铅、锌胁迫下齿果酸模的富集特征

晏金鲜,李金辉*,罗帆,孙蓉,吴婷婷,莫佑询,张泽敏,翁贵英

(1.六盘水师范学院 化学与材料工程学院,贵州 六盘水 553004;2.六盘水师范学院 生物科学与技术学院,贵州 六盘水 553004)

在快速发展的工业化进程中,重金属污染由于其难降解、毒性危害大,已对人民健康、食品安全、生态环境和农林业的可持续发展都造成了严重危害[1]。铅、锌两种重金属元素主要通过雨水冲刷和工业废水进入水循环,经食物链富集,先对各种生物造成伤害,进而威胁人类的生命健康[2]。铅对人体的危害作用是多方面的,由于其移动性差,极易在生物体内及土壤环境富集,对生物体造成极高的危害性,被认定为毒性最强的环境污染物之一。锌是维持人体健康、促进人体生长发育的必需微量元素,缺锌会导致人体免疫力下降、发育不良等问题,但摄入过量的锌也会对人身体健康造成伤害,大量吸入或误服锌盐会出现呕吐、食欲不振、腹痛等症状,在人体内长期富集会降低人体免疫力,影响人体胆固醇代谢,造成高胆固醇血症,甚至导致高血压、冠心病、不孕症等[3]。植物修复技术与常规的物理化学修复方法相比,具有对土壤结构无破坏、不产生二次污染物、成本低等优点,当前已成为热门的重金属污染修复技术,特别是利用快速生长的超富集植物修复重金属污染具有较好的应用前景[4]。其修复土壤污染的作用机理主要是利用超富集植物对土壤中重金属元素的吸收,将重金属累积移出土壤,从而达到减轻土壤重金属污染的目的。

酸模属(Rumex)植物在我国有26种,2变种,在多个省份均有生长。齿果酸模(RumexdentatusL.)为蓼科酸模属下的一个种,产于华北、华东、华中、西北、云南、贵州及四川等地,多年或一年生草本植物,生于沟边湿地、山坡路旁,生长海拔为30～2 500 m。齿果酸模于自然界分布广泛,生长速度快,对土壤的适应范围较广,有非常强的抗逆性。目前已有关于酸模属植物富集重金属的研究报道,小酸模(RumexacetosellaL.)对锌有较强的富集能力[5];尼泊尔酸模(RumexnepalensisSpreng.)对铅有较强的富集能力和抗性,为锌的耐性植物,同时对铀矿修复区铀多金属胁迫具有良好的吸附性能与耐受性[6-7];酸模(Rumexacetosa)可作为Cd污染土壤的修复植物[8];巴天酸模(RumexpatientiaL.)能够修复重金属Cu、Pb和Zn污染土壤[9];皱叶酸模对耕地土壤重金属Cd和As有一定修复效果[10]。目前未见齿果酸模对铅、锌的富集特征相关研究。本研究采用盆栽试验,研究在单一铅、锌浓度和复合铅、锌浓度胁迫下,齿果酸模对铅、锌的富集与转移的特征,探究其修复铅、锌污染土壤的效果,旨在为铅、锌污染土壤修复治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验土壤:采自贵州省六盘水师范学院龙山,由黄棕壤与腐殖土构成,其中铅的背景值为150.5 mg·kg-1,锌的背景值362.2 mg·kg-1。土壤取回后,置于阴凉通风处自然晾干,过2 mm尼龙筛后保存备用。齿果酸模种子于2022年8月采自贵州省六盘水市钟山区明湖国家湿地公园。

试验仪器:原子吸收分光光度计(iCE3500,美国Thermo Fisher公司),微控数显电热板(EG5B,北京莱伯泰科仪器有限公司),电子天平(ME104,梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司),电热鼓风干燥箱(101型,北京科伟永兴仪器有限公司),手提式粉碎机(DFT-200A,温岭市林大机械有限公司)等。

试验试剂:Pb和Zn 单元素标准溶液(1 000 μg·mL-1,国家有色金属及电子材料分析测试中心);HNO3、HCl、HClO4、HF为优级纯;Pb(NO3)2和ZnSO4·7H2O为分析纯。

1.2 试验设计

盆栽试验处理见表1。P代表不同浓度铅处理:P0(0 mg·kg-1)、P1(100 mg·kg-1)、P2(200 mg·kg-1)、P3(400 mg·kg-1)、P4(800 mg·kg-1);Z代表不同浓度锌处理:Z0(0 mg·kg-1)、Z1(100 mg·kg-1)、Z2(200 mg·kg-1)、Z3(400 mg·kg-1)、Z4( 800 mg·kg-1);对照为P0Z0(CK)。

表1 盆栽实验设计表

供试花盆中每份等量装入5 kg试验土壤,按表1加入不同浓度的铅、锌处理液,将试验土壤混合均匀,每份试验土壤重复处理3次。15 d后,用去离子水浸泡齿果酸模种子24 h,每盆栽种40粒。待齿果酸模幼苗长出2片真叶后,每盆留3～5株长势良好的植株,待其自然生长,90 d后整株取样,进行有关指标测定。

1.3 样品处理和分析

齿果酸模植株取样后依次用自来水、去离子水冲洗干净,晾干水分,分成地上部分与地下部分,于70 ℃电热鼓风干燥箱中烘至质量恒定,用粉碎机粉碎后过0.3 mm孔径尼龙筛保存备用。土壤样品风干后,采用四分法采样,用玛瑙研钵研细后过0.15 mm孔径尼龙筛保存备用。

称取0.300 0 g植物样品,采用HNO3-HClO4混合消解至无色,冷却后,用1% HNO3定容至50 mL容量瓶中作为待测液。称取0.300 0 g土壤样品,依次采用HCl、HNO3、HF、HClO4混合消解至样品溶液为无色,冷却后,用1% HNO3定容至50 mL容量瓶中作为待测液。同时作植物与土壤的样品空白,采用原子吸收分光光度计分别测定各待测液铅、锌浓度。按公式(1)、(2)计算各部分对铅、锌的富集系数、转移系数。

富集系数(BCF)= 植物体中各部分重金属含量/土壤中重金属含量(根际)

(1)

转移系数 (TF) = 地上部分重金属含量/地下部分重金属含量

(2)

植物对重金属元素的富集特征通常用富集系数(BCF)和转移系数(TF)来体现,富集系数越大,表明植物从土壤富集重金属能力越强;转移系数越大,植物从地下部分转移到地上部分的重金属可移动性越强,越有利于修复[11]。

1.4 数据处理分析

采用Excel 2016进行数据处理分析。

2 结果与分析

2.1 在不同浓度铅、锌胁迫下齿果酸模对铅锌的富集

2.1.1 齿果酸模铅的富集

由表2可知,在单一浓度铅与复合浓度铅锌的胁迫下,齿果酸模地上部分对铅的富集量为20.28～41.05 mg·kg-1,地下部分对铅的富集量为4.79～24.92 mg·kg-1,在 P4Z0(Pb 800 mg·kg-1、Zn 0 mg·kg-1) 胁迫处理下,齿果酸模地上部分和地下部分对铅的富集量最大,分别为41.05,24.92 mg·kg-1,大于P4Z4(Pb 800 mg·kg-1、Zn 800 mg·kg-1) 的富集量28.83,19.03 mg·kg-1,表明施锌不能增加齿果酸模地上部分和地下部分对铅的富集。

表2 齿果酸模在不同浓度铅、锌胁迫下对铅的富集量

2.1.2 齿果酸模锌的富集

由表3可知,在单一浓度锌与复合浓度铅锌的胁迫下,地上部分对锌的富集量为 85.10～951.00 mg·kg-1,地下部分对锌的富集量为74.10～302.70 mg·kg-1。在P1Z4(Pb 100 mg·kg-1、Zn 800 mg·kg-1) 胁迫处理下,齿果酸模地上部分和地下部分对锌的富集量最大,分别为 951.00,302.70 mg·kg-1,大于P0Z4(Zn 800 mg·kg-1)胁迫处理下的富集量684.80,256.60 mg·kg-1;施加适量铅能促进齿果酸模地上部分、地下部分对锌的富集,当施铅 100 mg·kg-1时地上部分最有利于锌的富集。

表3 齿果酸模在不同浓度铅、锌胁迫下对锌的富集量

表3(续)

2.2 齿果酸模对铅、锌富集系数与转移系数

2.2.1 齿果酸模铅的富集系数与转移系数

由表4可知,齿果酸模地上部分对铅的富集系数为0.02～0.21,富集系数最大为0.21;地下部分对铅的富集系数为0.01～0.07,富集系数最大为0.07。齿果酸模地下部分和地上部分对土壤中铅的富集系数都小于1,表明在单一铅与混合铅锌的胁迫下,齿果酸模地下部分和地上部分对铅的富集能力都较弱。齿果酸模对铅的转移系数为1.16～4.81,在单一施铅条件下,随着铅浓度的升高,转移系数先增加后减小,且转移系数均大于1;在P1Z2(Pb 100 mg.kg-1、Zn 200 mg.kg-1)胁迫处理下,齿果酸模对铅转移系数最大为4.81,其他转移系数均大于1,表明齿果酸模有较强的转移能力,但其从土壤中富集铅的能力较弱。

2.2.2 齿果酸模锌的富集系数与转移系数

由表4可知,齿果酸模地上部分对锌的富集系数为0.11～0.73,在P1Z4(Pb 100 mg·kg-1、Zn 800 mg·kg-1) 胁迫处理条件下,富集系数最大,为0.73,大于单一施锌胁迫处理P0Z4(0.61),大于CK( 0.16);齿果酸模地下部分对锌的富集系数为0.16～0.32,在P0Z1(Pb 0 mg·kg-1、Zn 100 mg·kg-1)胁迫处理条件下,齿果酸模地下部分对锌的富集系数最大,为0.32。齿果酸模对锌的转移系数为 0.48～3.53,在P3Z4(Pb 400 mg·kg-1、Zn 800 mg·kg-1) 胁迫处理下,转移系数最大,为3.53,大于CK (0.79),表明齿果酸模在较高浓度铅的胁迫下,转移锌的能力增强。

表4 齿果酸模对铅、锌富集系数与转移系数

3 结论

超富集植物首次由Brooks于1977年提出,植物能够把土壤中重金属超量积累,并且将重金属转移至植物地上部分,植物重金属富集量大于一般植物对重金属富集量的100倍,而且不影响植物自身的正常生理活动[12]。本试验中,齿果酸模对铅的转移系数在P1Z2处理下最大,为4.81,其余处理下,齿果酸模对铅的富集系数都小于1,转移系数都大于1;齿果酸模对锌的富集系数都小于1,在P3Z4胁迫处理下,齿果酸模对锌的转移系数最大,为3.53。表明齿果酸模富集铅、锌的能力较弱,转移铅、锌的能力较强。同时在试验设计的铅、锌浓度范围内,齿果酸模自身的正常生理活动未受到影响,未表现明显的毒害症状,表明其在单一浓度和复合浓度铅、锌胁迫下具有一定的耐受性,有较好的转移能力,可以用于修复治理铅锌污染土壤。