鞍山某铁矿区植物对重金属的富集作用研究

2019-10-21高烨炀李晔李东明陈丽虹魏建兵

河南科技 2019年16期

高烨炀李晔李东明陈丽虹魏建兵

摘要：重金属污染土壤的生物修复技术是土壤污染整治的重要手段之一，是近几年来国内外研究的热点，同时也是现今土壤污染治理中环境友好、成本低廉的技术。本文采集几种植物样品，研究其富集作用及迁移转化的情况，以为尾矿区土壤修复提供一定的理论依据，并根据初筛结果，选择适宜的修复植物和修复方法，从而为矿区土壤环境生态修复提供数据积累和理论依据。

关键词：矿区土壤;重金属;富集作用;转移系数

中图分类号：X173文献标识码：A文章编号：1003-5168（2019）16-0150-04

Abstract： Bioremediation technology of heavy metal contaminated soil is one of the important means of soil pollution remediation. It is a hot spot in recent years， and it is also an environmentally friendly and low-cost technology in soil pollution control. In this paper， several kinds of plant samples were collected， and their enrichment and migration and transformation could provide some theoretical basis for soil restoration in the tailings area. Therefore， it provided data accumulation and theoretical basis for soil environmental ecological restoration in mining areas.

Keywords： mining soil;heavy metals; enrichment;transfer factor

随着世界工业的迅速发展，地球上许多地区的土壤都不同程度地受到重金属污染，而且污染面积有不断扩大的趋势[1]。工业化的推进与采矿业的发展，使矿业资源开发不断加快，其所带来的环境问题也越来越严重，其中尾矿对环境产生的影响尤为严重。尾矿是指选矿厂在特定经济技术条件下，将矿石磨细、选取“有用组分”后所排放的废弃物，即矿石经选别出精矿后剩余的固体肥料[2]。通常情况下，尾矿在化工、黑色金属矿山的矿石总量中的比例可达50%～80%;在有色金属矿山中可达70%～95%;在黄金、钼、钨等稀有金属矿上中可达99%以上[3]。

随着现代工业的迅速发展，矿产资源利用量不断增加，由此导致的尾矿量也不断增加。矿山开采和冶炼产生的尾矿对周边环境介质产生严重影响，如占据大量土地资源、植被破坏、土壤退化、重金属元素迁移至大气及水土中等，若处理不当，会造成严重的污染问题，从而威胁人类的生存和发展[4]。此外，尾矿中的重金属在迁移过程中，易进入食物链，从而直接威胁人类健康。因此，加强尾矿改良，减轻重金属污染情况，恢复尾矿区的生态环境显得十分重要。

尾矿场作为重金属的持久性污染源，其污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性等特点，并通过食物链危害人类生命安全[5]。为了查明相关尾矿场环境中各类重金属的污染现状，学者们进行了多方面研究。例如，2009年，胡园园等人[6]对生长在铜陵铜官山矿区的5种菊科植物（小飞蓬、艾蒿、野艾蒿、苍耳和山苦荬）进行了重金属含量测定，并测定了其根部土壤中的重金属含量。本文选取鞍山某尾矿区的8种植物，检测植物内的重金属含量，为以后尾矿的修复提供理论支撑和数据支持。

1 研究区自然概况

研究区位于辽宁省鞍山市南郊，距离市中心大约7km，行政区划属鞍山市千山区唐家房镇管辖，面积约78 762.03m2，土壤中Fe元素含量为508mg·kg-1。鞍山市属暖温带大陆性季风气候，四季分明，气候宜人。其特点是雨热同步、干冷同期、温度适宜、光照充足。春季少雨多风，日照时间长;夏季炎热多雨，盛行东南风;秋季凉爽，雨量适中，南北风交替;冬季寒冷，降水偏少，多东北风。全市多年平均降水量为703.7mm，多年平均蒸发量为1 750.2mm，多年平均气温为9.4℃，多年平均日照时数为2 540h，多年平均相对湿度为60%，多年平均风速为3.5m/s，多年平均最大风速21m/s，多年平均最大冻土深度为118cm。尾矿位置如图1所示。鞍山式铁矿尾矿库周边土壤的重金属含量如表1所示[7]。

2 材料与方法

2.1 样品采集

2.1.1 植物样品的采集。2018年5月3日，在鞍山某矿区选择四个采样点，采集针茅（Stipa capillata Linn）、艾蒿（Artemisia argyi H. Lév. & Vaniot）、蓟（Cirsium japonicum）、一点红（Emilia sonchifolia （L.） DC）、萝摩（Metaplexis japonica）、蒌蒿（Artemisia selengensis Turcz.ex Bess）、打碗花（Calystegia hederacea Wall）和豚草（Ambrosia artemisiifolia L）地上部分和地下部分完好的植物，分別用密封袋装好并标记。

2.1.2 土壤采样方法。样品采集0～20cm土壤。所采集的土壤样品应去除杂草、草根、石块、砖块和肥料团块等杂物。为增加土壤样品的代表性，样品的采集采用梅花布点法，即采样时应以定点位置为主，在其周围50m范围内均匀分布的4个子样点等量采集后组合为一个样品。每个大格内的单点样的土类尽量做到基本一致，带回实验室进行分析。

2.2 重金属含量的测定

取土壤样品5g，采用高氯酸和硝酸消解完全后，用1%硝酸稀释至50mL，摇匀。此即为试液。

分别取植物地上和地下部分样品各0.5g，200℃，碳化2h，再800℃灰化8h。冷却，加1%硝酸溶解残渣，稀释至25mL，摇匀。此即为试液。

配制重金属含量标准曲线，将上述待测溶液采用火焰原子分光光度计进行重金属含量的测定。

2.3 生物富集系数（Bioconcentration Factor，BCF）的计算

生物富集系数是指生物体内某种元素或难分解的化合物的浓度同其所生存的环境中该物质的浓度比值，可用以表示生物浓缩的程度。土壤和植物之间的浓缩系数是植物体内某物质的浓度与植物所生长的土壤溶液中该物质的浓度的比值。

（1）

式中：[BCF]为富集系数;[C1]为植物中重金属含量（mg·kg-1）;[C2]为土壤中的重金属含量（mg·kg-1）。

2.4 转移系数

转移系数（Transfer factor）指植物的地上部位中重金属浓度与相应重金属在植物地下部位中浓度之比，是描述化学物质在生物体内转移能力的重要指标，在一定程度上反映了植物系统中元素由根部向地上部分转移的难易程度，是衡量植物对重金属修复能力的重要因素之一。

计算公式为：

（2）

式中：[TF]为转移系数;[C3]为地上部分的重金属含量（mg·kg-1）;[C4]为地下部分的重金属含量（mg·kg-1）。

3 结果与分析

3.1 植物及其根系土壤重金属含量测定

3.1.1 铜含量测定。矿区植物的铜含量图如图2所示。从图2可知，艾蒿地下部分和豚草地上部分Cu的含量都很高，超过了25mg·kg-1，且这两种植物对Cu的富集作用也是最明显的。其次是打碗花、萝藦、蓟和蒌蒿。针茅和一点红中Cu的含量最少，与其他几种植物相比，无明显的富集作用。

3.1.2 锌含量测定。矿区植物的锌含量图如图3所示。从图3可知，豚草地上部分锌的含量最高，达到了18mg·kg-1。其次锌的含量从高到低依次为艾蒿、打碗花、萝藦、一点红、蓟和蒌蒿。而针茅中的锌含量最少，地上部分和地下部分分别为1.724mg·kg-1和1.262mg·kg-1。

3.1.3 铅含量测定。由于矿区土壤中Pb的含量很少，所以8种植物中Pb的含量也很少。从矿区植物Pb含量图可知（见图4），8种植物中除蓟和艾蒿中Pb含量较低外，其他几种植物的Pb含量大致相同。其中，蒌蒿的地上部分Pb含量最高，为2.505mg·kg-1。

3.1.4 铁含量测定。矿区植物的铁含量图如图5所示。从图5可知，打碗花的根部铁的含量最高，达到了1046.85mg·kg-1;其次依次是艾蒿、豚草和蒌蒿。以上几种植物中铁的含量明显高于其他4植物。其他4种植物，蓟中铁的含量最低，地上部分和地下部分含铁量分别为94.793mg·kg-1和65.739mg·kg-1。

4.2 生物富集系数和转移系数

严莉等[8]等选择芦苇、水葱、千屈菜、扁秆藨草、长苞香蒲5种湿地植物进行盆栽实验，比较它们对土壤中的5种重金属镉、铬、汞、铅、锌的富集特性，分析重金属在各植物体和土壤中的动态分布，以评价所测植物对土壤中重金属的综合富集能力。通过分析可知，5种湿地植物对重金属Cd、Cr、Hg、Pb、Zn都有富集和转移的能力，但不同植物对不同重金属的富集效果不同。

4.2.1 富集系数。重金属富集系数如图6所示。从图6可知，艾蒿和豚草对Cu的富集系数较高，分别为12.42和12.74，吸收Cu元素的能力最强。其他几种植物的富集系数由高到低依次是萝藦、打碗花、蓟、蒌蒿和一点红。针茅的富集系数最低，为1.22。艾蒿和豚草对Zn的富集系数较高，分别为1.70和2.18，豚草吸收Zn元素的能力最高。其他几种植物的富集系数由高到低依次为萝藦、打碗花、一点红、蓟和蒌蒿。针茅的富集系数最低，为0.25，吸收能力最弱。8种植物对Pb的富集系数由高到低依次为蒌蒿、豚草、一点红、针茅、萝藦、打碗花、蓟和艾蒿。由于土壤中的Pb含量不是很高，所以，大部分植物的富集系数都在1左右。艾蒿对Fe的富集系数最高，为3.44，最容易从土壤中吸收Fe元素。其他几种植物的富集系数由高到低依次为打碗花、豚草和蒌蒿。而萝藦、蓟、一点红和针茅的富集系数都很低，最低的为蓟，只有0.32，所以蓟吸收Fe元素的能力最弱。

4.2.2 转移系数。Cu转移系数最高的是豚草，转移系数为2.028，其余植物Cu转移系数由高到低依次为打碗花、蒌蒿、一点红、萝藦、针茅、艾蒿和蓟。Pb转移系数最高的为艾蒿，转移系数为2.971，其余植物Pb转移系数由高到低依次为蒌蒿、打碗花、针茅、豚草、萝藦、一点红和蓟。Zn转移系数最高的是蓟，转移系数为1.026，其余植物Zn转移系数由高到低依次为萝藦、针茅、打碗花、一点红、艾蒿、豚草和蒌蒿。Fe转移系数最高的为针茅，Fe转移系数为2.704。其余植物Fe转移系数由高到低依次为一点红、蓟、艾蒿、蒌蒿、豚草、打碗花和萝藦。转移系数体现了重金属元素从地下部分向地上部分迁移的难易程度。从上述分析可知，艾蒿、蒌蒿、打碗花、豚草较容易将重金属固定在地上部分。

5 结论

①根据Brooks对超富集植物的定义，植物的地上部分（DW）能富集100mg·kg-1的Cd、1 000mg·kg-1的Pb、Cu、Ni和10 000mg·kg-1的Zn，则称之为超富集植物。在此次研究的8种植物样品中，植物中的重金属含量远比标准少，因此不能算是超富集的植物。

②在所有的8种植物中，艾蒿中Fe的含量最高，达到1 747.93mg·kg-1。艾蒿、蒌蒿、打碗花和豚草的生物富集系数大于1，转移系数也大于1，表明以上4种植物从土壤中吸收重金属元素能力较强，也易固定重金属元素且生物量大。尽管矿山生长环境恶劣，但仍生长十分迅速，适合作为矿山修复的植物。

③打碗花的根部铁的含量超过了1 000mg·kg-1，所以在处理打碗花根部时，要防止对土壤的二次污染。

④豚草中4种重金属含量也十分高，然而作为一种外来入侵的植物，在应用上一定要谨慎。可以在密闭的空间中进行种植，如生态园区，应用时要注意管理，应用结束后要清理干净，不要留下隐患。

⑤由于查阅相关的文献，针对重金属污染的修复尚未应用在以上4种植物中，所以，在应用前应进行实验室培育，了解植物对重金属元素迁移转化的过程。同时，多筛选植物，以找到具有超富集作用的植物，提高修复效率。

参考文献：

[1]牛之欣，孙丽娜，孙铁珩.重金属污染土壤的植物-微生物联合修复研究进展[J].生态学杂志，2009（11）：2366-2373.

[2]李富平，赵礼兵，李示波，等.金属矿山清洁生产技术[M].北京：冶金工业出版社，2012.

[3]赖才书，胡显智，字富庭.我国矿山尾矿资源综合利用现状及对策[J].矿產综合利用，2011（4）：11-14.

[4]艾艳君，谷海红.尾矿生态修复研究进展[J].世界有色金属，2016（3）：88-90.

[5]杨悦锁，陈煜，李盼盼，等.土壤、地下水中重金属和多环芳烃复合污染及修复研究进展[J].化工学报，2017（6）：2219-2232.