萱草对重金属铅污染土壤的修复效果研究

李秀仙，王斌，李 珣，孔文亮，孙宝年，姚士新

（天津市北大港湿地自然保护区管理中心，天津300270）

在人类生产和生活过程中，平均每年排放约5×106t铅。我国每年排放到环境中的铅约为7.83×105t[1]。大量有害重金属铅进入土壤，造成土壤中的铅含量严重超标，使得土壤结构和功能恶化，土壤肥力下降，直接危害到人类的健康和发展。

重金属铅虽然是植物生长所需的微量元素,在植物体内的含量适中时，会对植物的生长发育起到良好的促进作用。但是，铅在植物体内的含量较高时则会影响植物的正常生长,紊乱植物的生长代谢，抑制植物的生长和发育,最终导致植物死亡。如，长期使用含铅量较高的水灌溉农作物时,会影响农作物的根部对氮的转化和吸收[2]，而且，重金属铅污染的土壤中的铅会富集到植物体内并会通过食物链在人体内富集。重金属在食物链中的传递是具有累积性的，食物链顶端的人类会在体内累计大量的重金属，当人体累积的重金属铅含量过高，会造成重金属中毒并产生绞痛；孕妇体内的铅含量过高时会造成死胎、早产及婴儿精神呆滞等病症[3]。通过研究萱草对不同浓度的铅的富集与转运情况来探究植物修复的机制，为防治重金属铅的土壤污染提供数据支持。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

准备材料：栽培土壤、营养土、花盆、萱草的幼苗等。

实验仪器：石墨炉原子吸收分光光度计、铅空心阴极灯、10 uL移液枪等。

实验试剂：浓硝酸、氢氟酸、高氯酸、磷酸氢二胺溶液、铅标准使用溶液 Pb（NO3）2：250 μg/L 等。

1.2 检测方法

实验测定土壤及植物体内重金属铅的方法依据是GB/T 17141—1997《土壤质量 铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》。仪器的使用条件见表1。

表1 仪器条件

1.3 计算公式

1.4 萱草培育

实验是以萱草为栽培对象，盆栽所用土以5.5 kg野外土壤，0.5 kg营养土配置栽培土壤，即每个花盆装土6.0 kg，共配置16盆，每盆摘种1株萱草嫩芽。自2018年1月培养至2018年11月。在寒冷季节，温度较低时，转移到室内培育，室内温度23℃，温度波动为2℃，于2018年1月15日将配置好的Pb（NO3）2以溶液形式加入土壤中（均匀滴渗）。以查阅的大量资料为依据，将实验组分为三组，每组培养4盆，剩余4盆不加 Pb（NO3）2作为对照组（CK），各实验组重金属铅的处理浓度具体值见表2。

表2 重金属铅处理浓度

1.5 试样制备与测定

取样时，将萱草完整取出，将花盆中的土壤收集完全，装入准备好的信封中，于烘箱中80℃烘干4 h，称重记录。之后用研磨器研磨，通过100目的网筛，以除去孔径较大的沙粒，取筛下土混匀后备用；将采集的萱草植物去除根部沙土并称重记录（具体质量见表3），后续处理方法与土壤相同。

表3 萱草烘干后的生物量

在电子天平上称取0.2 g样品倒入50 mL的坩埚中，先在坩埚中加少量去离子水再加入5 mL浓盐酸，在电热板上加热，温度控制在120～160℃，初步分解样品，待试样剩余约2 mL时，取出冷却，然后加入5 mL硝酸、4 mL氢氟酸、2 mL高氯酸。加盖后在电热板上恒温加热1 h，温度控制在160～190℃。到时间后，开盖加热除硅，并经常摇动坩埚。直到坩埚内冒厚重的高氯酸白烟时，再加盖，这样是为了使黑色的有机碳化物能够充分分解。坩埚内的黑色有机物消失后，开盖赶酸，等到样品呈粘稠状，取下坩埚冷却，然后用去离子水淋洗坩埚的盖和内壁，再加入1 mL硝酸于120℃恒温加热溶解剩余残渣。残渣溶解完全后将坩埚内溶液移至25 mL容量瓶中，再加入3 mL磷酸氢二胺溶液于容量瓶中，待溶液冷却后定容。

依据GB/T 17141—1997《土壤质量 铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》。测定各实验组泥土和萱草样品中重金属铅的含量 W［Pb（Cd），mg/kg］，按公式（3）计算：

式中：c—制备的样品中铅含量，μg/L；

V—试液定容的体积，mL；

m—称取试样的质量，g；

f—试样中水分的含量，%。

2 结果及讨论

2.1 土壤本底值

测定刚配置的土壤中重金属铅的本底值（表4、表5）。

表4 土壤重金属铅本底值 mg·kg-1

表5 土壤本底值其他指标 mg·kg-1

2.2 测定结果与分析

各实验组萱草根叶中铅的浓度（表6）。

表6 萱草根叶中Pb的浓度 mg·kg-1

由表6可以看出，萱草的两个器官中对重金属铅的吸收富集能力会随着加入土壤中重金属铅的含量升高而增大。通过实验数据来看，萱草根在各个实验组中所富集的铅含量均大于叶。其中铅含量为100～1 000 mg/kg时，叶中的铅含量大约是根中的1/2。此外，萱草的根对重金属铅的吸收能力在各浓度梯度均大于萱草叶。

2.3 富集系数与转运系数

利用石墨炉原子吸收分光光度法测定土壤样品和萱草中铅的含量，通过公式（1）（2）即可计算出萱草的富集和转运系数（表7）。

表7 萱草根-叶转运系数及富集系数

在铅的处理浓度较低时，根和叶的富集系数较高，浓度高时根的富集系数迅速减小。这是因为低含量的重金属铅离子是萱草生长过程中所需要的必需元素，因此根和叶器官会富集重金属铅；转运系数在处理浓度为100 mg/kg时达到最大为1.15，此时萱草叶中的铅含量大于根，土壤中的Pb趋向于向萱草的地上部分积累。

2.4 修复效率

利用石墨炉原子吸收分光光度法测定土壤样品中铅的含量，通过公式（4）即可计算出萱草对土壤中Pb的修复效果：

土壤修复效率=植物修复前后土壤重金属含量的差值/泥土中最初的重金属含量 （4）

由公式（4）计算得萱草对土壤修复效率，如表8。

表8 萱草对土壤中Pb的修复效率

从表8可以看出，萱草对铅的修复效率都比空白对照组要大，修复效果比较稳定，最大修复效率可达到82.14%。说明萱草对重金属污染土壤具有一定的修复能力。

3 结论

通过实验可以看出，在重金属Pb胁迫浓度较高时（大于500 mg/kg），萱草叶的富集系数均大于根部的富集系数，说明重金属Pb向萱草叶部转化的较多。萱草的根在100 mg/kg实验组中富集系数达到最高；地上部分在500 mg/kg实验组，富集系数达到最高。萱草对铅的修复效率都比空白对照组要大，修复效果比较稳定，最大修复效率可达到82.14%。说明萱草对重金属污染土壤具有一定的修复能力，修复后萱草平均土壤含水率为59.2%，是原来19%的3倍多，说明萱草可以改善土壤的性质。根据国家无公害蔬菜重金属含量的标准，铅的含量应不超过50 mg/kg，萱草种植在铅浓度低于100 mg/kg的土壤中，其茎部和叶片中的铅含量一般不超过50 mg/kg，萱草作为花卉植物很少被食用，可减少对人类身体健康的危害，将萱草用于城市隔离带或者作为景区的景观，不会进入食物链循环。这种方式可减少重金属铅在生态系统的流动过程中对人体健康产生的威胁。用萱草修复污染土壤，既能修复土壤，又能美化环境，是一种较为绿色的修复手段，可谓一举多得。因此，萱草完全可用于环境的优化和治理。