茍?bào)w忠, 宋 偉, 嚴(yán)紅光

(1.凱里學(xué)院 大健康學(xué)院，凱里 556011；2.黔南民族醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校，都勻 558003)

土壤中的重金屬難以被微生物分解，易在土壤中累積[1]，并通過(guò)食物鏈放大，最終危害人體健康[2]。土壤重金屬污染已成為全球關(guān)注的重要環(huán)境問(wèn)題[3]。因此，對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)已迫在眉睫。傳統(tǒng)的物理或化學(xué)修復(fù)技術(shù)因成本較高，不利于大面積重金屬污染治理，而植物修復(fù)是一種成本低、環(huán)境友好且能大面積治理土壤重金屬污染的綠色技術(shù)，并可以將土壤中的重金屬永久性去除[4]。

植物修復(fù)技術(shù)包括：1)植物萃取[5]；2)植物固定[6]；3)植物揮發(fā)[7-9]；4)根際吸收[10]。其中，利用超富集植物消除土壤中的有毒重金屬是最有前景的植物修復(fù)技術(shù)[11]。超富集植物必須具備3個(gè)條件：1)植物葉片部分或地上部分的Hg、Cd>100 mg/kg，Cr、Cu、Ni、Pb、As和Se>1 000 mg/kg，Zn>10 000 mg/kg[12]；2)植物地上部分的重金屬含量高于根部，且在污染地生長(zhǎng)良好，生物量大[13]。

雖然目前國(guó)內(nèi)外發(fā)現(xiàn)了400多種重金屬超富集植物[14-16]，但大多數(shù)重金屬超富集植物生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、生物量小，不利于大面積重金屬污染土壤的治理。此外，不同植物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的適應(yīng)能力各異，而利用本地植物進(jìn)行植物修復(fù)是很重要的，因?yàn)楸镜刂参镌诃h(huán)境脅迫下生長(zhǎng)和繁殖方面通常優(yōu)于引種植物。因此，尋找適合污染土壤生長(zhǎng)的重金屬超富集植物是植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵。鑒于此，本研究采集了丹寨汞(金)礦區(qū)11科11種最普通的本地優(yōu)勢(shì)植物及其土壤樣品，分析其重金屬含量，采用生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)對(duì)研究區(qū)植物的重金屬富集能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在篩選出一些對(duì)重金屬具有富集能力的植物，以期為汞礦區(qū)重金屬污染土壤的修復(fù)提供科學(xué)參考。

表1 研究區(qū)主要植物種類

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2018年7月，采用“多點(diǎn)”取樣法采集丹寨汞(金)礦區(qū)汞礦渣堆上11種本地優(yōu)勢(shì)植物不同部位及其根際土壤樣品，采樣點(diǎn)分布見圖1。

圖1 采樣點(diǎn)分布示意圖

1.2 試樣分析

1.2.1 重金屬含量的測(cè)定

參照文獻(xiàn)[17]的方法，利用北京海光儀器有限公司生產(chǎn)的AFS-230型雙道原子熒光光度計(jì)測(cè)定Hg含量。參照文獻(xiàn)[18]的方法，利用美國(guó)熱電公司生產(chǎn)的Finnigan MAT ELEMENT型高分辨等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定其Cd、As、Pb、Cu、Ni、Cr、Zn和Se的含量。

1.2.2 質(zhì)量控制

為避免容器和試劑帶入污染，所用的試劑均經(jīng)蒸餾純化處理，所用容器均用5%逆王水煮沸，再用超純水清洗3次。同時(shí)，采用流程空白、平行樣和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(土壤：GBW07407，植物：GBW07602)進(jìn)行質(zhì)量控制，其測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%，滿足質(zhì)量控制要求。

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1 單項(xiàng)污染指數(shù)法(PI)

為評(píng)價(jià)重金屬污染程度，采用單項(xiàng)污染指數(shù)法(PI)對(duì)研究區(qū)土壤進(jìn)行重金屬污染評(píng)價(jià)[19]，其公式為

(1)

式(1)中：Ci表示重金屬i的實(shí)測(cè)值，Bi表示重金屬i的背景值，本文選擇貴州省土壤Hg(0.11 mg/kg)、Cd(0.66 mg/kg)、As(20 mg/kg)、Pb(35.2 mg/kg)、Cu(32 mg/kg)、Ni(39.1 mg/kg)、Cr(95.9 mg/kg)、Zn(99.5 mg/kg)和Se(0.29 mg/kg)的背景值作為Bi[20]。污染程度分級(jí)為：PI≤1為無(wú)污染；15為重度污染[21]。

1.3.2 生物富集系數(shù)(BCF)

為衡量植物的重金屬富集能力，采用生物富集系數(shù)對(duì)重金屬在植物中的富集程度進(jìn)行評(píng)價(jià)[22]。其公式為

(2)

(3)

式(2)和(3)中：BCFshoot為植物地上部分生物富集系數(shù)；BCFroot為植物根部生物富集系數(shù)；[Metals]shoot為植物地上部分某重金屬濃度；[Metals]root為植物根部重金屬濃度；[Metals]soil為根際土壤重金屬濃度。

1.3.3 生物轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(BTF)

為了反映植物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，采用生物轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)對(duì)重金屬在植物中的轉(zhuǎn)運(yùn)特征進(jìn)行評(píng)價(jià)[23]。其公式為

(4)

式(4)中：[Metals]shoot和[Metals]root分別為植物地上部分和根部重金屬濃度。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與處理

采用SPSS 19.0、Coredraw X6和Origin 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬含量

土壤重金屬含量分布結(jié)果(表2)顯示，土壤中的As、Hg、Se、Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb的平均含量分別是貴州土壤背景值的38.3、531.6、12.3、0.5、0.6、0.8、1.0、0.8和1.0倍。由圖2可知，土壤中As、Hg和Se重度污染，其他重金屬輕度或無(wú)污染。

表2 土壤重金屬含量

圖2 土壤重金屬的PI箱型圖

2.2 植物重金屬含量

植物重金屬含量見表3，11種植物的根部和地上部分的As含量均高于植物正常As含量(<1 mg/kg)[24]，其中蜈蚣草地上部分As含量最高，其含量高達(dá)2 300 mg/kg，已達(dá)到超富集植物地上部分As含量標(biāo)準(zhǔn)(≥1 000 mg/kg)[12]，這與Ma等[25]的研究結(jié)果一致。此外，金絲草的根部富集了大量的As，其As含量達(dá)1 300 mg/kg。雖然金絲草地上部分含量相對(duì)較低，但由于金絲草根系非常發(fā)達(dá)，其根系的生物量與地上部分相當(dāng)，因此金絲草可用于As污染土壤的植物修復(fù)。侯曉龍等[26]僅報(bào)道了金絲草是Pb超富集植物，但目前尚未有關(guān)于金絲草根部富集As的報(bào)道。11種本地植物的根部和地上部分的Hg含量均高于植物Hg正常范圍，但均低于超富集Hg植物標(biāo)準(zhǔn)。大部分植物的根部和地上部分的Se含量高于植物Se正常含量上限值，但也遠(yuǎn)小于超富Se植物標(biāo)準(zhǔn)。其他重金屬在11種植物中的含量幾乎處于植物重金屬正常范圍。分析認(rèn)為：同一植物對(duì)土壤不同重金屬的富集能力不同，同一重金屬在不同植物中的富集程度不同。研究表明，植物中的重金屬濃度取決于植物種類、土壤中的重金屬濃度以及重金屬的生物活性[31]。

表3 植物重金屬含量

2.3 重金屬富集及轉(zhuǎn)運(yùn)特征

植物對(duì)土壤重金屬的富集和提取潛力可以用BCFshoot、BCFroot和BTF進(jìn)行評(píng)價(jià)[31]。生長(zhǎng)在重金屬嚴(yán)重污染土壤中的植物對(duì)重金屬具有一定的耐性，但不同植物對(duì)重金屬的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和富集具有差異。植物中重金屬的BCF和BTF值見表4。從表4可見：蜈蚣草對(duì)As、鉆葉紫菀對(duì)Cu和對(duì)Zn的BCFshoot均大于1，表明蜈蚣草和鉆葉紫菀的地上部分分別對(duì)As、Cu和Zn具有較強(qiáng)的富集能力；鉆葉紫菀對(duì)Se、金絲草對(duì)As和Cr的BCFroot大于1，表明鉆葉紫菀和金絲草的根部具有較強(qiáng)的Se、As和Cr富集能力；其余植物對(duì)重金屬的BCFroot和BCFshoot均小于1，表明它們對(duì)重金屬具有一定耐性。

從表4可見：蒼耳、商陸、蜈蚣草、苧麻對(duì)As的BTF大于1，其中，蜈蚣草的BTF值最大，表明蜈蚣草對(duì)As有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力；鬼針草、龍葵和商陸對(duì)Hg的BTF大于1，表明這些植物對(duì)Hg有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力；蒼耳、假酸漿、芒、龍葵對(duì)Se的BTF值大于1，表明這些植物對(duì)Se具有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力；商陸對(duì)Cr的BTF值大于1，表明商陸對(duì)Cr有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力；假酸漿、龍葵、商陸對(duì)Ni的BTF值大于1，表明這些植物對(duì)Ni具有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力；蒼耳、假酸漿、龍葵、商陸和鉆葉紫菀對(duì)Cu的BTF值大于1，表明這些植物對(duì)Cu有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力；蒼耳、鬼針草、芒、龍葵、商陸、蜈蚣草、鉆葉紫菀和苧麻的BTF值大于1，表明這些植物對(duì)Zn有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力；蒼耳、芒、龍葵、商陸、藜和苧麻對(duì)Cd的BTF值大于1，表明這些植物對(duì)Cd有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力；蒼耳、龍葵、商陸、苧麻對(duì)Pb的BTF值大于1，表明這些植物對(duì)Pb有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。其中，蒼耳、龍葵和商陸對(duì)多種重金屬的BTF值大于1，可用于多種重金屬污染土壤的復(fù)合修復(fù)。

表4 植物中重金屬的BCF和BTF值

Punz等[32]將重金屬耐受性植物分為富集型、根部囤積型和規(guī)避型等3類。富集型植物是指其BCFshoot>1，BTF>1，且地上部分富集了大量重金屬，可用于重金屬污染土壤的植物提取修復(fù)。從表4可見，蜈蚣草對(duì)As的BCFshoot和BTF均大于1，符合富集型植物特征，且蜈蚣草地上部分As含量遠(yuǎn)大于超富集As植物標(biāo)準(zhǔn)，該結(jié)果再次確證了蜈蚣草是As的超富集植物。此外，鉆葉紫菀對(duì)Cu的BCFshoot和BTF以及對(duì)Zn的BCFshoot和BTF均大于1，符合富集植物的特征，但其地上部分的Cu和Zn的含量未達(dá)到超富集植物Cu、Zn含量標(biāo)準(zhǔn)，這與土壤背景值有關(guān)。因此，鉆葉紫菀是一種潛在的Cu、Zn超富集植物，但仍需盆栽試驗(yàn)確定。

根部囤積型植物是指其BCFroot>1，BTF<1，且根部富集了大量重金屬，可用于重金屬污染土壤的植物穩(wěn)定修復(fù)。從表4可見，金絲草對(duì)As、Cr和鉆葉紫菀對(duì)Se的BCFroot>1以及BTF<1，符合根部囤積型植物特征，其中，金絲草根部As含量為1 300 mg/kg，屬于典型的根部囤積型植物。

規(guī)避型植物是指生長(zhǎng)在重金屬超標(biāo)的土壤中的植物，其BCFroot<1或BCFshoot<1，且植物體內(nèi)含有少量重金屬。從表4中可見，蒼耳假酸漿、蒼耳、假酸漿、鬼針草、芒草、商陸、藜和苧麻的BCFshoot和BCFroot均小于1，且這些植物體內(nèi)的重金屬含量處于正常范圍，符合規(guī)避型植物的特征，屬于規(guī)避型植物。

3 結(jié)論

土壤As、Hg和Se達(dá)重度污染，其他重金屬為輕度或無(wú)污染；蜈蚣草為As的超富集植物，龍葵為Cd的富集型植物，鉆葉紫菀為Cu和Zn的富集型植物；金絲草為As根部囤積型植物，鉆葉紫菀和金絲草分別是Se和Cr的根部囤積型植物；蒼耳、假酸漿、鬼針草、芒、商陸、藜和苧麻為規(guī)避型植物。