萬山和丹寨汞礦區24種野生植物鉬富集特征

茍體忠,申敏,徐玉平,孫大方

(凱里學院 理學院,貴州 凱里 556011)

鉬(Mo)是動植物必需的微量重金屬元素之一[1]。鉬缺乏會導致鉬酶活性降低、氮饑餓反應、莖和葉發育受阻、葉枯斑病、種子發育不良、坐果率降低等癥狀[2]。Mo超標會導致人智力發育遲緩、骨骼生長抑制、神經異常等癥狀[3]。現代的工業活動使大量 Mo 排放于土壤環境中,導致Mo在土壤中富集,經食物鏈放大并進入人體,危害人體健康[4]。因此,對Mo污染土壤的修復已迫在眉睫。物理或化學修復技術因成本較高、操作復雜,不利于大面積Mo污染土壤的治理。植物修復技術不但成本低、環境友好,而且能將土壤中的Mo永久性地去除。植物修復是指利用植物去除土壤重金屬的技術。植物修復包括:(1)植物萃取[5]-利用金屬積累植物去除土壤中的重金屬;(2)植物固定[6]-利用植物降低土壤中有毒金屬的生物利用度;(3)植物揮發[7]-利用植物去除土壤中的揮發性重金屬;(4)根際吸收[8]-利用植物根系去除污染水體中的有毒金屬。其中,利用超富集植物消除土壤中的重金屬是最有前景的修復技術[9]。超富集植物必須具備以下3個條件:(1)BCF>1,BTF>1[10];(2)植物體內重金屬含量達到指定的量,如超富集Mo的含量標準為50 mg/kg[11];(3)在污染土壤中生長良好且生物量大[12]。目前已確認的重金屬超富集植物有400多種[13]。然而大多數重金屬超富集植物生長周期較長且生物量小,不利于對大面積重金屬污染土壤的治理[14]。因此,尋找適合本地污染土壤生長、更理想的重金屬超富集植物是植物修復技術的關鍵[15]。鑒于此,本研究采集了萬山和丹寨汞礦區13科24種野生植物及其根際土壤樣品(見表1)并分析其Mo含量,采用生物富集系數(Bioconcentration factors,BCF)[16]和生物轉移系數(Biological tanslocation factors,BTF)[17]對研究區植物的Mo富集能力進行評價,旨在篩選出一些對Mo具有富集能力的植物,以期為礦區Mo污染土壤的修復提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析方法

野生植物及其根際土壤樣品于2018年7月分別采自分別萬山汞礦區和丹寨汞礦區。植物樣品采用“多點”取樣,將植物樣品洗凈,冷凍干燥至恒重,并粉碎至200目(粒徑0.074 mm),待用。

根際土壤樣品采用“多點”采樣,經風干后用木棍壓碎,過200目(孔徑0.074 mm)篩,待用。

土壤和植物樣品Mo分析由南京聚譜檢測科技有限公司參照文獻[18]完成,并采用BHVO-2標準樣品進行質量控制,其測定值與推薦值吻合。

1.2 評價方法

1.2.1 染指數法

為了評價Mo的污染程度,本研究采用單項污染指數法(PI)對研究區土壤Mo污染進行評價[19],其計算公式為:

PI=S/B

(1)

式中S表示土壤樣品Mo的實測值,B表示土壤Mo的背景值,選擇貴州省土壤Mo(2.4 mg/kg)的背景值作為Bi[20]。污染程度分級為:PI≤1為無污染;15為重度污染[21]。

1.2.2 生物富集系數(BCF)

生物富集系數是指植物地上部分或根部重金屬含量與土壤重金屬濃度的比值,是衡量植物重金屬富集能力的一個重要指標[22]。其計算公式如下:

(2)

(3)

BCFshoot為植物地上部分生物富集系數;BCFroot為植物根部生物富集系數;Wshoot為植物地上部分Mo質量含量;Wroot為植物地上部分Mo質量含量;Wsoil為根基土壤中Mo質量含量。當BCF>1時,植物體內Mo質量含量大于土壤,對Mo具有富集能力,可用于土壤Mo污染修復。

1.2.3 生物轉運系數(BTF)

生物轉運系數是指地上部分重金屬質量含量與根部重金屬質量含量之比,反映植物對重金屬的轉運能力[23]。其計算公式如下:

(4)

Wshoot為植物地上部分Mo質量含量;Wroot為植物地上部分Mo質量含量。當BTF>1時,植物易將根部吸收的Mo輸送到地上部分,地上部分大量吸收Mo,通過植物提取的方式,可以治理Mo污染的土壤。當BTF<1時,植物具有耐受性,根部吸收了大部分Mo,防止Mo向地上部分遷移,可降低Mo引起的毒性[24]。

2 結果與分析

2.1 土壤Mo污染評價

萬山和丹寨汞礦區土壤Mo質量含量見表2。從表2可見,萬山汞礦區土壤Mo含量變化在1.80～7.11 mg/kg之間,平均值為3.89 mg/kg;丹寨汞礦區植物根際土壤Mo質量含量變化在1.43～9.32 mg/kg之間,平均值為4.85 mg/kg。以貴州省土壤Mo背景值為評價標準,其評價結果見圖1,分析結果表明:萬山汞礦區植物根際土壤Mo的PI值變化在0.7～3.0之間,平均值為1.6,土壤總體表現為輕度Mo污染;丹寨汞礦區植物根際土壤Mo的PI值變化在0.6～3.9之間,平均值為2.0,土壤總體表現為輕度Mo污染。

圖1 土壤Mo的PI值

表2 土壤Mo含量和PI值

2.2 植物中的重金屬含量

不同植物種類以及同一植物不同部位Mo含量差異較大(見表3),從表3可見,24種植物根部Mo含量變化在0.20～53.38 mg/kg之間,平均值為6.04 mg/kg,其中,長波葉山螞蟥根部Mo含量最大,芒次之;地上部分Mo含量變化在0.16～44.29 mg/kg之間,平均值為7.46 mg/kg,其中長波葉山螞蟥地上部Mo含量最大,其含量達53.38 mg/kg,已達超富集Mo植物標準(50 mg/kg[11]),芒次之。總體上,24種植物中Mo含量均高于正常植物(0.2 mg/kg[25])。此外,研究結果還表明,Mo在植物不同部位的含量呈現一定的規律性,即葉>地上部分>根部>莖,Mo在植物根部、莖、葉和地上部分呈現“N”型配分模式(見圖2)。

圖2 Mo在植物不同部位中的含量

表3 植物中的Mo含量

2.3 植物重金屬富集及遷移特征

土壤重金屬的植物提取潛力可以用生物轉移系數(BTF)和生物富集系數(BCFshoot和BCFroot)進行評價[26]。在本研究中植物對重金屬的吸收機制可分為3類:(1)富集型(Shoot accumulators):BCFshoot>1,BTF>1;(2)根部囤積型(Root compartments):BCFroot>1,BTF<1;(3)規避型(Excluders):BCFroot<1,BCFshoot<1[27-28]。

24種植物的生物富集系數和轉移系數見表4,結果顯示,水麻、葛、芒、龍葵、商陸、苧麻和鳳尾蕨中Mo的BCFshoot>1,BTF>1,符合富集型植物特征,屬于富集型植物;金絲草、長波葉山螞蟥和鬼針草中Mo的BCFroot>1,BTF<1,符合根部囤積型特征,屬于根部囤積型植物;藜、鉆葉紫菀、鱗毛蕨、醉魚草、蒼耳、假酸漿、木藍、刺莧、六月雪、魔芋、菊芋、鹽麩木、牛膝和苔草中Mo的BCFroot<1,BCFshoot<1,符合規避型植物特征,屬于規避型植物。此外,研究結果還顯示,大多數植物中Mo的BTF>1,表明Mo在植物中具有較強的轉移能力。

表4 Mo在植物中的BCF和BTF

3 結論

(1)萬山和丹寨汞礦區土壤已被Mo輕度污染。

(2)Mo在植物不同部位的含量呈現一定的規律性,即葉>地上部分>根部>莖,Mo在植物根部、莖、葉和地上部分呈現“N”型配分模式。

(3)水麻、葛、芒、龍葵、商陸、苧麻和鳳尾蕨屬于富集型植物;金絲草、長波葉山螞蟥和鬼針草屬于根部囤積型植物;藜、鉆葉紫菀、鱗毛蕨、醉魚草、蒼耳、假酸漿、木藍、刺莧、六月雪、魔芋、菊芋、鹽麩木、牛膝和苔草,屬于規避型植物。