厌氧环境下美人蕉根表铁膜对重金属积累转运的影响

宋阳煜, 吴 娟, 成水平*

1.江苏省城市规划设计研究院, 江苏 南京 210009 2.同济大学，长江水环境教育部重点实验室, 上海 200092

随着工业化进程和城市化进程的不断推进，我国水环境面临的重金属污染问题呈现愈演愈烈的趋势. 进入水体后的重金属大多在物理沉淀、化学吸附等作用下，由水相转入固相，沉积于底泥中. 由于重金属污染的难移动性、累积性和不可逆性等特点，重金属污染底泥的修复面临着很大困难. 近年来，越来越多的研究和实践表明，在控制外源污染的前提下，利用植物修复作用是解决目前底泥重金属污染的长远之策，植物对重金属的消减机理已经成为目前环境修复领域研究的热点[1-5]. 根际作为植物与环境之间交换物质和能量的界面，在底泥重金属污染的植物修复中发挥着至关重要的作用. 有研究[6-7]表明，水生植物通过根系释氧改变根际氧化还原环境，使底泥中大量的还原性物质Fe2+、Mn2+被氧化，高价态的铁锰化合物沉积在根系表面形成根表铁锰氧化物胶膜，一般称为“铁膜”. 根表铁膜的性质与自然界的铁氧化物相似，具有带正负电荷的基团和较大的表面积，可以通过对底泥中阴、阳离子的吸附或共沉淀等作用影响植物对重金属的吸收和转运，从而影响重金属污染底泥的植物修复效果[8].

在富营养化的大背景下，水体和底泥中的大量有机污染物分解消耗底泥中的溶解氧和其他电子受体，导致底泥呈厌氧状态. 厌氧环境会改变底泥中电子供体和受体的生物地球化学特征和行为，影响重金属的生物可利用性及其分布. 同时，伴随厌氧环境的低pH条件会改变根际铁的溶解性，影响植物根表铁膜的形成，进而影响重金属污染底泥的植物修复效果. 目前已有较多关于植物修复重金属污染土壤或者底泥的研究，但大多只考虑了生物因素，关于底泥氧化还原环境对植物修复的影响研究还相对较少.

美人蕉(CannaindicaL.)作为生态修复中广泛应用的挺水植物[9]，具有较强的根系氧化能力和适应能力，可用于修复重金属污染底泥. 该文采用向底泥中投加蔗糖的方法模拟不同程度的底泥厌氧环境，探讨该环境中美人蕉根表铁膜的形成及其对植物积累转运重金属的影响，以期为重金属污染底泥的植物修复技术提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

该试验采用9个直径25 cm、高20 cm的塑料水桶栽种植物. 试验用底泥采集自合肥市南淝河，过0.85 mm孔径筛去除大颗粒杂质. 试验底泥特征见表1.

表1 试验底泥的理化特征

试验前用减重法测定底泥的含水率，并向底泥中投加CdSO4、K2Cr2O7、CuSO4、NiSO4、Pb(NO3)2和ZnCl2溶液，投加量参考GB 15618—1995《土壤环境质量标准》三级标准限值和芮胜阳等[10]试验结果，使Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的投加量分别为8、600、270、250、330、300 mgkg(以底泥干质量计). 底泥搅拌均匀静置2周后测定Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的初始含量分别为8.12、653、344、260、424和409 mgkg(以底泥干质量计). 美人蕉购自上海泽龙生物工程有限公司，预培养4周后，选取大小一致的健壮植株，株高为(45.4±1.1)cm，鲜质量为(145.0±2.7)g.

1.2 试验设计

试验在同济大学南校区遮雨棚内进行. 采用向底泥中添加蔗糖的方式模拟厌氧环境[11]. 设置非厌氧、轻度厌氧和重度厌氧3个试验组，每组3个平行，蔗糖投加量分别为底泥干质量的0%、0.25%和0.5%. 将20 mL加有不同浓度蔗糖的1%热琼脂溶液倒入塑料桶中静置，待琼脂溶液凝固后加入厚度为12 cm的底泥(干质量约4.5 kg). 在每个桶内种植2株美人蕉，沿桶壁小心加入自来水至水面高出底泥3 cm. 试验开始于2018年7月6日，周期为60 d. 期间每天12:00左右测定的环境光照照度为(20 000±2 530)lx，气温为(30.4±1.4)℃. 试验期间及时补水至初始水位线.

1.3 样品的采集与测定

1.3.1底泥氧化还原电位

试验开始7d后，将复合电极插入底泥下6 cm处，每隔7 d记录一次底泥氧化还原电位(Eh).

1.3.2植物生物量

试验开始前测定每个桶内美人蕉鲜重与株高，另外选取5棵植株于105 ℃杀青30 min，然后80 ℃烘干至恒质量并称重，计算植株含水率. 试验结束后收获美人蕉植株，测定株高后依次用自来水和去离子水将植物冲洗干净，分离根系和茎叶，并分别测定各器官鲜质量. 每个桶的植物根系均匀混合后，分离出10 g 新鲜根系用于测定根表铁膜，其余根系和茎叶分装入纸袋中，烘干后测定干质量.

1.3.3植物根表铁膜

植株根表铁膜采用DCB(dithionite-citrate-bicarbonate)法提取[12]：将洗净后的植物根系吸干水分后放入100 mL锥形瓶中，加入40 mL 0.3 molL的柠檬酸钠、5 mL 1 molL的碳酸氢钠及5 g连二亚硫酸钠. 然后在25 ℃和280 rmin条件下用摇床上提取3 h，将提取液用浓硝酸和双氧水消解后采用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP Aligent 720ES，美国安捷伦公司)测定提取液中Fe、Mn、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的含量，提取铁膜后的根系用去离子水冲洗干净，80 ℃烘干至恒质量并称量.

1.3.4植物重金属含量

提取过铁膜的根系和茎叶粉碎过0.25 mm孔径筛，用浓硝酸、浓盐酸和双氧水消解至澄清，消解液用1%硝酸定容后，用电感耦合等离子发射光谱仪测定各重金属的含量.

1.4 数据处理

(1)

式中：w1和w2分别表示植物试验前、后的干质量，g；t1和t2分别表示试验开始和结束的时间，d.

转运系数(translocation factor，TF)计算方法：TFroot表示植物根系内与根表铁膜中重金属含量的比值；TFshoot表示植物茎叶内与根系中重金属含量的比值.

数据的统计分析采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析，分析底泥厌氧处理对根表铁膜及植物吸收转运重金属的影响. 采用最小显著性差异法(LSD法)进行各组数据之间的两两比较，P<0.05表示具有显著差异.

2 结果与讨论

2.1 厌氧处理对底泥氧化还原环境的影响

底泥Eh的时间变化如图1. 由图1可见，试验前期非厌氧组的底泥Eh基本稳定，在20～40 mV的范围内波动，从第36天开始有一定上升趋势. 轻度和重度厌氧组底泥Eh在第8天已显著低于非厌氧对照组，分别为-171和-241 mV，说明在气温较高的情况下底泥中的蔗糖释放较快，导致底泥迅速进入厌氧状态. 方差分析结果表明，厌氧处理对底泥Eh的影响极显著(P<0.01)，且随着底泥厌氧水平的提高，Eh依次下降. 这表明通过向底泥中添加蔗糖模拟底泥厌氧环境的方法是可行的.

图1 不同底泥厌氧处理中底泥Eh的变化Fig.1 Variation of Eh in the three sediment anoxia treatments

2.2 底泥厌氧环境对植物生长状况的影响

表2为试验结束时美人蕉的生长状况. 轻度和重度厌氧环境下根系干质量均小于非厌氧组，说明厌氧环境显著抑制根系生长(P<0.05). 而与根系不同的是，茎叶的生长仅在重度厌氧环境下受到抑制. 这可能是因为相比于根系，挺水植物的茎叶绝大部分与底泥不直接接触，因此其生长不易受到底泥厌氧环境的胁迫. 不同程度的厌氧水平下，美人蕉的相对生长速率大小表现为轻度厌氧组>非厌氧组>重度厌氧组. 重度厌氧环境下的美人蕉植株矮小，生长受到抑制，而轻度厌氧环境一定程度上促进了植物生长.

表2 不同底泥厌氧处理中美人蕉的生长状况

Raun等[13]发现底泥的缺氧环境可能通过抑制根系的氧化磷酸化而影响ATP的产生，限制植物吸收和运输营养物质的化学能量供应，从而抑制其生长. 但轻微的厌氧环境会促进水生植物的生长[14-15]，这可能是因为厌氧环境促进底泥中磷元素释放[13,16]，特别是铁锰氧化物结合态磷酸盐占比较大的底泥. 同时，氨氮的积累也是厌氧性底泥的另一特征[17]，在轻度厌氧环境中，适量的氨氮增加可促进水生植物生长，但当厌氧环境超出一定范围，过高的氨氮浓度会对植物造成毒害.

2.3 底泥厌氧环境对植物根表铁膜含量的影响

由表3可见，美人蕉根表铁膜含量在重度厌氧水平下最高，w(Fe)为(10.40±0.30) gkg(以根系干质量计)，而非厌氧和轻度厌氧水平下无显著差异(P>0.05)，说明底泥厌氧环境在一定程度上促进根表铁膜的形成，而底泥厌氧环境未对根表铁膜中Mn的含量产生显著影响(P>0.05).

Fe和Mn均是底泥中常见且对植物生长有重要作用的变价元素，可以同时作为电子供体和电子受体，Eh会影响土壤中Fe和Mn的化合价及活性，进而影响铁锰氧化物的形成溶解[18]. 但由于Mn的临界Eh值(300～700 mV)比Fe(300～100 mV)高，因此在植物根际中，Fe2+较Mn2+更容易被氧化. 曾祥忠等[19]也发现水稻根表铁锰氧化物胶膜实际以铁氧化物胶膜为主，占胶膜总量的92.5%～97.7%. 尽管不同条件下不同植物根表铁膜的绝对含量差异较大，但铁膜中的Fe占植物根系Fe总量的比例均在90%左右[20]. 厌氧环境促进根表铁膜的形成，可能是因为厌氧底泥中会产生大量的可溶性二价铁，容易向根界面扩散，并在根系表面发生Fe的氧化和沉淀. XU等[21]也发现，培养液Eh的降低使根表铁膜含量增加了31%.

表3 不同底泥厌氧处理组美人蕉根表铁膜中 Fe和Mn的含量

2.4 底泥厌氧环境对根表铁膜和植物组织中重金属含量的影响

由图2可见，不同底泥厌氧水平对美人蕉根表铁膜中Cd、Cr、Ni、Pb和Zn含量的影响达到显著水平(P<0.05). 厌氧环境下根表铁膜中Cd、Pb和Zn的含量显著低于非厌氧环境(P<0.05)，而Cr和Ni含量则呈相反趋势，说明厌氧环境对根表铁膜吸附重金属能力的影响因金属种类的不同而不同，主要是因为根表铁膜对不同金属元素的吸附能力和结合形式不同. 此外，根表铁膜对重金属的富集效应也受介质中重金属含量的影响. 氧化还原环境会影响重金属的生物有效性，改变根际中植物可利用的金属离子含量，从而影响根表铁膜对重金属的富集. 不同于Cd、Cr、Ni、Pb和Zn，Cu的主要存在形态为稳定的有机态和残渣态，两种形态含量占总量的70%以上[22]，因此底泥中植物可利用的Cu2+含量很低，这可能是根表铁膜中Cu含量极低的原因.

非厌氧环境下，根系中Cd、Cu、Ni和Zn的含量分别是重度厌氧环境下的1.9、1.8、2.1和1.8倍，说明厌氧环境不利于这4种元素在根系内的累积；茎叶中Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的含量均显著高于厌氧组(P<0.05)，轻度和重度厌氧组间差异不显著，说明厌氧环境抑制了茎叶对这6种元素的吸收. 结合各植物组织的生物量计算不同底泥厌氧环境下根表铁膜、根系和茎叶中积累的重金属总量，发现厌氧环境对植物组织中各重金属总量的影响达到显著水平(P<0.05). 随厌氧程度的增加，植物对重金属的吸收量呈逐渐减少的趋势. 其中茎叶部分的重金属吸收量占整个植株的63.4%～92.0%，远高于根表铁膜和根系，说明茎叶是积累重金属的最主要部位，根系内和根表铁膜的积累量较少. 然而YE等[23]利用宽叶香蒲做试验发现，大部分的Pb累积在根部(87%)，根表铁膜和地上部积累的Pb仅分别占11%和1.7%. LIU等[24]研究表明，水稻根表铁膜及根系内积累的Cd含量约占水稻总吸收Cd的65%. 这可能是由于不同植物的根表铁膜含量不同.

2.5 底泥厌氧环境对根表铁膜重金属向植物组织转运的影响

植物对重金属的转运系数(TF)表征植物对重金属的转运能力，与植物的生理、生化和遗传因素关系密切[25]，也会受到重金属形态[26]、环境介质[27]等因素影响. 根表铁膜是底泥重金属进入植物体内的界面，其含量和物理化学性质会影响重金属进入根系和茎叶，从而影响重金属在组织内的积累和分布[28-29]. 由表4、5可知，底泥厌氧环境下Ni的根表铁膜-根系转运系数(TFroot)显著降低(P<0.05)，根系-茎叶转运系数(TFshoot)无显著变化(P>0.05)，同时根表铁膜中的Ni占整个植物富集量的比例增大，表明厌氧环境不利于Ni从根表铁膜转运至美人蕉植物组织，更多地积累在根表铁膜中. 轻度厌氧环境下Cr和Zn的TFroot显著增加，TFshoot显著降低(P<0.05)，而重度厌氧环境下该差异不显著，说明一定程度的厌氧环境能促进Cr和Zn从根表铁膜转运至根系，同时间接抑制Cr和Zn从根系转运至茎叶. Cd、Pb的TFroot和TFshoot，以及Cu的TFshoot在不同的底泥氧化还原环境下无显著差异(P>0.05)，这与YE等[30-32]的研究结果相似. 由此可见，底泥厌氧环境对根表铁膜中不同重金属的转运发挥着不同的作用.

注： 直方柱上方英文小写字母不同表示各处理组间植物组织的重金属含量差异显著(P<0.05).图2 不同底泥厌氧处理组美人蕉根表铁膜、根系和茎叶的重金属含量Fig.2 Heavy metal contents in the iron plaque, root and shoot of Canna indica in the three sediment anoxia treatments

表4 美人蕉对不同重金属的根表铁膜-根系转运系数

表5 美人蕉对不同重金属的根系-茎叶转运系数

已有研究发现，湿地植物之所以能在淹水和重金属污染较严重的恶劣环境下生存，主要得益于根表铁膜可以为As、Cu、Pb和Zn等金属的螯合和易位提供反应基质，阻碍重金属元素的吸收和运输[33]，从而减少金属元素的毒害[34-35]. 另外，根表铁膜作为其他元素的储存库，也可以促进植物对重金属元素的吸收[36-37]. 除了吸附重金属，铁氧化物也能吸附多种有机和无机阴离子[38-39]，因此这些铁氧化物表面的阴离子和金属阳离子间存在竞争关系. 底泥厌氧环境提高了底泥中活性较强的Fe2+含量[40]，与重金属竞争植物代谢性敏感位点[41]，同时改变了植物根际分泌物的数量和种类，影响根表铁膜的形成以及铁膜表面阴离子和金属阳离子间的竞争关系[42]，从而影响重金属向植物根系和茎叶的转运. 这种影响因重金属元素种类而异，主要取决于根表铁膜的厚度、重金属在铁膜上的空间分布结果，以及二者之间的相互作用[43].

3 结论

a) 随底泥厌氧程度的增加，美人蕉对重金属的吸收量减少. 茎叶是美人蕉积累重金属的最主要部位，根系和根表铁膜的积累量较少.

b) 底泥厌氧环境会显著影响重金属在植物组织中的积累和转运，这种影响因厌氧水平和金属元素种类不同存在很大差异. 一定程度的底泥厌氧环境会促进根表铁膜形成，增加根表铁膜中Cr和Ni的含量，同时降低Cd、Pb和Zn的含量. 底泥厌氧环境不利于Ni从铁膜转运至植物组织，反而更多地积累在根表铁膜中，但是对Cd、Pb和Cu的迁移转运无显著影响. 轻度厌氧环境促进Cr和Zn从根表铁膜转运至根系，同时抑制其从根系转运至茎叶.