王建旭，張軍方，馮新斌,*，謝園艷,3，余 志

1. 中國科學院地球化學研究所 環(huán)境地球化學國家重點實驗室，貴陽 550002 2. 貴州省環(huán)境科學研究設(shè)計院，貴陽 550081 3. 中國科學院大學，北京100049

硫代硫酸銨添加對黃平大黃油菜富集土壤汞的影響-田間試驗

王建旭1，張軍方2，馮新斌1,*，謝園艷1,3，余 志2

1. 中國科學院地球化學研究所 環(huán)境地球化學國家重點實驗室，貴陽 550002 2. 貴州省環(huán)境科學研究設(shè)計院，貴陽 550081 3. 中國科學院大學，北京100049

在田間條件下，研究添加硫代硫酸銨對黃平大黃油菜(Brassica juncea var. HPDH)富集土壤汞(總汞含量13.7 mg·kg-1)及土壤汞形態(tài)轉(zhuǎn)化影響。試驗設(shè)置2個處理，對照小區(qū)(無硫代硫酸銨)和處理小區(qū)(每公斤土壤加入8 g硫代硫酸銨)，硫代硫酸銨溶液在植物收獲前7 d添加到土壤。試驗結(jié)束后，分析植物生物量和組織內(nèi)汞含量。結(jié)果表明，硫代硫酸銨處理小區(qū)植物生物量(干重)要略高于對照區(qū)。硫代硫酸銨處理小區(qū)植物根系和地上部分汞含量分別是對照區(qū)的600和250倍。利用連續(xù)化學浸提法分析了修復前后土壤汞形態(tài)變化特征，發(fā)現(xiàn)硫代硫酸銨輔助植物修復后能顯著降低土壤有機結(jié)合態(tài)汞含量，大幅度提高殘渣態(tài)汞含量，溶解態(tài)與可交換態(tài)汞含量略有增加，特殊吸附態(tài)和鐵錳氧化態(tài)汞含量無顯著變化。

硫代硫酸銨；汞污染土壤；植物提??；汞形態(tài)

汞是一種人體非必需的有毒重金屬元素，它進入人體后能損傷人的神經(jīng)系統(tǒng)、腎臟系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)。人在長期低劑量汞暴露下，會造成人體行動緩慢、大腦遲緩和語言障礙等。由于汞對人體健康的危害巨大使其被國際衛(wèi)生組織列為優(yōu)先控制污染物。

貴州清鎮(zhèn)有機化工廠早期利用硫酸汞作為催化劑生產(chǎn)醋酸，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量的含汞廢水，這些含汞廢水沒有經(jīng)過處理就直接排放到了鄰近的河流中[1]。沿廢水排放河流兩岸稻田常年利用這些含汞廢水進行灌溉，造成了大面積農(nóng)田汞含量嚴重超標。據(jù)報道，汞污染農(nóng)田中總汞含量可高達723 mg·kg-1，是我國土壤環(huán)境質(zhì)量標準中所允許的最大土壤汞含量(1.5 mg·kg-1) 482倍[2]。種植在清鎮(zhèn)有機化工廠周邊農(nóng)田的稻米，其汞含量就達133～155 ng·g-1，是我國食品安全衛(wèi)生限量標準中所允許的最大汞含量(20 ng·g-1)的6～8倍[3]。因此，研發(fā)汞污染土壤修復技術(shù)對清鎮(zhèn)汞污染土壤進行修復十分必要。

植物提取技術(shù)是利用植物將土壤中的重金屬吸收或富集到植物體中，通過收割植物并集中處理，達到去除土壤重金屬目的的一種技術(shù)[4]。植物修復技術(shù)的關(guān)鍵是找到重金屬的超富集植物，但目前，尚無報道發(fā)現(xiàn)汞的超富集植物。此外，土壤中大部分汞都以惰性的硫化汞存在，生物可利用態(tài)汞含量普遍較低[5]。因此，利用植物提取技術(shù)修復汞污染土壤，需要提高土壤中汞的生物有效性，從而提高植物提取效率。溫室盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，添加硫代硫酸銨可能是提高汞污染土壤植物提取效率的一個相對較理想的方法[6]。但是，在田間環(huán)境下添加硫代硫酸銨對植物修復汞污染土壤的研究相對較少。因此，本研究在清鎮(zhèn)汞污染農(nóng)田開展修復試驗，探究在大田環(huán)境下，添加硫代硫酸銨對黃平大黃油菜(Brassica juncea var. HPDH)富集汞的影響以及土壤汞形態(tài)變化特征。

1 材料和方法(Materials and methods)

1.1 儀器與試劑

儀器：F732-S 冷原子熒光測汞儀(上海華光儀器儀表)，Tekran 2500 原子熒光測汞儀(加拿大Tekran 公司)，Vario MACRO cube元素分析儀(PE公司)，SORVALL Contifug型臺式離心機(Thermo Fisher公司)等。

試劑：鹽酸和硝酸等酸均為國產(chǎn)超純試劑。硝酸鎂、醋酸鈉、鹽酸羥胺等為國產(chǎn)分析純試劑。硫代硫酸銨溶液為工業(yè)用試劑，純度約為60%。實驗用水為去離子水(DDW, Minipore 18.2 MΩ·cm)。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗所用的黃平大黃油菜種子由貴州農(nóng)科院油料研究所提供。試驗田選擇在清鎮(zhèn)青龍村，該村農(nóng)田由于灌溉有機化工廠排出的含汞廢水使得土壤汞含量超標。選擇靠近公路一塊污染農(nóng)田進行田間試驗，試驗田面積為100 m2。試驗田土壤容重為1.2 g·cm-3，總碳、總氮和總硫分別為3.56 ±0.68 mg·g-1、0.32 ±0.02 mg·g-1和0.14±0.02 mg·g-1。土壤總汞含量為13.7 mg·kg-1，是我國土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB 15618-1995)中所允許最大汞含量的9倍。將試驗田劃分為10個10 m×1 m的小區(qū)，其中50 m2作為硫代硫酸銨處理，50 m2作為對照。植物生長期為70 d。植物收獲前1個星期向土壤添加硫代硫酸銨溶液，按每公斤土壤8克量加入。土壤重量按照修復深度15 cm、實測土壤容重1.2 g·cm-3和修復面積計算。植物在生長期間，田間管理由當?shù)剞r(nóng)民按照常規(guī)手段進行管理。植物收獲后，在對照區(qū)和硫代硫酸銨處理小區(qū)分別選取3個小區(qū)植物進行生物量分析，在3個小區(qū)隨機采集5株植物進行汞含量分析，同時在每個小區(qū)隨機采集5個土壤樣品進行汞形態(tài)分析。

1.3 樣品分析方法

將土壤樣品置于密封袋中帶回實驗室，自然風干后過100目篩。土壤容重用環(huán)刀法測定，土壤總碳、總氮和總硫用元素分析儀測定。植物樣品帶回實驗室后，用自來水反復沖洗干凈，在烘箱中50℃烘干，然后用不銹鋼剪刀將植物分為地上部分和根系并分別記錄它們的干重。植物樣品經(jīng)植物粉碎機粉碎后待測。稱取約0.05～0.1 g植物粉末樣品利用LUMEX聯(lián)合PYRO915+熱解系統(tǒng)測定。稱取0.1 g土壤樣品置于50 mL比色管中，加入10 mL 新配置王水，在水浴鍋中95℃消解40 min，消解完后定容，利用冷原子熒光測汞儀(F732-S)測定消解液中總汞濃度。

土壤不同形態(tài)汞分離及測定參照包正鐸等[5]人方法，具體如下：

溶解態(tài)與可交換態(tài)(F1)：稱取1.0 g土壤樣品，加入8 mL 1 mol·L-1硝酸鎂(Mg(NO3)2)，室溫下振蕩1 h，離心20 min (3 500 r· min-1)，取上清液分析。 特殊吸附態(tài)(F2)：向步驟1處理后的殘留物中，加入8 mL 1 mol·L-1的乙酸鈉(NaAc)(提取前用冰醋酸(HAc)將乙酸鈉pH調(diào)至5.0)，室溫下振蕩5 h，離心，取上清液分析。

鐵錳氧化態(tài)(F3)：向步驟2處理后的殘留物中，加入20 mL 0.4 mol·L-1鹽酸羥胺(NH2OH·HCl)(提取前將鹽酸羥胺溶于20%(V/V) 醋酸(HAc)中)，96℃水浴6h，離心，取上清液分析。

有機結(jié)合態(tài)(F4)：向步驟3處理后的殘留物中，加入30%過氧化氫(H2O2) 8 mL(用硝酸(HNO3)調(diào)節(jié)pH至2.0)，80℃水浴2 h，再加入3 mL 30%過氧化氫80℃水浴3 h，離心，取上清液分析。

殘渣態(tài)(F5)：向步驟4處理后的殘留物中加入10 mL王水(硝酸：鹽酸=1：3(V/V))水浴消解。

以上步驟的浸提液汞濃度用冷原子熒光測汞儀(F732-S)和Tekran 2500原子熒光測汞儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

實驗用空白試驗、標準工作曲線、標準物質(zhì)(GBW07405，GBW10020)對實驗數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制，土壤標準物質(zhì)(GBW07405)的總汞測定值為0.28±0.01 mg·kg-1(n=3)，參考值為0.29±0.04 mg·kg-1。植物標準物質(zhì)(GBW10020)的總汞測定值為0.14±0.01 mg·kg-1(n=3)，參考值為0.15±0.02 mg·kg-1。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0軟件對對照和硫代硫酸銨處理后汞含量差異進行顯著性分析(文中*，**分別表示：p<0.05、p<0.01)，用Origin 8.0對植物生物量、植物汞含量和土壤汞形態(tài)分布比例進行繪圖。植物根系和地上部分對土壤總汞和生物有效態(tài)汞的生物富集系數(shù)分別用BAF總汞和BAF生物有效態(tài)汞表示。BAF總汞=植物體汞含量/土壤總汞含量；BAF生物有效態(tài)汞=植物體汞含量/土壤生物有效態(tài)汞含量。

2 結(jié) 果(Results)

2.1 植物生物量

對照組植物，每平米可分別收獲約15和130 g根系和地上部分。硫代硫酸銨處理植物，每平米可分別收獲約18和190 g根系和地上部分(圖1)。硫代硫酸銨處理植物根系和地上部分生物量要高于對照組小區(qū)，說明土壤加入硫代硫酸銨后，能在一定程度上促進黃平大黃油菜生長。

圖1 對照和硫代硫酸銨處理植物根系和地上部分生物量Fig. 1 The dry biomass of root and shoot of control and thiosulphate treated plant

2.2 植物對汞的富集

對照區(qū)黃平大黃油菜根系和地上部分總汞含量分別為0.02 mg·kg-1和0.04 mg·kg-1(圖 2)，植物提取效率低。硫代硫酸銨處理后，植物體汞含量大幅度增加，根系和地上部分汞含量分別達12 mg·kg-1和10 mg·kg-1，分別是對照區(qū)植物的600和250倍?？梢姡┯昧虼蛩徜@能極大促進黃平大黃油菜對土壤汞吸收。表1為對照和硫代硫酸銨處理植物的生物富集系數(shù)。對照組植物總汞和生物有效態(tài)汞(溶解態(tài)和可交換態(tài)+特殊吸附態(tài))的生物富集系數(shù)分別為0.002～0.003和0.003～0.005，硫代硫酸銨處理后，黃平大黃油菜對土壤總汞和生物有效態(tài)汞的生物富集系數(shù)顯著增加，分別為0.9～1.2和15～19，說明硫代硫酸銨處理后土壤生物有效態(tài)汞能被植物有效富集在其體中。

2.3 土壤汞含量及汞形態(tài)

修復前后土壤總汞及不同形態(tài)汞含量變化特征見表2?？梢钥闯?，與修復前土壤相比，對照區(qū)土壤總汞含量無明顯變化。雖然硫代硫酸銨處理小區(qū)土壤總汞含量平均值略有降低，但在統(tǒng)計學上無顯著差異(p > 0.05)。

圖1 對照和硫代硫酸銨處理植物根系和地上部分汞含量, * p<0.05Fig. 1 The Hg concentrations in the root and aboveground tissues of control and thiosulphate treated plant, * p<0.05

表1 對照和硫代硫酸銨處理植物對土壤總汞和生物有效態(tài)汞的生物富集系數(shù)Table 1 The bioaccumulation factor (BAF) of control and thiosulphate treated plant for soil total Hg and bioavailable Hg

**：p<0.01.

表2 修復前后土壤總汞和不同形態(tài)汞含量變化特征Table 2 The change of concentration of total Hg and different mercury fractionations in soil before and after remediation

*：p<0.05.

利用連續(xù)化學浸提法分析了修復前后土壤汞形態(tài)變化特征。從表2可以看出，試驗區(qū)土壤中汞主要以有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)為主。與修復前土壤相比，對照區(qū)土壤特殊吸附態(tài)汞含量顯著降低，鐵錳氧化態(tài)汞含量顯著增加，溶解態(tài)與可交換態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)汞含量無顯著變化(p > 0.05)。與對照區(qū)土壤不同，硫代硫酸銨處理小區(qū)土壤特殊吸附態(tài)和鐵錳氧化態(tài)汞含量無明顯變化，有機結(jié)合態(tài)汞含量顯著降低(p<0.05)，而殘渣態(tài)汞和溶解態(tài)與可交換態(tài)汞含量顯著增加(p<0.05)。由圖3可知，有機結(jié)合態(tài)汞比例減少了51.3%，殘渣態(tài)汞比例增加了50.8%，溶解態(tài)與可交換態(tài)汞比例增加了約0.4%?？梢?，硫代硫酸銨輔助植物提取后，土壤汞形態(tài)分配比例發(fā)生顯著變化，大部分有機結(jié)合態(tài)汞轉(zhuǎn)化成殘渣態(tài)汞，少部分轉(zhuǎn)化成溶解態(tài)與可交換態(tài)汞。以上結(jié)果說明有機結(jié)合態(tài)汞轉(zhuǎn)化成溶解態(tài)與可交換態(tài)汞后可能被植物吸收。

3 討論(Discussion)

目前，尚沒有報道發(fā)現(xiàn)汞的超富集植物，因此添加螯合劑增加土壤汞的生物有效性成為提高植物提取效率的一個重要手段。不同學者發(fā)現(xiàn)碘化鉀(KI)和乙二胺四乙酸(EDTA)都能在一定程度上促進植物根系對土壤汞的吸收，但是汞從根系轉(zhuǎn)運到植物地上部分效率不高[7,8]。Moreno等人[9]報道硫代硫酸銨不僅能促進植物根系對土壤汞的吸收而且能極大促進根系汞向地上部分轉(zhuǎn)運。本研究發(fā)現(xiàn)在田間條件下添加硫代硫酸銨能顯著提高黃平大黃油菜中汞的含量以及其對土壤總汞和生物有效態(tài)汞的生物富集系數(shù)，這不僅證實了本課題組的溫室試驗結(jié)果[10]，而且與Moreno研究組和Pedron研究組室內(nèi)研究結(jié)果一致[9, 11,12]。

(1)

(2)

因此，土壤修復后殘留的溶解態(tài)與可交換態(tài)汞可能會隨時間延長而轉(zhuǎn)化成惰性的硫化汞。通過本研究發(fā)現(xiàn)，在田間條件下，硫代硫酸銨輔助黃平大黃油菜修復汞污染土壤能通過降低有機結(jié)合態(tài)汞含量而降低土壤汞的潛在風險。

致謝：感謝貴州油料研究所提供供試油菜種子。

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EffectofAmmoniumThiosulphateAdditiononMercuryAccumulationbyBrassicajunceavar.HPDH-AFieldStudy

Wang Jianxu1, Zhang Junfang2, Feng Xinbin1,*, Xie Yuanyan1,3,Yu Zhi2

1. State Key Laboratory of Environmental Geochemistry, Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550002, China 2. Guizhou Academy of Environmental Science and Designing, Guiyang 550081, China 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

14 May 2014accepted30 June 2014

The current study was carried out to investigate the addition of ammonium thiosulphate on mercury accumulation by Brassica juncea var. HPDH and mercury fractionation transformation in soil (total Hg: 13.7 mg·kg-1) under field condition. The two treatments including control plot (non-thiosulphate) and treated plot (ammonium thiosulphate was applied at a rate of 8 g·kg-1soil). The ammonium thiosulphate was applied at 7 days before the harvest of plant. The biomass and the mercury content in plants were analyzed after experiment. The results indicated that the dry biomass of the treated plant was higher than that of the control plant. The mercury concentrations in root and aboveground tissue of treated plant were nearly 600 and 250 times higher than that of the control plant. Mercury fractionation in soil was analyzed by the sequential extraction procedure (SEP) before and after remediation, and the result showed that the concentration of mercury associated with organic substance significantly decreased, while the concentration of mercury associated with residual fractions extensively increased, the concentration of mercury associated with soluble and exchangeable slightly increased. In addition, the concentration of mercury associated with specifically sorbed and Fe/Mn oxide bound fractions were relatively stable.

ammonium thiosulphate; mercury contaminated soil; phytoextraction; mercury fractionation

國家自然科學基金(No. 41303068)和2012年度貴州環(huán)保廳重金屬污染防治專項資金資助

王建旭(1984-)，男，博士，研究方向為污染土壤修復，E-mail: wangjianxu@vip.gyig.ac.cn；

*通訊作者(Corresponding author)，E-mail: fengxinbin@vip.skleg.ac.cn

10.7524/AJE.1673-5897-20140514010

2014-05-14錄用日期：2014-06-30

1673-5897(2014)5-992-06

： X171.5

： A

馮新斌(1968—)，男，地球化學博士，研究員，主要研究方向為表生環(huán)境中汞的地球化學循環(huán)，發(fā)表學術(shù)論文140余篇。

王建旭, 張軍方, 馮新斌, 等. 硫代硫酸銨添加對黃平大黃油菜富集土壤汞的影響-田間試驗[J]. 生態(tài)毒理學報，2014, 9(5): 992-997

Wang J X, Zhang J F, Feng X B, et al. Effect of ammonium thiosulphate addition on mercury accumulation by Brassica juncea var. HPDH- a field study [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2014, 9(5): 992-997 (in Chinese)