基于克隆植物生理整合特性的铅污染土壤修复——以喜旱莲子草为例

邱霖萱，杨 颖，成梦洁，余子义，叶雨彤

（三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002）

铅（Pb）是有毒有害重金属之一，通过交通运输、工业排放和大气沉降等方式进入土壤，对人体健康构成严重威胁[1]。调查显示，我国84.8%的城市土壤平均Pb 含量高于当地土壤环境背景值，存在土壤铅污染[2]。因此，当前迫切需要开展铅污染土壤修复研究。植物修复技术具有绿色、无二次污染的特点，成为重金属污染土壤修复领域的研究热点。传统植物修复技术采用植物富集重金属后，植物处理成本高[3]。克隆植物具有生理整合特性，能通过分株间的连接物传输与共享资源[4]。因此，假设土壤重金属能沿植物茎传输到分株根系，将分株根系置于水体中，就可能实现重金属由分株根系向水体的转移，通过收集水体重金属，原位回收土壤重金属，降低植物修复的后期处理成本。喜旱莲子草是一种克隆生长的常见植物，对重金属Pb 有较好的富集能力[5]。因此，本文以喜旱莲子草为例，利用其生理整合特性修复铅污染土壤，验证Pb 的迁移路径，即土→植物→植物分株根系→水体，从而有效修复重金属污染土壤。

1 材料和方法

1.1 材料

试验用土取自三峡大学植物园，为黄棕色土壤，土壤总铅含量为11.2 mg/kg。供试药品Pb(NO3)2由国药集团化学试剂有限公司生产，为分析纯。在三峡大学植物园内采集生长状况相似的喜旱莲子草，取第3 个茎节及以上部分，去掉前3 个茎节上的叶片，并将植株末端和第3 个茎节通过压根方式浸入霍兰德培养液中预培养。

1.2 试验设计

试验设置2 个处理组和1 个对照组，处理组土壤Pb 含量分别为50 mg/kg（T1）和100 mg/kg（T2），未添加Pb 溶液的原始土壤作为对照组（CK）。每组种植5 株喜旱莲子草，每组设置3 个重复。挑选长势相似（株高25.0 cm±3.0 cm）的植株，移栽至试验土壤中，将茎上长出的附根置于盛有2 L 去离子水的玻璃瓶中，使其保持浸入水体。培养周期为30 d。

1.3 指标测定

30 d 后，用直尺测定喜旱莲子草主株根长、分株根长以及植物茎长，并使用分析天平对各部分植物的鲜重进行测定，然后放入温度105 ℃的烘箱中杀青15 min，再烘干（75 ℃）至恒重，称量干重。植物和土壤样品中的Pb 含量测定采用《土壤质量 铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》（GB/T 17141—1997）。水体Pb 含量的测定采用《水质 铜、锌、铅、镉的测定 原子吸收分光光度法》（GB 7475—1987）。

1.4 试验数据处理

植物对重金属的富集情况用富集系数来表示，富集系数采用式（1）进行计算。铅污染土壤的植物修复率采用式（2）进行计算。水体铅的回收率采用式（3）进行计算。采用Excel 2013 软件进行数据整理，使用GraphPad Prism 7 软件绘制图像，并运用IBM SPSS Statistics 24 软件进行单因素方差分析。

式中：K为植物对铅的富集系数，%；ρ1为植物体内铅含量，mg/kg；ρ2为土壤铅含量，mg/kg；P为铅污染土壤的植物修复率，%；ρ3为非根际土壤铅含量，mg/kg；ρ4为根际土壤铅含量，mg/kg；ρ5为土壤初始铅含量，mg/kg；Q为水体铅的回收率，%；m1为水体铅质量，g；m2为初始土壤铅质量，g。

2 结果与讨论

2.1 不同处理下喜旱莲子草生物量的变化

不同处理下，喜旱莲子草的生物量变化如图1 所示。植物各组织的干重和长度随土壤Pb 含量增加而增加。经分析，Pb 含量低的土壤对喜旱莲子草代谢或体内酶活性具有促进作用，从而刺激植物生长。

图1 不同处理对喜旱莲子草生物量的影响

2.2 不同处理下喜旱莲子草对铅的富集特征

不同处理下，喜旱莲子草各组织中Pb 含量和富集系数如表1 所示。随着土壤Pb 含量的增加，植物各组织的Pb 含量及富集系数逐渐增加。不同组织对Pb 的富集能力排序为主根＞附根＞茎叶，这主要与植物各组织对重金属的转移能力和耐受程度有关。相比其他组织，植物根系对重金属的耐受性较大，对重金属的富集能力较强。

表1 不同处理组植物各组织中Pb 含量及富集系数

2.3 不同处理下喜旱莲子草对铅的去除效果

如表2 所示，Pb 污染土壤的植物修复率随着土壤Pb 含量的增加而增加，主要原因是重金属含量低的土壤对植物生长有促进作用。对照组分株根系浸出液中Pb 浓度低于方法检出限，未检测到Pb。处理组分株根系浸出液中Pb 浓度随土壤Pb 含量增加而增加。分株根系浸出液的重金属释放可能与根系分泌物有关。分株根系在生长过程中会向水体释放大量分泌物，使得Pb 以根系分泌物为载体释放到水体中，这也是植物面临污染胁迫时的一种自我保护机制。

表2 土壤中铅剩余含量及水体重金属转移浓度

3 结论

本试验以具有生理整合特性的克隆植物喜旱莲子草为例，研究Pb 的迁移路径，利用其生理整合特性修复重金属污染土壤。研究显示，Pb 含量低的土壤对喜旱莲子草的生长有促进作用，植物各组织对Pb 的富集能力增强。随着土壤Pb 含量的增加，Pb 污染土壤植物修复率和水体Pb 回收率均有所增加，经验证，重金属Pb 可以通过克隆植物的分株根系实现转移，其基本路径为土→植物→植物分株根系→水体。