柠檬酸-美人蕉体系对铅镉复合污染土壤的修复效果

庄静静，郭晖

(新乡学院生命科学技术学院，河南 新乡 453003)

随着工业化和城镇化的快速发展，大多数国家和地区的土壤都出现了不同程度的重金属污染.目前，土壤重金属污染已对农业生产造成了极大影响[1].在众多的重金属元素中，铅(Pb)和镉(Cd)会经常伴随出现，并易造成铅镉复合污染[2].研究表明，大多数金属元素在自然环境下多以复合的形式存在，且各种复合元素之间存在协同作用、加和作用和拮抗作用等相互作用的形式，这些作用形式终将会影响到植物对金属元素的吸收和代谢[3].如在同样浓度下，铅镉复合污染往往比单一重金属污染的抑制率更高，说明铅镉污染存在协同效应[4].也有研究表明，在铅镉复合胁迫下植物的株高、地径增长受抑制，生物量下降，总叶绿素降低，丙二醛含量增加[4]，且植物各组织中铅含量明显低于单一铅处理水平，表现为镉对铅的富集有抑制作用[6]，或表现镉为对铅的富集有促进作用[6]，说明铅镉污染存在协同和拮抗作用.

目前，植物修复技术因其成本低廉、操作简便、运用范围广和绿色环保等特点[7]，使其成为重金属污染修复的主要技术方法.但在植物修复中，如何有效活化土壤中的重金属是重金属污染修复的关键问题.研究表明，有机酸可与重金属形成稳定的复合体，将离子态的金属转变成低毒或无毒的螯合态形式，从而来提高植物对重金属的耐性及修复效率[8].易龙生等[9]和潘丽萍等[10]研究表明，外源柠檬酸的添加，显著降低了土壤有效重金属含量并促进了植物吸收和累积重金属的能力.因此，螯合剂辅助植物技术即向土壤中添加可活化重金属离子的螯合剂，提高植物对目标重金属的提取效率[11]，已成为土壤环境修复领域的研究热点.

美人蕉(CannaindicaL.)是多年生球根花卉，在我国城区普遍栽植，因其形态优美、花色艳丽、适应性强、兼具绿化、观赏和净化环境等重要价值而被广泛应用[12].目前关于美人蕉修复重金属污染的研究主要集中于对单一重金属污染的修复[12-14]，而关于柠檬酸-美人蕉对铅镉复合污染的研究较少.本研究将柠檬酸联合美人蕉构建铅镉污染土壤的螯合剂-植物联合强化修复体系，探讨其修复模式及效果，以期为美人蕉在城市特别是铅镉污染地区的园林应用和生态恢复提供参考.

1 材料与方法

1.1 供试材料

美人蕉采购于新乡市花卉市场，选取株高10 cm左右的幼苗作为本研究的试验材料.盆栽供试土壤采用新乡学院校区内的裸露空地，取回土壤后将其风干、过筛，用作盆栽用土[15].柠檬酸(郑州富佳化工科技有限公司)和铅粉、镉粉(上海江莱生物科技有限公司)均为优级纯.土壤基本理化性质测定如表1所示.

1.2 试验方法

2019年6月，将供试土壤剔除杂物后自然风干，装至50 cm×35 cm(直径×高)的培养盆内，每盆装土50 kg，厚度约10 cm.选择长势健壮和高度基本一致的美人蕉幼苗移植盆内进行培养.不同添加量的柠檬酸对不同铅镉复合污染土壤修复效应的研究试验为双因素完全随机区组试验，A因素为铅镉污染浓度，设置4个水平，即Cd0Pb0(Ⅰ)、Cd1Pb100(Ⅱ)、Cd5Pb500(Ⅲ)、Cd10Pb1 000(Ⅳ)(数据单位为 mg/kg).B因素为柠檬酸添加量，设置4个水平，添加量为0(CA0)、2.0(CA2)、5.0(CA5)、10.0 mmol/kg(CA10)，共计16个处理.

1.3 测定指标

2019年8月，将植物整株取出，并用去离子水清洗干净，用直尺测量和计算植物的高度和根系的平均长度.随后将地上部、根系放入烘箱在120 ℃下干燥30 min，然后在75 ℃下烘干24 h，称质量，计算其生物量[15].土壤pH值采用土水比为1∶2.5的pH电位法测定[10].土壤和植物中重金属含量采用酸湿法进行消解[16-17].具体方法：(1)铅含量测定：每个样品(土壤和植物)称约0.5 g于消化管中，加入5 mL的硝酸，放置在石墨消解仪上加热，所用仪器为Hanon220s石墨消解仪，消解至溶液变澄清，大约余量为1～2 mL时取出，定容至25 mL待测.(2)镉含量测定：每个样品(土壤和植物)称约0.5 g置于消煮管中，采用HNO3-HClO4(4+1)混合酸湿法进行消解，所用仪器为Hanon220s石墨消解仪，待白烟冒尽，溶液呈清亮无色，停止加热，然后自然降温至室温，定容于50 mL容量瓶.采用TAS-990火焰型原子吸收光谱仪(北京普析通用仪器有限责任公司，中国)测定土壤和植物铅镉含量.

表1 盆栽土壤基本理化性质

转运系数(TF)=植物地上部重金属含量(mg/kg)/植物地下部重金属含量(mg/kg)

富集量(BCQ)=植物地上部(地下部)重金属含量(mg/kg)×植物地上部(地下部)干质量(g)

1.4 数据处理

使用SPSS Version 21软件对数据进行统计分析，对不同处理的各指标间的差异性采用单因素方差分析，采用Origin 9.0进行制图.

2 结果与分析

2.1 根际土壤理化性质的变化规律

从图1-A可知，外源柠檬酸的添加显著降低了土壤pH值，测得美人蕉根际土壤pH值的范围为5.54～7.67之间.同一处理下，添加柠檬酸与未添加柠檬酸对美人蕉根部pH值有显著差异(P<0.05).在不同处理下，随着柠檬酸添加量的增加根部pH值逐步下降.当柠檬酸添加量相同时，随着铅镉污染浓度的增加，其根部pH值也逐渐下降，这是由于柠檬酸作为天然螯合剂，它能够通过降低pH值和螯合作用来提取重金属[18].土壤有机质的变化趋势与土壤pH值相反，表现为柠檬酸的添加显著增加了土壤有机质(图1-B).在相同处理下，加入2 mmol/kg(CA2)柠檬酸的土壤有机质与未添加柠檬酸之间差异不显著(P>0.05)，而与5 mmol/kg(CA5)和10 mmol/kg(CA10)添加量之间差异性显著(P<0.05).

土壤碱解氮的变化趋势与土壤有机质相一致(图1-C).在CA0Cd0Pb0处理下，土壤的碱解氮含量为54.08 mg/kg.在相同处理下，随着柠檬酸添加量的增加碱解氮的释放量均呈现增加趋势，较CA0Cd0Pb0分别增加了18.53%、39.43%和53.99%.在相同柠檬酸处理下，CA10处理组在不同浓度铅镉污染下，其土壤碱解氮的增加量最大，较CA0处理组相比，分别增加了53.99%、47.41%、49.26%和52.35%.在Cd0Pb0处理下，土壤速效磷在CA10处理组与CA0、CA2处理组之间差异性显著(P<0.05)，而其他处理组在不同柠檬酸添加处理下差异性不显著(P>0.05)(图1-D).与CA0Cd0Pb0处理相比，CA10Cd10Pb1000处理组的速效磷含量最高，值为2.49 mg/kg.土壤速效钾含量的变化趋势与土壤pH值相一致(图1-E).在Cd0Pb0处理下，土壤速效钾的含量逐渐下降，但各处理间差异性不显著，其差值分别为16.32、9.98、5.80 mg/kg.在相同柠檬酸添加量处理下，随着铅镉污染浓度的增加，土壤速效钾含量逐渐上升，这可能是由于柠檬酸通过酸化、配位交换和还原作用溶解转化土壤中的矿物钾，促进钾释放[19].

图中数据为不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05).The data in the figure is the mean ± standard deviation.The different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05).图1 不同处理根际土壤理化性质的变化Figure 1 Changes in soil physical and chemical properties in rhizosphere at different treatments

2.2 美人蕉生物量的变化规律

由表2可知，在添加柠檬酸处理组下，美人蕉的株高要高于未添加柠檬酸处理组.在不同处理组下，美人蕉的株高随着柠檬酸添加量的增加而增加，但在Cd1Pb100处理组中，株高之间差异不显著(P>0.05).在相同柠檬酸添加处理下，美人蕉的株高随着铅镉污染浓度的增加则呈现先上升后下降的趋势，说明美人蕉对铅镉污染具有一定的富集性.根长的变化趋势与株高相一致，均表现为在低浓度铅镉污染处理(Cd5Pb500)时，其根长达到最大，值分别为21.71、26.16、31.20 cm和34.71 cm.在Cd10Pb1000处理时，美人蕉的根长较Cd5Pb500处理分别下降了95.18%、147.29%、217.54%和274.45%.美人蕉的地上生物量在Cd1Pb100和Cd5Pb500胁迫下，其值要高于Cd0Pb0处理，加入柠檬酸后，值有所增加，且随着柠檬酸浓度的增加而增加.但在Cd10Pb1000处理时，美人蕉的地上生物量较其他3种处理明显下降，且随着柠檬酸浓度的增加，生物量逐渐下降，这可能是由于在铅镉污染浓度较高时，对美人蕉的生长产生了抑制作用，而且较高的柠檬酸含量也会影响美人蕉的生长.铅镉污染浓度不同，美人蕉的根部生物量变化趋势也不相同，随着铅镉污染浓度的增加，美人蕉的根部生物量也逐渐增加.在Cd5Pb500处理时，美人蕉的根部生物量达到最大值，分别较Cd0Pb0提高了85.23%、75.99%、81.39%和83.38%，这与根系的生长情况相一致.在Cd10Pb1000处理组，美人蕉根部生物随着柠檬酸添加量的增加而下降，与未添加柠檬酸之间差异性显著(P>0.05).

表2 不同处理对美人蕉生物量的影响

2.3 美人蕉地上部分和地下部分铅镉含量的变化规律

由图2可知，美人蕉地上部分和地下部分的铅含量随着铅镉污染浓度的增加而增加.在Cd0Pb0处理组中，美人蕉地上部分铅含量随着柠檬酸添加量的增加而增加，而地下部分的铅含量则在CA0时最大，且是地上部分铅含量的2.56倍.在Cd1Pb100处理组中，美人蕉地上部分铅含量表现为添加柠檬酸比不添加柠檬酸的含量高，且CA5的铅含量大于CA2和CA10的铅含量(P<0.05).在不同浓度铅镉污染中，CA5的铅含量比不添加柠檬酸CA0的铅含量分别提高了7.47(Cd1Pb100)、370.16(Cd5Pb500)、285.50 mg/kg(Cd10Pb1000).美人蕉地下部分铅含量的变化趋势与地上部分存在差异，未添加柠檬酸CA0的地下部分铅含量高于添加柠檬酸(CA2、CA5、CA10)，且它们之间差异性显著(P<0.05，图2).这是由于美人蕉块状茎的特性，使其地下部分作为铅的主要存储部位，当柠檬酸添加后，促进了植物地下部分铅含量向地上部分的运输，但添加柠檬酸(CA2、CA5、CA10)的美人蕉地下部分铅含量仍表现为随着柠檬酸添加量的增加而先上升后下降的趋势，这更加说明了适量的柠檬酸有利于铅的移动，而较高浓度的柠檬酸则不利于铅的移动.在Cd10Pb1000处理组中，美人蕉的地上部分和地下部分铅含量之间差异较小，添加柠檬酸处理的地上部分铅含量较地下部分分别上升了22.60、22.93、8.15 mg/kg.

由图3可知，在相同污染条件下(Cd1Pb100、Cd5Pb500、Cd10Pb1000)，不同柠檬酸的添加量对美人蕉地上部分镉含量影响表现为差异显著(P<0.05).当柠檬酸添加量为CA5时，美人蕉地上部分镉含量较CA0分别升高了380.14%、279.29%175.04%和30.38%.在Cd10Pb1000处理组中，CA0的美人蕉地下部分镉含量达到最大，值为124.51 mg/kg，较地上部分上升了76.08%.在不同处理中，美人蕉地上部分镉含量与地上部分铅含量的变化趋势相一致，均表现为添加柠檬酸(CA2、CA5、CA10)的镉含量要大于未添加柠檬酸(CA0)，而地下部分则表现为未添加柠檬酸(CA0)的镉含量要大于添加柠檬酸(CA2、CA5、CA10)处理，表现出明显的柠檬酸促进地下部分重金属向地上部分转移的特性.

1：地上部分柠檬酸添加量CA0；2：地上部分柠檬酸添加量CA2；3：地上部分柠檬酸添加量CA5；4：地上部分柠檬酸添加量CA10；5：地下部分柠檬酸添加量CA0；6：地下部分柠檬酸添加量CA2；7：地下部分柠檬酸添加量CA5；8：地下部分柠檬酸添加量CA10.图中数据为不同小写字母表示地上部分/地下部分差异达显著水平(P<0.05).1：Adding amount of citric acid in aboveground CA0；2：Adding amount of citric acid in aboveground CA2；3：Adding amount of citric acid in aboveground CA5；4：Adding amount of citric acid in aboveground CA10；5：Adding amount of citric acid in underground CA0；6：Adding amount of citric acid in underground CA2；7：Adding amount of citric acid in underground CA5；8：Adding amount of citric acid in underground CA10.Data in the figure are the mean ± standard deviation..Different lowercase letters represent significant difference(P<0.05).图2 不同处理美人蕉体内的铅含量Figure 2 Content of Pb Canna indica at different treatments

2.4 铅镉在美人蕉体内迁移和累积规律

由表3可知，在不同处理中，添加柠檬酸(CA2、CA5、CA10)处理组能显著促进铅镉在美人蕉体内的积累，其积累效应也随着铅镉污染浓度的增加而增大.在相同浓度处理下，添加柠檬酸的美人蕉地上部分铅积累量要大于未添加柠檬酸(CA0)，且差异性显著(P<0.05).在CA2处理下，美人蕉地下部分铅积累量随着铅镉污染浓度的增加而增加，但要小于未添加柠檬酸(CA0)处理组.通过对比铅在美人蕉体内的转运系数(表3)可知，柠檬酸的添加增加了铅从地下部分向地上部分的转运能力.在相同浓度处理下，添加柠檬酸的处理组其转运系数均大于1，且在Cd0Pb0时，其转运系数达到最大，分别为3.04(CA2)、3.08(CA5)和2.97(CA10).在Cd0Pb0和Cd1Pb100处理中，柠檬酸添加量(CA5)的转运系数最高，是CA0的7.90倍和3.60倍.在Cd5Pb500处理中，CA10的转运系数最高，而在Cd10Pb1000中，CA2的转运系数最高，这表明在低浓度铅镉污染中高浓度的柠檬酸对铅镉的转移有促进作用，而在高浓度铅镉污染中低浓度的柠檬酸则会起促进作用.

1：地上部分柠檬酸添加量CA0；2：地上部分柠檬酸添加量CA2；3：地上部分柠檬酸添加量CA5；4：地上部分柠檬酸添加量CA10；5：地下部分柠檬酸添加量CA0；6：地下部分柠檬酸添加量CA2；7：地下部分柠檬酸添加量CA5；8：地下部分柠檬酸添加量CA10.图中数据为不同小写字母表示地上部分/地下部分差异达显著水平(P<0.05).1：Adding amount of citric acid in aboveground CA0；2：Adding amount of citric acid in aboveground CA2；3：Adding amount of citric acid in aboveground CA5；4：Adding amount of citric acid in aboveground CA10；5：Adding amount of citric acid in underground CA0；6：Adding amount of citric acid in underground CA2；7：Adding amount of citric acid in underground CA5；8：Adding amount of citric acid in underground CA10.Data in the figure are the mean± standard deviation..Different lowercase letters represent significant difference(P<0.05).图3 不同处理美人蕉体内的镉含量Figure 3 Content of Cd Canna indica at different treatments

表3 美人蕉对铅镉富集量及其转运系数

对比美人蕉地上部分和地下部分镉积累量可知，除Cd1Pb100处理外，其他处理组中未添加柠檬酸(CA0)处理组的美人蕉的地上部分镉积累量要大于地上部分积累量，这说明美人蕉对镉的积累主要存在于地上部分.在同一处理中，美人蕉地上部分镉积累量随着柠檬酸添加量的增加呈现先上升后下降的特点，表明适量的柠檬酸有利于美人蕉对镉的积累，而过量(CA10)的柠檬酸则会抑制植物对镉的积累.在CA0处理下，Cd10Pb1000的地下部分镉积累量达到最大(2 392.14 μg/株)，分别为Cd0Pb0、Cd5Pb500和Cd10Pb1000的12.80倍、3.30倍、0.98倍.美人蕉体内镉的转运系数表现出与铅转运系数相同的趋势，即有柠檬酸添加的处理显著提高了镉的转运能力，且转运系数均大于1，这与前面关于美人蕉体内铅镉含量的变化规律研究结果相一致.

3 讨论

研究发现，低浓度的重金属胁迫对植物的生长有促进作用，但当超过一定浓度时，则会抑制植物的生长，尤其是当复合污染存在时，对植物的毒性作用会发生协同效应，使中毒更为严重[20].本研究结果表明，美人蕉虽在不同浓度的铅镉复合污染中均可正常生长，但在不同浓度铅镉污染处理下，美人蕉的株高、根长和生物量随着铅镉污染浓度的增加呈现出先上升后下降的趋势，这表明低浓度的铅镉污染对美人蕉的生长抑制作用较小，而当铅镉污染浓度较高时，铅镉复合污染显著抑制了美人蕉的生长.这与张呈祥和陈为峰[12]研究中，镉含量小于1 mg/kg时对美人蕉的生长影响不大，大于5 mg/kg时会抑制美人蕉生长的结果相一致.而有研究认为[21]，美人蕉的铅浓度安全临界值为200 mg/kg，在本研究中，铅镉复合污染浓度

植物体内重金属浓度的高低可反映植物对重金属的吸收富集能力，其是评价植物修复重金属污染效率的重要指标[26].本研究结果表明，美人蕉的地上部分和地下部分铅含量和镉含量均表现为随着铅镉污染浓度的增加而逐渐增加.在CA0处理组中，美人蕉的地上部分和地下部分铅含量和镉含量表现为地下部分>地上部分.这是由于根系是重金属进入植物的重要通道，为了避免植物地上部分尤其是叶片遭受重金属的毒害作用，使根系的重金属含量大于地上部分[27].在相同处理下，柠檬酸处理(CA2、CA5、CA10)组的地上部分和地下部分铅镉含量则表现为地上部分>地下部分，且转运系数大于1，这是由于柠檬酸作为一种低分子量有机酸，土壤添加柠檬酸后，其对土壤中重金属的有效性有所增强，并降低了重金属的毒害作用[17].本研究结果也表明，柠檬酸的添加显著促进美人蕉体内重金属铅镉从地下部分向地上部分转移，且在Cd0Pb0和Cd1Pb100处理组中这种效应更加明显.柠檬酸促进美人蕉对重金属吸收和转移的主要原因，一是柠檬酸酸化了植物根际，降低了土壤pH值，增加了重金属离子的移动性，提高了植物根部对重金属的集聚向地上部分的转移[27]；二是柠檬酸中的阴离子可与重金属发生络合反应，有效促进金属离子释放，同时减少土壤有机质、黏粒和氧化物附着重金属离子，使重金属在土壤中的移动性增强[23].

4 结论

综合研究结果表明，美人蕉在一定浓度铅镉复合污染胁迫下长势良好，具有较高的生物量积累.添加柠檬酸可显著增加株高、根长和生物量，且随着柠檬酸的添加量的增加而逐渐增加.另外，添加柠檬酸还可增加美人蕉对铅镉的吸收和累积，使美人蕉的地上部分和地下部分铅镉含量均表现为随着铅镉污染浓度的增加而逐渐增加.且柠檬酸的添加显著促进了美人蕉体内重金属铅镉含量从地下部分向地上部分转移.