郭曉宏, 朱廣龍, 魏學(xué)智

(山西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 山西 臨汾 041000)

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5種草本植物對(duì)土壤重金屬鉛的吸收、富集及轉(zhuǎn)運(yùn)

郭曉宏, 朱廣龍, 魏學(xué)智

(山西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 山西 臨汾 041000)

以臨汾西山煤礦周邊的5種優(yōu)勢(shì)種植物蒼耳(Xanthiumsibiricum)、夏至草(Lagopsissupina)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、灰綠藜(Chenopodiumglaucum)、早熟禾(Poaannua)為試驗(yàn)材料，研究植物修復(fù)土壤重金屬鉛的污染，分析比較其對(duì)鉛的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和富集的能力。結(jié)果表明：在鉛處理下早熟禾的生物量最大；5種植物地上部分對(duì)鉛的吸收量在10 000 mg時(shí)均達(dá)到1 000 mg/kg以上，其中夏至草的吸收量最高，達(dá)5 447.25 mg/kg；地下部分對(duì)鉛的吸收量在10 000 mg時(shí)也達(dá)到1 000 mg/kg以上，以蒼耳最高，達(dá)13 448.5 mg/kg。夏至草的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)最高，為鉛超富集植物，其余4種植物對(duì)重金屬鉛也有很好的吸收富集作用。

鉛污染; 植物修復(fù)技術(shù); 生物量; 生物富集系數(shù); 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)化和城市化進(jìn)程加速，礦物開采與金屬冶煉規(guī)模擴(kuò)大，重金屬污染物通過各種不同的途徑進(jìn)入土壤，使土壤重金屬污染的程度愈發(fā)嚴(yán)重，對(duì)人類和其他生物的生存環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。據(jù)研究測(cè)算,中國(guó)重金屬污染耕地面積約占總耕地面積的1/6[1]。鉛是重金屬污染最嚴(yán)重的元素之一[2]，且被認(rèn)為是可能的人類致癌物質(zhì)之一[3]。植物修復(fù)技術(shù)(phytoremediation)是利用植物對(duì)重金屬化合物的吸收、富集和轉(zhuǎn)化能力，把土壤、水體和大氣中殘存的重金屬污染物吸收、富集到植物體內(nèi)，然后收獲植物，通過焚燒等方法回收重金屬，實(shí)現(xiàn)環(huán)境修復(fù)的目標(biāo)。以其成本低、不破壞土壤生態(tài)環(huán)境，不造成二次污染、易被公眾接受等優(yōu)點(diǎn)而大受關(guān)注[4-5]。

重金屬耐性植物和超富集植物(hyperaccumulators)的篩選則是植物修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，而現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的超富集植物多為小生物量的草本植物[6]，污染地區(qū)的本土優(yōu)勢(shì)植物是試驗(yàn)的首選，可避免引入外來(lái)生物，破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)平衡[7]。

本研究通過野外調(diào)查，選出該礦區(qū)的5種優(yōu)勢(shì)種植物蒲公英、早熟禾、夏至草、蒼耳和灰綠藜，蒼耳是已發(fā)現(xiàn)的鉛富集植物[8]，而已發(fā)現(xiàn)的超富集植物大部分屬于禾本科、莎草科、菊科、唇形科、豆科、十字花科、蓼科和鳳尾蕨科等的植物種類，較其他幾個(gè)科多，本試驗(yàn)選擇的5種植物都在這幾科內(nèi)，所以通過對(duì)這5種植物對(duì)重金屬鉛的吸收、富集和轉(zhuǎn)運(yùn)特性進(jìn)行研究，為篩選修復(fù)西山煤礦礦區(qū)周邊土壤中重金屬鉛的適種植物提供理論依據(jù)，也為土壤重金屬污染的防治提供參考。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

西山煤礦位于山西省臨汾市堯都區(qū)(36.20N，111.33E)，該區(qū)屬溫帶大陸性氣候，極端最高氣溫42.3℃，極端最低氣溫-25.6℃，年平均溫度為12.6℃，平均降水量527.4 mm，植被以草本和矮小灌木居多。本試驗(yàn)中選取的植物為該礦區(qū)的5種優(yōu)勢(shì)種草本植物：蒼耳(Xanthiumsibiricum)、夏至草(Lagopsissupina)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、灰綠藜(Chenopodiumglaucum)、早熟禾(Poaannua)。于2013年10月采集蒼耳、夏至草、蒲公英、灰綠藜、早熟禾的種子。土壤樣品的采樣深度為0—20 cm。

1.2試驗(yàn)方法

種子用0.1%的HgCl2消毒10 min，流水沖洗，200 mg/L赤霉素浸泡24 h，挑選籽粒飽滿，大小均勻的種子放入直徑15 cm的培養(yǎng)皿(鋪有3層紗布)，去離子水濕潤(rùn)，溫度為(25±1)℃，光照時(shí)間為12 h，定期補(bǔ)加去離子水，萌發(fā)[9]。待幼苗長(zhǎng)至3 cm左右進(jìn)行分盆移栽，每盆栽種1株植物，培養(yǎng)方式為沙培，用10%Hoagland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)[10]，植株長(zhǎng)到10～15 cm開始鉛處理，每組處理做5個(gè)重復(fù)。

Pb(NO3)2配制鉛處理液，處理濃度分別為0，1 000，5 000，10 000，15 000，20 000 mg/L，每盆裝沙0.5 kg，4 d處理1次，分12次完成鉛處理，澆灌量依次為20，20，20，30，30，30，50，50，50，50，75，75 ml，每次處理間隔澆1次10%的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，共48 d處理完成，施入的鉛總量梯度為0，500，2 500，5 000，7 500，10 000 mg。待鉛處理完成后采集植物(不包括已死亡的植株)，去離子水沖洗干凈，分為地上部分(包括莖、葉)和地下部分(根)。105℃殺青5 min，70℃烘干24 h至恒重，稱量，研磨，100目(孔徑為0.143 mm)尼龍篩過篩。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干除雜后，磨碎，過100目尼龍篩，混勻。植物樣品用硝酸—高氯酸法消解，土壤樣品用王水—高氯酸法消解。同時(shí)做試樣空白對(duì)照。

1.3計(jì)算方法

以原子吸收分光光度法測(cè)定其重金屬鉛含量，并計(jì)算相應(yīng)的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)[11]：

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=植物地上部重金屬含量/植物地下部同種重金屬含量

(1)

富集系數(shù)=植物體某種重金屬含量/土壤中同種重金屬含量

(2)

1.4統(tǒng)計(jì)分析

主要應(yīng)用Microsoft Excel 2003，SPSS 16.0和Origin 9.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及圖表處理。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤鉛污染特征

采樣點(diǎn)重金屬鉛的含量普遍較高，污染程度超過國(guó)家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[12]。重金屬鉛超標(biāo)倍數(shù)平均值為18.54，說明礦區(qū)周邊土壤重金屬鉛污染嚴(yán)重(表1)。

表1西山煤礦礦區(qū)土壤重金屬鉛污染情況

土樣編號(hào)土壤Pb含量/(mg·kg-1)超標(biāo)倍數(shù)土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)/(mg·kg-1)19675.80±23.7819.3550028770.65±21.5717.5450039372.45±34.9818.74500

注：表中的鉛含量數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差；超標(biāo)倍數(shù)=(測(cè)定值-標(biāo)準(zhǔn)值)/標(biāo)準(zhǔn)值。

2.2不同量Pb對(duì)5種植物的影響

由表2可知，植物在鉛處理下長(zhǎng)勢(shì)很好，存活率很高，只有少數(shù)是80%，處理組的生物量均高于對(duì)照組。在10 000 mg處理組中，植物的存活率除早熟禾外其余都為80%，表明早熟禾對(duì)鉛的耐性比其余4種植物強(qiáng)。由圖1可知，在不同處理中，5種植物的生物量差異性顯著，早熟禾的總生物量最高，夏至草的最低。在0～5 000 mg處理梯度內(nèi)，植物生物量隨著鉛處理濃度的增加而增加，說明低濃度重金屬鉛對(duì)植物的生長(zhǎng)有一定的刺激作用，5 000 mg時(shí)的植物生物量與對(duì)照處理組有明顯差異(p<0.05)。當(dāng)鉛濃度繼續(xù)增加，植物生物量開始下降，高濃度鉛對(duì)植物的生長(zhǎng)起到抑制作用。在每個(gè)處理組中，5種植物的長(zhǎng)勢(shì)基本差異顯著，只有蒲公英和蒼耳在500，5 000，7 500 mg處理組中在差異不顯著(p>0.05)，說明同一處理濃度下，不同的植物體現(xiàn)出對(duì)鉛不同的耐性。

2.3不同Pb量下植物地上部分和地下部分對(duì)Pb的吸收量

由圖2可知，不同植物的同一部位對(duì)鉛的吸收能力是不同的，5種植物莖和葉對(duì)鉛的吸收量表現(xiàn)為夏至草最大，每個(gè)處理組中其余4種植物對(duì)夏至草而言均差異顯著(p<0.05)，但是4種植物間的差異性不顯著。根對(duì)鉛的吸收量在每個(gè)處理組間都是不同的，在對(duì)照組2 500，5 000，10 000 mg中蒼耳的量最大，500 mg中是夏至草，7 500 mg則是蒲公英，但由于在500，2 500，5 000，7 500 mg處理組中植物間的差異性不是極顯著，所以地下部分中認(rèn)為蒼耳對(duì)鉛的吸收量最高。5種植物對(duì)鉛的吸收量在10 000 mg時(shí)均高于1 000 mg/kg，對(duì)重金屬鉛具有較高的吸收能力。

表2不同鉛量處理下5種植物的存活率%

植物種類總鉛量/mg050025005000750010000蒲公英10010010010010080早熟禾100100100100100100夏至草1001001001008080蒼耳10010010010010080灰綠藜10010010010010080

2.4植物對(duì)鉛的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)特征

不同的植物對(duì)重金屬的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力也不盡相同(圖3)，除10 000 mg以外的4個(gè)處理組中，5種植物對(duì)鉛的富集能力由強(qiáng)到弱多表現(xiàn)為夏至草>蒼耳>蒲公英>早熟禾>灰綠藜。在每個(gè)處理組中夏至草的富集系數(shù)均最高，蒼耳次之。隨著處理濃度的增加，5種植物的富集系數(shù)基本呈降低趨勢(shì)，最后趨于平穩(wěn)，表明隨著處理濃度的增加，植物對(duì)鉛的富集能力在減弱，植物受到的毒害作用增大。5種植物中對(duì)鉛的轉(zhuǎn)運(yùn)能力除500 mg處理組中蒲公英的轉(zhuǎn)運(yùn)能力最強(qiáng)外，其余組中最強(qiáng)的是夏至草，次之灰綠藜，其余3種轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)較低，綜合比較5種植物還是夏至草的轉(zhuǎn)運(yùn)能力強(qiáng)。

注：不同小寫字母表示同種植物在不同處理下差異性顯著(p<0.05)，相同字母則表示差異性不顯(p<0.05)，不同大寫字母表示同一處理組內(nèi)不同植物間的差異性顯著(p>0.05)，相同字母則表示差異性不顯(p>0.05)，下圖同。

圖1不同植物在鉛處理下的生物量

圖2　不同植物地上部分和地下部分鉛含量

圖3　5種植物的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)特征

3　討論與結(jié)論

5種植物在鉛處理下長(zhǎng)勢(shì)良好，存活率高，表明這5種植物對(duì)鉛的耐性極強(qiáng)，能適應(yīng)鉛污染介質(zhì)。5種植物在不同濃度下的生物量均不同，證明不同植物對(duì)鉛的耐性存在一定差異，同一植物對(duì)不同濃度的鉛處理也表現(xiàn)出一定的差異，高紅真等[13]的研究也證實(shí)了這一結(jié)論。低濃度處理下，植物生物量呈上升趨勢(shì)，起促進(jìn)生長(zhǎng)的作用；高濃度處理下植物生物量開始下降最后趨于平穩(wěn)，表現(xiàn)出抑制作用。張曉薇等[14]的研究同樣表明隨著植物的生長(zhǎng)，鉛濃度的增加，植物抵御鉛脅迫和毒害作用的能力在減小，甚至有可能受毒害致死，鉛對(duì)植物的生長(zhǎng)抑制作用在增加。

不同植物的不同部位對(duì)鉛的吸收能力也是不同的，地上部分是夏至草對(duì)鉛的吸收量最高，地下部分則是蒼耳。由于夏至草的富集能力和轉(zhuǎn)運(yùn)能力均最強(qiáng)，只有7 500，10 000 mg處理組小于1，但是分別大于0.7，0.6，很大程度上滿足了超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)[15]，篩選出夏至草為鉛超富集植物。其余4種植物中，蒼耳對(duì)鉛的吸收能力很強(qiáng)，但是轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均低于0.5，大部分鉛被吸收后累積在根部，由于地下部分收割難度較大，比較容易造成對(duì)土壤的二度污染[16]。蒲公英、早熟禾和灰綠藜對(duì)鉛的吸收能力都較強(qiáng)，無(wú)論地上部分還是地下部分在鉛處理時(shí)對(duì)鉛的吸收量均能接近或達(dá)到1 000 mg/kg，但是它們的富集能力和轉(zhuǎn)運(yùn)能力均較低，故這4種植物不作為修復(fù)污染土壤的首選植物。由于這4種植物在鉛處理下，長(zhǎng)勢(shì)良好，生物量較大，在沒有更好的本土修復(fù)植物的前提下，也可作為修復(fù)植物，但是后期的處理將會(huì)比較困難，目前對(duì)于吸收能力較好但是轉(zhuǎn)運(yùn)能力較低的重金屬富集植物的后期處理還沒有很好的解決辦法。綜上所述，夏至草是一種理想的鉛超富集植物，可將其作為土壤鉛污染修復(fù)的先鋒植物。

在實(shí)際治理中，必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐闹参锷L(zhǎng)情況因地制宜，最好是采用當(dāng)?shù)氐膬?yōu)勢(shì)種植物來(lái)完成對(duì)污染土壤的修復(fù)，避免因?yàn)橥鈦?lái)生物的引進(jìn)而破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)平衡，維持環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，減少不必要的影響，才能更好地修復(fù)污染土壤。

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Characteristics of Uptake, Bioaccumulation and Translocation of Soil Lead (Pb) in Five Species of Herbaceous Plants

GUO Xiaohong, ZHU Guanglong, WEI Xuezhi

(SchoolofLifeScience,ShanxiNormalUniversity,Linfen,Shanxi041000,China)

Five species of herbaceous plants such asXanthiumsibiricum,Lagopsissupina,Taraxacummongolicum,ChenopodiumglaucumandPoaannuawere used to study the uptake, bioaccumulation and translocation of soil heavy metal lead (Pb) and to explore the restoration capacity of plant to soil severely polluted by Pb near the western hills of Linfen City. The results showed that the biomass accumulation ofPoaannuawas the highest among the tested plants under Pb treatment; the contents of Pb in above-ground biomass of all plants were greater than 1 000 mg/kg in 10 000 mg treatment group, particularly inLagopsissupina, it illustrated the highest content and reached to 5 447.25 mg/kg. In the under-ground biomass, the similar trend as the above-ground biomass was observed, and the contents also reached up to 1 000 mg/kg in 10 000 mg treatment group, the maximum content was 13 448.5 mg/kg in theXanthiumsibiricum. The biological concentration factor and translocation factor ofLagopsissupinewere all the highest, therefore, the results suggested that theLagopsissupinawas the Pb hyperaccumulation plant, and the other four kinds of plants have strong ability of Pb uptake, and they all can be used to remedy soil polluted by heavy metal.

lead pollution; phytoremediation; biomass; biological concentration factor; translocation factor

2015-01-26

2015-03-06

國(guó)家自然科學(xué)基金“酸棗對(duì)極端干旱氣候響應(yīng)機(jī)理研究”(30972396)

郭曉宏(1989—),女,山西呂梁人,碩士研究生,研究方向?yàn)樯飳W(xué)、植物學(xué)。E-mail:18635753977@163.com

魏學(xué)智(1956—),男,山西臨汾人,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事結(jié)構(gòu)植物研究。E-mail:wxz3288@163.com

X53; X173

A

1005-3409(2016)01-0183-04