三種螯合劑對芥菜修復鈾鎘復合污染土壤的影響

陳 立，王 丹*，龍 嬋，崔正旭

（1.西南科技大學生命科學與工程學院，四川 綿陽 621010；2.西南科技大學核廢物與環境安全國防重點學科實驗室，四川 綿陽621010）

核能促進了我國工業、農業、醫療事業的發展，但同時也使鈾礦的開采和冶煉力度加大，導致越來越多的核廢物和鈾尾礦污染通過不同途徑進入環境中。鈾尾礦是一個復合的污染源，大多伴生有Cd、Pb、Cu、Mn、Fe、Zn等多種重金屬[1-2]。其中，當土壤中鈾濃度低于100 mg·kg-1時，大多數植物均正常生長[3-4]，而鈾濃度高于200 mg·kg-1時，致使大部分植物葉色變淡萎蔫，無法完成正常生長周期[5-6]。鈾尾礦污染不僅影響生態環境，還會通過水體進入食物鏈危及人類健康，因此，其修復問題亟待解決。

目前，植物修復技術以其成本低廉、操作簡便、運用范圍廣、綠色環保等優勢，受到越來越多的關注，應用前景廣闊[7]。在植物修復中，如何有效活化土壤中的重金屬是問題的關鍵。近期研究表明，螯合劑能夠改變土壤中重金屬元素的賦存形態，提高其生物有效性，利于植物吸收[8]。如Grcman等[9]研究結果表明，施加可降解螯合劑EDDS（乙二胺二琥珀酸）可以顯著提升蕪菁對Pb吸收、轉運、富集。Nascimento等[10]通過實驗也證實了天然小分子有機酸可增加土壤中水溶性重金屬的濃度，使植物修復效果明顯提高。此外，螯合劑誘導植物提取土壤中重金屬的能力，既與植物本身、土壤性質及重金屬固有特性有關，還與植物生長環境條件、螯合劑施加方式及螯合劑施加時段等有關[11]。就同一種植物而言，螯合劑種類及添加濃度不同也使其誘導植物提取重金屬的能力差異明顯，因此，選擇最適的螯合劑種類及其施加濃度對于提高植物修復效果具有重要意義。

芥菜（Brassica juncea var.tumida）為十字花科蕓苔屬一年生草本植物，具有生長迅速、生物量大等特點。目前，已有研究表明芥菜對鈾污染土壤具有良好的修復效果[12]。本試驗以芥菜為材料，比較在鈾鎘復合污染脅迫下土壤根部施加可降解螯合劑EDDS（乙二胺二琥珀酸）、OA（草酸）及CA（檸檬酸）對芥菜吸收、轉運及富集鈾鎘的影響，旨在為螯合誘導植物修復技術在實際鈾鎘復合污染土壤治理中的運用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試植物為芥菜（Brassica juncea L.），種子采購于綿陽市涪城區龍門鎮綠色農業生態園。供試螯合劑均可降解，分別為EDDS、OA及CA（均為分析純），購買于綿陽生科力科技有限公司。供試土壤取自西南科技大學后山種質圃表層0～30 cm的土壤，為黃壤土，基本理化性質如下：pH值為6.88，有機質質量比為18.99 g·kg-1，速效磷、堿解氮、速效鉀質量比為41.35、166.46、57.03 mg·kg-1，陽離子交換量為115.64 mmol·kg-1。

1.2 試驗方法

采用模擬盆栽試驗，鈾鎘污染土壤中鈾質量比為150 mg·kg-1土，鎘質量比為 15 mg·kg-1土；鈾源為醋酸雙氧鈾[UO2（CH3CO2）2·2H2O]，鎘源為氯化鎘（CdCl2·2.5H2O），均以水溶液的方式均勻澆灌至部分待模擬污染的土壤中，再采用建筑工地用攪拌機將已污染處理的土壤與目標量土壤攪拌混合均勻（遞進拌制法）。靜置平衡4周后，定量稱取每盆3.0 kg土裝至試驗容器中（試驗容器規格為Φ24 cm×24 cm，底部有孔，帶托盤），置于玻璃溫室中待用。之后，選取生長較好且長勢一致的芥菜幼苗移栽至鈾鎘復合污染土壤的盆中，每盆兩株，定期澆水調節盆中土壤含水量約為田間持水量的60%，其余處理一致。

待移栽幼苗后2個月后，按試驗設計分別向土壤中施加相應的螯合劑。施加前，將螯合劑按一定濃度比例配成溶液，并且調節pH值至6.5左右，澆灌加入植物根際周圍土壤。EDDS、OA和CA分別設置了3個處理濃度，即2.5、5、7.5 mmol·kg-1土，以添加等量的水溶液作為空白對照（CK），每個處理設3個重復。螯合劑分為3次施加，每盆一次施加量是33 mL（第3次是34 mL），單次施加時間間隔3 d，總計施加100 mL。施加螯合劑后，定期灌溉土壤，最后一次處理7 d后收獲芥菜，進行各項指標的測定。

1.3 測定方法

1.3.1 芥菜生物量的測定

將3個重復區的每一個處理的植株（以盆為單位）從盆中連根移出，清理掉附著在根系表面的土壤并用蒸餾水洗凈，吸干水分，再將地上部與地下部分開于105℃殺青30 min后，在75℃下于烘箱中烘干至恒重，分別稱取地下部與地上部的干質量（以每盆中每株植物的平均質量計）后保存待用。

1.3.2 芥菜鈾鎘含量的測定

使用粉碎機（北京永光明有限公司）將芥菜地上部和地下部干物質分別粉碎，準確稱取0.300 0 g粉末，加入20 mL濃硝酸，使用石墨爐消解儀（SH230N，濟南海能儀器有限公司）進行消解，消解液濾膜過濾后采用ICP-MS（Aglient 7700x，美國安捷倫公司）測定芥菜各部分的鈾鎘含量。

1.3.3 土壤中有效態鈾鎘含量的測定

采集芥菜根際土壤樣品并烘干，過0.1 mm篩備用。取1.000 0 g樣品加入錐形瓶中，并添加50 mL的Mehlich3浸提液，放入振蕩器振蕩30 min，過濾，取濾液，采用ICP-MS（Aglient 7700x，美國安捷倫公司）測定有效態鈾、鎘含量。

1.4 計算方法

轉運系數（TF）=植物地上部重金屬含量（mg·kg-1）/植物地下部重金屬含量（mg·kg-1）

富集量（BCQ）=植物地上部（地下部）重金屬含量（mg·kg-1）×植物地上部（地下部）干質量（g）

轉運量系數[13]（BCF）=植物地上部重金屬富集量（mg）/植物地下部重金屬富集量（mg）

1.5 數據分析

利用Microsoft Excel 2010進行平均值和標準差的計算，采用SPSS 23.0進行顯著性檢驗及相關分析，使用Origin 9.1作圖。

2 結果與分析

2.1 螯合劑處理對芥菜生物量的影響

生物量是植物修復重金屬污染的一個重要因素，對烘干后的芥菜稱重，結果見圖1。從圖1可知，在螯合劑EDDS處理下，芥菜植株干質量隨濃度增大而減小。而在螯合劑OA、CA處理下，芥菜植株干質量隨濃度的增大，先增高后降低，并在2.5 mmol·kg-1時達到峰值。

如圖1所示，在OA、CA 2.5 mmol·kg-1處理與對照植株干質量相比分別提高了1.45、2.5 g，而隨著濃度增高，芥菜地上部干質量不斷降低。在7.5 mmol·kg-1EDDS處理下，芥菜地上部干質量與對照相比降低了2.16 g，生長受到嚴重抑制。芥菜地下部干質量隨螯合劑濃度的變化趨勢與地上部一致，在OA、CA 2.5 mmol·kg-1處理下，與對照地下部干質量相比分別提高了0.14 g和0.25 g，但7.5 mmol·kg-1EDDS處理下，芥菜地下部干質量為1.37 g，是對照的77.4%。在三種螯合劑中，每種螯合劑處理對芥菜單株生物量增加效用存在差異，其影響能力由大到小為CA＞OA＞EDDS。同時，低濃度（2.5 mmol·kg-1）的OA、CA顯著促進了芥菜生長，但在高濃度（7.5 mmol·kg-1）處理下，則對芥菜生長產生抑制作用，其原因可能為，在一定重金屬環境下低濃度的小分子有機酸可以緩解重金屬對植物的毒害，而濃度過高則可能對植物生理生長產生雙重毒性。

圖1 EDDS、OA和CA對芥菜生物量的影響Figure 1 Effects of EDDS，OA and CA on biomass of Brassica juncea L.

2.2 螯合劑處理對芥菜鈾的吸收、轉運及富集效應

芥菜地上部、地下部及單株鈾含量見表1。由表1可知，芥菜的地下部鈾含量遠遠大于地上部，表明鈾主要被植物根部所吸收。同時，不同的螯合劑處理促進芥菜植株吸收鈾的能力也存在差異，其總體作用趨勢為CA＞EDDS＞OA。其中，CA處理顯著促進了芥菜對鈾的吸收，并且鈾含量隨著CA濃度升高而增大，在7.5 mmol·kg-1CA處理時芥菜單株鈾含量達到峰值為20.63 mg·kg-1，是對照的2.84倍。隨著EDDS濃度升高，芥菜中鈾含量均呈現先增高后降低的趨勢，并在5 mmol·kg-1EDDS處理下達到峰值為20.11 mg·kg-1，是對照的2.77倍。而OA處理下，芥菜單株鈾含量均有所降低，但與對照之間無顯著差異（P＞0.05）。

螯合劑處理下，芥菜的鈾轉運系數均有所升高，比對照提高了7.23%～293.02%，其總體作用趨勢為CA＞OA＞EDDS。在7.5 mmol·kg-1CA處理后芥菜鈾轉運系數達到峰值0.118，顯著高于其他處理組（p＜0.05）。

由表2可知，與對照相比，螯合劑CA、EDDS對芥菜植株富集鈾有促進作用，且CA效果更為明顯，而OA則產生抑制效用。此外，芥菜單株鈾富集量隨螯合劑濃度變化與鈾含量變化規律一致。在CA 7.5 mmol·kg-1時，芥菜地上部及單株富集量均達到峰值，分別為89.36、223.66 μg，是對照的5.4、2.55倍。在5 mmol·kg-1EDDS處理下，芥菜單株鈾富集量為206.74 μg，僅略低于CA 7.5 mmol·kg-1處理組。在OA處理下，芥菜單株鈾富集量略低于對照組，但無顯著差異（p＜0.05），表明OA處理抑制了芥菜對鈾的富集。

表1 不同螯合劑對芥菜鈾含量與轉運系數的影響Table 1 Effects of different cheating agents treatments on U concentration and translocation factor of Brassica juncea L.

表2 不同螯合劑對芥菜鈾富集量與轉運量系數的影響Table 2 Effects of different cheating agents treatments on U bioaccumulation quantity and transfer quantity factor of Brassica juncea L.

表3 不同螯合劑對芥菜鎘含量與轉運系數的影響Table 3 Effects of different cheating agents treatments on Cd concentration and translocation factor of Brassica juncea L.

在不同處理下，芥菜轉運量系數均低于1，表明鈾主要富集于芥菜植株地下部。不同處理對芥菜鈾轉運系數產生不同效用，其中促進效用表現為CA＞OA＞EDDS。在7.5 mmol·kg-1CA處理后芥菜鈾轉運量系數達到峰值為0.66，是對照的2.85倍，高于其他處理組。

綜上可知，在三種螯合劑中，螯合劑CA、EDDS均可促進芥菜對鈾的吸收、轉運、富集，且CA效果明顯優于EDDS，加之，其是一種成本低廉、環境友好的小分子有機酸，故CA對芥菜提取土壤中鈾的促進效果最佳，而EDDS次之。

2.3 螯合劑處理對芥菜鎘的吸收、轉運及富集效應

芥菜地上部、地下部及單株鎘含量見表3。由表3可知，與對照相比，施加適宜濃度的螯合劑能夠一定程度上提升芥菜植株的鎘含量，其中，EDDS效果最佳，OA次之，CA最差。隨著EDDS濃度的升高，芥菜地上部、地下部及單株鎘含量均呈現先升高后降低的趨勢。在5 mmol·kg-1EDDS處理下，芥菜地上部、地下部及單株鎘含量均達到峰值，分別為382.2、18.6 mg·kg-1及 328.2 mg·kg-1，是對照的 4.67、2.03 倍及2.35倍，且顯著高于其他處理組（p＜0.05）。而CA、OA處理對芥菜吸收鎘的促進作用相對較差。

在螯合劑處理下，芥菜鎘轉運系數為對照的91.66%～235.18%。在CA 5 mmol·kg-1處理下，芥菜鎘轉運系數最低，為8.183。在5 mg·kg-1EDDS處理下，芥菜鎘轉運系數最高，為20.997。

由表4可知，施加螯合劑均能促進鎘在芥菜體內積累，其總體作用效果為EDDS＞OA＞CA。其中，在5 mmol·kg-1EDDS處理下，地上部及單株鎘積累量達到峰值，分別為 3 388.75、3 417.67 μg，分別是對照的4.03、3.98倍，均顯著高于其他處理。在OA、CA處理下，芥菜地上部、地下部及單株鎘富集量與對照無顯著差異（P＞0.05），表明OA、CA促進芥菜富集鎘的能力較差。

在不同處理下，芥菜鎘轉運量系數均遠高于1，表明芥菜地上部對鎘的富集效果極佳。在螯合劑處理下，芥菜鎘轉運量系數為對照的89.92%～247.19%，且變化規律與鎘含量的趨勢一致。在CA 5 mmol·kg-1處理下，芥菜鎘轉運量系數最低，為46.63。在5 mmol·kg-1EDDS處理下，芥菜鎘轉運量系數最高，為128.18。

綜上可知，在三種螯合劑中，螯合劑EDDS促進芥菜吸收、轉運、富集Cd的能力最佳，而OA、CA則無明顯效用。

2.4 螯合劑對土壤中有效態鈾鎘含量的影響

從表5可知，螯合劑的施加提高了土壤中有效態鈾含量，但不同螯合劑處理效果有所差異。在CA處理下，隨著濃度的升高，土壤中的有效態鈾含量持續升高，在CA濃度為7.5 mmol·kg-1時達到峰值，為125.83 mg·kg-1，是對照的1.76倍，表明CA活化土壤中有效態鈾能力較佳。而在EDDS處理下，隨著濃度升高，土壤中有效態鈾含量呈現先升高后降低的趨勢，在 5 mmol·kg-1時達到峰值，為 101.4 mg·kg-1，是對照的1.42倍。而OA處理對土壤中有效態鈾含量無顯著變化。對于鎘而言，螯合劑的施加可以提升土壤中有效態鎘含量。其中，在EDDS處理下，隨著濃度升高，土壤中有效態鎘含量先升高后降低，在 5 mmol·kg-1時達到峰值，為 13.23 mg·kg-1，是對照的1.61倍。而OA、CA處理對土壤中有效態鎘含量的影響無顯著差異。整體而言，CA活化土壤中有效態鈾的效果最佳，EDDS提高土壤中有效態鎘的效用最佳，而OA處理對于活化土壤中有效態鈾鎘的能力均較差。

表4 不同螯合劑對芥菜鎘富集量與轉運量系數的影響Table 4 Effects of different cheating agents treatments on Cd bioaccumulation quantity and transfer quantity factor of Brassica juncea L.

表5 EDDS、OA和CA對土壤有效態鈾鎘含量的影響（mg·kg-1）Table 5 Effects of EDDS，OA and CA on mass ratio of available uranium and cadmium in soil（mg·kg-1）

3 討論

植物修復過程中施加螯合劑可以活化土壤中的重金屬，利于植物的吸收，同時，過高劑量的螯合劑也會對植物本身產生毒害作用，導致植物黃化、枯萎，甚至凋亡[14-15]。本研究結果表明，在低濃度處理下，OA、CA對芥菜生長產生促進作用。在高濃度處理下，三種螯合劑對芥菜生長產生不同程度的抑制。其原因可能是，低濃度的有機酸可以緩解重金屬對植物的毒害。但螯合劑濃度過高時，對土壤中重金屬的活化導致土壤溶液中重金屬離子濃度大幅增加，進而對植物造成更加嚴重的脅迫，致使其生物量降低[8，16]。衛澤斌等[17]研究表明，低濃度（2.5 mmol·kg-1）的GLDA（谷氨酸N，N-二乙酸）促進東南景天地上部生物量增加，而高濃度（10 mmol·kg-1）則產生毒害作用，與本文的研究結論一致。

螯合劑促進植物對重金屬的吸收、轉運及富集，主要原因分為兩個方面：一方面，螯合劑的施加，降低了植物根際土壤pH，提高重金屬離子的溶解性，進而利于植物吸收。另一方面，螯合劑能與重金屬形成水溶性的金屬螯合物，改變重金屬在土壤中的形態，提升土壤中有效態重金屬含量，增強了植物根系對其的吸收與轉運效率[18]。在試驗中，施加CA對土壤中有效態鈾含量提升效果最佳，同時，CA對芥菜吸收與轉運鈾的促進效果也最佳，表明了土壤中有效態鈾含量與芥菜的吸收、轉運直接相關。本研究發現，在CA 7.5 mmol·kg-1處理下，芥菜地上部、地下部及單株鈾含量分別是對照的6.03、2.08倍及2.84倍。在5 mmol·kg-1EDDS處理下，芥菜地上部、地下部及單株鎘含量分別是對照的4.67、2.03倍及2.35倍。鐘鉬芝[19]研究發現向蠶豆中施加2.5 mmol·kg-1CA，可以使蠶豆單株鈾含量顯著增高。金忠民等[20]發現，外加EDDS可以使高羊茅和紅三葉地上部鎘含量大幅度提升。此外，芥菜鈾轉運系數遠低于1，而鎘轉運系數遠高于1，這與查忠勇等[21]、張守文[22]的研究結論一致。螯合劑能夠有效促進芥菜對鈾鎘的積累。在本研究中，施加7.5 mmol·kg-1CA，芥菜地上部及單株鈾富集量分別是對照的5.4、2.55倍。而楊瑞麗等[23]研究表明，施用5 mmol·kg-1CA處理可使黑麥草地上部、根部鈾富集系數分別提高2.31、1.67倍。施加5 mmol·kg-1EDDS，芥菜地上部、單株鎘富集量分別是對照的4.03、3.98倍，表明EDDS促進了芥菜對Cd的富集。劉金等[24]研究發現，2.5 mmol·kg-1EDDS顯著強化了苧麻對鎘的富集能力。

外源施加螯合劑可以有效提升土壤中有效態鈾鎘含量。本研究發現，CA的施加提高了土壤中有效態鈾含量，EDDS的施加顯著提升了土壤中有效態鎘含量，同時，對有效態鈾含量也有一定提升效果，而OA的施加對土壤中有效態鈾鎘含量無顯著差異。其原因可能是不同重金屬和螯合劑之間存在選擇性，CA對鈾的選擇性較強，而EDDS對鎘的選擇性較強[24-25]。Huang等[26]與張磊等[27]研究也得出相似結論。此外，施加螯合劑對土壤特性與植物本身也會產生一定影響，尤其是對植物產生毒害效用，使其生物量降低，可能造成植物中重金屬富集量的相對降低。因此，在進行螯合誘導植物修復時，應當了解相應螯合劑對植物種類生長效應的影響。

4 結論

（1）芥菜生長受螯合劑種類和濃度影響，其中EDDS對芥菜有較強的毒害作用，隨著濃度的增加，出現葉片黃化、萎焉等情況，而低濃度（2.5 mmol·kg-1）的CA、OA均促進芥菜的生長，高濃度（7.5 mmol·kg-1）產生抑制作用。

（2）螯合劑促進芥菜對鈾、鎘的吸收、轉運，其中，7.5 mmol·kg-1CA使芥菜鈾含量、轉運系數顯著增加，5 mmol·kg-1EDDS使芥菜鎘含量、轉運系數顯著增加。此外，芥菜地下部鈾含量遠小于地上部，而鎘含量遠高于地上部。

（3）螯合劑促進了芥菜對鈾、鎘的積累，7.5 mmol·kg-1CA處理時富集鈾的效果最好，5 mmol·kg-1EDDS處理時富集鎘的效果最佳。此外，芥菜的鈾轉運量系數小于1，而鎘轉運量系數大于1。

（4）螯合劑的添加提升了土壤中鈾、鎘的有效態含量。各處理中，CA提高土壤中有效態鈾含量效果最佳，而EDDS提高土壤中有效態鎘含量效果最佳，同時對鈾也有一定效用。