石榴對鎘、鉛、鋅復合污染土壤的修復效果

王碩 李德生 朱秀錦

摘要：以石榴為供試材料，通過盆栽試驗研究石榴在不同濃度梯度的鎘（Cd）、鉛（Pb）、鋅（Zn）復合污染土壤下對重金屬的吸收、富集、轉(zhuǎn)運規(guī)律。結(jié)果表明：低濃度的復合重金屬污染（Cd2+濃度≤5 mg/L，Pb2+濃度≤500 mg/L，Zn2+濃度≤500 mg/L）對石榴生長有明顯的促進作用，大致表現(xiàn)為鉛+鋅>鎘+鋅，鎘+鉛>鎘+鉛+鋅;石榴對鎘的吸收能力較好，對鉛和鋅的吸收能力相對較弱;石榴在重金屬復合污染下，其各個部位對重金屬的富集受到抑制作用，在高濃度梯度下（Cd2+濃度為50 mg/L，Pb2+濃度為1 500 mg/L，Zn2+濃度為1 500 mg/L）抑制作用更為明顯，具體表現(xiàn)為鎘>鉛>鋅;重金屬污染對石榴從葉轉(zhuǎn)運重金屬到莖再到根有一定的促進作用。石榴在低濃度重金屬污染（Cd2+濃度≤5 mg/L，Pb2+濃度≤500 mg/L，Zn2+濃度≤500 mg/L）中生長旺盛，對鎘、鉛、鋅吸收、富集及轉(zhuǎn)運能力較好，可作為鎘、鉛和鋅復合污染重金屬土壤的修復植物。

關(guān)鍵詞：石榴;重金屬復合污染;吸收能力;富集系數(shù);轉(zhuǎn)運系數(shù)

中圖分類號： X53 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）02-0250-04

我國土壤受鎘（Cd）、鉛（Pb）、鋅（Zn）等重金屬污染的影響越來越明顯，重金屬通過食物鏈富集在人體內(nèi)，危害人類健康[1]。自20世紀90年代至今，植物修復作為一種生物修復方法，因其成本低、對土壤環(huán)境擾動小，越來越受到國內(nèi)外學者的關(guān)注[2-5]。植物修復的核心工作是尋找生物量大的超積累植物，目前國內(nèi)發(fā)現(xiàn)鎘超積累植物寶山堇菜、鋅超積累植物東南景天，國外發(fā)現(xiàn)芥菜對鎘、鉛、鋅等多種重金屬的吸收和富集效果很好。但是目前的研究大多是針對單一重金屬污染土壤的植物修復，而事實上重金屬污染土壤幾乎都是復合型污染，重金屬復合污染土壤對植物修復的要求更高，情況也更復雜。已經(jīng)研究的重金屬復合污染修復以草本為主，如菠菜[6]、蜈蚣草[7]、水芹[8]、甘蔗[9]、彎囊苔草[10]等，木本植物的研究較少。可見植物修復重金屬污染土壤仍任重道遠。

石榴在我國南北方均可栽培，其適應性強，含有豐富的維生素C并且其葉、皮、花、根均可入藥，兼具觀賞和食用雙重價值，是園林常用品種之一。近年來的研究表明，石榴皮可作為一種吸附劑或者低成本的活性炭富集水中鎘、鋅、鉛等重金屬，并且發(fā)現(xiàn)石榴皮與鉛的結(jié)合能力最強[11-12]，而國內(nèi)外缺少石榴修復污染土壤的相關(guān)研究。故本研究以石榴為試驗材料，探討石榴對土壤中鎘、鉛、鋅的積累、富集、轉(zhuǎn)運效果及其生物量變化，深入分析石榴對重金屬復合污染土壤的修復效果，為重金屬復合污染土壤的修復開拓更多方法。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物為石榴嫩枝，供試土壤取樣于天津理工大學校園內(nèi)，并加入營養(yǎng)土（草木灰）按m校園土 ∶ m營養(yǎng)土=10 ∶ 1比例混合。利用盆栽技術(shù)，2016年4月進行石榴枝扦插，在天津理工大學環(huán)安學院3樓露臺開始栽培。測得土壤基本理化性質(zhì)如下：有機質(zhì)含量16.01 mg/kg，pH值6.79，含水率12%。土壤所含鎘、鉛、鋅含量分別為4.18、40.26、142.69 mg/kg。

1.2 試驗方法

試驗設置4種不同類型的鎘、鉛和鋅復合污染，各類型梯度濃度如表1所示。將CdCl2、Pb（NO3）2、ZnSO4分別按濃度梯度配成溶液，均勻混入土中。總計107個內(nèi)徑為26.5 cm的塑料盆，每盆土質(zhì)量5.5 kg。試驗每個處理設置3個重復。本研究以Cd+Zn-1、Cd+Zn-2、Cd+Zn-3、Cd+Zn-4分別代表鎘+鋅復合濃度1 mg/L+100 mg/L、5 mg/L+500 mg/L、20 mg/L+1 000 mg/L、50 mg/L+1 500 mg/L;以Pb+Zn-1、Pb+Zn-2、Pb+Zn-3、Pb+Zn-4分別代表鋅+鉛復合濃度100 mg/L+100 mg/L、500 mg/L+500 mg/L、1 000 mg/L+1 000 mg/L、1 500 mg/L+1 500 mg/L;以Cd+Pb-1、Cd+Pb-2、Cd+Pb-3、Cd+Pb-4分別代表鉛+鎘復合濃度1 mg/L+100 mg/L、5 mg/L+500 mg/L、20 mg/L+1 000 mg/L、50 mg/L+1 500 mg/L;以Cd+Pb+Zn-1、Cd+Pb+Zn-2、Cd+Pb+Zn-3、Cd+Pb+Zn-4分別代表鎘+鉛+鋅復合濃度1 mg/L+100 mg/L+100 mg/L、5 mg/L+500 mg/L+500 mg/L、20 mg/L+1 000 mg/L+1 000 mg/L、50 mg/L+1 500 mg/L+1 500 mg/L。

1.3 樣品處理與測量方法

2016年9月在天津理工大學環(huán)安學院3樓露臺收集石榴葉、莖，測量生物量并測量土壤及植物各部位鎘、鉛、鋅含量;2016年11月在天津理工大學環(huán)安學院3樓露臺收集石榴根，測量根周圍土壤及根部鎘、鉛、鋅含量。將植物樣品用蒸餾水洗凈、晾干，放入100 ℃烘箱內(nèi)烘至恒質(zhì)量，用千分之一電子天平稱干質(zhì)量。烘干的樣品粉碎后過80目尼龍篩呈粉末狀，植物樣品倒入試管中加9 mL硝酸，土壤樣品倒入試管中加9 mL硝酸和1 mL氫氟酸，使用石墨消解儀（型號：SH230，購自濟南海能儀器股份有限公司）進行消解。最后用ICP-OES（即電感耦合等離子發(fā)射光譜儀，型號：VistaISTA-MPX型，購自美國Varian公司）檢測重金屬含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 17.0進行統(tǒng)計分析，用Excel 2007進行圖表處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬復合污染物對石榴地上生物量的影響

生物量可以反映植物對重金屬污染的修復能力[13]。表2統(tǒng)計了不同濃度梯度下重金屬復合污染對石榴地上生物量的影響。可以看出，石榴的地上生物量隨復合污染物濃度的增加整體呈先增后減的趨勢，具體表現(xiàn)為鉛+鋅>鎘+鋅，鎘+鉛>鎘+鉛+鋅。在Zn+Cd-1、Zn+Pb-1、Pb+Cd-2、Cd+Pb+Zn-2處理下分別高于對照組77.57%、307.35%、206.99%、166.91%。隨著污染濃度的增加，石榴地上生物量沒有明顯的增加，在Zn+Cd-3、Zn+Pb-4、Pb+Cd-3、Cd+Pb+Zn-3處理下有明顯的下降。說明低濃度的復合重金屬污染（Cd2+≤5 mg/L，Pb2+≤500 mg/L，Zn2+≤500 mg/L）對石榴生長有明顯的促進作用。重金屬復合污染不同梯度之間的石榴地上生物量差異顯著。

2.2 石榴對土壤重金屬復合污染物的積累

圖1、圖2、圖3分別是石榴在不同復合重金屬污染下根、莖、葉內(nèi)鎘、鉛、鋅含量的統(tǒng)計結(jié)果。植物體內(nèi)天然存在一些重金屬，如鎘含量<3 mg/kg，鉛含量≤70 mg/kg，鋅含量在 1～160 mg/kg 之間[14]。結(jié)果顯示，石榴對鎘的吸收能力較好，對鉛和鋅的吸收能力相對較弱。

由圖1、圖2、圖3可以看出，不同重金屬復合污染下石榴葉片、莖內(nèi)和根部的鎘、鉛、鋅含量整體上隨污染濃度升高呈先增后減的趨勢。

在鎘+鉛+鋅濃度為20 mg/L+1 000 mg/L+1 000 mg/L時，葉片、莖內(nèi)鎘含量出現(xiàn)最大值，分別是對照的5.73、2.05倍;在鎘+鉛濃度為20 mg/L+1 000 mg/L時，葉片鉛含量出現(xiàn)最大值，是對照的4.38倍;在鉛+鋅濃度為1 000 mg/L+1 000 mg/L 時，葉內(nèi)鋅含量出現(xiàn)最大值，是對照的2.49倍。說明石榴在重金屬復合污染濃度增加到一定值時（Cd2+濃度為 20 mg/L，Pb2+濃度為1 000 mg/L，Zn2+濃度為1 000 mg/L），葉片對鎘、鉛、鋅吸收量最大，促進了葉片對重金屬的積累。

在鉛+鋅濃度為1 000 mg/L+1 000 mg/L時莖內(nèi)鉛含量出現(xiàn)最大值，是對照的8.70倍;在鎘+鉛+鋅濃度為 50 mg/L+1 500 mg/L+1 500 mg/L時莖內(nèi)鋅含量出現(xiàn)最大值，是對照的2.43倍。以上結(jié)果與石榴葉片吸收重金屬的情況相似。說明石榴在重金屬復合污染濃度增加到一定值時（Cd2+濃度為 50 mg/L，Pb2+濃度為1 000 mg/L，Zn2+濃度為1 000 mg/L），莖內(nèi)對鎘、鉛、鋅吸收含量較大，促進了莖對重金屬的積累。

在鎘+鉛濃度為1 mg/L+100 mg/L時根部鎘含量出現(xiàn)最大值，是對照的8.64倍;在鉛+鋅濃度為100 mg/L+100 mg/L 時根部鉛含量和鋅含量出現(xiàn)最大值，分別是對照的6.62、6.69倍。在復合重金屬污染下，石榴根部的重金屬含量明顯高于對照，說明復合重金屬污染促進了石榴根部對重金屬的積累。石榴葉、莖、根對鋅的吸收在鎘、鋅復合污染不同濃度梯度下的變化規(guī)律與鎘、鉛、鋅三者復合污染梯度下的變化相似，說明鉛的加入對石榴各部位吸收鋅的影響不大。

與鎘、鉛、鋅兩兩復合污染相比，在3種重金屬復合污染下石榴對鎘、鉛、鋅的吸收量并沒有明顯減少，說明石榴對多種重金屬復合污染有一定的抗性。整體來看，石榴對鎘的吸收表現(xiàn)為葉>莖>根;石榴對鉛的吸收表現(xiàn)為莖>葉>根;石榴對鋅的吸收表現(xiàn)為莖>葉>根。

2.3 石榴對鎘、鉛、鋅的富集能力

富集系數(shù)是指植物體中某元素含量與土壤中相應元素含量之比[13]。表3結(jié)果顯示，石榴葉片對鎘的富集系數(shù)整體上隨復合污染濃度的增加而呈先增后減的趨勢，莖部和根部鎘富集系數(shù)基本上隨復合污染濃度的增加而呈先增后減、先減后增再減或下降的趨勢;石榴葉片、莖部和根部對鉛的富集系數(shù)多數(shù)表現(xiàn)為隨復合污染濃度的增加而呈先減后增再減的趨勢（其他表現(xiàn)為先減后增、先增后減等趨勢）;石榴葉片、莖部對鋅的富集系數(shù)隨鋅隔復合污染濃度的增加而呈下降的趨勢，葉片、莖部對鋅的富集系數(shù)隨鋅鉛復合污染和鎘鉛鋅復合污染濃度的增加而呈先減后增再減、先減后增或先增后減的趨勢，根部富集系數(shù)隨復合污染濃度的增加而呈先減后增的趨勢（除鋅鎘處理）。石榴根部對鎘、鉛、鋅的富集與葉片和莖部相比較差。整體上，石榴富集重金屬的能力表現(xiàn)為鎘>鉛>鋅。在重金屬復合污染下，石榴各部位對重金屬的富集略低于對照。說明石榴在重金屬復合污染下，其各個部位對重金屬的富集受到抑制，高濃度梯度下（Cd2+濃度為50 mg/L，Pb2+濃度為1 500 mg/L，Zn2+濃度為 1 500 mg/L）抑制作用更為明顯。

2.4 石榴對鎘、鉛、鋅的轉(zhuǎn)運能力

轉(zhuǎn)運系數(shù)是地上部分重金屬含量與地下部分重金屬含量之比[15]。由表4可知，石榴莖-葉鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)隨重金屬復合污染濃度的增加而呈先增后減再增或先減后增的趨勢，根-莖鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)隨重金屬復合污染濃度的增加而呈先減后增或先減后增再減的趨勢;石榴莖-葉鉛轉(zhuǎn)運系數(shù)隨鋅鉛復合污染濃度的增加而呈先增后減的趨勢，隨鉛鎘復合污染和鎘鉛鋅復合污染濃度的增加而呈上升的趨勢，根-莖鉛轉(zhuǎn)運系數(shù)隨鋅鉛復合污染和鎘鉛鋅復合污染濃度的增加而呈先減后增的趨勢，隨鉛鎘復合污染濃度的增加而呈先增后減再增的趨勢;石榴莖-葉鋅轉(zhuǎn)運系數(shù)隨重金屬復合污染濃度的增加而呈先減后增的趨勢，根-莖鋅轉(zhuǎn)運系數(shù)隨鋅鎘復合污染濃度的增加而呈先增后減再增的趨勢，根-莖鋅轉(zhuǎn)運系數(shù)隨鋅鉛復合污染濃度的增加而呈先減后增的趨勢，隨鎘鉛鋅復合污染濃度的增加而呈先增后減的趨勢。在重金屬復合污染下，石榴對重金屬的轉(zhuǎn)運能力高于對照，說明重金屬污染對石榴從葉轉(zhuǎn)運重金屬到莖再到根有一定的促進作用。

3 討論與結(jié)論

低濃度的復合重金屬污染（Cd2+濃度≤5 mg/L，Pb2+濃度≤500 mg/L，Zn2+濃度≤500 mg/L）對石榴生長有明顯的促進作用，具體表現(xiàn)為鉛+鋅>鎘+鋅，鎘+鉛>鎘+鉛+鋅。李錚錚發(fā)現(xiàn)，魚腥草在低濃度鋅、鉛復合污染下（Pb2+濃度≤500 mg/L，Zn2+濃度≤500 mg/L）生長良好[16];孟桂元等發(fā)現(xiàn)，苧麻在低濃度鎘、銻、鉛復合污染下（Cd2+濃度≤100 mg/L，Pb2+濃度≤800 mg/L，Sb3+濃度≤100 mg/L）有很強的耐受性[13];趙轉(zhuǎn)軍等發(fā)現(xiàn)，在低濃度鎘、鋅與低濃度的鎘、鋅、鎳復合污染下胡蘿卜生物量有所增長[17]。這是由于低濃度重金屬對植物生長的刺激作用促進了植物的生長。