6种植物对铜污染土壤的修复作用

陈 诚，李中宝，邓楠鑫，梅 平

(长江大学 化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

从工业革命特别是20世纪之后，不断的工业化和城市化活动，使得大量废水、采矿废渣、化学试剂等未经妥善处理而直接排入水体和土壤，导致全球土壤遭到不同程度的污染[1-2]。其中,大部分重金属离子难以降解而在土壤中大量积累，在食物链的累积下最终到达人体，从而对人体造成伤害[3-4]。

目前，国内外土壤修复的方法主要有动电修复[5]、化学固化修复[6]，淋溶修复[7],但其化学试剂容易造成二次污染。植物修复方法操作更加简单且无二次污染，是一种新颖、经济、生态友好型的修复方法[8]。敬路淮等[9]发现，黑麦草对于修复重金属污染土壤与废水均有较好的效果，其中，对铀的富集量达到213.70 mg/kg。陈东霞等[10]利用水培法探究植物对模拟污水中重金属铜、铬、铅的去除能力，发现黑麦草、紫花苜蓿、早熟禾均有较好的效果。

长岭-威远一带是国内非常规油气田开发区域，通过对该地实地考察，发现该区域受到不同程度的石油及重金属污染，考虑到植物生长受环境影响较大，从油气田开发现场周边选取黑麦草、玉米草、苏丹草、狼尾草、紫花苜蓿和白三叶草6种植物作为研究对象，探究植物对不同含量铜污染土壤中铜离子的去除能力，为治理长岭-威远一带的重金属污染提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料及仪器

材料包括：浓硝酸 (分析纯)、高氯酸 (分析纯)、氢氟酸 (分析纯)、柠檬酸 (分析纯)、甘氨酸 (分析纯)、麦芽糖 (分析纯)(国药集团化学有限公司)及玉米草、黑麦草、苏丹草、狼尾草、紫花苜蓿、白三叶草种子(华中农业大学)。

仪器包括：WYS22OO型原子吸收分光光度计(杭州华创科学器材有限公司)、RQH-450气候箱(上海精宏试验设备有限公司)。

1.2 供试土壤

原始土壤取自某农田无污染场地土壤，刮除表面1 cm厚的土壤进行采样，采样深度1～20 cm。自然风干，去除异物进行研磨，过2 mm 筛备用，土壤pH值为7.34，有机碳含量为19.60 mg/kg。

1.3 试验设计

1.3.1 发芽率试验 取 90 个直径120 mm、经过乙醇洗涤并且高温消毒的培养皿，每个培养皿中放入2片直径120 mm 的滤纸，取经过 8 h浸泡后的每种植物种子各10颗置于培养皿中。配制不同含量的铜离子溶液，铜离子含量设置为0(对照)、25、50、75、 100 mg/kg，倒入培养皿中，记录种子发芽情况。待种子萌发之后将所有的培养皿移入人工气候箱，设置湿度为 70%、温度为 30 ℃，光照为80 lx。

1.3.2 植物生长性试验 于每个培养皿中放入6种植物各20颗种子，以改进的Hoagland溶液[11]为培养液，向培养皿中分别加入5.0 mmol/L Ca2+、1.0 mmol/L KH2PO4、1.0 mmol/L Mg2+、1.0 mmol/L Zn2+、1.0 mmol/L Cu2+溶液，放入人工气候箱中，设置湿度为70%，温度为25 ℃，光照为80 lx。待种子发芽后进行盆栽试验(直径16 cm、高10 cm)，于对应含量(0、25、50、75、100 mg/kg)每盆放入10颗发芽的种子进行生长性试验，每日早晚每盆各浇1次水，维持土壤湿度为60%左右。待植物生长45 d后，将植物与土壤分离，轻轻敲去根系周围土壤，用自来水充分冲洗，然后于104 ℃恒温烘烤8 h至完全干燥，将干燥的植物样品剪成根、叶、茎，分别称其质量以计算生物量，硝化后用WYS22OO型原子吸收分光光度计分别测量根、叶、茎及土壤中铜离子的含量。铜离子去除率(R)的计算公式如下：

式中，C0为土壤中原始铜离子含量，C1为修复后土壤中铜离子含量。

2 结果与分析结果

2.1 6种植物发芽率试验结果

6种植物在不同含量铜离子处理下的发芽率见表1。

由表1可知，玉米草、苏丹草、黑麦草和狼尾草在不同铜离子含量处理下发芽率均达到70%以上，说明这4种植物对铜离子具有比较高的耐性；紫花苜蓿和白三叶草虽然在铜离子含量小于50 mg/kg时发芽率达到60%以上，但铜离子含量大于75 mg/kg时，这2种植物的发芽率甚至不足40%，说明其对高含量铜离子的耐受性不佳。故本研究将选择玉米草、苏丹草、黑麦草和狼尾草4种植物来分析其生物量及对土壤中铜离子的去除率。

表1 6种植物在不同含量铜离子处理下的平均发芽率Tab.1 Average germination rates of six plants under different content of copper ion treatments %

2.2 4种植物在不同含量铜离子土壤条件下的生物量

图1为4种植物在不同含量铜离子土壤条件下根、茎、叶的生物量对比。玉米草根的生物量随着土壤中铜离子含量的升高逐渐降低，但其生物量是茎、叶的2～4倍。在铜离子含量为25 mg/kg时，根的生物量达到了8.92 g，可能是因为玉米草的根系比较发达，对铜的耐受性比较好。与对照相比，土壤中铜离子含量为25 mg/kg时，玉米草茎的生物量略微上升。与对照相比，随着土壤中铜离子含量的升高，苏丹草地上和地下部分的生物量均出现了下降的趋势，根、茎、叶的生物量大小顺序为茎>根>叶。狼尾草各部位的生物量变化与玉米草类似，根的生物量要远远高于茎和叶，在铜离子含量为0 mg/kg时，根、茎、叶的生物量分别为2.76、1.07、1.15 g，即使在其他含量时，根的生物量始终约是叶、茎的2倍左右。黑麦草生物量整体随铜离子含量的上升变化不大，但茎和叶的生物量要高于根，这可能是因为黑麦草的叶、茎对铜的耐受性比较高。在同种铜离子含量条件下，总生物量由大到小顺序为玉米草>狼尾草>苏丹草>黑麦草。

a: 玉米草；b: 苏丹草; c: 狼尾草；d：黑麦草

2.3 4种植物不同部位对铜离子的富集效果

由图2可知，不同植物对铜离子的富集部位及富集能力均有很大的差别。玉米草中的铜离子主要富集在根系，在铜离子含量为25 m/kg时，根、茎、叶中铜离子的含量分别为10.63、1.35、1.25 mg/kg，此时根中铜离子的含量为叶、茎的10倍左右，当铜离子含量为100 mg/kg时，根中铜离子含量为57.25 mg/kg，而茎、叶中铜离子含量分别为1.50、1.90 mg/kg，根中铜离子含量为叶、茎的50倍以上。狼尾草对铜离子的富集效果与玉米草相似，主要富集在根系，在铜离子含量为25 mg/kg时，根、茎、叶中铜离子含量分别为11.30、1.75、0.00 mg/kg；而叶中铜离子含量与对照相同，说明此时铜离子未从根转移到叶；当土壤中铜离子含量为100 mg/kg时，根、茎、叶中铜离子含量分别为 52.70、1.00、1.25 mg/kg，茎中一部分铜离子向叶发生了转移。苏丹草中铜离子也主要富集在根系，呈现先上升后趋于平缓的趋势，在土壤中铜离子含量为100 mg/kg时，叶片中的铜离子含量达到了17.25 mg/kg，说明此时根部铜离子有效地向茎和叶发生了转移。黑麦草与其他3种植物不同，铜离子主要富集在叶和茎部，在铜离子含量为25 mg/kg时，根、茎、叶中铜离子含量分别为0.35、6.57、8.96 mg/kg，叶中铜离子含量最高，随着土壤中铜离子含量的上升，这种差别越来越明显，当土壤中铜离子含量为100 mg/kg时，根、茎、叶中铜离子含量分别为1.24、12.32、23.29 mg/kg，此时，叶中铜离子含量分别约是茎、根中的2倍、20倍。

a: 玉米草；b: 苏丹草；c: 狼尾草；d：黑麦草

2.4 4种植物在不同铜离子含量土壤条件下的铜离子去除率

图3是不同铜离子含量土壤条件下4种植物对铜离子的去除率，苏丹草和黑麦草对土壤中铜离子的去除率均随着铜离子含量的升高而降低。在土壤中铜离子含量为25 mg/kg时，黑麦草和苏丹草的铜离子去除效果较好，铜离子去除率均达到了60%以上；土壤中铜离子含量为50 mg/kg时，玉米草的铜离子去除率最高，达到了74%，此时苏丹草、狼尾草、黑麦草的铜离子去除率分别为 56%、50%、47%；土壤中铜离子含量为75 mg/kg及以上时，狼尾草、玉米草的铜离子去除率均达到了55%以上，大于黑麦草与苏丹草，其中，玉米草的铜离子去除率达到了60%以上。

图3 4种植物在不同铜离子含量土壤

3 结论与讨论

有研究报道，重金属可降低植物生物量、抑制根的伸长，导致出现植株矮小等状况[12]。植物修复指利用超累积植物对土壤中的重金属进行吸收和转移，余晓华等[13]在研究杂交狼尾草和类芦对镉、铜、锌、铅复合污染土壤的修复作用发现，杂交狼尾草对铜、镉污染土壤具有巨大的修复潜力，可作为该类重金属污染土壤修复的超累积植物。本研究中的玉米草、苏丹草、黑麦草、狼尾草在不同铜离子含量条件下的发芽率均达到了70%以上，并且生长情况较紫花苜蓿和白三叶草好，可作为超累积植物。

超累积植物相对于非超累积植物，其根系往往比较发达。植物对土壤中铜离子的去除与根际环境有较大的关系，有研究报道，植物根系分泌的苹果酸、柠檬酸等有机酸能有效地活化和络合土壤中的重金属，从而被植物吸收和转移[14]。另外，植物分泌的氨基酸和糖类等物质能有效地促进根系土壤周围微生物的生长，而这些微生物与植物共生，反过来促进了植物对于土壤中养分的吸收，进而促进了植物的生长，更有利于植物吸收重金属[15]。陈生涛等[16]发现Rhizobiumsp.W33能够显著促进黑麦草吸收铜离子，并提高其对铜离子的富集系数和转移系数。本研究选用的玉米草、苏丹草、黑麦草、狼尾草对铜离子的耐受性较好，当铜离子含量为25 mg/kg时，黑麦草与苏丹草的铜离子去除率均达到了60%以上，高于狼尾草和玉米草，而当土壤中铜离子含量为50 mg/kg时，苏丹草、玉米草的铜离子去除率均达到了55%以上，高于黑麦草与狼尾草。与黑麦草与苏丹草不同的是，玉米草、狼尾草分别在铜离子含量为50、75 mg/kg时的铜离子去除率出现增大的现象，特别是玉米草在高铜离子含量条件下,仍然对土壤中铜离子具有更好的耐性，甚至在铜离子含量为50 mg/kg时，玉米草的铜离子去除率达到了74%。有研究报道，当植物受重金属的刺激时，某些根系分泌物组分的生成和积累会有所增加，这是植物对有毒和有害物质的应激反应，植物通过增加根系分泌物中特殊组分的含量来调整根际微环境，使根际微环境更有利于植物吸收及分解有害物质[17-20]。可能是玉米草在土壤中铜离子含量为50 mg/kg时，根系中某些特异性分泌物的含量增加，从而在一定程度上促进土壤中铜离子的活化以及玉米草对其的吸收。

同时，不同植物、不同部位对重金属的富集效果不同，但与其各部位生物量有较大的关系，植物某个部位生物量越高，该部位富集重金属的效果也越明显。赵雅曼等[21]研究铅、锌矿区的草本植物对该矿区重金属的富集时发现，就地下部分对镉、铅、锌的富集能力而言，芦苇>毛蕨；而毛蕨地上部分吸收镉、铅、锌的能力较强。赵玉红等[22]研究西藏中部矿区先锋植物对重金属富集的结果表明，植物不同部位对重金属的吸附能力不同。本研究结果表明，玉米草根的生物量远远高于叶和茎，而根对铜离子的富集也要远远高于叶和茎，叶和茎的生物量相差不大，其铜离子的含量也基本一样；黑麦草在不同铜离子含量土壤条件下的生物量大小顺序为叶>茎>根，而黑麦草根、茎、叶中铜离子含量大小顺序也为叶>茎>根。植物某个部位的生物量越高，对于重金属的耐受性越好，该部位铜离子含量也就越高。在土壤中铜离子含量为100 mg/kg时，玉米草、狼尾草、苏丹草根系中铜离子含量分别达到了57.25、52.70、47.50 mg/kg；黑麦草的铜离子主要富集在叶、茎，在土壤中铜离子含量为100 mg/kg时，叶、茎中铜离子含量分别达到了23.29、12.32 mg/kg。

本研究筛选的4种植物可为长岭-威远一带非常规油气开发区域及其他重金属污染区域不同浓度铜污染土壤修复提供参考，在高铜离子含量(大于 50 mg/kg)时，可选用玉米草作为修复植物，在低铜离子含量(小于25 mg/kg)时，可选用黑麦草和苏丹草作为修复植物。