螯合劑對鬼針草Cd、Zn、Pb和Cu吸收累積的影響

王天順, 陳 偉, 蔣文艷, 楊玉霞, 李曉妤, 王海軍, 廖 潔, 莫磊興

(廣西農業科學院農產品質量安全與檢測技術研究所/農業部甘蔗品質監督檢驗測試中心(南寧)，廣西 南寧 530007)

【研究意義】鬼針草是一種繁殖速度快，抗逆性強的草本植物，在修復土壤重金屬污染中有較大的應用價值。螯合劑可以強化活化土壤中的重金屬，提高富集植物的生物有效利用性，大大促進植物對重金屬的吸收累積。因此，研究螯合劑作用下鬼針草對重金屬的吸收累積狀況，對推動鬼針草在修復重金屬污染土壤中的應用以及充分發揮鬼針草的修復潛力有著重要意義。【前人研究進展】鬼針草對Cd、Zn、Pb和Cu均有一定吸收富集作用，具有修復重金屬污染土壤的潛力[1-2]。而螯合劑作為一種有效誘導活化手段，可強化植物吸收累積重金屬并將其轉移至地上部分，達到降低或修復土壤中重金屬污染的目的，大大提高拓展了植物提取在環境重金屬修復中的應用。目前國內外學者廣泛采用這一手段治理環境土壤污染，比如Saifullah等[3]用ETDA螯合誘導Pb的吸收提取，樊揚帆[4]采用外源螯合劑檸檬酸和NTA誘導苧麻對Cd的提取修復以及張磊和張磊[5]采用不同螯合劑強化棉花Cd的提取修復等，均取得較好效果。【本研究切入點】目前有關螯合劑螯合誘導植物吸收累積重金屬的研究較多，但螯合劑誘導鬼針草修復重金屬復合污染土壤的研究還鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】通過溫室大棚室內盆栽土培試驗，使用Cd、Zn、Pb和Cu復合污染土壤種植鬼針草，探討添加EGTA、NTA和EDDS對鬼針草Cd、Zn、Pb和Cu吸收和轉運的影響，旨在結合利用螯合劑和鬼針草各自特性探索出一種治理土壤重金屬復合污染的高效方法，為植物修復土壤重金屬復合污染的實際應用提供技術依據。

表1 盆栽試驗土壤的基本理化性質

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試盆栽土壤采自廣西玉林鉛鋅礦區周邊某農田0～20 cm耕作層。土壤經風干去除雜物后粉碎，過5 mm篩混勻。供試土壤為Cd、Zn、Pb和Cu復合污染土壤，土壤的基本理化性質如表1所示。鬼針草(BidenspilosaL.)種子采自廣西農業科學院。鬼針草為一年生草本植物，莖直立，高30～100 cm，鈍四棱形。以種子繁殖，發芽適溫為15～30 ℃，喜長于溫暖濕潤氣候區，以疏松肥沃、富含腐殖質的砂質壤土及粘壤土為宜，在廣西中南部地區一年四季均可繁殖、開花、結果。供試試劑為乙二醇二乙醚二胺四乙酸(EGTA)、氨三乙酸(NTA)、乙二胺二琥珀酸(EDDS)，均為分析純。

1.2 桶栽試驗設計

盆栽試驗采用上口徑16 cm、高11 cm和底徑9 cm的塑料樹脂盆，每盆裝土1.0 kg。試驗共設置4個處理，分別為：①CK處理，不添加任何藥劑，作為空白對照；②EGTA處理，添加螯合劑EGTA，濃度為1.0 mmol/kg；③NTA處理，添加螯合劑NTA，濃度為1.0 mmol/kg；④EDDS處理，添加螯合劑EDDS，濃度為1.0 mmol/kg。每個處理3次重復。

試驗于2018年8月1日至10月10日在廣西農業科學院科研大棚內實施。將鬼針草種子經90 %乙醇浸泡消毒后，播種在塑料樹脂盆中，澆適量水保持土壤濕潤，待種子萌發生長15 d后定苗，每盆保留鬼針草幼苗3株。植物生長60 d后分別施加EGTA、NTA和EDDS，為保持螯合劑施加均勻，將螯合劑溶于超純水后再噴灑在土壤表面，螯合劑施加10 d后采收。

1.3 樣品處理與測定

將收獲的植物用超純水沖洗干凈后晾干，稱量其鮮重。然后將植物分成根、莖和葉3部分，于105 ℃下殺青30 min，在65 ℃下烘干至恒重，測定干重。然后用粉碎機將根、莖和葉分別粉碎過100目篩，用H2O2-HNO3法消解。采用PE900T火焰-石墨爐原子吸收分光光度計測定樣品消解液重金屬含量。

1.4 富集系數和轉移系數

富集系數=植株地上部組織重金屬含量/土壤重金屬含量

轉移系數=植株地上部組織重金屬含量/植株根部重金屬含量

1.5 數據分析

采用Excel 2010和SPSS 18.1軟件分別進行數據處理和差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同螯合劑處理對鬼針草植株根莖葉組織內Cd、Zn、Pb和Cu含量的影響

如圖1所示，3種螯合劑的添加使用對鬼針草根莖葉組織Cd含量均產生負面影響，不利于重金屬Cd的吸收累積。與CK比較，施用EGTA、NTA和EDDS后的鬼針草根部Cd含量分別降低了37.4%、31.5 %和24.3 %，莖部Cd含量分別降低了51.5 %、41.7 %和28.4 %，葉部Cd含量分別降低了6.7 %、38.4 %和27.9 %。

圖1 不同處理下鬼針草各部位Cd含量Fig.1 Concentrations of Cd in different parts of Bidens pilosa L. under different treatments

如圖2所示，3種螯合劑對鬼針草根莖葉組織Zn含量影響各異。與CK比較，螯合劑EGTA的使用使鬼針草葉部Zn含量降低了18.9 %，但其莖部和根部Zn含量分別提高了13.9 %和55.6 %；螯合劑NTA的使用使鬼針草葉部和莖部Zn含量分別降低了45.4 %和40.3 %，但其根部Zn含量提高了5.6 %；螯合劑EDDS的使用使鬼針草葉部和根部Zn含量分別降低了21.9 %和11.5 %，但其莖部Zn含量提高了19.6 %。

如圖3所示，3種螯合劑對鬼針草根莖葉組織Pb含量影響各異。與CK比較，施用EGTA、NTA和EDDS后的鬼針草葉部Pb含量分別降低了14.8 %、44.7 %和30.0 %；莖部Pb含量分別降低了16.1 %、39.3 %和14.7 %；根部Pb含量分別提高了82.2 %、355.1 %和446.5 %。

圖2 不同處理下鬼針草各部位Zn含量Fig.2 Concentrations of Zn in different parts of Bidens pilosa L. under different treatments

圖3 不同處理下鬼針草各部位Pb含量Fig.3 Concentrations of Pb in different parts of Bidens pilosa L. under different treatments

圖4 不同處理下鬼針草各部位Cu含量Fig.4 Concentrations of Cu in different parts of Bidens pilosa L. under different treatments

如圖4所示，3種螯合劑的添加使用對鬼針草根莖葉組織Cu含量均產生積極影響，有利于重金屬Cu的吸收累積。與CK比較，施用EGTA、NTA和EDDS后的鬼針草根部Cu含量分別提高了68.3 %、101.3 %和285.0 %；莖部Cu含量分別提高了156.5 %、4.3 %和17.4 %；葉部Cu含量分別提高了106.8 %、11.3 %和161.7 %。

2.2 不同螯合劑處理對鬼針草生物量的影響

螯合劑作用下植物對重金屬的吸收累積總量，不僅與植株組織內單位質量的富集濃度有關，還與植株本身的生物量密切相關。植株生物量越大，則重金屬的吸收富集量就越大。圖5表明，3種螯合劑的施加使用均促進了鬼針草的生長，其鮮重均呈現不同程度的增加。其中EDDS作用下鬼針草的生物量最大，與對照CK比較生物量提高了24.9 %；EGTA作用下次之，與對照CK比較生物量提高了20.2 %；NTA作用下生物量提高了18.3 %。螯合劑施加到土壤中，除了影響土壤中重金屬的活性外，同時還影響土壤中氮、硫、磷等營養元素有效性，進而促進植物的吸收利用；而且低濃度的螯合劑與土壤中的重金屬發生螯合作用，還可以緩解重金屬對植物細胞組織的毒害作用，兩者皆有利于植物的生長發育。

2.3 不同螯合劑處理對鬼針草Cd、Zn、Pb和Cu吸收量的影響

螯合劑作用下鬼針草對Cd、Zn、Pb、Cu吸收量的影響如表2所示。不同處理下，鬼針草對Cd、Zn、Pb、Cu吸收范圍分別282.9～331.0、8171.0～11 845.5、466.9～1989.6和32.1～124.8 μg /盆。與CK比較，螯合劑EGTA、EDDS對鬼針草吸收Cd影響差異不顯著(P>0.05，下同)，1.0 mmol/kg NTA的施用甚至產生了負面影響，減少了鬼針草對Cd的吸收。除NTA對鬼針草Zn吸收提升不顯著外，螯合劑EGTA、EDDS作用下均顯著提升了鬼針草對Zn吸收量(P<0.05，下同)；3種螯合劑作用下均顯著提升了鬼針草對Pb和Cu吸收量，其中EGTA作用下鬼針草Zn吸收量最大為11 845.5 μg /盆，是CK的1.45倍；NTA、EDDS作用下鬼針草Pb、Cu吸收量最大分別為1989.6和124.8 μg /盆。

圖5 不同螯合劑處理下鬼針草的生物量Fig.5 Biomass of Bidens pilosa L. under treatments of different chelators

表2 螯合劑對鬼針草Cd、Zn、Pb和Cu吸收量的影響

注：同列不同小寫字母表示處理間達到0.05水平顯著差異。

Note: Different small letters in the same column mean significant difference with different treatments atP<0.05.

2.4 不同螯合劑處理對鬼針草Cd、Zn、Pb、Cu富集系數和轉移系數的影響

如表3所示，對于重金屬Cd不同處理下，鬼針草葉部和莖部富集系數分別為7.15～11.60和1.69～3.49，表明鬼針草能有效的吸收累積土壤中的Cd；鬼針草葉部和莖部轉移系數分別為0.82～1.36和0.21～0.28，但除施加EGTA提高了鬼針草葉部的轉移系數外，3種螯合劑的施加均減小了鬼針草葉部、莖部對Cd的富集系數和轉移系數。

對于重金屬Zn 不同處理下，鬼針草葉部和莖部富集系數分別為2.73～5.00和0.83～1.66，表明鬼針草能有效的吸收累積土壤中的Zn，3種螯合劑的施加減小了葉部的富集系數，施加NTA也減小了莖部的富集系數，與CK比較減小了40.4 %，但EGTA和EDDS的施加效果相反，提高了莖部的富集系數，較CK分別提高了13.9 %和19.6 %。鬼針草葉部和莖部轉移系數分別為0.35～0.68和0.11～0.25，3種螯合劑的施加均減小了葉部的轉移系數，施加EGTA和NTA同時也減小了莖部的轉移系數，較CK分別減小了26.8 %和43.5 %，但EDDS的施加提高了莖部轉移系數，較CK提高了35.2 %。

表3 螯合劑對鬼針草Cd、Zn、Pb和Cu富集系數和轉移系數的影響

注：IF為轉移系數，BCF為富集系數。

Note: IF is the translocation factor, BCF is the bioconcentration factor.

對于重金屬Pb不同處理下，鬼針草葉部和莖部富集系數分別為0.04～0.06和0.09～0.15，鬼針草葉部和莖部轉移系數分別為0.01～0.10和0.03～0.23，但3種螯合劑的施加均減小了鬼針草葉部、莖部對Pb的富集系數和轉移系數。其中NTA鬼針草轉移系數的減小作用最為明顯，與CK比較葉部和莖部最大減幅分別為87.9 %和86.8 %。

對于重金屬Cu不同處理下，鬼針草葉部和莖部富集系數分別為0.47～1.23和0.16～0.42，3種螯合劑的施加均提高了葉部和莖部的富集系數，與CK比較葉部和莖部最大提高分別為161.7 %和156.5 %。鬼針草葉部和莖部轉移系數分別為0.25～0.54和0.05～0.23，施加NTA和EDDS減小了葉部和莖部的轉移系數，與CK比較葉部和莖部最大減幅小分別為44.7 %和69.5 %，但EGTA的施加提高了葉部和莖部的轉移系數，與CK比較葉部和莖部最大增幅分別為22.8 %和52.4 %。

3 討 論

植物吸收累積重金屬，其生物量尤其是地上部生物量是衡量植株吸收累積效率的極其重要的生理指標之一。施加螯合劑處理后對植物產生了兩方面影響，一是螯合劑活化土壤中的重金屬，植物吸收大量重金屬后產生毒性抑制植物生長，導致生物量下降[6]；二是在螯合劑施用后，通過復雜的生物、化學物理反應及植物系統緩解了重金屬對植物的毒性[7]，促進了植物的生長[5]。不同螯合劑對植物生長的不同影響可能與土壤微生物、植物種類、螯合劑種類及施用量、土壤重金屬含量以及土壤pH等有關。本研究中，EGTA、NTA和EDDS的施用均促進了鬼針草的生長，這與張磊和張磊[5]、景琪等[8]研究結果有相似之處。本研究發現，3種螯合劑的施用，降低了對植物生理毒性最大的Cd在鬼針草根莖葉中的質量含量，這可能是生物量提高的關鍵所在。楊波等[9]研究表明，適量的EDDS施用可以促進鬼針草幼苗的生長，這與本研究的結果一致，但楊波的研究結果也表明，施加0.5～1.5 mmol/L EDDS同時增加了鬼針草根莖葉中Cd含量，這與本研究發現的EGTA、NTA和EDDS的施用降低了鬼針草根莖葉中Cd含量剛好相反，可能與本試驗使用的土壤呈酸性有關，大量研究表明螯合劑作用于堿性土壤時，對重金屬的強化作用效果較好，對酸性土壤的活化作用不明顯[10]。

螯合劑可與土壤中重金屬發生螯合作用，增強重金屬的活性，提高植物對重金屬的吸收有效性[11-12]。本研究結果表明，EGTA、NTA和EDDS作用下，除鬼針草對試驗土壤中Cd的吸收累積量影響不顯著外，這與Tandy等[13]研究發現的EDDS不會促進重金屬復合污染土壤中向日葵對Cd的吸收結果類似，Evangelou等[14]研究施用1.5 mmol/kg EDDS對煙草地上部吸收土壤中的Cd沒有顯著提高，熊國煥等[15]研究發現EDDS也沒有顯著提高大口葉邊草地上部對Cd的吸收，這與本研究結果相符。土壤中的Zn、Pb、Cu吸收累積量較對照均有顯著提升。對于重金屬Cu，3種螯合劑處理下，鬼針草根部、莖部、葉部和總的Cu積累量均高于對照，而且葉部和莖部Cu富集系數較對照均有提高，在EGTA作用下，Cu轉運系數也有較大提升。適宜的螯合劑可以增加土壤中重金屬的活性，從而促進植物地上部對重金屬的吸收和積累[16-17]，本研究發現在Cd、Zn、Pb和Cu復合存在下，施用1.0 mmol/kg EGTA、NTA和EDDS，鬼針草根部Pb和Cu的含量和累積量顯著高于對照。

Kayser等[18]研究結果表明，在堿性土壤中施加NTA和EDDS較對照使土壤中植物有效態Zn、Cd和Cu的含量分別提高了21、58和9倍，植物地上部重金屬的含量也提高了2～3倍；Tandy等[13]研究了在復合污染土壤上，EDDS的施用對向日葵提取修復Cu、Zn、Pb有強化作用，結果表明，投加了10 mmol/kg EDDS顯著促進了向日葵地上部重金屬的積累，這些均與本研究的結論類似。大量研究表明，EDDS具有更強的溶解土壤中Cu和強化植物積累Cu的能力，同時金屬-EDDS絡合物更有利于植物的吸收[19-22]。樊揚帆等[6]研究表明，NTA的應用能促進苧麻的生長和提高Pb在苧麻體內的積累。植物吸收累積重金屬的效果，既與螯合劑和重金屬的絡合能力有關，又與植物種類密切相關[23]，其中Pb-EDDS絡合物有較穩定的絡合系數[24]，其次是Pb-NTA和Pb-EGTA，說明EDDS比NTA、EGTA具有更強的溶解土壤Pb和增加植物吸收累積Pb的能力，本研究結果及熊國煥等[15]研究結果也證明了這一點。從NTA和EDDS提升了鬼針草根部Pb含量，但對葉部及莖部影響不顯著的結果來看，螯合劑和鬼針草可聯合使用，作為污染土壤中Pb的植物固定修復，這與Zhao等[25]的研究有類似之處。

在土壤環境中施加有機螯合劑，除了可以活化絡合重金屬外，還能增加這些重金屬及營養元素鈣鎂鐵等的淋溶，伴隨著自然降雨及水利澆灌，可能會直接或間接導致重金屬及營養元素向河水或地下水流失遷移，給水資源帶來污染風險。本研究施用的3種螯合劑在環境中均有時間不等的半衰期。EDDS和NTA是易被降解的螯合劑，研究表明EDDS在土壤中28 d即可完全降解，NTA在土壤中21 d即可完全降解。盡管螯合劑的施用可以活化土壤中的重金屬，提高重金屬的生物有效性，從而促進植物對重金屬的吸收累積，但螯合劑作為外源物質添加到土壤環境中，或多或少將影響土壤的結構、肥力、微生物菌落等，會給環境帶來潛在污染風險。因此，在實際的利用中應充分考慮土壤類型、pH值、有機質含量及重金屬含量后確定最合適的施加劑量，從而最大程度發揮螯合劑的積極影響。鑒于研究時間有限，本研究目前只考察了低劑量的3種螯合劑對土壤中Cd、Zn、Pb、Cu的影響作用，今后可從螯合劑不同劑量梯度以及其作用下重金屬在土壤中各種形態變化、重金屬在鬼針草根莖葉細胞組織的細胞分布等角度進一步加強研究。

4 結 論

低劑量螯合劑的施用均促進了鬼針草的生長，提升了鬼針草地上部的生物量，3種螯合劑處理促進鬼針草生長的作用效果順序為：EDDS>EGTA>NTA。在Cd、Zn、Pb和Cu復合存在下pH為6.0的酸性土壤中，EGTA對鬼針草Zn吸收累積的促進效果最好，NTA對鬼針草Pb吸收累積的促進效果最好，EDDS對鬼針草Cu吸收累積促進效果最好。EGTA作用下鬼針草葉部及莖部對Cu的富集系數和轉移系數均高于對照，說明EGTA能有效促進Cu在鬼針草體內的富集及轉運。