螯合剂对鬼针草Cd、Zn、Pb和Cu吸收累积的影响

王天顺, 陈 伟, 蒋文艳, 杨玉霞, 李晓妤, 王海军, 廖 洁, 莫磊兴

(广西农业科学院农产品质量安全与检测技术研究所/农业部甘蔗品质监督检验测试中心(南宁)，广西 南宁 530007)

【研究意义】鬼针草是一种繁殖速度快，抗逆性强的草本植物，在修复土壤重金属污染中有较大的应用价值。螯合剂可以强化活化土壤中的重金属，提高富集植物的生物有效利用性，大大促进植物对重金属的吸收累积。因此，研究螯合剂作用下鬼针草对重金属的吸收累积状况，对推动鬼针草在修复重金属污染土壤中的应用以及充分发挥鬼针草的修复潜力有着重要意义。【前人研究进展】鬼针草对Cd、Zn、Pb和Cu均有一定吸收富集作用，具有修复重金属污染土壤的潜力[1-2]。而螯合剂作为一种有效诱导活化手段，可强化植物吸收累积重金属并将其转移至地上部分，达到降低或修复土壤中重金属污染的目的，大大提高拓展了植物提取在环境重金属修复中的应用。目前国内外学者广泛采用这一手段治理环境土壤污染，比如Saifullah等[3]用ETDA螯合诱导Pb的吸收提取，樊扬帆[4]采用外源螯合剂柠檬酸和NTA诱导苎麻对Cd的提取修复以及张磊和张磊[5]采用不同螯合剂强化棉花Cd的提取修复等，均取得较好效果。【本研究切入点】目前有关螯合剂螯合诱导植物吸收累积重金属的研究较多，但螯合剂诱导鬼针草修复重金属复合污染土壤的研究还鲜见报道。【拟解决的关键问题】通过温室大棚室内盆栽土培试验，使用Cd、Zn、Pb和Cu复合污染土壤种植鬼针草，探讨添加EGTA、NTA和EDDS对鬼针草Cd、Zn、Pb和Cu吸收和转运的影响，旨在结合利用螯合剂和鬼针草各自特性探索出一种治理土壤重金属复合污染的高效方法，为植物修复土壤重金属复合污染的实际应用提供技术依据。

表1 盆栽试验土壤的基本理化性质

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试盆栽土壤采自广西玉林铅锌矿区周边某农田0～20 cm耕作层。土壤经风干去除杂物后粉碎，过5 mm筛混匀。供试土壤为Cd、Zn、Pb和Cu复合污染土壤，土壤的基本理化性质如表1所示。鬼针草(BidenspilosaL.)种子采自广西农业科学院。鬼针草为一年生草本植物，茎直立，高30～100 cm，钝四棱形。以种子繁殖，发芽适温为15～30 ℃，喜长于温暖湿润气候区，以疏松肥沃、富含腐殖质的砂质壤土及粘壤土为宜，在广西中南部地区一年四季均可繁殖、开花、结果。供试试剂为乙二醇二乙醚二胺四乙酸(EGTA)、氨三乙酸(NTA)、乙二胺二琥珀酸(EDDS)，均为分析纯。

1.2 桶栽试验设计

盆栽试验采用上口径16 cm、高11 cm和底径9 cm的塑料树脂盆，每盆装土1.0 kg。试验共设置4个处理，分别为：①CK处理，不添加任何药剂，作为空白对照；②EGTA处理，添加螯合剂EGTA，浓度为1.0 mmol/kg；③NTA处理，添加螯合剂NTA，浓度为1.0 mmol/kg；④EDDS处理，添加螯合剂EDDS，浓度为1.0 mmol/kg。每个处理3次重复。

试验于2018年8月1日至10月10日在广西农业科学院科研大棚内实施。将鬼针草种子经90 %乙醇浸泡消毒后，播种在塑料树脂盆中，浇适量水保持土壤湿润，待种子萌发生长15 d后定苗，每盆保留鬼针草幼苗3株。植物生长60 d后分别施加EGTA、NTA和EDDS，为保持螯合剂施加均匀，将螯合剂溶于超纯水后再喷洒在土壤表面，螯合剂施加10 d后采收。

1.3 样品处理与测定

将收获的植物用超纯水冲洗干净后晾干，称量其鲜重。然后将植物分成根、茎和叶3部分，于105 ℃下杀青30 min，在65 ℃下烘干至恒重，测定干重。然后用粉碎机将根、茎和叶分别粉碎过100目筛，用H2O2-HNO3法消解。采用PE900T火焰-石墨炉原子吸收分光光度计测定样品消解液重金属含量。

1.4 富集系数和转移系数

富集系数=植株地上部组织重金属含量/土壤重金属含量

转移系数=植株地上部组织重金属含量/植株根部重金属含量

1.5 数据分析

采用Excel 2010和SPSS 18.1软件分别进行数据处理和差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同螯合剂处理对鬼针草植株根茎叶组织内Cd、Zn、Pb和Cu含量的影响

如图1所示，3种螯合剂的添加使用对鬼针草根茎叶组织Cd含量均产生负面影响，不利于重金属Cd的吸收累积。与CK比较，施用EGTA、NTA和EDDS后的鬼针草根部Cd含量分别降低了37.4%、31.5 %和24.3 %，茎部Cd含量分别降低了51.5 %、41.7 %和28.4 %，叶部Cd含量分别降低了6.7 %、38.4 %和27.9 %。

图1 不同处理下鬼针草各部位Cd含量Fig.1 Concentrations of Cd in different parts of Bidens pilosa L. under different treatments

如图2所示，3种螯合剂对鬼针草根茎叶组织Zn含量影响各异。与CK比较，螯合剂EGTA的使用使鬼针草叶部Zn含量降低了18.9 %，但其茎部和根部Zn含量分别提高了13.9 %和55.6 %；螯合剂NTA的使用使鬼针草叶部和茎部Zn含量分别降低了45.4 %和40.3 %，但其根部Zn含量提高了5.6 %；螯合剂EDDS的使用使鬼针草叶部和根部Zn含量分别降低了21.9 %和11.5 %，但其茎部Zn含量提高了19.6 %。

如图3所示，3种螯合剂对鬼针草根茎叶组织Pb含量影响各异。与CK比较，施用EGTA、NTA和EDDS后的鬼针草叶部Pb含量分别降低了14.8 %、44.7 %和30.0 %；茎部Pb含量分别降低了16.1 %、39.3 %和14.7 %；根部Pb含量分别提高了82.2 %、355.1 %和446.5 %。

图2 不同处理下鬼针草各部位Zn含量Fig.2 Concentrations of Zn in different parts of Bidens pilosa L. under different treatments

图3 不同处理下鬼针草各部位Pb含量Fig.3 Concentrations of Pb in different parts of Bidens pilosa L. under different treatments

图4 不同处理下鬼针草各部位Cu含量Fig.4 Concentrations of Cu in different parts of Bidens pilosa L. under different treatments

如图4所示，3种螯合剂的添加使用对鬼针草根茎叶组织Cu含量均产生积极影响，有利于重金属Cu的吸收累积。与CK比较，施用EGTA、NTA和EDDS后的鬼针草根部Cu含量分别提高了68.3 %、101.3 %和285.0 %；茎部Cu含量分别提高了156.5 %、4.3 %和17.4 %；叶部Cu含量分别提高了106.8 %、11.3 %和161.7 %。

2.2 不同螯合剂处理对鬼针草生物量的影响

螯合剂作用下植物对重金属的吸收累积总量，不仅与植株组织内单位质量的富集浓度有关，还与植株本身的生物量密切相关。植株生物量越大，则重金属的吸收富集量就越大。图5表明，3种螯合剂的施加使用均促进了鬼针草的生长，其鲜重均呈现不同程度的增加。其中EDDS作用下鬼针草的生物量最大，与对照CK比较生物量提高了24.9 %；EGTA作用下次之，与对照CK比较生物量提高了20.2 %；NTA作用下生物量提高了18.3 %。螯合剂施加到土壤中，除了影响土壤中重金属的活性外，同时还影响土壤中氮、硫、磷等营养元素有效性，进而促进植物的吸收利用；而且低浓度的螯合剂与土壤中的重金属发生螯合作用，还可以缓解重金属对植物细胞组织的毒害作用，两者皆有利于植物的生长发育。

2.3 不同螯合剂处理对鬼针草Cd、Zn、Pb和Cu吸收量的影响

螯合剂作用下鬼针草对Cd、Zn、Pb、Cu吸收量的影响如表2所示。不同处理下，鬼针草对Cd、Zn、Pb、Cu吸收范围分别282.9～331.0、8171.0～11 845.5、466.9～1989.6和32.1～124.8 μg /盆。与CK比较，螯合剂EGTA、EDDS对鬼针草吸收Cd影响差异不显著(P>0.05，下同)，1.0 mmol/kg NTA的施用甚至产生了负面影响，减少了鬼针草对Cd的吸收。除NTA对鬼针草Zn吸收提升不显著外，螯合剂EGTA、EDDS作用下均显著提升了鬼针草对Zn吸收量(P<0.05，下同)；3种螯合剂作用下均显著提升了鬼针草对Pb和Cu吸收量，其中EGTA作用下鬼针草Zn吸收量最大为11 845.5 μg /盆，是CK的1.45倍；NTA、EDDS作用下鬼针草Pb、Cu吸收量最大分别为1989.6和124.8 μg /盆。

图5 不同螯合剂处理下鬼针草的生物量Fig.5 Biomass of Bidens pilosa L. under treatments of different chelators

表2 螯合剂对鬼针草Cd、Zn、Pb和Cu吸收量的影响

注：同列不同小写字母表示处理间达到0.05水平显著差异。

Note: Different small letters in the same column mean significant difference with different treatments atP<0.05.

2.4 不同螯合剂处理对鬼针草Cd、Zn、Pb、Cu富集系数和转移系数的影响

如表3所示，对于重金属Cd不同处理下，鬼针草叶部和茎部富集系数分别为7.15～11.60和1.69～3.49，表明鬼针草能有效的吸收累积土壤中的Cd；鬼针草叶部和茎部转移系数分别为0.82～1.36和0.21～0.28，但除施加EGTA提高了鬼针草叶部的转移系数外，3种螯合剂的施加均减小了鬼针草叶部、茎部对Cd的富集系数和转移系数。

对于重金属Zn 不同处理下，鬼针草叶部和茎部富集系数分别为2.73～5.00和0.83～1.66，表明鬼针草能有效的吸收累积土壤中的Zn，3种螯合剂的施加减小了叶部的富集系数，施加NTA也减小了茎部的富集系数，与CK比较减小了40.4 %，但EGTA和EDDS的施加效果相反，提高了茎部的富集系数，较CK分别提高了13.9 %和19.6 %。鬼针草叶部和茎部转移系数分别为0.35～0.68和0.11～0.25，3种螯合剂的施加均减小了叶部的转移系数，施加EGTA和NTA同时也减小了茎部的转移系数，较CK分别减小了26.8 %和43.5 %，但EDDS的施加提高了茎部转移系数，较CK提高了35.2 %。

表3 螯合剂对鬼针草Cd、Zn、Pb和Cu富集系数和转移系数的影响

注：IF为转移系数，BCF为富集系数。

Note: IF is the translocation factor, BCF is the bioconcentration factor.

对于重金属Pb不同处理下，鬼针草叶部和茎部富集系数分别为0.04～0.06和0.09～0.15，鬼针草叶部和茎部转移系数分别为0.01～0.10和0.03～0.23，但3种螯合剂的施加均减小了鬼针草叶部、茎部对Pb的富集系数和转移系数。其中NTA鬼针草转移系数的减小作用最为明显，与CK比较叶部和茎部最大减幅分别为87.9 %和86.8 %。

对于重金属Cu不同处理下，鬼针草叶部和茎部富集系数分别为0.47～1.23和0.16～0.42，3种螯合剂的施加均提高了叶部和茎部的富集系数，与CK比较叶部和茎部最大提高分别为161.7 %和156.5 %。鬼针草叶部和茎部转移系数分别为0.25～0.54和0.05～0.23，施加NTA和EDDS减小了叶部和茎部的转移系数，与CK比较叶部和茎部最大减幅小分别为44.7 %和69.5 %，但EGTA的施加提高了叶部和茎部的转移系数，与CK比较叶部和茎部最大增幅分别为22.8 %和52.4 %。

3 讨 论

植物吸收累积重金属，其生物量尤其是地上部生物量是衡量植株吸收累积效率的极其重要的生理指标之一。施加螯合剂处理后对植物产生了两方面影响，一是螯合剂活化土壤中的重金属，植物吸收大量重金属后产生毒性抑制植物生长，导致生物量下降[6]；二是在螯合剂施用后，通过复杂的生物、化学物理反应及植物系统缓解了重金属对植物的毒性[7]，促进了植物的生长[5]。不同螯合剂对植物生长的不同影响可能与土壤微生物、植物种类、螯合剂种类及施用量、土壤重金属含量以及土壤pH等有关。本研究中，EGTA、NTA和EDDS的施用均促进了鬼针草的生长，这与张磊和张磊[5]、景琪等[8]研究结果有相似之处。本研究发现，3种螯合剂的施用，降低了对植物生理毒性最大的Cd在鬼针草根茎叶中的质量含量，这可能是生物量提高的关键所在。杨波等[9]研究表明，适量的EDDS施用可以促进鬼针草幼苗的生长，这与本研究的结果一致，但杨波的研究结果也表明，施加0.5～1.5 mmol/L EDDS同时增加了鬼针草根茎叶中Cd含量，这与本研究发现的EGTA、NTA和EDDS的施用降低了鬼针草根茎叶中Cd含量刚好相反，可能与本试验使用的土壤呈酸性有关，大量研究表明螯合剂作用于碱性土壤时，对重金属的强化作用效果较好，对酸性土壤的活化作用不明显[10]。

螯合剂可与土壤中重金属发生螯合作用，增强重金属的活性，提高植物对重金属的吸收有效性[11-12]。本研究结果表明，EGTA、NTA和EDDS作用下，除鬼针草对试验土壤中Cd的吸收累积量影响不显著外，这与Tandy等[13]研究发现的EDDS不会促进重金属复合污染土壤中向日葵对Cd的吸收结果类似，Evangelou等[14]研究施用1.5 mmol/kg EDDS对烟草地上部吸收土壤中的Cd没有显著提高，熊国焕等[15]研究发现EDDS也没有显著提高大口叶边草地上部对Cd的吸收，这与本研究结果相符。土壤中的Zn、Pb、Cu吸收累积量较对照均有显著提升。对于重金属Cu，3种螯合剂处理下，鬼针草根部、茎部、叶部和总的Cu积累量均高于对照，而且叶部和茎部Cu富集系数较对照均有提高，在EGTA作用下，Cu转运系数也有较大提升。适宜的螯合剂可以增加土壤中重金属的活性，从而促进植物地上部对重金属的吸收和积累[16-17]，本研究发现在Cd、Zn、Pb和Cu复合存在下，施用1.0 mmol/kg EGTA、NTA和EDDS，鬼针草根部Pb和Cu的含量和累积量显著高于对照。

Kayser等[18]研究结果表明，在碱性土壤中施加NTA和EDDS较对照使土壤中植物有效态Zn、Cd和Cu的含量分别提高了21、58和9倍，植物地上部重金属的含量也提高了2～3倍；Tandy等[13]研究了在复合污染土壤上，EDDS的施用对向日葵提取修复Cu、Zn、Pb有强化作用，结果表明，投加了10 mmol/kg EDDS显著促进了向日葵地上部重金属的积累，这些均与本研究的结论类似。大量研究表明，EDDS具有更强的溶解土壤中Cu和强化植物积累Cu的能力，同时金属-EDDS络合物更有利于植物的吸收[19-22]。樊扬帆等[6]研究表明，NTA的应用能促进苎麻的生长和提高Pb在苎麻体内的积累。植物吸收累积重金属的效果，既与螯合剂和重金属的络合能力有关，又与植物种类密切相关[23]，其中Pb-EDDS络合物有较稳定的络合系数[24]，其次是Pb-NTA和Pb-EGTA，说明EDDS比NTA、EGTA具有更强的溶解土壤Pb和增加植物吸收累积Pb的能力，本研究结果及熊国焕等[15]研究结果也证明了这一点。从NTA和EDDS提升了鬼针草根部Pb含量，但对叶部及茎部影响不显著的结果来看，螯合剂和鬼针草可联合使用，作为污染土壤中Pb的植物固定修复，这与Zhao等[25]的研究有类似之处。

在土壤环境中施加有机螯合剂，除了可以活化络合重金属外，还能增加这些重金属及营养元素钙镁铁等的淋溶，伴随着自然降雨及水利浇灌，可能会直接或间接导致重金属及营养元素向河水或地下水流失迁移，给水资源带来污染风险。本研究施用的3种螯合剂在环境中均有时间不等的半衰期。EDDS和NTA是易被降解的螯合剂，研究表明EDDS在土壤中28 d即可完全降解，NTA在土壤中21 d即可完全降解。尽管螯合剂的施用可以活化土壤中的重金属，提高重金属的生物有效性，从而促进植物对重金属的吸收累积，但螯合剂作为外源物质添加到土壤环境中，或多或少将影响土壤的结构、肥力、微生物菌落等，会给环境带来潜在污染风险。因此，在实际的利用中应充分考虑土壤类型、pH值、有机质含量及重金属含量后确定最合适的施加剂量，从而最大程度发挥螯合剂的积极影响。鉴于研究时间有限，本研究目前只考察了低剂量的3种螯合剂对土壤中Cd、Zn、Pb、Cu的影响作用，今后可从螯合剂不同剂量梯度以及其作用下重金属在土壤中各种形态变化、重金属在鬼针草根茎叶细胞组织的细胞分布等角度进一步加强研究。

4 结 论

低剂量螯合剂的施用均促进了鬼针草的生长，提升了鬼针草地上部的生物量，3种螯合剂处理促进鬼针草生长的作用效果顺序为：EDDS>EGTA>NTA。在Cd、Zn、Pb和Cu复合存在下pH为6.0的酸性土壤中，EGTA对鬼针草Zn吸收累积的促进效果最好，NTA对鬼针草Pb吸收累积的促进效果最好，EDDS对鬼针草Cu吸收累积促进效果最好。EGTA作用下鬼针草叶部及茎部对Cu的富集系数和转移系数均高于对照，说明EGTA能有效促进Cu在鬼针草体内的富集及转运。