Cu、Cd、Pb在翅碱蓬体内富集动力学研究

田山川，魏海峰，刘长发，张明亮，何 洁，刘 全，赵肖依，赵雨朦，夏 宁，霍玉洁

(1. 大连海洋大学近岸海洋环境科学与技术辽宁省高校重点实验室， 辽宁 大连 116023； 2. 中国海洋大学海洋生命学院， 山东 青岛 266003； 3. 大连海洋大学海洋科技与环境学院， 辽宁 大连 116023)

随着人类对滩涂湿地越来越大的开发利用和重视，农业、工业、以及旅游业等人类产业的快速发展导致滩涂湿地各种污染日益严重，尤其是重金属污染。重金属污染具有许多特征，例如不可降解性、长期性、隐蔽性等[1]，如周振民等[2]利用含Pb的重金属污水对玉米进行浇灌，发现污水会同时严重影响玉米的产量和质量，当Pb超过300 mg/kg时，玉米产量下降五分之一左右。重金属若长期存在于土壤中，不仅破坏生态环境，更会通过进入食物链而影响人类和其他动植物的生命[3]。

翅碱蓬作为一年生的典型盐碱指示植物，经开发利用发现其具有药用、食用、工业等多种用途。刘宇等[4]人通过研究发现翅碱蓬对低浓度重金属具有非常良好的富集能力，因此翅碱蓬也具有改善盐碱荒地条件，防止水土流失等生态修复作用，是由陆地向海岸方向发展的先锋植物[5]。近年来，国内对重金属影响翅碱蓬生长作出了大量的研究，例如Cu2+在翅碱蓬发芽以及器官形成过程中有着不可或缺的作用，低浓度的Cu2+被植物体内质体蓝素所利用，有利于翅碱蓬的光合作用，而高浓度Cu2+与之相反，不仅抑制光合作用，还抑制翅碱蓬呼吸作用酶[6]。朱鸣鹤等人[7]发现翅碱蓬的不同生长时期对重金属的吸收能力也不尽相同，生长过程中吸收能力为果期>幼苗期>花期>生长期。王摆等人[1]则对大凌河口湿地的翅碱蓬生长过程中重金属在体内的分布作了详细的研究，发现大部分重金属在根部积累最多，为Zn > Pb > Cu > As > Cd > Hg。

研究翅碱蓬对Cu、Cd、Pb三种不同浓度重金属的富集吸收规律和富集能力，同时通过对实验数据的非线性拟合探讨双箱动力学模型用于模拟翅碱蓬吸收重金属的可行性，可为植物修复重金属污染土壤提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 供试材料

试验用翅碱蓬种子购自辽宁省盘锦市，为当年生翅碱蓬干燥种子。

试验土壤为大连西郊花卉市场购买的干燥花土，碾碎后经200网目过筛得到较为干净的土壤。

淡水:自来水。

1.1.2 药品与试剂

试验用到的化学试剂有硫酸锌、硝酸铅、硫酸铜、硝酸铬、硝酸、高锰酸钾、硫酸、过氧化氢、Cu标准溶液、Zn标准溶液、Pb标准溶液、Cd标准溶液，以上试剂均为分析纯。

1.1.3 主要仪器设备

电热恒温鼓风干燥箱(上海一恒科技有限公司，DHG-9140A 型)、分析天平(梅特勒托利多仪器上海有限公司AL-204型)、消煮电炉、电加热石墨炉、15 mL试管、烧杯。

1.2 试验设计

(1)Cu浓度分别设置为10、20、50 μg/L，Pb浓度分别设置为5、20、80 μg/L，Cd浓度分别设置为5、10、20 μg/L。另外设置1组空白对照组，每组设置三个平行试验，每个试验容器套袋后加入400 g固定质量的土壤，共计12个容器。实验在塑料材质的花盆中进行，花盆开口直径为25 cm。

(2)种子于500 mg/L的高锰酸钾中浸泡1 h，播种前用清水冲洗干净，播种到400 g土壤中进行培育，每个花盆种子重量20 g，长至4 ～ 7 cm时，每盆翅碱蓬幼苗数量保证150株以上，开始浇灌重金属混合溶液。以浇灌重金属溶液为时间起始点，试验期间每隔48 h浇灌相应浓度的重金属溶液100 mL，且实验在室外进行，保证翅碱蓬接受充足光照，试验期间，温度20～26℃，试验期间遇到下雨，将实验花盆转移到室内，避免雨水对实验造成影响。

(3)实验开始第3、6、9、12、15 d取样，每次每个处理组取翅碱蓬9株。采集的样品经纯水冲洗后，由电热恒温鼓风干燥箱60℃恒温干燥24 h后冷冻备测。

1.3 金属测定方法

将干燥后的翅碱蓬研磨过筛，准确称量样品，利用HNO3-H2O2混合溶液消解完全。重金属分析按照GB 17378.6-1998[8]规定进行分析。Pb、Cu、Zn、Cd的测定均采用石墨炉原子吸收光谱法。

1.4 双箱动力学模型

生物体对重金属的富集作用，常用稳态模型、双箱模型和生物动力学模型等进行描述[9]。本研究采用的双箱动力学模型是在最近几年发展起来的一类数学模型，它可以很好的描述出重金属或多芳环烃在生态系统中迁移和转化的过程[10]，并能模拟出达到生物富集平衡情况下的动力学参数。(详情见图1)例如Clason等人[11-12]对Cu、Cr、Cd、Pd和Ni采用双箱动力学研究，获得一系列动力学参数后进行环境风险预测和评估。

图1 生物富集双箱动力学模型Fig.1 Two-compartment kinectic model of bioconcentration

含有重金属的土壤为第一相，生物体为第二相。相对于土壤相，重金属的变化过程为：

dCw/dt=0

(1)

对于生物体相：

dCA/ dt =K1×Cw- (K2+KM+KV) ×CA

(2)

其中:CA为生物体中重金属浓度(ng/g)

K1为吸收速率常数，K2为释放速率常数

Cw为土壤中重金属浓度(μg/L)

t*为富集天数

KV为挥发速率常数，KM为生物体的代谢速率常数

由于实验时间较短,且Cu、Pb、Cd三种重金属均难挥发,故忽略土壤中重金属污染物的自然挥发及生物体的代谢,即假设KV和KM均为零,由方程(1)、(2)推导可得：

双箱动力学模型生物富集阶段 (0

(3)

排出过程 (t>t*)：

宁夏十年九旱，是我国极度干旱缺水的地区之一。多年平均降水量289 mm，蒸发量1 250 mm。当地水资源量少质差、时空分布不均。全区水资源总量11.63亿m3，其中地表水资源量9.49亿m3。经济社会发展主要依赖于国家限量分配的黄河水，全区水资源可利用量41.5亿m3，人均占有量687m3，不足全国平均值的1/3。按自然地理特点、经济状况，全区大体分为北部引黄灌区、中部干旱带和南部山区。

(4)

其中:C0为实验开始前生物体内重金属浓度(ng/g)

t*为富集阶段结束时实验天数

根据四个不同试验浓度的生物富集量数据，使用MatLab由方程 (3)、(4)进行非线性拟合可得到K1，K2(K1、K2>0 )。

理论平衡状态下生物富集因子BCF用公式 (2) 表示:

BCF=K1/K2= limCA/Cw(t→∞)

(5)

生物半衰期公式：

t1/2= ln2/K2

(6)

富集达到平衡时，生物体内重金属含量Cmax用公式表示为:

Cmax=BCF×Cw

(7)

1.4.1 模型的拟合优度检验

2 结果

2.1 翅碱蓬对重金属Cu的生物富集过程

由图2可知，Cu在低浓度10 μg/L处理中，第3、6、9、12、15 d翅碱蓬体内Cu的含量分别为148.688、178.62、195.65、195.89、245.61 μg/g。在中浓度20 μg/L处理中，第3、6、9、12、15 d翅碱蓬体内Cu的含量分别为106.93、191.45、216.00、221.95以及294.58 μg/g。在高浓度50 μg/L处理中，第3、6、9、12、15 d翅碱蓬体内Cu的含量分别为177.40、257.76、295.02、412.39和462.62 μg/g。根据相同时间翅碱蓬体内Cu增加的量，在三种浓度下翅碱蓬对Cu的富集速率先快后慢后再加快。由图2可观察到，高浓度条件下翅碱蓬总富集Cu的速率最大，低浓度条件下翅碱蓬富集Cu的速率最低，也就是随着浓度的升高翅碱蓬对重金属Cu的生物富集能力逐渐增加。由表1可知，Cu在低浓度10 μg/L处理中，K1=6.367，K2=0.304，R2=0.706(95%置信区间)。此浓度下翅碱蓬对Cu的生物富集过程符合双箱动力学模型(K1、K2>0)。在中浓度Cu 20 μg/L处理中，K1=1.951，K2=0.126，R2=0.910(95%置信区间)，也符合双箱动力学模型(K1、K2>0)。在高浓度Cu 50 μg/L处理中，K1= 1.015，K2= 0.079，R2=0.946(95%置信区间)。综上所述，翅碱蓬对Cu的生物富集在三种浓度下皆符合双箱动力学模型。

图2 翅碱蓬对Cu的生物富集过程Fig.2 Bioaccumulation of Cu by S. heteroptera

2.2 翅碱蓬对重金属Pb的生物富集过程

由图3可知，Pb在低浓度5 μg/L处理中，第3、6、9、12、15 d翅碱蓬体内Pb的含量分别为204.66、284.13、298.344、298.17、304.17 μg/g。在该浓度下，翅碱蓬对Pb的生物富集速率先快后趋于平稳，大约在第9 d时浓度保持在300 μg/g左右，可视为达到富集平衡。在中浓度Pb 20 μg/L处理中，第3、第6、第9、第12、第15 d翅碱蓬体内Pb的含量分别为301.98、303.87、361.31、389.94、581.34 μg/g。Pb在第3 d到第6 d时富集速率较慢，但是从第6 d以后，富集速率开始加快。在高浓度Pb 80 μg/L处理中，第3、6、9、12、15 d翅碱蓬体内Pb的含量分别为334.37、415.67、468.78、631.90、671.5 μg/g。该浓度下Pb的生物富集速率一直较快，在第12 d到第15 d时才开始缓慢降低。由图3可知，翅碱蓬对于Pb的生物富集总速率与Cu相似，为高浓度>中浓度>低浓度。

图3 翅碱蓬对Pb的生物富集过程Fig.3 Bioaccumulation of Pb by S. heteroptera

由表1可知，低浓度Pb 5 μg/L处理中，K1= 18.5，K2= 0.344，R2= 0.972(95%置信区间)，符合双箱动力学模型(K1、K2>0)。对于中浓度Pb 20 μg/L处理中，K1=3.26，K2=0.115，R2=0.564(95%置信区间)，也符合双箱动力学模型(K1、K2>0)。在高浓度Pb 80 μg/L处理中，K1=1.173，K2= 0.131，R2= 0.886 (95%置信区间)。综上所述，翅碱蓬对于Pb的生物富集皆符合双箱动力学模型。

2.3 翅碱蓬对重金属Cd的生物富集过程

由图4可知，Cd在低浓度5 μg/L处理中，第3、6、9、12、15 d翅碱蓬体内Cd的含量分别为11.37、12.942、13.458、11.338和18.391 μg/g。前三次采样数据Cd浓度一直增加，而第12 d时浓度突然降低，第15 d时恢复正常。该浓度下K1=0.346，K2=0.172，R2=0.298 (95%置信区间),符合双箱动力学模型(K1、K2>0)。Cd在中浓度10 μg/L处理中，第3、6、9、12、15 d翅碱蓬体内Cd的含量分别为13.342、14.918、14.86、22.63和44.143 μg/g。该浓度下翅碱蓬对Cd的生物富集规律不明显，且具计算K1=-0.193，并不符合双箱动力学模型，在Cd高浓度20 μg/L处理中，第3、6、9、12、15 d翅碱蓬体内Cd的含量分别为15.47、42.85、47.23、53.27和140.12 μg/g。该浓度下K2同样为负值，也不符合双箱动力学模型。三种浓度平均富集速率比较，为高浓度>中浓度>低浓度。综上所述，只有低浓度下翅碱蓬对Cd的生物富集符合双箱动力学模型。

图4 翅碱蓬对Cd的生物富集过程Fig. 4 Bioaccumulation of Cd by S. heteroptera

3 讨论

3.1 翅碱蓬对三种重金属的生物富集

金属Cu在三种浓度下富集速率都是先快后慢再加快。可能是开始时翅碱蓬对Cu大量富集，随着浓度增高，翅碱蓬也随之对其进行释放。但当超过某一浓度范围时，Cu对翅碱蓬产生一定的毒性，影响其释放重金属的能力，所以出现富集速率又加快的现象。随着浓度的升高翅碱蓬对Cu的生物富集能力逐渐增加，一方面可能是因为翅碱蓬对高浓度Cu更加敏感。另一方面由于Cu离子可以参与光合作用，且是氧化酶的重要组成成分，因此可被翅碱蓬大量吸收而在体内的含量却不是特别高[3]。所以低浓度条件下翅碱蓬体内部分Cu离子含量增长速率低于高浓度。

表1 几种重金属在翅碱蓬体内生物富集动力学参数Table 1 Kinetic parameters of bioaccumulation of several heavy metals in S. heteroptera

Pb一般通过质外体途径进入翅碱蓬根部细胞，且其在翅碱蓬体内极难迁移，吸收后蓄积在根部[14]。所以Pb的富集规律较为稳定，三种浓度下皆符合双箱动力学模型。

Cd并不属于植物生长的必需的营养元素，其只在低浓度条件下符合双箱动力学模型。这可能是环境中微量的Cd即可显著影响翅碱蓬的活性，高浓度的Cd通过影响翅碱蓬体内的SOD活性，使O2-含量大量上升从而影响翅碱蓬的富集能力。也有可能是本实验采用金属混合液，而其他金属对翅碱蓬吸收高浓度的Cd具有拮抗作用。

3.2 翅碱蓬与其他生物相比对重金属的生物富集

国内目前在植物对重金属的生物富集有着大量的研究。例如聂利华等人[15]探讨拟柱胞藻对水体重金属的生物富集作用，利用拟柱胞藻对7种重金属进行吸附，7种重金属吸附能力依次为Pb > Hg > Ag > Cu > Ni > Co > Cr。吕芳等人[16]对海黍子和脆江蓠对Zn、Cd富集能力进行比较，发现二者均是对Zn的富集能力大于Cd。吴东丽等人[17]发现野生大豆地下部分对重金属Cd的富集能力大于Cu和Pb，说明野生大豆对重金属的富集具有选择性。孙天国等人[18]发现小羽藓对Cr、Cu、Zn、Cd、Ni的富集系数均大于1，可作为重金属污染的净化植物。朱加宾[19]发现人工湿地中梭鱼草对铬、砷的富集速率最大。王增焕[20]进行了龙须菜对铜、镉富集的模拟实验，通过拟合发现龙须菜对重金属Cu、Cd 的生物累积均符合两箱动力学模型，且龙须菜对这两种金属均具有良好的富集能力。刘智禹等人[21]利用电感耦合等离子体质谱法测定养殖池内浒苔中铅、镉和铝的含量，分别利用双箱动力学模型拟合铅和镉以及利用Logistic模型拟合金属铝，所得结论与王增焕一致。

本试验同样利用双箱动力学模型将翅碱蓬对几种重金属的生物富集过程进行了线性拟合，发现三种重金属的富集能力依次为：Pb>Cu>Cd，该结论与聂利华等人[15]的结论一致，却与吴东丽等人[17]的结论相反。由于翅碱蓬对Pd具有较高的富集能力，可以考虑将翅碱蓬列为改良湿地滩涂土壤重金属污染的重要植物[22]。

4 结论

(1)试验发现Cu各富集动力学参数K1、K2、BCF以及Cmax、t1/2的平均值分别为3.111、0.17、6.42、335和3.66 d，富集速率在三组不同浓度下均先快后平缓再加快。Cu在三种浓度下均符合双箱动力学模型。

(2)Pb各富集动力学参数K1、K2、BCF以及Cmax、t1/2的平均值分别为0.346、0.172、2.26、519.3 μg/g和4.03 d。由试验数据可观测到Pb在低浓度5 μg/L下富集速率先快后慢，在第9 d左右达到平衡，而高浓度80 μg/L则在第12 d左右开始达到平衡。Pb在三种浓度下均符合双箱动力学模型。

(3)Cd各富集动力学参数K1、K2、BCF以及Cmax、t1/2的平均值分别为7.64、0.196、26.88、39.5 μg/g和4.45 d，翅碱蓬对Cd生物富集规律不太明显，可能是三种金属之间的拮抗作用所导致的。由试验发现Cd只在低浓度5 μg/L下符合双箱动力学模型。

(4)翅碱蓬对三种重金属的富集能力依次为Pb>Cu>Cd。