螯合剂与表面活性剂强化东南景天修复Cd污染土壤的研究

石旻飞　李晔　袁江等

摘要 通过盆栽试验，研究了螯合剂与表面活性剂混合添加对东南景天修复重金属Cd污染土壤的影响。结果表明：螯合剂EDTANa2与表面活性剂SAA的使用能促进土壤中的Cd由可还原态、可氧化态、残渣态向酸溶态转化，提高重金属的生物有效性，同时还能促进东南景天吸收Cd，强化植物修复的效果。在植物收割前7 d，当添加pH为7的TX100以及4.0 mmol/kg EDTANa2（即A2B2C2D2E1）时，植物生物量较好，植物吸收重金属Cd含量较高，植物修复效果较好。这就是最佳试验组。

关键词 重金属；东南景天；EDTA；表面活性剂

中图分类号 S14 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）20-099-04

Abstract This study examines the remediation of Cd contaminated soil.A pot trial based research strategy is adopted to identify how Sedum alfredii Hance can influence the remediation which is added by mixed chelator and surfactant.The results indicated that the use of chelator EDTANa2 and surfactant SAA can promote the transformation of Cd from the reducible state，the oxidable state or the residual state to the acid soluble state.Consequently，it improves the bioavailability of the heavy metals，promotes the absorption of Cd by Sedum alfredii Hance and enhances the effect of phytoremediation.To add TX100of pH 7 and EDTANa2 of 4.0 mmol/kg （A2B2C2D2E1） seven days before the plant harvest，plant biomass is better and plant absorption of heavy metal Cd content is higher，and the phytoremediation effect is better.

Key words Heavy metals； Sedum alfredii Hance； EDTA； Surfactant

隨着人们对食品安全的重视，农业土壤重金属污染问题已越来越受人们的关注。李鹏等[1]调查显示，某冶炼厂周边土壤的重金属Cd污染属严重污染。因此，预防和修复土壤重金属污染已迫在眉睫。植物修复技术有着良好的经济性和环境友好性，已受到研究人员的广泛关注。这是土壤重金属修复领域的一大热点[2]。植物修复最常用的是植物提取，指将土壤中的重金属超量积累且转移到植物地上部可刈割部分的一种方法。这种方法能够达到永久去除土壤中重金属的目的[3]。矿山型东南景天是一种在我国东南部某铅锌矿发现的Zn、Cd超级累植物，能超量吸收土壤中的Cd，且具有易繁殖、能多年生、适于刈割等特点，是理想的植物修复材料[4]。

螯合剂强化植物修复原理是在投加螯合剂进入土壤后，土壤中的重金属发生螯合作用，进而形成水溶性金属——螯合剂络合物，改变重金属在土壤中赋存的形态，提高重金属的生物有效性，从而强化植物对靶重金属的吸收[5-7]。表面活性剂的增容、增流等特性可以使重金属以络合物、螯合物的形态在土壤溶液中存在。这些形态都极易流动，使其有效性提高，促进植物的吸收，达到提高修复效率的目的[8]。王莉玮等[9-10]研究表明，联合使用螯合剂和表面活性剂，通过它们对土壤重金属活化效果以及表面活性剂强化植物根系对重金属螯合物的透性作用，显著提高植物对重金属的吸收以及向地上部的转运量。

前人研究未涉及在不同时间添加不同pH的螯合剂、表面活性剂混合试剂对东南景天超级累重金属的影响。通过探索东南景天对螯合剂及表面活性剂的耐受能力以及联合使用螯合剂与表面活性对东南景天超积累重金属Cd的促进效果，笔者采用盆栽正交试验，确定联合使用螯合剂与表面活性剂强化东南景天修复土壤重金属时的浓度、添加时间以及pH，为东南景天修复土壤重金属及螯合剂与表面活性剂强化植物修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

剔除土壤中石块和植物残渣，经自然风干后磨碎，过10目筛，并且添加外源CdCl2，充分混匀后保持田间持水量60%，常温下陈化40 d后作为盆栽用土。供试土壤理化性质为：pH 6.65，有机质13.20 g/kg，全磷0.87 g/kg，全氮1.73 g/kg。添加后，土壤镉含量为42.4 mg/kg。

供试植物为矿山型东南景天。该植物原物取自广西大学农学院，通过试验培养繁殖。供试试剂为螯合剂EDATNA2、阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠（SLS）和非离子型表面活性剂辛基苯基聚氧乙烯醚（TX100），均购于国药集团化学试剂有限公司，均为分析纯。

1.2 试验方法

每盆土壤3 kg，加入分析纯KH2PO4 300 mg/kg、NH4NO3 400 mg/kg作为基肥，混匀，并加水保持持水量为50%～60%，稳定5 d后备用。试验采用五因素二水平的正交设计L8（27）（表1），表面活性剂（SAA）浓度为2 mmol/kg，以不加任何化学物质的处理为对照（CK）。每个处理重复3次。正交试验方案见表2。

1.3 分析测试方法

先取出植物样品根部土壤，分别用自来水、纯水清洗3次，按叶、茎、根将植株分为3个部分，放入烘箱，杀青30 min后在80 ℃下烘干至恒重。获得植物干样后，将其粉碎过100目筛后，保存，备用。植物样品重金属全量用混酸（HNO3HClO4）消解。

将土壤分类，置于阴凉通风处，自然风干后用木锤打碎，并且采用四分法将土壤磨细，分别过60目和100目筛后保存备用。土壤样品重金属全量的测定用混酸（HNO3HClO4HF）消解。土壤重金属全形态检测采用BCR连续提取法[11]。提取形态主要包括酸可提取态（AE）、可还原态（Red）、可氧化态（Oxi）以及残渣态（Res）4种。用原子吸收光谱仪测定重金属含量。

2 结果与分析

2.1 SAA/EDTA对东南景天生物量的影响

由图1可知，不同处理东南景天生物量间差距明显。其中，处理④地上部鲜重为151.1 g，处理⑥地上部鲜重为148.3 g，相比CK分别增加了17.95%和15.77%。由表3可知，对东南景天地上部生物量影响最大的因素是D，其次是C，两者皆为收前7 d较好。主要原因是在第42天添加SAA和EDTA的东南景天植株受到不同程度的毒害。各因素对东南景天生物量的影响大小顺序为D>C>B>E>A。通过正交试验分析，得出最佳条件为A2B2C2D2E1。由表4可知，因素D、C对东南景天地上部生物量影响显著。

2.2 SAA/EDTA对东南景天吸收Cd的影响

2.2.1 SAA/EDTA对东南景天重金属Cd浓度的影响。

由图2可知，东南景天Cd地上部浓度均大于地下部浓度，且大于土壤中Cd浓度，处理⑧达最高。所以，东南景天对重金属Cd有超积累能力，也有很强的Cd的转运能力和耐受能力。根際土壤中的重金属通过植物根系的吸收作用进入植物体内，在木质部的薄壁细胞转载到导管，然后通过蒸腾作用和根压作用在植物导管中被运输到植物的地上部[12]。植物中的镉在细胞质中与多肽、有机酸、磷化合物结合，然后储存在液泡中的途径，已被认为是植物耐受Cd的重要机制。田生科[13]利用Cd探针，证实Cd主要存在于矿山型东南景天液泡中。所有正交试验组地上部Cd浓度均大于CK，且地上部Cd浓度最高的处理⑧，相比CK（385.6 mg/kg）提高了57.34%。这说明添加EDTA和SAA能不同程度地促进东南景天对Cd的吸收和转运。由表5可知，各因素对东南景天地上部Cd浓度的影响的大小顺序为B>D>A>C>E。通过正交试验分析，得出最佳试验组为A2B2C1D2E2。由表6可知，因素B对东南景天地上部Cd浓度影响显著。

2.2.2 SAA/EDTA对东南景天重金属Cd修复效率的影响。

根据强化植物修复的原理，植物修复的效率取决于单位时间、单位面积植物地上部吸收的重金属总量。

东南景天地上部积累Cd总量=东南景天地上部干重×地上部Cd含量

由表7可知，各因素对Cd积累量的影响大小顺序为D>C>B>A>E。通过正交试验分析，得出最佳试验组为A2B2C2D2E1。由表8可知，因素D、C对东南景天重金属Cd的修复效率影响显著。

2.3 EDTA/SAA对土壤中Cd形态比例的影响

BCR连续提取法中的酸溶态（AE）包括水溶态、可交换态和碳酸盐结合态，是最易被植物吸收的形态[14]。由图3可知，各试验组土壤中重金属Cd的酸溶态相较CK均有不同程度的提高，其中处理⑧提高量最大。在酸溶态增加的同时，还原态和可氧化态残渣态含量有不同程度的减少，土壤中重金属的各形态之间经常处于一种动态平衡的状态[15]。混合添加EDTA/SAA能够促进土壤中重金属由不活泼的形态向活泼的形态转化，生物可利用性增强。

由表9可知，各因素对土壤重金属Cd酸溶态量的影响大小顺序为B>D>C>A>E。通过分析，得出最佳试验组为A2B2C1D2E2。由表10可知，因素B、D对土壤重金属Cd酸溶态影响显著。

通过比较植物地上部Cd含量以及土壤中Cd酸溶态含量，发现在正交试验组最优试验组都是A2B2C1D2E2，且因素B对两者的影响都最显著，同时都以添加4.0 mmol/kg为最佳。这说明土壤中重金属活泼形态的增加能促进植物对重金属的吸收积累。这与景琪等[16]研究结果一致。

3 结论

（1）当螯合剂与表面活性剂都在收前7 d添加时，东南景天生物量有显著增加，而在第42天添加螯合剂与表面活性剂都会对矿山型东南景天造成一定的毒害作用。生物量最大条件为在收前7 d添加pH为7的TX100和pH为7的4 mmol/kg EDTANa2即A2B2C2D2E1。

（2）在所有试验组中，东南景天地上部Cd含量和土壤酸溶态Cd含量均有所增加，且两者的最大条件均为收前7 d添加pH为5的4 mmol/kg EDTANa2，在第42天添加pH为5的TX100即A2B2C1D2E2，因素B对两者的影响均最显著。这说明土壤中重金属Cd酸溶态的增加能有效地促进植物对重金属Cd的吸收。

（3）东南景天是Cd的超积累植物。Cd去除量最大的条件为在收前7 d添加pH为7的TX100和pH为7的4 mmol/kg EDTANa2即A2B2C2D2E1。这和生物量最大条件一致，所以，该试验采用的最佳试验组为收前7 d添加pH为7的TX100和pH为7的4 mmol/kg EDTANa2，即A2B2C2D2E1。

参考文献

[1] 李鹏，李晔，曾璞，等.某冶炼厂周边农田土壤重金属污染状况分析与评价[J].安徽农业科学，2011，39（2）：863-865，876.

[2] SAIFULLAH， MEERS E，QADIR M，et al.EDTAassisted Pb phytoextraction[J].Chemosphere，2009，74 ：1279-1291.

[3] LEBEAU T，BRAUD A，JEZEQUEL K.Performance of bioaugmentationassisted phytoextraction applied to metal contaminated soils：A review[J].Environmental Pollution，2008，153：497- 522.

[4] 叶海波，杨肖娥，何冰，等.东南景天对锌镉复合污染的反应及其对锌镉吸收和积累特性的研究[J].农业环境科学学报，2003，22（5）：513-518.

[5] MEERS E，TACK F M G，VERLOO M G.Degrad ability of ethylenediaminedisuccinic acid （EDDS） in metal contaminated soils：Implications for its use soil remediation[J].Chemophere，2008，70：358-363.

[6] SARKAR D，ANDRA S S，SAMINATHAN S K M，et al.Chelantaided enhancement of lead mobilization inresidential soils[J].Environmental Pollution，2008，156：1139-1148.

[7] LIAO Y C，CHANG S W，WANG M C，et al.Effect of transpiration on Pb uptake by lettuce and on water soluble low molecular weight organic acids in rhizosphere[J].Chemosphere，2006，65：343-351.

[8] 戴树桂，董亮.表面活性剂对受污染环境修复作用研究进展[J].上海环境科学，1999，18（9）：420-424.

[9] 王莉玮，陈玉成，董姗燕.表面活性剂与螯合剂对植物吸收Cd 及Cu 的影响[J].西南农业大学学报：自然科学版，2004，26（6）：745-749.

[10] 陈玉成，董姗燕，熊治廷.表面活性剂与EDTA 对雪菜吸收镉的影响[J].植物营养与肥料学报，2004，10（6）：651-656.

[11] MOSSOP K F，DAVIDSON C M.Comparison of original and modified BCR sequential extraction procedures for the fractionation of copper，iron，lead，manganese and zinc in soils and sediments[J].Analytica Chimica Acta，2003，478：111-118.

[12] 楊肖娥，龙新宪，倪吾钟.超积累植物吸收重金属的生理及分子机制[J].植物营养与肥料学报，2002（1）：8-15.

[13] 田生科.超级累东南景天（Sedum alfredii Hance）对重金属（Zn/Cd/Pb）的解毒机制[D].杭州：浙江大学，2010.

[14] 陈英旭.土壤重金属的植物污染化学[M].北京：科学出版社，2008.

[15] 韩春梅，王林山，巩宗强，等.土壤重金属形态分析及其环境学意义[J].生态学杂志，2005，24（12）：1499-1502.

[16] 景琪，李晔，张譞，等.螯合剂和商陆联合修复重金属Cd、Cu污染土壤的田间试验研[J].武汉理工大学学报，2014，36（4）：139-143.