螯合剂及组配对伴矿景天修复两种镉污染土壤的影响

2022-02-19伍德彭鸥刘玉玲张朴心尹雪斐黄薪铭铁柏清

生态环境学报 2022年12期

伍德，彭鸥，刘玉玲，张朴心，尹雪斐，黄薪铭，铁柏清

1.湖南农业大学资源环境学院，湖南长沙 410128；2.湖南省灌溉水源水质污染净化工程技术研究中心，湖南长沙 410128；3.农业农村部南方产地污染防控重点实验室，湖南长沙 410128

随着中国工业化、城市化的脚步日益加快，土壤污染面临的形势愈加严峻，其中土壤重金属污染问题尤为严重，呈现出扩散多元化，面积日渐扩大的趋势（郭勇等，2012）。据《全国土壤污染状况调查公报》显示，土壤Cd位点超标率达7%，为所有重金属中超标率最高（环境保护部等，2014）。人若长期食用Cd污染的农作物，导致Cd会在人体内富集，达到一定水平会对内脏和骨骼造成严重的损伤（葛芳芳等，2017），土壤 Cd污染俨然已经成为最突出的农业环境问题之一（冯丹妮等，2019）。目前植物修复广泛应用于各种污染土壤修复（Rascio et al.，2011），其优点包括修复面积大，具有一定的经济效益等，但也有其局限性，如植物对重金属的耐受性单一，土壤Cd有效性低等（张继舟等，2013；熊梓烨等，2020）。因此，在利用植物来修复受重金属污染的农地土壤时，如何提高植物修复的效率成为突破局限的关键。

伴矿景天是一种多年生草本植物，其生长速度快、生命力强，生物量大，是一种已被证实对Cd/Zn具有超积累作用的植物（卫泽斌等，2015）。朱凰榕（2019）研究发现，Cd在伴矿景天的嫩叶中含量最高可达777 mg·kg−1，是一种良好的土壤Cd污染修复植物。螯合诱导修复技术，就是选择合适的螯合剂添加至受重金属污染的土壤，活化重金属，提高植物的富集效率，从而达到联合治理的目的（Vassil et al.，1998）。螯合剂在植物修复重金属污染土壤中得到广泛应用（龙珍等，2016），在实际应用中通常可分为两大类（马俊俊等，2020），一类是以人工合成螯合剂如EDTA（乙二胺四乙酸二钠）为代表的氨基多羧酸类；另一类是以柠檬酸、酒石酸等为代表的天然低分子有机酸，在土壤中可与重金属离子结合形成活性较高的形态（Sillanpää et al.，2011）。螯合剂的种类、浓度和pH、重金属的种类以及土壤的理化性质等均可影响螯合剂的应用效果（丁竹红等，2009）。所以，选择不同种类的螯合剂及合理搭配是提高螯合剂活化效率的有效手段。

前人的研究多运用伴矿景天修复镉单一污染或施用螯合剂对提高植物修复效率的影响，而本研究通过试验验证螯合剂及组配对镉单一污染和镉砷复合污染两种土壤镉污染类型的修复效率影响。通过比较 3种螯合剂以及不同组合对伴矿景天在两种污染类型土壤中Cd的修复效率的影响，以期选出适合修复两种污染类型的高效修复方式以及为修复两种类型的镉污染农田土壤提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试植物：伴矿景天（Sedum plumbizincicola），试验植株幼苗采自湖南省浏阳市某育苗基地，选取长势旺盛且相近，株高均为8—10 cm。

供试试剂：乙二胺四乙酸二钠（EDTA）（分析纯），酒石酸（TA）（分析纯），草酸（OA）（分析纯）。

供试土壤：选择镉单一污染和镉砷复合污染两种不同类型的镉污染农田土壤进行试验研究。镉单一污染农田选址于湖南省株洲市渌口区南洲镇泗马村（113°19′E，27°58′N），镉砷复合污农田地选址于湖南省浏阳市蕉溪村（113°54′E，28°17′N）。土壤背景值见表1。

表1 供试土壤背景值Table 1 Background levels of heavy metals in tested soil

1.2 试验设计

从育苗基地选好供试植株，于2020年4月11日移栽，于2020年10月8日收获，试验期为6个月。在两个试验点分别设置21个田间试验小区，长9 m，宽3 m，高0.4 m中间设置0.3 m×0.3 m的排水沟。植株间距设置为0.25 m×0.25 m，将供试植株移栽至实验小区自然生长约一个月，于5月8日用喷壶将各处理的螯合剂于植株根部喷施200 mL。试验处理如下表2，每个处理重复3次。

表2 试验处理设计Table 2 Experimental design for the chelating agents enhanced remediation of Cd contaminated soils by Sedum plumbizincicola

1.3 样品的采集与预处理

植物样品：在试验完成后，在添加不同螯合剂处理的小区分别用五点采样法采集5株植株，分编号用网袋装好带回实验室。将植株分为地上部分和地下部分，先用自来水冲洗掉表面的泥土杂质，再用去离子水反复清洗3次。自然晾干表面水分称质量后将其装入写好编号的档案袋中，放入烘箱设置105 ℃杀青 2 h，再设置 70 ℃直至烘干至恒定质量，称量记录干质量，用高速粉碎机粉碎后用封口袋保存。剩余植株统一收割。

土壤样品：在各实验小区根据五点采样法设置5个采样点，采集深度0—15 cm的耕作层土壤，再将所采5个点混成一个土壤样品，装入写好编号的塑料袋带回实验室。土壤样品经去除杂质后自然风干，碾磨过100目尼龙筛，用于后续测定各项试验指标。

1.4 测定方法与数据处理

土壤 pH值用去离子水和土壤质量比 2.5꞉1混合后，采用 pHs-3C雷磁酸度计测定；土壤有效态Cd用DTPA浸提法（何其辉等，2018），ICP-OES（美国PE8300）测定；土壤全量 Cd在电热消解仪中用HCl-HNO3-HClO4进行湿法消解[用土壤GBW-07405 (GSS-5) 做质控样品]，ICP-OES（美国PE8300）测定。植物样品在电热消解仪中采用混合酸（V(HNO3)꞉V(HClO4)=4꞉1）湿法消解，用 ICP-OES（美国PE8300）测定Cd含量。采用优化的BCR法提取土壤中不同形态Cd（Rauret et al.，1999），分别为“酸可提取态、可还原态、可氧化态、残渣态”，用ICP-OES（美国PE8300）测定各形态的含量。

1.5 数据处理

图表制作使用Microsoft Excel 2010；用 SPSS 20.0软件进行数据统计,差异显著性采用ANOVA单因素方差分析。

土壤修复效率R计算公式如下：

式中：

wp——植株中 Cd 的质量分数，mg·kg−1；

mp——植株的生物量，kg·hm−2

ws——土壤中 Cd 的质量分数，mg·kg−1；

ms——耕作层土壤质量，取2250000 kg·hm−2

2 结果与分析

2.1 螯合剂对土壤pH的影响

3种螯合剂及组配施用对Cd单一污染土壤pH的影响见图 1。修复前 Cd单一污染土壤 pH值为5.75，施用后，相比于CK，6个处理pH值均显著降低，但不同处理之间降低的幅度有差异，修复后各处理pH值的范围为4.79—5.27，其中EDTA-OA处理降低的幅度最大，降低了1.04个单位。3种螯合剂及组配施用对Cd/As复合污染土壤pH的影响见图1。修复前Cd/As复合污染土壤pH值为5.89，施用后，相比于CK，6个处理pH值均显著降低，不同处理之间降低的幅度并无显著差异，修复后各处理pH值的范围为5.03—5.38，其中EDTA-OA处理降低的幅度最大，降低了0.99个单位。螯合剂的施用能有效降低两种类型土壤的pH值，以EDTAOA处理降低的幅度最大。

图1 螯合剂对两种污染土壤pH的影响Figure 1 Effect of chelating agents on pH of the two Cd contaminated soils

2.2 螯合剂对伴矿景天Cd含量的影响

3种螯合剂及组配对 Cd单一污染类型土壤中伴矿景天Cd含量影响如图2。就Cd单一污染土壤而言，6种施加螯合剂处理均能促进伴矿景天吸收镉，且达到显著水平（P<0.05)。相较于CK，6种处理下伴矿景天地上部分与地下部分Cd含量增加范围分别为 25.80%—77.48%、26.32%—69.78%；其中，EDTA-OA处理下的伴矿景天镉含量最高，地上部和地下部分别达到了 103.88 mg·kg−1和 256.37 mg·kg−1。3种螯合剂及组配对Cd/As复合污染类型土壤中伴矿景天Cd含量影响如图3。就Cd/As复合污染土壤而言，6种施加螯合剂处理均能有效提高伴矿景天植株中镉含量，且达到显著水平（P<0.05）。相较于CK，6种处理下伴矿景天地上部分与地下部分 Cd含量增加范围分别为 32.77%—86.47%、38.58%—86.45%。6个处理中 EDTA-OA处理下的伴矿景天镉含量最高，地上部和地下部分别达到了 90.14 mg·kg−1和 213.54 mg·kg−1。

图2 螯合剂对Cd单一污染土壤中伴矿景天Cd含量的影响Figure 2 Effects of chelating agents on Cd contents in Sedum plumbizincicola grown in Cd contaminated soil

图3 螯合剂对Cd、As复合污染土壤中伴矿景天Cd含量的影响Figure 3 Effects of chelating agents on Cd contents in Sedum plumbizincicola in Cd-As contaminated soil

综上而言，螯合剂的施用可以有效提高伴矿景天植株中Cd含量，其中EDTA-OA处理在两种类型土壤中效果最好。因此，OA和EDTA混合施用促进伴矿景吸收积累镉的效果最好。

2.3 螯合剂对土壤Cd含量的影响

螯合剂对 Cd单一污染土壤Cd含量的影响见表3。对于土壤Cd单一污染而言，相比于CK，螯合剂的施用能有效降低Cd单一污染土壤全量Cd含量，6个处理降低的全量 Cd均达到显著差异水平（P<0.05)，其中EDTA-TA处理下全量Cd下降幅度最大，达到14.29%，修复完成后土壤全量Cd含量下降到 0.66 mg·kg−1。

表3 螯合剂对Cd单一污染土壤全量Cd和有效态Cd含量的影响Table 3 Effects of chelating agents on the contents of total Cd and available Cd in Cd contaminated soil

螯合剂对Cd、As复合污染土壤修复影响见表4。对于土壤Cd、As复合污染而言，相比于CK，OA、EDTA-OA、TA-OA处理降低的土壤全量Cd均达到显著差异水平（P<0.05），含量分别下降了8.70%、14.49%、11.59%，其中EDTA-OA处理下全量Cd下降幅度最大，修复完成后土壤全量Cd含量下降到 0.59 mg·kg−1。

表4 螯合剂对Cd、As复合污染土壤全量Cd和有效态Cd含量的影响Table 4 Effects of chelating agents on the contents of total Cd and available Cd in Cd-As contaminated soil

2.4 螯合剂对土壤Cd形态的影响

螯合剂的施入对 Cd单一污染土壤中 Cd存在形态的影响见图4。在Cd单一污染土壤中，施入螯合剂处理后 Cd的赋存形态表现为酸可提取态>可氧化态>可还原态>残渣态的趋势。酸可提取态的含量提高，残渣态含量降低，可还原态和可氧化态含量变化不明显。其中EDTA-OA处理下的酸可提取态增加幅度最大，增幅为22.99%；残渣态含量下降幅度最大，降幅为11.01%。

图4 施用螯合剂后Cd单一污染土壤的Cd形态Figure 4 Cd morphology in Cd contaminated soil after application of chelating agents

螯合剂的施入对Cd、As复合污染土壤中Cd存在形态的影响见图5。在Cd、As复合污染土壤中，螯合剂施入后土壤Cd形态变化趋势与单一污染相同，表现为酸可提取态>可氧化态>可还原态>残渣态。EDTA-OA处理下的酸可提取态增加的最多，增幅为24.34%；残渣态含量下降最多，降幅为12.82%。

图5 施用螯合剂后Cd、As复合污染土壤Cd形态Figure 5 Cd morphology in Cd-As contaminated soil contaminated after application of chelating agents

2.5 螯合剂及其搭配对伴矿景天修复效率影响

螯合剂的施用对伴矿景修复Cd单一污染土壤的修复效率如表5。在Cd单一污染农田土壤中，螯合剂的施入可提高修复效率，不同的螯合剂及组配对土壤修复效率的效果不一。CK处理的修复效率为13.76%，施加螯合剂后，修复效率提高了2.86%—9.06%，其中EDTA-OA处理修复效果最好，修复效率提高到了 22.82%，相比 CK，修复效率提高了9.06%。

表5 施用螯合剂对Cd单一污染土壤修复效率的影响Table 5 Effect of chelating agents on remediation performance of Sedum plumbizincicola for Cd contaminated soil

螯合剂的施用对伴矿景修复Cd、As复合污染土壤的修复效率如表6。在Cd、As复合污染农田土壤中，螯合剂的施入可提高修复效率，较比于 CK的12.79%修复效率，螯合剂处理后的修复效率可达16.06%—24.98%，其中EDTA-OA处理效果最好，效率提高了12.19%。综合两种土壤试验结果可得，在两种污染类型的土壤中，螯合剂的施加能提高伴矿景天对镉污染农田的修复率，但不同搭配施用效果有差异。在研究中的两种Cd污染的酸性土壤中，均以EDTA和OA混施能最大程度的提高修复效率。

表6 施用螯合剂对Cd、As复合污染土壤修复效率的影响Table 6 Effect of chelating agents on remediation performance of Sedum plumbizincicola for Cd-As contaminated soil

3 讨论

pH是影响重金属在土壤中活性的重要理化指标，有研究表明认为土壤pH下降会促进重金属的活化，从而促进植物对重金属的吸收积累（方晓航等，2005）。Grčman et al.（2001）分别向 pH 为 5 和7.5的Pb污染土壤中施加EDTA后，发现在pH为5的土壤中生长的植株地上部分Pb的含量比在pH为 7的土壤中生长的植株地上部分高 2000 mg·kg−1。曹雪莹等（2019）通过伴矿景天盆栽试验发现，相较于修复前，随处理pH降低，土壤有效态Cd含量及全量Cd的去除量均有所增加，且修复效率在土壤 pH≤6.0时显著高于 pH>6.0。黄铮等（2007）研究也能有效验证pH值与重金属活性成反比这一规律。本研究中，与对照相比，如图1所示，两种类型的土壤pH值均有所下降，主要是由于试验中3种螯合剂均呈酸性，在施入土壤后会造成局部土壤酸化的现象，土壤pH值小幅度下降。这是因为土壤中存在许多的缓冲体系，当螯合剂释放出的H+进入土壤环境后，土壤中含有许多具有缓冲能力的强碱弱酸盐，如碳酸盐、钙磷酸盐等会中和释放出的H+（张根柱等，2011），所以螯合剂的施用能在促进重金属活化的同时，又不破坏土壤的酸碱平衡。小分子有机酸与氨基羧酸类螯合剂联用可以形成协同作用，提高修复效率，但在使用螯合剂辅助植物修复重金属的同时要考虑其生理毒害作用及渗滤造成的二次风险等（刘兴瑞等，2022）。本文中的草酸、酒石酸两种小分子有机酸在土壤中易降解，基本无环境风险，EDTA则属于氨基羧酸类螯合剂，在自然环境中较难降解，因此在使用时要注意施用的剂量、施用方法、施用时间等。

在两种土壤中，施加螯合剂后其有效态Cd的含量有差异但无显著水平，但大部分处理对全量Cd具有显著的降低效果，可能是螯合剂将土壤中非有效态Cd的部分活化，促进非有效态解吸为有效态（刘亮，2012），促进 Cd在伴矿景天内地下向地上部分转移，从而完成土壤Cd修复过程。经计算，修复后，各处理与CK相比残渣态含量更低，且之间的差值与植物吸收转移带离土壤的部分基本持平，因而有效态Cd含量减少不显著，全量减少显著且两种土壤的变化一致。土壤在受到多种重金属复合污染时，重金属复合污染对植物本身造成的不利影响要高于单一重金属污染，如罗昱（2021）研究发现在Pb、Cd复合胁迫下凤尾鸡冠花各部位相比单一污染有明显下降，说明复合胁迫对凤尾鸡冠花的生长抑制作用大于单一胁迫。本研究中Cd/As复合污染土壤种植的景天地上部分Cd含量要低于Cd单一污染的，说明As与Cd形成了协同作用，降低了景天对Cd的富集能力。而螯合剂的施用可以提高植物对重金属的耐受性和富集，有利于植物生长，故在产量上二者并没有显著差异，说明利用螯合剂修复Cd污染土壤时，As的存在会对景天造成一定的影响，但施用螯合剂后可减少或抵消该影响。螯合剂的辅助植物修复的最佳浓度也受土壤污染类型的影响。例如丁雪莲（2012）利用EDTA辅助藜修复Cd-Mn污染土壤发现，当土壤为Cd单一处理时，EDTA添加浓度为2.5 mmol·kg−1时效果最佳；土壤为Cd-Mn复合处理时，EDTA添加浓度为5.0 mmol·kg−1时效果最佳。利用EDTA辅助小蓬草修复Cd-Pb污染土壤发现，当EDTA的添加水平为5.0 mmol·kg−1时，单一 Cd处理下的小蓬草地上部分的Cd含量达到最大值；在Pb-Cd复合污染处理下，EDTA的添加水平为2.5 mmol·kg−1时，小蓬草地上部分Cd含量达到最大值。因此在利用螯合剂辅助植物修复重金属污染土壤时，不同的污染类型选择不同的螯合剂及浓度配比显得尤为重要。

土壤中酸可提取态和可还原态活性较高，在自然环境中易被植物吸收积累，可氧化态在一定的条件下也可以实现迁移转化从而被植物积累，而残渣态很稳定，一般不会迁移。决定土壤重金属污染毒害程度的是生物有效态部分（Zhu et al.，2015），因而酸可提取态和可还原态成为土壤重金属治理的研究重点。张譞等（2013）等向土壤中添加EDTANa2、DTPA和酒石酸 3种螯合剂后发现土壤中的Cd、Zn的酸可溶态明显提高，这与本实验研究结果相似。陈雅慧等（2021）发现次氮基三乙酸（NTA）、三聚磷酸钠（STPP）、谷氨酸二乙酸四钠（GLDA）、聚天冬氨酸（PASP）4种螯合剂与EDTA复施后土壤中 Pb的弱酸可提取态的占比显著升高，所种植的铺地竹各器官 Pb的浓度与土壤中的弱酸可溶态Pb呈极显著正相关，这与本次试验结论相同。本实验中弱酸可溶态提高得最明显的EDTA-OA处理，这可能是不同种类、不同组配的螯合剂施入土壤后，对土壤的氧化还原电位和pH的影响程度不同（李晓宝等，2019）。

螯合剂在土壤修复中的作用便是与其中的重金属发生螯合作用，使重金属转变为水溶性更好的“金属-螯合剂络合物”（韩少华等，2011），促进重金属从固相向液相转移，提高植物的吸收效率。在螯合诱导修复技术中螯合剂的作用机制可分为：（1）提高土壤溶液中重金属的溶解度；（2）加速重金属在植物根系的扩散，减小其毒害作用；（3）促进重金属在植物中由地下部分向地上部分的转运作用（McGrath et al.，2001）。螯合剂在促进植物吸收重金属的同时，需要考虑剂量对植物的生理毒害作用。例如Chen et al.（2002）利用EDTA修复Pb污染农田土壤时，当EDTA浓度达到17.5 mmol·kg−1时，试验油菜在施用后的第4天全部死亡。蒋萍萍等（2019）研究发现 OA和 TA在施用浓度为5.0 mmol·kg−1时会对青葙的生长产生抑制作用。本研究中施用3种螯合剂对伴矿景天的最终产量并没有明显的降低效果，说明本试验选取螯合剂的施用浓度对伴矿景天是安全的。

本研究中，无处理CK的景天在经过6个月的实验期后，两种土壤植株地上部分 Cd含量分别为58.32 mg·kg−1和 48.34 mg·kg−1，土壤的修复效率分别为13.71%和12.96%，加入螯合剂之后，含量最高值为 110.29 mg·kg−1和 90.14 mg·kg−1，修复效率最高分别达到了35.48%和24.38%，相比于CK，均有显著提升。EDTA-OA处理下的伴矿景天地上部分的含量也是最高，搭配施用效果最好，EDTA可与土壤中的重金属螯合呈水溶性更高的络合物，有效态增加，利于重金属的去除（Jun et al.，2020）；草酸属于常见的天然小分子有机羧酸，同时也是一种优秀的绿色螯合剂，草酸一方面可水解释放出H+降低土壤pH，活化重金属，另一方面可与Cd形成“金属-螯合剂”复合体（Gao et al.，2010），增加土壤中Cd的生物有效态。在两种类型的土壤中，Cd/As复合污染土壤中EDTA-OA处理下的景天Cd含量要低于Cd单一污染土壤，这是因为一定浓度下的Cd、As复合污染，二者会对修复植物表现出一定的协同抑制作用（孙约兵等，2007），修复植物的富集含量降低，因此本实验中伴矿景天在单一污染土壤中富集浓度要高于复合污染土壤中的富集浓度。

总而言之，利用EDTA、草酸和酒石酸3种螯合剂及其 1꞉1不同组配对伴矿景天修复酸性Cd污染土壤具有较好的促进效果，其中EDTA和草酸1꞉1混施效果较优。综上，在进行酸性Cd污染土壤修复时，可考虑用伴矿景天作修复植物，并搭配EDTA和草酸辅助修复来提高修复效率，但螯合剂的使用风险和长期的持续修复效果还有待考究。