重金属污染土壤植物修复的EDTA调控效果

杨 卓， 陈 婧

(中国环境管理干部学院，河北秦皇岛 066004)

重金属污染土壤植物修复的EDTA调控效果

杨 卓， 陈 婧

(中国环境管理干部学院，河北秦皇岛 066004)

通过盆栽试验比较乙二酸四乙酸(EDTA)对印度芥菜修复镉(Cd)污染土壤的增效作用，探讨EDTA施入量与不同施入阶段对复合污染土壤中Cd、铅(Pb)、锌(Zn)的活化能力和印度芥菜吸收3种重金属的影响。结果表明：Cd添加量相同的条件下，EDTA的施入使印度芥菜生物量明显下降，地上部Cd吸收量明显增加，重金属提取量是未施入EDTA组的0.5～1.63倍，收获时土壤有效态Cd含量施入组低于未施入组；生物量和Cd吸收量随着Cd添加量的增加呈现先升高后下降的抛物线形规律，临界Cd添加量为120 mg/kg；EDTA一次性使用剂量为3 mmol/kg与分3个阶段施入 1 mmol/kg 相比，后者取得了最佳修复效果，Cd、Pb、Zn提取量分别是对照的1.13、3.78、1.29倍。将最优方案应用于微区试验，地上部重金属含量较对照显著增加，对Cd、Pb、Zn的提取量分别是对照的1.24、2.06、2.07倍。

印度芥菜；复合污染；植物修复；重金属；EDTA

土壤重金属污染问题已成为全球关注的环境问题。土壤中的重金属污染，不仅使土壤肥力退化，降低作物产量与质量，而且恶化水环境，并通过食物链在人和生物体内富集，严重威胁着人类的生命和健康。植物修复是20世纪 90 年代初发展起来的一种经济有效、环境友好、适用于大面积轻度到中度污染土壤的生物修复技术[1-4]。其中，植物吸取(phytoextraction)旨在通过收获富集重金属的植物将重金属带出土体，从而逐渐降低土壤重金属总量尤其是有效态重金属的含量。植物修复技术受制于2个因素：第1个限制因素是超累积植物的生长速度缓慢和生物量小；第2个限制因素是土壤中重金属的生物有效性低，重金属一旦进入土壤，将通过沉淀、专性吸附等物理、化学过程变为难溶态，无法被植物吸收利用。向土壤中施加人工合成的螯合剂以解析与土壤固相结合的重金属，增加土壤溶液中的重金属浓度是克服上述瓶颈效应的重要途径之一[5]。大量研究表明：乙二胺四乙酸(EDTA)、二乙基三胺五乙酸(DTPA)、乙二胺二戊二酸(EDGA)、氨三乙酸(NTA)等螯合剂均能不同程度地活化土壤重金属，促进植物对重金属的吸收乃至诱导植物对重金属的超量吸收[6-10]。然而螯合剂的负面效应也是不容忽视的。因此，螯合剂的种类、剂量、使用方式和阶段都是目前须要研究的热点。

EDTA是公认的效果明显的诱导活化剂。本试验以印度芥菜(Brassicajuncea)为试验材料，通过温室盆栽试验研究在镉(Cd)污染土壤及Cd、铅(Pb)、锌(Zn)复合污染土壤中，在EDTA的调控下对重金属的吸收和累积，分别研究EDTA加与不加、加入量、加入阶段对植物修复重金属污染的增效作用。以期筛选出效果最佳的合理的EDTA使用方法，探讨EDTA对印度芥菜吸收富集土壤中重金属的效果，并通过测试和统计分析，明确印度芥菜对重金属的吸收富集特点，探讨它在环境净化上的应用潜力，为控制土壤重金属复合污染和植物修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试植物为印度芥菜的Wild Garden Pangent Mix品种。种子来自美国俄勒冈州的Wild Garden Seed农场。

供试土壤：采自河北农业大学西校区标本园0～40 cm深度的潮褐土，理化性质特征见表1。

供试底泥：取自河北省安新县北际头乡保定纳污河、府河末梢入淀口处。所取为0～20 cm底泥，呈深黑色淤泥状，上部为稀浆状，下部呈流塑状，内有大量淡水贝壳、软体动物，附近有大规模养鸭产业，底泥有明显臭味。该层为近二三十年人类活动的产物，沉积年代新，沉积速率快，是该区域污染内源的主要蓄积库。供试底泥主要理化性质见表1，底泥中有效态Cd、Pb、Zn含量分别为1.70、16.80、61.50 mg/kg。

1.2 试验方案与布置

本研究采取盆栽试验，在河北农业大学西校区温室中进行。试验用塑料小盆钵，其上缘直径10 cm，底面直径9 cm，高14 cm。每盆装土1 000 g(以烘干土计)，供试土壤、底泥风干后过3 mm筛。重金属Cd、Pb、Zn分别以Cd(Ac)2·2H2O、Pb(Ac)2·3H2O、Zn(Ac)2·2H2O固体粉末形式，按各自的处理量加入土壤，制成含不同浓度Cd、Pb、Zn的污染土壤。同时每盆加入0.2 g尿素、0.4 g磷酸二氢氨作底肥，均采用分析纯试剂，与土壤一并混合均匀装盆。加入蒸馏水使含水量为田间持水量的60%，保持10 d后播种，生长1周后见苗，每盆保留10株苗。试验共分以下4个部分。

试验1：土壤中加入EDTA效果研究。本试验以印度芥菜中的Wild Garden Pangent Mix品种为试材，混合土(表1，下同)种植印度芥菜，Cd添加量设为0、40、80、120、160、200 mg/kg，不加EDTA的处理分别记作1-a、2-a、3-a、4-a、5-a、6-a，添加EDTA的处理分别记作1-b、2-b、3-b、4-b、5-b、6-b。在印度芥菜出苗30 d后，在1-b～6-b 处理中，加入3 mmol/kg EDTA，诱导活化重金属。

表1 供试土壤与地泥的理化性质特征

注：混合土为质量比1 ∶1的潮褐土、底泥。

试验2：不同EDTA施用量的效果研究。用混合土种植印度芥菜，加入Cd、Pb、Zn的含量分别为100、500、800 mg/kg，生长30 d后，向印度芥菜中分别加入0、1、3、5、7 mmol/kg EDTA(编号分别为a、b、c、d、e)，收获后测定植株株高、地上部生物量、植株地上部Cd、Pb、Zn含量及土壤中有效态重金属含量。

试验3：不同EDTA施用阶段的效果研究。用混合土盆栽种植印度芥菜，加入Cd、Pb、Zn的量分别为100、500、800 mg/kg。处理1：不施EDTA(编号为A，CK)；处理2：播种前一次性施入3 mmol/kg EDTA(编号为B)；处理3：生长30 d后一次性施入3 mmol/kg EDTA(编号为C)；处理4：收获前7 d一次性施入3 mmol/kg EDTA(编号为D)；处理5：于播种前、生长30 d后、收获前7 d，分别施入1 mmol/kg EDTA(编号为E)。于收获后测定植株株高、地上部生物量，Cd、Pb、Zn含量以及土壤中有效态重金属含量。

试验4：上述试验结束后进行微区试验。采用玻璃材料制成的底为正方形的长方体(高30 cm，底的边长60 cm)。重金属Cd、Pb、Zn分别以Cd(Ac)2·2H2O、Pb(Ac)2·3H2O、Zn(Ac)2·2H2O 固体粉末形式，按各自的处理量加入土壤，制成Cd含量为 50 mg/kg、Pb含量为500 mg/kg、Zn含量 500 mg/kg 的污染土壤，土壤层高30 cm，填充密度保持与田间相似，施入含 0.2 g/kg 尿素、0.4 g/kg磷酸二氢铵的底肥，用蒸馏水润湿土壤，静置6个月，使土壤条件接近外界条件，保持田间持水量的60%。将0.2 g植物种子直播于微区中，每池保持尽可能密的苗，使池中植物覆盖率达到90%以上。在植物生长30 d后进行以上试验中EDTA施用方式的最优处理。试验设2个处理：处理Ⅰ，试验筛选出来的EDTA最优处理；处理Ⅱ，不添加EDTA的空白对照(CK)。每个处理重复3次。

以上试验均在植物生长60 d后收获，印度芥菜沿土面剪取地上部，测定鲜质量，植物样品在105 ℃条件的烘箱内杀青0.5 h，并在80 ℃条件下烘至恒质量，烘干后粉碎测定重金属元素Cd、Pb、Zn含量。植物样采用硝酸-高氯酸消煮，原子吸收分光光度法测定重金属Cd、Pb、Zn含量；土壤样品采用 DTPA 浸提，原子吸收分光光度法测定重金属Cd、Pb、Zn含量。

2 结果与分析

2.1 EDTA诱导印度芥菜富集Cd增效研究

在Cd添加量为0～200 mg/kg的不同处理中，印度芥菜都能够顺利发芽生长，除高浓度处理叶片少部分有萎蔫发黄的症状外，均无明显受毒害现象，说明印度芥菜对Cd表现出极强的忍耐性。在同类盆栽试验中，在重金属添加量为 50 mg/kg 时，油菜就受到了明显的重金属毒害而无法正常生长[8]。在本试验中，Cd毒害主要影响印度芥菜的生育进程，在Cd浓度0、40 mg/kg时，印度芥菜在试验期内已经顺利进入生育期，拔节开花结籽，而其他浓度处理都未能开花。随着Cd浓度增大，a与b组处理均呈现地上部生物量先升高后降低的规律，其临界Cd添加浓度均为120 mg/kg，在添加量为 0～120 mg/kg时，生物量增加，Cd添加量为120 mg/kg时，a组生物量比不添加Cd处理增加了57.67%，b组增加了 58.06%；在添加量为120～200 mg/kg时，生物量降低(图1)。高Cd处理影响了印度芥菜的生殖生长，而对营养生长并没有明显干扰，相反，一定浓度的Cd处理还提高了植株地上部的生物量。随着Cd 处理浓度的增加，植株趋于矮小化，即矮小植株在盆体内的比例增加。添加EDTA比不添加 EDTA 印度芥菜生物量显著下降，6个处理平均值下降了 26.52%。2组试验在同一Cd添加量时的生物量之差也呈现出先升后降的规律，在Cd添加量为120 mg/kg时相差最多，为11.36 g/pot。EDTA的施入会使印度芥菜生长受到抑制，生物量下降。

土壤重金属的植物提取量是描述植物修复效果最直观的指标，它是指用植株地上部重金属的含量乘以生物量，得出每盆植物提取重金属的量，它综合了植物生物量、吸收量2个指标，能够更为直接地反映某种植物对某种重金属的修复效果。由图2不同处理印度芥菜对Cd的提取量可见，随着外源Cd添加量的增加，印度芥菜对Cd的提取量呈现先升后降的规律，a组提取量达0.02～0.36 mg/盆，b组提取量达0.01～0.55 mg/盆，其最高值均出现在Cd添加量为120 mg/kg，a组、b组此时的提取量分别为不添加Cd时的18、55倍。EDTA诱导调控分别可显增加印度芥菜地上部对Cd的提取量，Cd添加量分别为0、40、80、120、160、200 mg/kg的处理中，b组的提取量分别是a组的0.50、1.36、1.63、1.53、1.54、1.45倍。由结果可见，EDTA的加入可以提高植物修复的效果，缩短修复年限。

由图3可见。土壤Cd添加量与试验结束后土壤中有效态Cd含量呈较好的线性关系，a组r2=0.916 1(n=6)，b组r2=0.867 4(n=6)。EDTA的施入在试验结束后的表现为土壤有效态Cd含量低于对照组(a组)，这与理论上预想的结果有些偏差，这可能是因为土壤中重金属不同形态之间处于不停转换的动态变化之中，EDTA的加入使这种转换更为活跃。如图4所示，印度芥菜地上部Cd吸收量明显高于对照组，说明植物吸收量增大，使此时土壤中有效态Cd含量反而低于对照组。由此说明，有效态重金属含量的高低并不能直接反映植物吸收该种重金属的情况。由图3、图4可以看出，a组有效态Cd含量增加的幅度是低浓度时较大，高浓度时较小，b组则相反；而印度芥菜地上部Cd吸收量在EDTA的诱导下不仅增大，而且随着Cd添加量的增加，吸收量增加的幅度变化也加大。在Cd添加量为160 mg/kg时，芥菜地上部吸收量达最大，a、b组分别达107.67、217.34 mg/kg，Cd添加量分别为0、40、80、120、160、200 mg/kg的处理中，b组的吸收量分别是a组的0.80、1.85、2.22、2.14、2.12、1.83倍。由此可见，EDTA的加入可以的明显提高印度芥菜对Cd的吸收量。

2.2 不同EDTA施用量对印度芥菜富集Cd、Pb、Zn效果影响

本研究用混合土种植印度芥菜，加入Cd、Pb、Zn的量分别为100、500、800 mg/kg，加上表1的背景含量，供试土壤Cd、Pb、Zn的含量分别为100.83、530.54、875.88 mg/kg。由表2可知，EDTA的添加使印度芥菜地上部生物量低于对照，随着加入量的增加，生物量显著下降，当施入量达7 mmol/kg (处理e)时，印度芥菜死亡，b、c、d处理生物量分别降低20.44%、36.38%、59.34%。土壤有效态Cd、Pb、Zn含量变化无明显规律性，除Zn外，多数显著低于对照。印度芥菜地上部Cd、Pb含量最大的为b处理，Zn 为c处理，分别比对照提高 53.73%、233.36%、29.17%。印度芥菜地上部Cd、Pb提取量最大的为b处理，Cd、Pb提取量分别为对照的1.21、2.66倍，Zn提取量则均低于对照。综合以上结果，EDTA施用量不宜太高，当>5 mmol/kg时则对植株生长造成严重威胁，本研究中EDTA施用量为1 mmol/kg时取得了最好的试验修复效果，此时EDTA与土壤中Cd、Pb、Zn物质量之比分别约为：10 ∶9、5 ∶13、5 ∶73，由于Zn物质的量与EDTA相差较大，因此诱导效果并不理想。

表2 不同EDTA施用量印度芥菜Cd、Pb、Zn含量与土壤中有效态重金属浓度及提取量

注：差异显著性用Duncan’s检验，同列不同小写字母表示处理间有显著差异(P<0.05)；提取量为各处理平均值；“—”表示因植株死亡而无数据。下表同。

2.3 不同EDTA施用阶段对印度芥菜富集Cd、Pb、Zn效果影响

由表3可知，D处理使印度芥菜生物量降低程度最小，与对照几乎无差别，其次是E处理，生物量只降低5.63%，B处理未能发芽，可能由于EDTA的加入使种子所处环境骤变，未能顺利生长。土壤有效态Cd、Pb、Zn含量最低的是D处理，且除Zn外均低于对照。EDTA的施入使植株地上部含量均有所提高，最高的是E处理，Cd、Pb、Zn含量分别比对照提高20.11%、300.14%、37.16%；C处理分别提高6.59%、169.55%、29.17%；D处理Pb、Zn含量分别提高186.74%、26.29%，Cd含量略有下降。提取量最高的均为E处理，Cd、Pb、Zn提取量分别为对照的1.13、3.78、1.29倍。

2.3 不同EDTA施用阶段对印度芥菜富集Cd、Pb、Zn效果影响

由表3可知，D处理使印度芥菜生物量降低程度最小，与对照几乎无差别，其次是E处理，生物量只降低5.63%，B处理未能发芽，可能由于EDTA的加入使种子所处环境骤变，未能顺利生长。土壤有效态Cd、Pb、Zn含量最低的是D处理，且除Zn外均低于对照。EDTA的施入使植株地上部含量均有所提高，最高的是E处理， Cd、Pb、Zn含量分别比对照提高20.11%、300.14%、37.16%；C处理分别提高6.59%、169.55%、29.17%；D处理Pb、Zn含量分别提高186.74%、26.29%，Cd含量略有下降。提取量最高的均为E处理，Cd、Pb、Zn提取量分别为对照的1.13、3.78、1.29倍。

2.4 最优处理EDTA诱导对印度芥菜吸收重金属的影响

由上述试验结果可知，EDTA单次施用量为1 mmol/kg，于播种前、生长30 d后、收获前7 d，分别施入1 mmol/kg EDTA的处理取得了最好的诱导效果，因此微区试验中采用此EDTA处理方法。由表4可知，EDTA 的加入使印度芥菜生物量略有下降，但统计上差异并不显著；EDTA的添加显著增加了植物地上部重金属的含量，但在收获时土壤中有效态重金属含量均显著低于对照，这可能是由于土壤中重金属各形态间一直处于动态变化之中，无效态重金属向有效态转变，有效态重金属被植物根系吸收。笔者取样测定的是某一时刻土壤中的情况，在以上试验中不难发现，有效态含量高的处理并不意味着植物吸收量也高，两者之间不存在简单的量之间的依赖关系，比如在表2、表3的数据中，土壤中有效态重金属含量高的处理相对应的植株吸收量并不一定高。由表4还可见，植物地上部重金属含量较对照显著增加，Cd、Pb、Zn含量分别是对照的1.31、2.88、2.18倍，印度芥菜对重金属的提取量(以每个微区为单元)均明显增加，对Cd、Pb、Zn的提取量分别是对照的1.24、2.06、2.07倍。由此可见，EDTA较大幅度地增加了印度芥菜对重金属的吸收与富集量，由于本试验受种植面积、时间、气温等条件影响，如果开展较大规模田间试验，可能会取得更为理想的诱导活化效果。

表3 不同EDTA施用时间印度芥菜Cd、Pb、Zn含量与土壤中有效态重金属浓度及提取量

表4 EDTA诱导下印度芥菜Cd、Pb、Zn含量与土壤中有效态重金属浓度及提取量

3 结论

本研究采用盆栽试验探讨了EDTA施用对印度芥菜吸收Cd的增效作用，比较了不同剂量、不同施用方式EDTA诱导活化的效果，结果表明：

(1)在Cd添加量为0～200 mg/kg的不同处理中，印度芥菜都能够顺利发芽生长，印度芥菜对Cd表现出极强的忍耐特征。Cd毒害主要影响了印度芥菜的生育进程，地上部生物量随Cd添加量的增加出现先升高后降低的抛物线形规律，其临界Cd添加浓度均为120 mg/kg。施入EDTA印度芥菜生物量比未施入的明显下降，6个处理平均下降了26.52%。土壤Cd添加量与试验结束后土壤中有效态Cd含量呈较好的线性关系，在收获后土壤有效态Cd含量表现为施入EDTA组低于不施EDTA的对照组，但EDTA的加入可以明显提高印度芥菜对Cd的吸收量。EDTA诱导调控可明显增加印度芥菜地上部对Cd的提取量，提高植物修复的效果，缩短修复年限。

(2)EDTA施用量不宜太大，当>5 mmol/kg时则对植株生长造成严重威胁，本研究中EDTA施用量为1 mmol/kg时取得了最好的试验修复效果。

(3)不同阶段施入EDTA对印度芥菜生物量和吸收量的影响也是不同的。于播种前、生长30 d后、收获前7 d 3个阶段分别施入1 mmol/kg EDTA(E处理)时印度芥菜生物量和吸收量最大，达到较好的修复效果，这种方式优于其他处理。在这种方式处理的微区试验中，印度芥菜对Cd、Pb、Zn的提取量均提高了。

(4)微区试验采用上述试验的最优处理，即EDTA单次施用量为1 mmol/kg，于播种前、生长30 d后、收获前7d，分别施入1 mmol/kg EDTA，极大地提高了印度芥菜地上部对Cd、Pb、Zn的吸收与富集量，对Cd、Pb、Zn的提取量分别是对照的1.24、2.06、2.07倍。

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10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.072

2015-11-16

2013年度河北省科学技术研究与发展计划“重金属污染土壤原位微生物修复技术研究”(13227504D)。

杨 卓(1980—)，女，河北秦皇岛人，博士，副教授，主要从事土壤重金属污染与植物修复方面的研究。E-mail：yangzhuo315566@126.com。

X53

A

1002-1302(2017)02-0258-04

杨 卓，陈 婧. 重金属污染土壤植物修复的EDTA调控效果[J]. 江苏农业科学，2017，45(2)：258-261.