鉛、鋅脅迫下齒果酸模的富集特征

晏金鮮,李金輝*,羅帆,孫蓉,吳婷婷,莫佑詢,張澤敏,翁貴英

(1.六盤水師范學院 化學與材料工程學院,貴州 六盤水 553004;2.六盤水師范學院 生物科學與技術學院,貴州 六盤水 553004)

在快速發展的工業化進程中,重金屬污染由于其難降解、毒性危害大,已對人民健康、食品安全、生態環境和農林業的可持續發展都造成了嚴重危害[1]。鉛、鋅兩種重金屬元素主要通過雨水沖刷和工業廢水進入水循環,經食物鏈富集,先對各種生物造成傷害,進而威脅人類的生命健康[2]。鉛對人體的危害作用是多方面的,由于其移動性差,極易在生物體內及土壤環境富集,對生物體造成極高的危害性,被認定為毒性最強的環境污染物之一。鋅是維持人體健康、促進人體生長發育的必需微量元素,缺鋅會導致人體免疫力下降、發育不良等問題,但攝入過量的鋅也會對人身體健康造成傷害,大量吸入或誤服鋅鹽會出現嘔吐、食欲不振、腹痛等癥狀,在人體內長期富集會降低人體免疫力,影響人體膽固醇代謝,造成高膽固醇血癥,甚至導致高血壓、冠心病、不孕癥等[3]。植物修復技術與常規的物理化學修復方法相比,具有對土壤結構無破壞、不產生二次污染物、成本低等優點,當前已成為熱門的重金屬污染修復技術,特別是利用快速生長的超富集植物修復重金屬污染具有較好的應用前景[4]。其修復土壤污染的作用機理主要是利用超富集植物對土壤中重金屬元素的吸收,將重金屬累積移出土壤,從而達到減輕土壤重金屬污染的目的。

酸模屬(Rumex)植物在我國有26種,2變種,在多個省份均有生長。齒果酸模(RumexdentatusL.)為蓼科酸模屬下的一個種,產于華北、華東、華中、西北、云南、貴州及四川等地,多年或一年生草本植物,生于溝邊濕地、山坡路旁,生長海拔為30～2 500 m。齒果酸模于自然界分布廣泛,生長速度快,對土壤的適應范圍較廣,有非常強的抗逆性。目前已有關于酸模屬植物富集重金屬的研究報道,小酸模(RumexacetosellaL.)對鋅有較強的富集能力[5];尼泊爾酸模(RumexnepalensisSpreng.)對鉛有較強的富集能力和抗性,為鋅的耐性植物,同時對鈾礦修復區鈾多金屬脅迫具有良好的吸附性能與耐受性[6-7];酸模(Rumexacetosa)可作為Cd污染土壤的修復植物[8];巴天酸模(RumexpatientiaL.)能夠修復重金屬Cu、Pb和Zn污染土壤[9];皺葉酸模對耕地土壤重金屬Cd和As有一定修復效果[10]。目前未見齒果酸模對鉛、鋅的富集特征相關研究。本研究采用盆栽試驗,研究在單一鉛、鋅濃度和復合鉛、鋅濃度脅迫下,齒果酸模對鉛、鋅的富集與轉移的特征,探究其修復鉛、鋅污染土壤的效果,旨在為鉛、鋅污染土壤修復治理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗土壤:采自貴州省六盤水師范學院龍山,由黃棕壤與腐殖土構成,其中鉛的背景值為150.5 mg·kg-1,鋅的背景值362.2 mg·kg-1。土壤取回后,置于陰涼通風處自然晾干,過2 mm尼龍篩后保存備用。齒果酸模種子于2022年8月采自貴州省六盤水市鐘山區明湖國家濕地公園。

試驗儀器:原子吸收分光光度計(iCE3500,美國Thermo Fisher公司),微控數顯電熱板(EG5B,北京萊伯泰科儀器有限公司),電子天平(ME104,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司),電熱鼓風干燥箱(101型,北京科偉永興儀器有限公司),手提式粉碎機(DFT-200A,溫嶺市林大機械有限公司)等。

試驗試劑:Pb和Zn 單元素標準溶液(1 000 μg·mL-1,國家有色金屬及電子材料分析測試中心);HNO3、HCl、HClO4、HF為優級純;Pb(NO3)2和ZnSO4·7H2O為分析純。

1.2 試驗設計

盆栽試驗處理見表1。P代表不同濃度鉛處理:P0(0 mg·kg-1)、P1(100 mg·kg-1)、P2(200 mg·kg-1)、P3(400 mg·kg-1)、P4(800 mg·kg-1);Z代表不同濃度鋅處理:Z0(0 mg·kg-1)、Z1(100 mg·kg-1)、Z2(200 mg·kg-1)、Z3(400 mg·kg-1)、Z4( 800 mg·kg-1);對照為P0Z0(CK)。

表1 盆栽實驗設計表

供試花盆中每份等量裝入5 kg試驗土壤,按表1加入不同濃度的鉛、鋅處理液,將試驗土壤混合均勻,每份試驗土壤重復處理3次。15 d后,用去離子水浸泡齒果酸模種子24 h,每盆栽種40粒。待齒果酸模幼苗長出2片真葉后,每盆留3～5株長勢良好的植株,待其自然生長,90 d后整株取樣,進行有關指標測定。

1.3 樣品處理和分析

齒果酸模植株取樣后依次用自來水、去離子水沖洗干凈,晾干水分,分成地上部分與地下部分,于70 ℃電熱鼓風干燥箱中烘至質量恒定,用粉碎機粉碎后過0.3 mm孔徑尼龍篩保存備用。土壤樣品風干后,采用四分法采樣,用瑪瑙研缽研細后過0.15 mm孔徑尼龍篩保存備用。

稱取0.300 0 g植物樣品,采用HNO3-HClO4混合消解至無色,冷卻后,用1% HNO3定容至50 mL容量瓶中作為待測液。稱取0.300 0 g土壤樣品,依次采用HCl、HNO3、HF、HClO4混合消解至樣品溶液為無色,冷卻后,用1% HNO3定容至50 mL容量瓶中作為待測液。同時作植物與土壤的樣品空白,采用原子吸收分光光度計分別測定各待測液鉛、鋅濃度。按公式(1)、(2)計算各部分對鉛、鋅的富集系數、轉移系數。

富集系數(BCF)= 植物體中各部分重金屬含量/土壤中重金屬含量(根際)

(1)

轉移系數 (TF) = 地上部分重金屬含量/地下部分重金屬含量

(2)

植物對重金屬元素的富集特征通常用富集系數(BCF)和轉移系數(TF)來體現,富集系數越大,表明植物從土壤富集重金屬能力越強;轉移系數越大,植物從地下部分轉移到地上部分的重金屬可移動性越強,越有利于修復[11]。

1.4 數據處理分析

采用Excel 2016進行數據處理分析。

2 結果與分析

2.1 在不同濃度鉛、鋅脅迫下齒果酸模對鉛鋅的富集

2.1.1 齒果酸模鉛的富集

由表2可知,在單一濃度鉛與復合濃度鉛鋅的脅迫下,齒果酸模地上部分對鉛的富集量為20.28～41.05 mg·kg-1,地下部分對鉛的富集量為4.79～24.92 mg·kg-1,在 P4Z0(Pb 800 mg·kg-1、Zn 0 mg·kg-1) 脅迫處理下,齒果酸模地上部分和地下部分對鉛的富集量最大,分別為41.05,24.92 mg·kg-1,大于P4Z4(Pb 800 mg·kg-1、Zn 800 mg·kg-1) 的富集量28.83,19.03 mg·kg-1,表明施鋅不能增加齒果酸模地上部分和地下部分對鉛的富集。

表2 齒果酸模在不同濃度鉛、鋅脅迫下對鉛的富集量

2.1.2 齒果酸模鋅的富集

由表3可知,在單一濃度鋅與復合濃度鉛鋅的脅迫下,地上部分對鋅的富集量為 85.10～951.00 mg·kg-1,地下部分對鋅的富集量為74.10～302.70 mg·kg-1。在P1Z4(Pb 100 mg·kg-1、Zn 800 mg·kg-1) 脅迫處理下,齒果酸模地上部分和地下部分對鋅的富集量最大,分別為 951.00,302.70 mg·kg-1,大于P0Z4(Zn 800 mg·kg-1)脅迫處理下的富集量684.80,256.60 mg·kg-1;施加適量鉛能促進齒果酸模地上部分、地下部分對鋅的富集,當施鉛 100 mg·kg-1時地上部分最有利于鋅的富集。

表3 齒果酸模在不同濃度鉛、鋅脅迫下對鋅的富集量

表3(續)

2.2 齒果酸模對鉛、鋅富集系數與轉移系數

2.2.1 齒果酸模鉛的富集系數與轉移系數

由表4可知,齒果酸模地上部分對鉛的富集系數為0.02～0.21,富集系數最大為0.21;地下部分對鉛的富集系數為0.01～0.07,富集系數最大為0.07。齒果酸模地下部分和地上部分對土壤中鉛的富集系數都小于1,表明在單一鉛與混合鉛鋅的脅迫下,齒果酸模地下部分和地上部分對鉛的富集能力都較弱。齒果酸模對鉛的轉移系數為1.16～4.81,在單一施鉛條件下,隨著鉛濃度的升高,轉移系數先增加后減小,且轉移系數均大于1;在P1Z2(Pb 100 mg.kg-1、Zn 200 mg.kg-1)脅迫處理下,齒果酸模對鉛轉移系數最大為4.81,其他轉移系數均大于1,表明齒果酸模有較強的轉移能力,但其從土壤中富集鉛的能力較弱。

2.2.2 齒果酸模鋅的富集系數與轉移系數

由表4可知,齒果酸模地上部分對鋅的富集系數為0.11～0.73,在P1Z4(Pb 100 mg·kg-1、Zn 800 mg·kg-1) 脅迫處理條件下,富集系數最大,為0.73,大于單一施鋅脅迫處理P0Z4(0.61),大于CK( 0.16);齒果酸模地下部分對鋅的富集系數為0.16～0.32,在P0Z1(Pb 0 mg·kg-1、Zn 100 mg·kg-1)脅迫處理條件下,齒果酸模地下部分對鋅的富集系數最大,為0.32。齒果酸模對鋅的轉移系數為 0.48～3.53,在P3Z4(Pb 400 mg·kg-1、Zn 800 mg·kg-1) 脅迫處理下,轉移系數最大,為3.53,大于CK (0.79),表明齒果酸模在較高濃度鉛的脅迫下,轉移鋅的能力增強。

表4 齒果酸模對鉛、鋅富集系數與轉移系數

3 結論

超富集植物首次由Brooks于1977年提出,植物能夠把土壤中重金屬超量積累,并且將重金屬轉移至植物地上部分,植物重金屬富集量大于一般植物對重金屬富集量的100倍,而且不影響植物自身的正常生理活動[12]。本試驗中,齒果酸模對鉛的轉移系數在P1Z2處理下最大,為4.81,其余處理下,齒果酸模對鉛的富集系數都小于1,轉移系數都大于1;齒果酸模對鋅的富集系數都小于1,在P3Z4脅迫處理下,齒果酸模對鋅的轉移系數最大,為3.53。表明齒果酸模富集鉛、鋅的能力較弱,轉移鉛、鋅的能力較強。同時在試驗設計的鉛、鋅濃度范圍內,齒果酸模自身的正常生理活動未受到影響,未表現明顯的毒害癥狀,表明其在單一濃度和復合濃度鉛、鋅脅迫下具有一定的耐受性,有較好的轉移能力,可以用于修復治理鉛鋅污染土壤。