40 d后收獲。收獲時沿土面剪取植株地上部，分別采集地上部和根部。

表1 試驗設計Table 1 Design of experiment

續(xù)表

1.2.2 植物體內鎘和鉛的含量測定方法

分別稱取小于0.3 g的經過殺青并烘干至衡重的植物樣品，進行微波消解。結果見表2。消解完全后取消解液采用電感耦合等離子光譜儀測定植物體內鎘的含量，采用原子吸收分光光度計測定植物體內鉛的含量。

表2 微波消解程序Table 2 Program of microwave digestion

2 結果與分析

2.1 不同處理時植物對鎘的吸收量

結果見表 3～4，圖 1～2。

轉運系數是指植物地上部元素的含量與地下部同種元素含量的比值，它是用來評價超富集植物將重金屬從地下向地上的運輸和富集能力的一個重要的指標。轉運系數越大，則重金屬從根系向地上部器官轉運能力越強。由表3可知，鎘的轉運系數大于1或接近1，甚至在土壤中鎘投加濃度為20 mg·kg-1時，龍葵對鎘的轉運系數達到2.25。表明龍葵和羽葉鬼針草對鎘具有很好的吸收富集能力。

由表4可以看出，對于不同的指標而言，因素影響的主次順序不同。對于植物地上部和根部鎘含量，土壤中鎘投加濃度的極差R值均最大，說明對鎘吸收的試驗中，土壤中鎘投加濃度是最主要影響因素，其次是植物種類和土壤中鉛投加濃度對試驗的兩個指標影響也較大，而螯合劑比例和微生物種類對其影響較小。

當土壤中鎘投加濃度為最大值60 mg·kg－1，土壤中鉛投加濃度為1 800 mg·kg－1，螯合劑EDDS:EL比例為1∶1時，龍葵地上部和根部對鎘的吸收效果最好。接種微生物ZC或Z11，植物地上部、根部對鎘的吸收量都很高。

由圖1與2可知，隨著土壤中Pb和Cd投加濃度的升高，植物體中鎘含量總體呈現增加態(tài)勢。施用螯合劑處理組的植株中鎘含量明顯高于未施用螯合劑處理，當螯合劑EDDS：EL比例為1∶1時，效果更為顯著，植株中鎘含量高于單獨使用EDDS時的鎘含量，這說明EDDS+EL處理可以有效地增大污染土壤中Cd的活性，進而促進Cd向植物地上部運輸，并且使用半量的EDDS也能達到全量的效果甚至更好，在實際應用時選用比例為1∶1可以降低修復成本。接種微生物比未接種微生物植物體中鎘含量略高，可見接種微生物對植物吸收鎘有促進作用；龍葵對鎘的吸收量顯著高于羽葉鬼針草對鎘的吸收量，且第16組試驗中龍葵對鎘的吸收量超過100 mg·kg－1，且轉運系數也大于 1，表明龍葵對土壤中鎘具備超富集作用。

2.2 不同處理時植物對鉛的吸收量

結果見表5，圖3～4。

表3 Cd、Pb復合處理條件下植物對重金屬吸收量及重金屬轉運系數Table 3 Absorption of heavy metal in plant and translation coefficient by composite treatment of Cd and Pb

表4 植物對鎘吸收量結果分析Table 4 Result analysis of the absorption of Cd in plant （mg·kg－1）

圖1 Cd、Pb復合脅迫下各因素對植物地上部Cd含量的作用Fig.1 Effect of various factors on cadmium content in plant shoot under Cd and Pb compound stress

圖2 Cd、Pb復合脅迫下各因素對植物根部Cd含量的作用Fig.2 Effect of various factors on cadmium content in plant root under Cd and Pb compound stress

表5 植物對鉛吸收量結果分析Table 5 Result analysis of the absorption of Pb in plant

圖3 Cd、Pb復合脅迫下各因素對植物地上部Pb含量的作用Fig.3 Effect of various factors on lead content in plant shoot under Cd and Pb compound stress

圖4 Cd、Pb復合脅迫下各因素對植物根部Pb含量的作用Fig.4 Effect of various factors on lead content in plant root under Cd and Pb compound stress

由表5可知，土壤中鉛投加濃度對于兩個指標均是最主要的影響因素，而土壤中鎘的投加濃度的影響效果最小，因素微生物種類、螯合劑比例、植物種類影響主次順序不同。

土壤中鎘投加濃度為30和60 mg·kg－1時地上部和根部中鉛含量較高，且數值相近，但考慮投加濃度，鎘投加量為30 mg·kg－1時鉛的富集效率相對較高。土壤中鉛投加濃度為1 800 mg·kg－1時，植物地上部和根部對鉛的吸收量最大。螯合劑比例為1∶0處理時植物地上部鉛含量最高，而對于植物根部，螯合劑比例為1∶1處理時鉛含量最高。對于地上部鉛含量，螯合劑類型為第二重要影響因素，而對根部鉛含量則影響很小，所以綜合考慮螯合劑比例為1∶0時吸收效果最好。接種微生物Z11時，植物地上部鉛含量最高，而接種ZC時，植物根部鉛含量最高，根據因素微生物種類對不同指標的重要程度考慮，接種ZC效果較好。種植龍葵比種植羽葉鬼針草吸收效果好。所以土壤中鎘投加濃度為30 mg·kg－1，鉛投加濃度為 1 800 mg·kg－1，螯合劑施用比例為EDDS:EL為1∶0，接種微生物ZC，龍葵對鉛的吸收效果最好。

如表3所示，第16組試驗龍葵地上部和根部中的鉛含量分別達到 4 364.97、3 724.72 mg·kg－1，且對鉛的轉運系數高達1.17，可見龍葵對鉛具備超累積的作用。第7個處理未添加螯合劑且未添加微生物，地上部和根部鉛含量都很低，轉運系數為0.45，這主要是因為重金屬元素Pb進入土壤后，Pb在土壤中可形成溶解度較小的PbCO3、Pb3（PO4）2和PbSO4等沉淀物，在沒有添加螯合劑和微生物的情況下，在土壤中不容易移動。Pb進入土壤后主要以化學吸附占優(yōu)勢，生成穩(wěn)定的絡合物，使其不易吸收和向植物上部遷移。

由圖3和4可知，土壤中鎘投加濃度為40 mg·kg－1時植物對鉛的吸收量最小。隨著土壤中鉛投加濃度的升高，植物對鉛的吸收量也升高；Pb在土壤中的遷移能力較差、有效性低，但在施螯合劑后龍葵和羽葉鬼針草中Pb濃度顯著上升。EDDS:EL為1∶0和1∶1時，植物中鉛含量顯著高于比例為2∶1和不添加螯合劑的處理，說明正確選取螯合劑比例對植物吸收鉛有顯著作用；接菌ZC和接菌Z11均比未添加菌處理的植物對鉛的吸收量高，說明ZC和Z11對植物吸收鉛均有促進作用，接種細菌的處理可能改變了土壤中金屬形態(tài)，使土壤中可被生物吸收的金屬量增加。兩種菌株對植物生長及吸收鎘的影響有所差異，這可能與菌株自身的生理機制相關。接菌ZC和Z11效果不是很明顯，可能是兩種菌有相互抑制作用，相互作用后阻礙植物對鉛的吸收；植物龍葵吸收鉛的含量顯著高于羽葉鬼針草對鉛的吸收量，說明龍葵對土壤中鉛具有較強的吸收富集作用。

3 討論與結論

盆栽試驗結果表明，龍葵地上部鎘含量最高為127.64 mg·kg－1，鉛含量最高為 4 364.97 mg·kg－1；根部鎘含量最大為119.42 mg·kg－1，鉛含量最大為5 395.27 mg·kg－1，鎘和鉛的含量分別大于 100 和1 000 mg·kg－1，且轉移系數也大于 1，說明龍葵對鎘和鉛具有超富集的作用。羽葉鬼針草地上部鎘含量最高為 96.17 mg·kg－1，鉛含量最高為 126.26 mg·kg－1；根部鎘含量最大為49.33 mg·kg－1，鉛含量最大為397.43 mg·kg－1，還沒有達到超富集植物的富集特征，所以還不能斷定羽葉鬼針草為鎘和鉛的超累積植物，與王素娟等的試驗結果一致[14]。

龍葵在土壤中鎘投加濃度為60 mg·kg－1，鉛投加濃度為 1 800 mg·kg－1，螯合劑 EDDS:EL 施用比例為1∶1，接種微生物ZC或Z11，對鎘的吸收量大；在土壤中鎘投加濃度為30 mg·kg－1，鉛投加濃度為 1 800 mg·kg－1，螯合劑 EDDS：EL 施用比例為1∶0，接種微生物ZC，對鉛的吸收效果最好。

與未施用螯合劑處理相比，施用螯合劑處理對鎘和鉛的富集效果有顯著提高，這說明螯合劑在促進植物吸收重金屬方面起著重要的作用。接菌植物中重金屬含量比未接菌處理組高，說明利用耐性細菌促進其對重金屬的吸收是提高植物修復土壤重金屬效率的一種可行方法。接種細菌的處理可能改變了土壤中金屬形態(tài)，使土壤中可被生物吸收的金屬量增加，兩種菌株對植物生長及吸收鎘的影響有所差異，這可能與菌株自身的生理機制相關。同時接菌ZC和Z11與單獨接種這兩種菌相比，植物中鉛含量低很多，可能是兩種菌有相互抑制作用，相互作用后阻礙植物對鉛的吸收。

向土壤中添加改良劑從而活化重金屬促進植物的吸收是植物修復研究的一個方向，運用螯合誘導植物修復技術的同時必須對其經濟成本進行評估，所以以后鰲和誘導植物修復研究必須進一步研究用盡量少的鰲合劑誘導植物提取可觀的重金屬，達到修復土壤污染的目的，在經濟上可行，同時又是環(huán)境安全的需要。

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