EDDS对Cd、Pb污染下荻生长、重金属积累及修复土壤能力的影响

郑黎明，张 杰*，杨红飞，袁 静

(1.安徽师范大学 生命科学学院，安徽 芜湖 241000； 2.安徽重要生物资源保护与利用研究重点实验室，安徽 芜湖 241000； 3.安徽省皖江城市带退化生态系统的恢复与重建协同创新中心，安徽 芜湖 241000)

EDDS对Cd、Pb污染下荻生长、重金属积累及修复土壤能力的影响

郑黎明1,2,3，张 杰1,2,3*，杨红飞1,2,3，袁 静1,2,3

(1.安徽师范大学 生命科学学院，安徽 芜湖 241000； 2.安徽重要生物资源保护与利用研究重点实验室，安徽 芜湖 241000； 3.安徽省皖江城市带退化生态系统的恢复与重建协同创新中心，安徽 芜湖 241000)

为初步探明荻与EDDS联合修复重金属污染土壤的可行性，采用盆栽试验，以轻微Cd、Pb污染土壤为培养基质，研究不同添加量[0(对照)、1、3、5 mmol/kg]的乙二胺二琥珀酸(EDDS)对荻生长，Cd、Pb积累及污染土壤修复能力的影响。结果表明：在Cd、Pb污染下，添加EDDS处理荻的光合色素含量、株高和干质量与对照相比总体上均无显著差异，总体上光合色素以5 mmol/kg EDDS处理较好，株高和干质量以3 mmol/kg EDDS处理较好。在Cd污染下，随着EDDS添加量增加，荻地上部、根部Cd含量和富集系数均呈现出先增加后降低的趋势，且均在1 mmol/kg EDDS处理时达到峰值，分别较对照显著提高72.8%、15.4%和73.6%、15.4%，3 mmol/kg EDDS处理次之；Cd转运系数持续增加，且添加EDDS处理均显著高于对照；植株的Cd总积累量呈先增加后减小的趋势，在3 mmol/kg处理时达峰值，较对照显著提高44.2%；添加EDDS处理的Cd转运量系数均高于对照，以5 mmol/kg处理最高；荻对Cd污染土壤的修复效率以3 mmol/kg EDDS处理最高，较对照显著提高44.2%。在Pb污染下，地上部Pb含量和富集系数以5 mmol/kg EDDS处理较大，但与对照无显著差异；根部Pb含量和富集系数在5 mmol/kg EDDS处理时最大，分别较对照显著提高37.5%和35.3%；随着EDDS添加量增加，地上部、根部及总的Pb积累量均表现出先降低后增加的变化趋势，以5 mmol/kg EDDS处理最高，分别较对照提高9.4%、56.7%、46.6%，但差异不显著；荻对Pb污染土壤的修复效率也随着EDDS添加量增加表现出先降低后增加的变化趋势，在5 mmol/kg EDDS处理时最大，较对照提高45.2%，差异不显著。综合分析，在Cd污染下，以3 mmol/kg EDDS处理荻对Cd的富集、积累及土壤修复效果最好；在Pb污染下，以5 mmol/kg EDDS处理荻对Pb积累及土壤修复效果较好，但是效果不是很明显，故EDDS与荻联用修复轻微Cd污染土壤的潜力较大。

荻； 镉； 铅； 乙二胺二琥珀酸； 重金属积累; 土壤修复

由于采矿、冶炼、燃料燃烧、废物焚烧及人工施肥等人类活动，使得重金属大量进入到环境中。调查显示，我国土壤重金属污染中Cd污染最为严重，Pb污染较为严重，点位超标率分别达到7.0%、1.5%，其中约有70%属于轻微污染(土壤质量三级标准的1～2倍)[1]。在诸多土壤重金属污染的治理方法中，植物修复技术因具有环保、廉价、易操作、效果较好等优点而受到广泛重视。合适的修复植物是该方法的应用前提和关键，超积累植物多为野生型，其生物量往往较低且对环境要求较苛刻，实际应用潜力不高。适应性强、生物量高、耐性与积累特性较强的非超积累植物成为当前研究的热点[2-3]。荻(Miscanthussacchariflorus)是禾本科芒属多年生C4植物，生物量高、适应性强、再生能力强，是一种重要的能源植物。田如男等[4]研究Cu、Cd单一胁迫下荻种子的萌发及幼苗生长情况发现，Cu、Cd质量浓度分别为5.00、1.00 mg/L时对种子萌发和幼苗生长有显著促进作用，Cu、Cd质量浓度分别为20.81、16.30 mg/L时发芽率仍可达清水对照的50%。张杰等[5]研究Cu胁迫对荻生长、生理的影响及荻体内Cu积累情况发现，Cu含量≤800 mg/kg对荻干生物量无明显抑制，并发现荻对Cu的富集和转运系数均值分别为0.68和0.14。Zhang等[6]发现，Cd含量≤25 mg/kg对荻干生物量无明显影响，但荻对Cd的富集和转运能力较弱，富集和转运系数均值分别为0.75和0.36。综上所述，荻对重金属有一定的耐性，但其对重金属的富集、转运能力有限。螯合强化技术通过施加螯合剂以增加土壤中植物有效性重金属含量，提高植物对重金属的积累能力，具有操作简便、费用较低、效果较明显等优点[7]。乙二胺四乙酸(EDTA)是一种最常见的螯合剂，价格较低、强化效果较好，但有研究报道其在环境中较难降解，容易导致活化后的重金属向地下水及周边土壤迁移，造成二次污染[8]。乙二胺二琥珀酸(EDDS)是EDTA的一种天然同分异构体，分子式为C10H16N2O8，具有生物毒性小、可降解性高、螯合能力强等优点，被认为是EDTA的最佳替代品[9]。目前，未见EDDS和荻联合修复重金属污染土壤的报道。由于我国重金属污染土壤中，轻微污染占比很大[1]，因此，通过轻微Cd、Pb单一污染盆栽试验，初步探明EDDS对Cd、Pb污染下荻生长、重金属积累及污染土壤修复能力的影响，为荻与EDDS联合修复重金属污染土壤提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试螯合剂EDDS(优级纯)购于北京中生瑞泰科技有限公司。供试荻种子于2015年12月16日采自安徽师范大学北体育馆附近土坡上，采集荻穗，带回实验室，经自然风干后，剥离并挑选籽粒饱满的种子，备用。供试土壤于2016年1月9日采自安徽师范大学南体育馆附近，采集表层(0～20 cm)土壤，样品采回经风干、压碎、剔除杂质后过2 mm孔径筛，充分混匀并保存备用，参考鲍士旦[10]的方法测定的土壤基本理化性质为：pH值 7.59、电导率76.57 μS/cm、有机质含量1.18 g/kg、有效氮含量20.39 mg/kg、速效磷含量15.45 mg/kg、速效钾含量16.42 mg/kg、全Cd含量0.83 mg/kg、全Pb含量45.42 mg/kg。

1.2 试验设计

用盆口直径10.5 cm、盆底直径7.5 cm、高9.5 cm的塑料花盆进行试验，每盆装土0.5 kg。分别用分析纯CdCl2·2.5H2O、Pb(NO3)2提供Cd、Pb，以水溶液的形式一次加入，使土壤中Cd、Pb含量分别达到1、500 mg/kg (以Cd2+、Pb2+计)，分别为土壤Cd、Pb环境质量三级标准值，使土壤分别达到轻微Cd、Pb污染程度。Cd、Pb分别与土壤作用20 d后播种(播种前用自来水浸泡种子24 h)，每盆15粒种子，培养期间不定期交换盆与盆之间的位置以减弱边际效应。逐步间苗至每盆4株。根据土壤水分状况，适时浇水。培养结束前15 d即2016年4月18日直接向土壤中添加EDDS，EDDS添加量分别为0(对照)、1、3、5 mmol/kg，每个处理设3个重复，共24盆。荻培养阶段于2016年2月23日开始、2016年5月3日结束，共70 d。采用人工气候室培养，培养条件为：温度28 ℃、相对湿度80%、光周期14 h光照/10 h黑暗。试验地点为安徽师范大学生态学实验室。

1.3 样品处理

将收获的植物样品分为地上和地下两部分，用自来水冲洗以去除粘附于植物上的泥土和污物，再用去离子水冲洗3次，用吸水纸吸干表面水分，取相同部位的叶片用于测定光合色素含量；用不锈钢剪刀将剩下的植物样品剪成小段，于105 ℃下杀青20 min，然后在70 ℃下烘干至恒质量；用不锈钢粉碎机磨细并保存，用于测定植物体内Cd、Pb含量。

1.4 测定项目及方法

叶片光合色素含量采用分光光度法测定。株高采用精度为0.01 mm的游标卡尺测定。干质量采用奥豪斯AR1140万分之一电子天平测定。采用HNO3-HClO4消煮植物样品，然后用日本岛津AA6800型原子吸收分光光度计测定Cd、Pb含量[11]，并计算地上部(根部)重金属富集系数、重金属转运系数、重金属转运量系数、修复效率。其中，地上部(根部)重金属富集系数=地上部(根部)重金属含量/土壤中重金属含量，重金属转运系数=地上部重金属含量/根部重金属含量，重金属转运量系数=地上部重金属积累量/根部重金属积累量，修复效率=植物重金属积累量/土壤中重金属含量。

1.5 数据处理

采用Excel 2003软件进行数据处理和图表制作。采用SPSS 21软件的One-way ANOVA (Duncan’s新复极差法)进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 EDDS对Cd、Pb污染土壤上荻生长的影响

由表1可知，在Cd污染下，不同EDDS添加量处理间荻叶片光合色素含量无显著差异，在EDDS添加量为1 mmol/kg时，叶绿素a、b及类胡萝卜素含量均达最低，分别为对照的98.7%、90.1%、81.0%；在EDDS添加量为 5 mmol/kg时，叶绿素a、b较高，与对照相比分别提高了3.5%、5.2%。在Pb污染下，不同EDDS添加量处理间光合色素含量也无显著差异，仅EDDS 3 mmol/kg处理叶绿素b含量低于对照，其余添加EDDS处理的光合色素含量等于或者高于对照。综合来看，总体上光合色素以5 mmol/kg EDDS处理较好。

表1 EDDS对Cd、Pb污染土壤上荻叶片光合色素含量的影响 mg/g

注:同列数据后相同小写字母表示处理间差异不显著(P>0.05)，不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同。

由表2可知，在Cd污染下，添加EDDS处理荻株高均高于对照，但差异不显著；地上部干质量和根部干质量随着EDDS添加量增加的变化规律相同，均呈现先减小后增加的变化趋势，在1 mmol/kg时最小，5 mmol/kg时最大，较对照分别提高了17.4%和41.7%。在Pb污染下，3 mmol/kg EDDS处理荻株高最高，较对照提高1.3%，1、5 mmol/kg EDDS处理均低于对照，以5 mmol/kg EDDS处理最低；地上部干质量以3 mmol/kg EDDS处理最高，根部干质量以5 mmol/kg EDDS处理最高，均高于对照，但均无显著差异。综合来看，总体上株高和干质量以3 mmol/kg EDDS处理较好。

表2 EDDS对Cd、Pb污染土壤上荻株高及干质量的影响

2.2 EDDS对荻积累重金属及修复污染土壤效率的影响

由表3可知，在Cd污染下，随着EDDS添加量增加，荻地上部、根部Cd含量和富集系数具有相同的变化规律，均呈现出先增加后降低的趋势，且均在1 mmol/kg EDDS处理时达到峰值并显著高于对照，分别较对照提高72.8%、15.4%和73.6%、15.4%；Cd转运系数呈现持续上升的趋势，在5 mmol/kg处理时最大，较对照显著提高100.0%。在Pb污染下，地上部Pb含量和富集系数在1 mmol/kg EDDS处理时最小，显著低于对照，其余添加EDDS处理均与对照无显著差异，以5 mmol/kg EDDS处理较大；根部Pb含量和富集系数在5 mmol/kg EDDS处理时最大，并显著高于对照，分别较对照提高37.5%和35.3%，其他添加EDDS处理与对照无显著差异；添加EDDS处理的Pb转运系数与对照均无显著差异。综合来看，在Cd污染下，以1 mmol/kg EDDS处理荻对Cd的富集效果最好，3 mmol/kg EDDS处理次之；在Pb污染下，以5 mmol/kg EDDS处理荻对Pb的富集效果较好。

表3 EDDS对荻中Cd、Pb富集和转运的影响

由表4可知，在Cd污染下，随着EDDS添加量增加，荻地上部、根部及总的Cd积累量具有相同的变化规律，均表现出先增加后降低的变化趋势，地上部Cd积累量在1、3 mmol/kg EDDS处理时达到最大，且显著高于对照，均较对照提高51.1%；根部及总的Cd积累量均在3 mmol/kg EDDS处理时达到峰值，并显著高于对照，分别较对照提高40.6%和44.2%，5 mmol/kg EDDS处理时最小，均低于对照，但差异不显著。添加EDDS处理的Cd转运量系数均高于对照，以5 mmol/kg处理最高，较对照显著提高66.7%；荻对Cd污染土壤的修复效率以3 mmol/kg处理最高，较对照显著提高44.2%，其他添加EDDS处理均与对照无显著差异。在Pb污染下，随着EDDS添加量增加，荻地上部、根部及总的Pb积累量均表现出先降低后增加的变化趋势，在1 mmol/kg EDDS处理时最小，5 mmol/kg EDDS处理时最大，分别较对照提高9.4%、56.7%、46.6%，但差异不显著；荻对Pb污染土壤的修复效率也随着EDDS添加量增加表现出先降低后增加的变化趋势，在1 mmol/kg EDDS处理时最小，5 mmol/kg EDDS处理时最大，较对照提高45.2%，差异不显著；添加EDDS处理的Pb转运量系数均与对照无显著差异。综合来看，在Cd污染下，以3 mmol/kg EDDS处理荻对Cd的积累及土壤修复效果最好；在Pb污染下，以5 mmol/kg EDDS处理荻对Pb积累及土壤修复效果较好，但是效果不是很明显。

表4 EDDS对荻Cd、Pb积累量及修复污染土壤效率的影响

3 结论与讨论

修复植物的生物量尤其是地上部生物量是衡量植物修复效率的一个重要指标。张熹等[12]和王红新等[13]的研究显示，螯合剂会显著降低叶片叶绿素含量，降幅可达40.7%，螯合剂处理组的植物株高和根长明显低于对照，生物量显著下降。螯合剂影响植物生长的原因主要有两方面，一是植物体吸收螯合剂后会直接对植物生长产生影响；二是螯合剂可通过增加土壤中可溶性重金属含量而间接地对植物生长产生影响。但也有研究表明，螯合剂能起到促进植物生长的作用[14]。螯合剂对植物生长影响的这2种截然不同的结论可能与植物种类、螯合剂种类及施加量、土壤重金属种类及含量等有关。本研究中，EDDS总体上未对荻生长产生明显地抑制，有些处理还表现出了促进作用，这与张磊等[14]的研究结果相似。在Pb污染下，只有5 mmol/kg EDDS处理株高显著低于对照，但该处理的地上部和根部干质量与对照均无显著差异，结合荻生长过程中的形态特征来考虑，可能是因为荻从根部附近长出侧芽并生长发育成副苗，吸收了部分营养，导致主苗高度低于对照。本研究发现，在Cd污染下，添加EDDS处理荻的生长指标与对照无显著差异，但5 mmol/kg处理荻地上部、根部干质量显著高于1 mmol/kg处理，这可能是因为1 mmol/kg EDDS处理荻地上部、根部重金属含量显著高于5 mmol/kg EDDS处理，从而导致植物体中活性氧的过量产生，进而破坏植物体内蛋白质、脂质、核酸等生物大分子[15]，影响植物的生长发育，最终使得干质量出现显著性差异。

Tessier等[16]将土壤环境中的重金属存在形态分为水溶态、可交换态或吸附交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态6类，其中水溶态和可交换态易被植物吸收。螯合剂可与土壤中的重金属发生螯合反应，形成水溶性的重金属-螯合剂螯合物，改变了重金属在土壤中的存在形态，提高了植物有效性重金属含量，起到强化植物吸收目标重金属的作用[17-18]。本研究结果表明，3 mmol/kg EDDS处理荻地上部、根部和总的Cd积累量均显著高于对照，5 mmol/kg EDDS处理无论是荻的Cd含量还是Cd积累量均显著低于3 mmol/kg EDDS处理，这表明适量的EDDS可以促进荻对Cd的吸收，过量EDDS会影响植物对Cd的吸收，这与张磊等[14]、刘金等[19]的研究结果相似。添加EDDS处理Cd转运系数和转运量系数均高于对照，均以5 mmol/kg处理最高，显著高于对照，这应归因于螯合剂EDDS提高了荻对Cd的转运能力，前人[20-21]的研究结果也佐证了此观点。王红新等[13]发现，螯合剂EDTA能有效提高印度芥菜对Cd的转运；曾超等[20]研究表明，EDDS能显著增加土壤Co的生物有效性比例，同时明显提高花生的Co转运系数；石福贵等[21]研究表明，EDDS和鼠李糖脂联用可显著增加黑麦草地上部重金属含量。究其原因，可能是因为EDDS通过与土壤中的Cd形成更容易被转运到地上部的EDDS-Cd复合物[22]，阻碍了Cd在根上的吸附和沉淀，使Cd更有利于随着蒸腾拉力向上运输，从而更多地积累在荻地上部。另外，本研究发现，在Pb污染下，EDDS并未明显提高荻对Pb的积累和转运，并且在1 mmol/kg EDDS处理时荻体内Pb含量和积累量均不同程度地低于对照，其中地上部Pb含量和积累量显著低于对照，这可能是因为土壤中Pb的植物有效性较高，施加螯合剂EDDS反而会改变重金属存在形态而降低荻对Pb的吸收水平。

综合分析，在Cd污染下，以3 mmol/kg EDDS处理荻对Cd的富集、积累及土壤修复效果最好；在Pb污染下，以5 mmol/kg EDDS处理荻对Pb积累及土壤修复效果较好，但是效果不是很明显，故EDDS与荻联用修复轻微Cd污染土壤的潜力较大。

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Effects of EDDS on Growth,Heavy Metals Accumulation ofMiscanthussacchaiflorusand Its Remediation Capability to Contaminated Soils under Cd,Pb Pollution

ZHENG Liming1,2,3,ZHANG Jie1,2,3*,YANG Hongfei1,2,3,YUAN Jing1,2,3

(1.College of Life Sciences,Anhui Normal University,Wuhu 241000,China; 2.Anhui Provincial Key Laboratory of Conservation and Exploitation of Biological Resources,Wuhu 241000,China; 3.Center of Cooperative Innovation for Recovery and Reconstruction of Degraded Ecosystem in Wanjiang City Belt of Anhui Province,Wuhu 241000,China)

The effects of different EDDS concentrations [0(control),1,3,5 mmol/kg] on growth,heavy metals accumulation ofMiscanthussacchariflorusand its remediation capability to contaminated soils were studied under slight Cd,Pb contamination,so as to ascertain the potential of EDDS for the phytoremediation of heavy metals contaminated soils combined withMiscanthussacchariflorus.The results indicated that on the whole,there were no significant differences between the control and EDDS treatments in photosynthetic pigments contents,plant heights and dry biomasses under Cd,Pb stress;photosynthetic pigments contents of 5 mmol/kg EDDS treatment was relatively higher,plant heights and dry biomasses of 3 mmol/kg EDDS treatment were relatively higher.Under Cd stress,with the increase of EDDS concentrations,Cd concentration and bioconcentration factor of aboveground,underground parts increased at first and then decreased,reached the maximum values at 1 mmol/kg EDDS,which were 72.8%,15.4% and 73.6%,15.4% higher than the control,respectively，3 mmol/kg EDDS was the second;Cd translocation factors increased all the time,all EDDS treatments were significantly higher than the control;total Cd accumulation increased at first and then decreased,the maximum appeared at 3 mmol/kg EDDS,which was 44.2% higher than the control;translocation amount factors of different EDDS treatments were significantly higher than the control,and the maximum appeared at 5 mmol/kg EDDS；remediation efficiency of Cd contaminated soils met the maximum at 3 mmol/kg EDDS,which was 44.2% higher than the control.Under Pb stress,the Pb concentrations and bioconcentration factors of aboveground part met the relatively higher value at 5 mmol/kg,but there was no significant difference compared with control;Pb concentrations and bioconcentration factors of underground part reached the peak value at 5 mmol/kg,which were 37.5% and 35.3% higher than the control;aboveground,underground and total Pb accumulation decreased at first and then increased with the increase of EDDS concentrations,the maximums appeared at 5 mmol/kg EDDS,which were 9.4%,56.7% and 46.6% higher than the control,but there were no significant difference;remediation efficiency of Pb contaminated soils decreased at first and then increased with the increase of EDDS concentrations,the maximum appeared at 5 mmol/kg EDDS,which was 45.2% higher than the control,but there was no significant difference.In conclusion,under Cd stress,3 mmol/kg EDDS improved the Cd concentration,accumulation and remediation efficiency of contaminated soil;under Pb stress,5 mmol/kg EDDS enhanced the Pb accumulation and remediation efficiency,but the promotion were insignificant.As a result,there was a great potential to remediate the Cd contaminated soils by the combination of EDDS andMiscanthussacchariflorus.

Miscanthussacchariflorus; cadmium; lead; EDDS; heavy metals accumulation; soil remediation

2017-03-10

安徽省自然科学基金项目(1508085QC68)；安徽省高校自然科学研究重点项目(KJ2015A127)；安徽师范大学创新基金项目(2012CXJJ06)

郑黎明(1991-)，男，安徽寿县人，在读硕士研究生，研究方向：污染生态学。E-mail:zhenglm168@126.com

*通讯作者：张 杰(1972-)，男，安徽巢湖人，副教授，博士，主要从事植物生理生态学与污染生态学研究。 E-mail:zhjie1211@sina.com

X53

A

1004-3268(2017)08-0061-06