武慧斌， 于志紅， 周 宋正國*

(1 農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所生態(tài)毒理與環(huán)境修復(fù)研究中心， 天津 300191；2 農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所科技管理處， 天津 300191)

工業(yè)污泥和垃圾農(nóng)用、 污水農(nóng)灌、 大氣中的污染物沉降、 含重金屬礦質(zhì)肥料和農(nóng)藥長期施用于農(nóng)田等活動(dòng)正日益增加土壤中重金屬的累積。在我國，土壤遭受重金屬污染面較廣，已成為不容忽視的重要環(huán)境問題[1-3]。其中，重金屬銅的污染尤為嚴(yán)重[4-7]。以江西德興銅礦區(qū)為例，該地區(qū)某些地段因采礦和冶煉活動(dòng)引起的農(nóng)田污染面積達(dá)數(shù)千畝，人和畜禽中毒事件時(shí)有發(fā)生[8]。

作為綠色植物光合作用所必需的原料之一，CO2增加對植物光合作用是有利的。CO2濃度升高一般能增加正常環(huán)境中植物的生物量和產(chǎn)量[9-14]；CO2能提高植物對水分的利用效率從而強(qiáng)化植物的光合作用；CO2濃度升高還可使植物根系更發(fā)達(dá)，改善植物根際微生態(tài)系統(tǒng)及其分泌物，更有利于提高土壤養(yǎng)分的生物可利用性，提高植物對養(yǎng)分的利用效率[15-21]。

螯合誘導(dǎo)生物修復(fù)技術(shù)是指施用螯合劑或配位基來誘導(dǎo)或強(qiáng)化植物對金屬的富集作用。螯合誘導(dǎo)技術(shù)實(shí)際上是植物修復(fù)和化學(xué)技術(shù)的綜合應(yīng)用，向土壤中施加螯合劑(EDTA、 DTPA、 EGTA、 檸檬酸、 草酸等)能活化土壤中的重金屬，促進(jìn)植物吸收[22-23]。螯合劑與土壤溶液中的重金屬離子結(jié)合，降低土壤液相中的金屬離子濃度。為維持液、 固相之間的離子平衡，重金屬從土壤顆粒表面解吸，由不溶態(tài)轉(zhuǎn)化為可溶態(tài)，同時(shí)螯合劑本身又減少了土壤對重金屬-螯合劑復(fù)合體的吸持強(qiáng)度，從而增加了土壤溶液中重金屬的濃度，提高了植物提取修復(fù)效率[23-29]。

已有研究證實(shí)，CO2濃度升高會(huì)增加印度芥菜和向日葵抗銅脅迫能力，并誘導(dǎo)這兩種植物超積累銅[30-31]，這是一種普遍現(xiàn)象還是個(gè)別現(xiàn)象？是一種有利于植物修復(fù)效率提高的正效應(yīng)還是不利于植物修復(fù)效率改善的負(fù)效應(yīng)？迄今為止，將植物因二氧化碳濃度升高引起的上述變化與植物修復(fù)的效率聯(lián)系起來的文獻(xiàn)報(bào)道較少。因此，本研究以向日葵為研究材料，篩選出對CO2濃度升高響應(yīng)顯著的品種，探討其修復(fù)銅污染土壤的效率；對比研究CO2與螯合劑聯(lián)合誘導(dǎo)下向日葵對銅污染土壤修復(fù)效率的差異，以期為利用植物修復(fù)銅污染土壤提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

本試驗(yàn)供試土壤為棕壤，采自沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)后山試驗(yàn)田0—20 cm無污染耕層。土壤主要理化性質(zhì)為pH 5.53、 CEC 17.24 cmol/kg、 有機(jī)質(zhì)33.0 g/kg、 全銅13.37 mg/kg、 粘粒含量17.96%；具體測定方法參見土壤農(nóng)化分析方法[32]。盆栽用的所有土壤均過2 mm篩。

1.2 供試作物

選用在我國西北地區(qū)種植面積大、 在東北地區(qū)亦有種植的5個(gè)向日葵品種，分別為食葵3號、 食葵4號、 阿爾泰1號、 阿爾泰2號、 油生引2號。其中，食葵3號與食葵4號為食用品種；阿爾泰1號、 阿爾泰2號與油生引2號為油用品種。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.2 螯合劑加入量確定試驗(yàn) 螯合劑EDTA和DPTA的濃度分別為1、 3、 5、 7、 9 mmol/kg(pH值7.0)。稱20 g銅污染棕壤(銅總量為200 mg/kg)于250 mL的錐形三角瓶中，加100 mL螯合劑，在振蕩機(jī)振蕩2 h(200 r/min)，靜置后過濾，原子吸收光譜儀(Jena, Zeenit 700, Germany)測定上清液中Cu濃度。

1.4 植株樣品分析

將向日葵的莖與葉分開收獲。向日葵的莖與葉先用自來水沖洗干凈，然后用去離子水淋洗3次。植株控水后，放入烘箱，于85℃殺青15 min，然后在70℃下烘48 h，取出，分別稱重。烘干后的莖與葉用不銹鋼研磨儀(IKA-11)研碎，充分混勻后，稱取0.800 g于100 mL高型燒杯中，加幾滴水潤濕后，加入12.5 mL混合酸(HNO3∶HClO4=4 ∶1)190℃下消煮至溶液近干。消煮液用去離子水定容至50 mL容量瓶。同時(shí)消煮空白與標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行質(zhì)量控制與結(jié)果校正。消煮和測量過程均以生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSB-7茶葉(CRM Tea from IGGE, GBW10016)和Cu標(biāo)準(zhǔn)品(Fluka, Switaerland)進(jìn)行質(zhì)量控制。消煮液中銅用原子吸收光譜儀(Jena, Zeenit 700, Germany)測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007、 Origin 8.0和SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 螯合劑加入量的確定

不同螯合劑用量對污染棕壤中銅的浸提效果顯著不同(圖1)。其中，EDTA浸提濃度為5 mmol/kg時(shí)，土壤浸出液銅含量最高，為81.74 mg/kg， 與EDTA浸提濃度為3、 7 mmol/kg時(shí)并無顯著差異(P<0.05)(圖1a)。由于EDTA對植物生長具有一定的毒性，加入土壤的EDTA含量越多，毒性越大。因此，本試驗(yàn)選用EDTA 3 mmol/kg 土作為土壤銅的活化濃度。DTPA浸提濃度為5 mmol/kg時(shí)，土壤浸出液銅含量最高，為70.04 mg/kg(圖1b)。 因此，本試驗(yàn)選用DTPA濃度為5 mmol/kg 土作為土壤銅的活化濃度。

圖1 不同濃度螯合劑的浸提效果Fig. 1 Leaching effect of different concentrations of chelating agents

2.2 二氧化碳與螯合劑聯(lián)合施用下向日葵的生物量

將EDTA、 DTPA加入到銅污染土壤后，無論CO2施用與否，由于螯合劑作用時(shí)間較短，對向日葵地上部生物量并沒有明顯影響(表1)。螯合劑施用2 d后，向日葵明顯出現(xiàn)中毒現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為葉片有失綠斑點(diǎn)出現(xiàn)，葉片有輕微的失水現(xiàn)象。CO2濃度升高情況下，向日葵的失綠、 失水現(xiàn)象較輕。顯示二氧化碳可能有增強(qiáng)向日葵抗性的作用，但二氧化碳如何影響向日葵對螯合劑反應(yīng)的機(jī)制還有待研究。

EDTA處理下，與正常CO2濃度比較，高CO2處理時(shí)的食葵3號、 阿爾泰2號、 油生引2號的總生物量顯著增加(P<0.05)；食葵4號和阿爾泰1號的總生物量略有降低。DTPA處理下，高CO2濃度處理的食葵3號，阿爾泰2號的總生物量顯著增加(P<0.05)；食葵4號、 阿爾泰1號、 油生引2號的總生物量有所降低。不同螯合劑處理對向日葵生物量的影響不大，一方面與不同品種向日葵對EDTA、 DTPA螯合劑耐性的強(qiáng)弱有關(guān)，另一方面可能與螯合劑施入土壤中時(shí)間較短有關(guān)[27]。

2.3 二氧化碳與螯合劑聯(lián)合施用下土壤pH值

表1 二氧化碳與螯合劑聯(lián)合施用下向日葵的生物量(g/plant)

圖2 二氧化碳與螯合劑聯(lián)合施用下土壤的pH值Fig.2 pH values under the joint action of CO2 and chelating agent

2.4 二氧化碳與螯合劑聯(lián)合施用下向日葵銅含量和蓄積量

圖3 二氧化碳與螯合劑聯(lián)合施用下向日葵莖葉中銅含量Fig. 3 Cu concentrations in stems and leaves of sunflower under the joint action of CO2 and chelating agent

汪楠楠等[33]研究表明，土壤中有效態(tài)銅的含量在檸檬酸和EDTA濃度均為5 mmol/L時(shí)(濃度處理均為0、 2.5、 5、 7.5、 10 mmol/L)達(dá)到峰值。吊蘭地上部對銅的富集在檸檬酸5 mmol/L時(shí)最大，EDTA為5 mmol/L時(shí)，吊蘭地下部對銅的富集量最大。Seth等[36]指出，在水培條件下，利用EDTA修復(fù)鉛污染，向日葵地上部蓄積鉛的量增加了80%以上。Kos等[37]的研究也表明，應(yīng)用EDTA促進(jìn)了鉛、 鎘、 鋅在大麻、 紫花苜蓿、 玉米、 高粱、 大麥中的積累。本研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果基本一致。單施螯合劑明顯增加向日葵地上部銅的蓄積量，并且在CO2聯(lián)合螯合劑后，向日葵地上部蓄積銅的效果較單施螯合劑效果更明顯。植物對銅的吸收不僅取決于土壤中有效態(tài)銅的含量[27]，土壤環(huán)境的其他因素，如溫度、 pH值、 CEC、 溶解性有機(jī)質(zhì)和離子交互作用、 通氣性等也一定程度上影響植物對重金屬的吸收[35]。螯合劑進(jìn)入土壤，通過自身的配位體和土壤中的重金屬離子結(jié)合成金屬螯合物，改變了重金屬在土壤中的存在形態(tài)，以此改變土壤中液相和固相之間的平衡，進(jìn)而促進(jìn)重金屬從土壤顆粒表面解吸，提高對重金屬的吸收率和生物有效性[26]。土壤有效態(tài)的變化能夠直接反映螯合劑對重金屬的活化效果，這意味著螯合劑的施用，促進(jìn)了土壤重金屬可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)的析出，促進(jìn)植物對重金屬的吸收。同時(shí)由于CO2的聯(lián)合作用，可能進(jìn)一步促進(jìn)了植物地上部對重金屬的吸收和積累[13, 27, 30, 31, 38]。

表2 二氧化碳與螯合劑聯(lián)合施用下向日葵銅蓄積量

3 結(jié)論

1)食葵4號、 阿爾泰1號這兩個(gè)品種對CO2濃度升高的反應(yīng)并不敏感；食葵3號、 油生引2號對二氧化碳濃度升高反應(yīng)中等；阿爾泰2號對CO2濃度升高的反應(yīng)最為敏感。

3)在銅污染水平為100 mg/kg的土壤上，與濃度為3 mmol/kg 土的EDTA相比，5 mmol/kg 土的DTPA與800 μmol/mol二氧化碳聯(lián)合施用的修復(fù)效果更好。

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