蔡海軍 宋丹丹 尚玉俊 王秀莉 李中賢 韓科 畢越 趙小學

摘要 為提高超富集植物對土壤中鎘（Cd）、鉛（Pb）污染物的植物提取效率，以德國景天為研究對象，通過盆栽試驗，研究了6種化學強化劑：鼠李糖脂生物表面活性劑（Rha）、乙二胺二琥珀酸（EDDS）、聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯酸接枝腐殖酸（PAA-HA）、植物調節(jié)劑增產胺（DCPTA）、增產胺接枝氯化膽堿（DCPTA-ChCl）強化德國景天提取農田土壤Cd和Pb的效果，并考察不同強化劑對土壤重金屬Cd、Pb形態(tài)的影響。結果表明，6種添加劑處理均能促進德國景天根部對Cd的吸收，DCPTA、DCPTA-ChCl、PAA、PAA-HA處理對德國景天地上部分Cd的吸收表現(xiàn)為促進作用，而Rha和EDDS抑制了Cd從根部向地上部分的轉移。PAA-HA對德國景天根部吸收Pb的促進作用最為顯著，對應的吸收提高率為51.7%。德國景天對Cd和Pb的富集系數(shù)（BCF）范圍為3.96～4.83和0.11～0.19，轉移系數(shù)（TF）為2.19～3.05和0.19～0.39，屬于Cd超富集植物。德國景天修復重金屬污染土壤中，聚丙烯酸類添加劑、增產胺類生長調節(jié)劑有效促進了德國景天對Cd和Pb的吸收富集，在土壤重金屬污染植物修復中具有很好的應用潛力。

關鍵詞 德國景天；土壤；重金屬；強化劑；植物提取

中圖分類號 X 53? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）12-0080-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.12.016

Comparison of the Effects of Different Enhancing Agents on Uptake and Transfer of Cd and Pb by Sedum hybridum in the Contaminated Soil

CAI Hai-jun1，2，SONG Dan-dan1，SHANG Yu-jun1 et al

（1.High and New Technology Research Center of Henan Academy of Sciences，Zhengzhou，Henan 450002;2.Jiyuan Ecological Environment Testing Center，Jiyuan，Henan 454650）

Abstract At present，enhancing heavy metal accumulation in hyperaccumulator has been a hot topic.One of the most promising technologies to increase the efficiency of phytoremediation is the use of enhancing agents.The key of the technology is to choose suitable agents and the combining-hyperaccummulator.In this study，the effects of six different enhancing agents on the remediation of cadmium （Cd） and lead （Pb） contaminated soil by Sedum hybridum in pot experiments were investigated.The enhancing agents were as follows：rhamonolipid （Rha），ethylenediamine dissuccinic acid （EDDS），polyacrylic acid （PAA），polyacrylic acid grafted with humic acid （PAA-HA），plant growth regulator：diethylaminoethyl-3，4-dichlorophrylether （DCPTA） and diethylaminoethyl-3，4-dichlorophrylether grafted with Choline Chloride （DCPTA-ChCl）.Effects of enhancing agents on Cd and Pb speciation in soil were also studied.The results showed that all these six kinds of agents promoted Cd uptake by Sedum hybridum root.DCPTA，DCPTA-ChCl，PAA and PAA-HA promoted Cd uptake by the shoot parts of Sedum hybridum compared to the control.However，Rha and EDDS decreased root Cd translocation into the shoot parts of Sedum hybridum.PAA-HA was more effective at contributing to Pb uptake by Sedum hybridum root，and the corresponding absorption improvement rate is 51.7%.Cd and Pb enrichment factor （BCF） of Sedum hybridum were in the range of 3.96-4.83 and 0.11-0.19，respectively.Cd and Pb translocation factor （TF） of Sedum hybridum were in the range of 2.19-3.05 and 0.19-0.39，respectively.Sedum hybridum was further validated as a Cd hyperaccumulating plant species.The results suggest that PAA and plant growth regulator DCPTA has also been demonstrated to promote plant growth，enhancing Cd and Pb uptake by Sedum germanica.The above findings may be essential for understanding the characteristics of heavy metals hyperaccumulation in plants and selection of excellent candidates of enhancing agents for phytoremediation of heavy metal from contaminated soils.

Key words Sedum hybridum;Soil;Heavy metals;Enhancing agents;Phytoextraction

基金項目 河南省重點研發(fā)與推廣專項（科技攻關）項目（212102310080，222102320294）；中央公益性科研院所河南省科學院基本科研費項目（220602024）；河南省科學院重大科研聚焦專項（220102002）。

作者簡介 蔡海軍（1971—），男，河南濟源人，高級工程師，從事生態(tài)環(huán)境監(jiān)測研究。* 通信作者，副研究員，博士，從事土壤重金屬污染修復研究。

收稿日期 2023-08-02

在農用地重金屬修復領域，植物修復是一項新發(fā)展起來的用于改善土壤重金屬污染的生態(tài)技術，因具有成本低、過程簡單、環(huán)保等優(yōu)點，受到廣泛關注［1］。植物修復技術主要包括植物提取、植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定以及植物促進等技術［2-3］。其中，植物提取是指在受重金屬污染的土壤上連續(xù)種植專性植物（包括超富集植物和忍耐-富集型植物），用其根系吸收污染土壤中的重金屬并運移至植物的地上部分，通過收割地上部物質帶走土壤重金屬的一種方法［4］。該法具有費用低廉、不破壞場地結構、不造成地下水二次污染、修復植物同時能實現(xiàn)其生態(tài)功能和修復功能、易被社會接受等優(yōu)點，適用于修復大面積的、污染程度輕的重金屬污染土壤，被認為是最具發(fā)展前景的重金屬污染土壤修復技術［5］。

雖然植物提取是一種過程簡單、綠色環(huán)保的修復技術，但是，大部分超富集植物自身固有的生物量低、生長速率緩慢以及對土壤中重金屬的活化能力有限等特性，使得植物提取修復效率低、周期長，難以滿足修復要求［6］。因此，為提高修復效率、縮短修復周期，國內外學者在植物提取修復技術的基礎上，通過化學添加劑［7］、根際細菌［8］以及農藝措施［9］來強化植物修復，進而提高植物提取修復效率［2］。其中，化學強化植物提取修復效果較為顯著，是通過向污染土壤中添加化學助劑，改變土壤中重金屬的存在形態(tài)及其生物可利用性或者提高植物對重金屬的耐受性從而提高植物對重金屬的提取修復效率。石旻飛等［10］研究表明，采用螯合劑EDTA-Na2與表面活性劑SAA可以有效提高東南景天對土壤中鎘（Cd）的吸收。然而目前在化學強化植物修復中用到的螯合劑和表面活性劑多為EDTA及化學合成表面活性劑［11-12］，這些化學添加劑存在生物降解性差，易產生二次污染的風險。因此，環(huán)境友好型添加劑受到廣泛的關注。研究表明，易降解的乙二胺二琥珀酸（EDDS）可促進三葉鬼針草幼苗的生長，增加三葉鬼針草對Cd的吸收和富集能力［13］。此外，采用植物調節(jié)劑如脫落酸、生長素、細胞分裂素等也可提高東南景天對Cd污染土壤的修復效率［14］。柴薇薇等［15］研究表明，采用適宜濃度的增產胺（DCPTA）浸種可以增加黑麥草葉片的葉綠素含量，增加鮮重和干重并促進根系的生長。氯化膽堿是一種植物光合作用促進劑，對增加產量有明顯的效果。研究結果表明，氯化膽堿能增強作物的抗逆性，促進水稻、玉米、棉花等幼苗健壯生長［16］。在植物修復重金屬污染土壤中，將增產胺和氯化膽堿應用到植物修復重金屬污染土壤中的研究還比較缺乏。因此，該研究選擇環(huán)境友好型強化劑（鼠李糖脂生物表面活性劑和乙二胺二琥珀酸），并通過自主研發(fā)合成聚丙烯酸接枝腐殖酸和增產胺接枝氯化膽堿生長調節(jié)劑兩類添加劑，采用盆栽試驗，考察添加不同強化劑對德國景天提取農田污染土壤中鎘和鉛（Pb）的影響，為化學強化植物提取修復農田重金屬污染提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試土壤。采自河南濟源某鉛廠附近重金屬復合污染農田，土樣采自耕作層0～20 cm，經(jīng)自然風干后過2 mm篩，采用常規(guī)分析方法［17］測定基本理化性質為pH7.8、有機質21.0 g/kg、陽離子交換量25.2 cmol（+）/kg、總氮1.72 g/kg、全磷3.51 g/kg、全鉀22.3 g/kg、

砂粒41.%、粉粒48.8%、黏粒10.1 %、土壤質地為粉質壤土、總Cd 5.62 mg/kg、DTPA提取態(tài)Cd 2.31 mg/kg、總Pb 166 mg/kg、DTPA提取態(tài)Pb 33.9 mg/kg。根據(jù)土壤環(huán)境農用地土壤污染風險管控標準［18］，Cd濃度高于農用地土壤污染風險管制值，屬于重度污染水平；Pb處于風險篩選值水平。

1.1.2 供試植物。德國景天，幼苗由南京土壤研究所提供。

1.1.3 供試試劑。鼠李糖脂（Rha，純度95%）購于湖州紫金生物科技有限公司，乙二胺二琥珀酸（EDDS）為分析純，聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯酸接枝腐殖酸（PAA-HA）、增產胺（DCPTA）、增產胺接枝氯化膽堿（DCPTA-ChCl）為筆者所在研發(fā)團隊合成。

1.2 試驗方法

1.2.1 盆栽試驗。采用白色塑料盆，盆規(guī)格為：上口徑20 cm，底面直徑15 cm，高20 cm。德國景天種植每盆裝土5 kg，底肥施用量為尿素0.4 g/kg、磷酸二氫鉀0.3 g/kg、硫酸鉀0.3 g/kg，保持盆栽土持水量為大田持水量的50%。2022年4月移栽德國景天幼苗，每盆種植4株，共設7個處理，各處理設置分別為施加Rha、EDDS、PAA、PAA-HA、DCPTA、DCPTA-ChCl，不加添加劑的處理作為空白對照（CK），每個處理3次重復，共21盆。添加劑添加方法為Rha、EDDS、PAA、PAA-HA分別以2 mmol/kg的用量加入土壤，DCPTA和DCPTA-ChCl分別以0.5 mg/株的用量噴灑到植株葉面。添加劑在植物種植20～30 d后施加，植物種植3個月后收獲。

1.2.2 分析測試方法。將植物分為根和地上部，先用自來水沖洗，再用蒸餾水洗凈，105 ℃殺青60 min，于70～80 ℃烘干至恒重，磨碎后測定各部分鎘、鉛的總含量，新鮮植株葉片采用植物營養(yǎng)測定儀測定葉綠素。采收盆栽土樣，于室內自然風干，研磨過100目篩，進行鎘、鉛總量和鎘、鉛各形態(tài)分析。其中植物中鎘、鉛含量采用高壓微波消解后ICP-MS分析，土壤中鎘、鉛總量采用鹽酸/硝酸/氫氟酸/高氯酸四酸消解后采用ICP-AES分析，鎘、鉛重金屬形態(tài)分析按照BCR順序提取法［19-20］分析。植物、土壤分別采用國家標準物質GBW-07603（GSV-2）、GBW-07404（GSS-4）進行質量控制，樣品回收率控制在96.5%～102.8%。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Origin 2018軟件對試驗數(shù)據(jù)進行繪圖，采用SPSS16.0對試驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析（one-way ANOVA），P<0.05表示處理間差異顯著。

2 結果與分析

2.1 不同強化劑對德國景天葉綠素含量的影響

不同強化劑處理下，德國景天葉片葉綠素含量如圖1所示，Rha和EDDS的添加導致德國景天葉片葉綠素含量有所下降。這可能是由于Rha和EDDS的添加使得土壤中的重金屬得到活化，增加了有效態(tài)重金屬的含量，使得德國景天的生長受到了一定的脅迫。PAA和PAA-HA的添加對德國景天的生長影響不顯著（P>0.05）。相對于DCPTA及對照組，DCPTA-ChCl對德國景天的生長具有促進作用。由此可見，通過采用將增產胺與氯化膽堿進行接枝，可進一步提高植物生長調節(jié)劑生長調節(jié)作用。

2.2 不同強化劑處理對德國景天不同部位吸收積累Cd、Pb的影響

德國景天地上部和根部對Cd的吸收如圖2a所示，德國景天地上部分Cd濃度明顯高于地下根部的Cd濃度，不同添加劑處理地上部分對應的Cd含量為：PAA > DCPTA-ChCl > PAA-HA > DCPTA > CK> Rha > EDDS，相對于對照組，PAA和DCPTA-ChCl對應增幅平均為11.5%和9.0%，而Rha和EDDS對應的植株地上部分Cd含量低于對照組，但各組間差異不顯著（P>0.05）；不同添加劑處理下地下根部對應的Cd含量為：DCPTA > EDDS> Rha> PAA-HA> PAA > DCPTA-ChCl> CK，相對于對照組，除PAA和DCPTA-ChCl外，添加不同添加劑對應德國景天根部Cd含量與對照組相比具有顯著性差異（P<0.05），對應增幅范圍為21.8%～24.4%。與地上部分Cd含量結果對比可以看出，PAA和DCPTA-ChCl促進了Cd從根部向地上部分轉移，從而產生根部Cd濃度降低的結果。Rha和EDDS可與土壤中的Cd形成絡合物進而活化土壤中的Cd，促進德國景天根部對Cd的吸收，然而地上部的Cd含量反而低于對照組，說明Rha和EDDS使德國景天吸收富集的Cd滯留在德國景天根部，可能是由于Rha和EDDS與Cd形成了絡合物對植物的生長產生了一定的脅迫，如“2.1”所述葉綠素含量的降低，通過抑制Cd向地上部分轉移，進而起到緩解Cd毒性的作用。

德國景天地上部和根部對Pb的吸收如圖2b所示，德國景天地下部分Pb濃度明顯高于地上部分Pb濃度，根為主要的富集部位。不同添加劑處理地上部分對應的Pb含量為：PAA>EDDS>DCPTA-ChCl>PAA-HA>DCPTA>CK>Rha，與對照相比，PAA、EDDS、DCPTA-ChCl促進作用具有顯著性差異（P<0.05），對應增幅分別為：32.2%、29.6%、25.0%；不同添加劑處理地下部分對應的Pb含量為：PAA-HA>PAA>Rha>CK>DCPTA-ChCl>DCPTA > EDDS，與對照相比，PAA-HA和PAA對德國景天根部吸收Pb促進作用顯著（P<0.05），對應增幅為51.7%和19.4%。PAA常用作保水劑，同時具有螯合重金屬的作用，PAA-HA為在PAA結構的基礎上接枝腐殖酸（HA），兼具保水、螯合和增肥的效果，在土壤中可以增加土壤的導水性和含水量，減少土壤表面蒸發(fā)，還可以有效地減少土壤中營養(yǎng)元素的流失，比如速效氮、磷、鉀等，可以增強土壤的保肥率［21］。此外，聚丙烯酸類的化合物因為輕度交聯(lián)關系形成一種網(wǎng)格結構，可以吸附土壤中的重金屬離子，且這些吸附在小分子聚丙烯酸表面的金屬離子容易脫離，使得與PAA及PAA-HA結合的重金屬離子具有更好的生物有效性而被德國景天富集［22］。

2.3 不同強化劑處理對德國景天富集和轉運Cd和Pb能力的影響

富集系數(shù)（BCF）為重金屬在植物體內的平衡濃度與環(huán)境中濃度的比值，代表植物富集土壤中的重金屬的能力；轉運系數(shù)（TF）為植物地上部的重金屬含量與地下根部重金屬含量的比值，代表植物將重金屬元素轉運到地上部分的能力。如表2所示，除EDDS添加組外，其他5組添加劑組中Cd的BCF均高于對照組，其中PAA促進作用最強，其次為PAA-HA、DCPTA、DCPTA-Chcl，由此可見聚丙烯酸類添加劑和植物調節(jié)劑對德國景天應對逆境脅迫均具有較好的調節(jié)作用，其在強化植物修復作用上具有極大的潛力。不同添加劑對Cd的TF結果可知，除DCPTA-ChCl和PAA添加組外，其他4組添加劑對Cd的TF均低于對照組，且均大于1，可見德國景天對Cd的吸收易于從根部向地上部分轉移并富集在地上部分，這種轉運能力受添加劑的影響較小。德國景天對Pb的BCF結果顯示，PAA和PAA-HA促進了德國景天對Pb的富集，另外4組添加劑與對照較為接近；不同處理對Pb的TF結果顯示，TF均小于0.5，說明Pb在德國景天體內的移動性小，不易轉移，德國景天不屬于Pb超富集植物，體內富集的大多數(shù)Pb都存留于地下，無法被轉運到地上部分，會較為明顯地影響德國景天對于土壤Pb的提取效果，這一結果與報道的伴礦景天［23］對Pb的富集轉運結果一致，這可能主要和景天植物對不同重金屬吸收轉運的基因調控作用有關［24］。

2.4 德國景天種植后土壤重金屬形態(tài)變化

在德國景天種植收獲后測定盆栽土壤中Cd和Pb形態(tài)變化，結果見圖3?？芍寥乐蠧d的弱酸提取態(tài)（F1）和可還原態(tài)（F2）占比較高，分別為50.51%～53.84%和32.84%～38.76%，表明Cd在土壤中的遷移能力較強；土壤中Pb的可還原態(tài)（F2）和殘渣態(tài)（R）占總百分含量較高，分別為63.80%～79.18%和15.81%～31.84%，表明土壤Pb的遷移能力較弱。從不同添加劑條件下Cd的形態(tài)變化來看（圖3a），PAA組對應的弱酸提取態(tài)與對照組相比有所降低，其他5組無顯著差異（P>0.05），主要是由于PAA與Cd的弱酸提取態(tài)絡合，促進了Cd從地下向德國景天地上部分的轉移，從而使得Cd的弱酸提取態(tài)比例降低；與對照組相比，除DCPTA-ChCl外，可還原態(tài)Cd比例在其他5種添加劑處理下都有不同程度的降低，可氧化態(tài)（F3）Cd比例變化不顯著（P>0.05），殘渣態(tài)（R）Cd占比表現(xiàn)出增加的現(xiàn)象，這可能是由于加入土壤中的這些添加劑與重金屬結合形成絡合物，一方面被植株吸收，另一方面較為穩(wěn)定的絡合物在土壤中進一步向殘渣態(tài)（R）轉化。從不同添加劑條件下Pb的形態(tài)變化來看（圖3b），PAA、PAA-HA、DCPTA-ChCl處理對應的弱酸提取態(tài)（F1）Pb較對照組有所降低，其他3種處理對應的弱酸提取態(tài)Pb比例與對照沒有顯著差異（P>0.05），添加劑的處理組對應的可還原態(tài)（F2）Pb比例和可氧化態(tài)（F3）Pb比例較對照組均呈現(xiàn)下降的特征，殘渣態(tài)（R）Pb比例均表現(xiàn)出增加的趨勢，結合德國景天對Pb的吸收結果可以推測，PAA和PAA-HA與土壤中有效態(tài)Pb結合，促進Cd從土壤向植株的遷移，而DCPTA-ChCl通過促進植株生長，進一步增加了德國景天對有效態(tài)Pb的吸收，使得殘渣態(tài)（R）Pb相對含量增加。從土壤中Cd和Pb的形態(tài)變化分析可推測，生物表面活性劑、螯合劑可以與土壤中的鐵、錳等元素結合，破壞土壤中Cd和Pb的可還原態(tài)（F3），增加土壤溶液中重金屬含量，提高Cd和Pb的遷移能力；植物調節(jié)劑的添加促進德國景天的生長，在根壓和蒸騰作用下，可使土壤中酸溶態(tài)的Cd和Pb向德國景天根部轉移，非根際土壤中的Cd和Pb向根際土壤擴散轉移，在土壤中進行沉積和吸附，轉化為其他形態(tài)，并處于不斷轉換的動態(tài)變化之中［25］。

3 結論

（1）6種添加劑均能促進德國景天根部對Cd的吸收，聚丙烯酸類（PAA和PAA-HA）和生長調節(jié)劑類（DCPTA和DCPTA-ChCl）添加劑對德國景天地上部分和根部Cd的吸收均表現(xiàn)出促進作用，Rha和EDDS對Cd從德國景天根部向地上部分的轉移有一定抑制作用。PAA-HA可有效促進德國景天根部對Pb的吸收。

（2）德國景天為Cd超富集植物，不屬于Pb超富集植物。除EDDS添加組外，其他5組添加劑組對Cd的BFC均高于對照組，其中PAA促進作用最強，聚丙烯酸類添加劑和植物調節(jié)劑對德國景天應對逆境脅迫均具有較好的調節(jié)作用，在強化植物修復重金屬污染土壤中具有極大的潛力。

（3）Cd在土壤中的遷移能力較強，Pb的遷移能力較弱；PAA-HA兼具保水、螯合和增肥的效果，植物調節(jié)劑促進德國景天的生長，提高了德國景天對Cd和Pb的富集能力；隨著土壤中酸溶態(tài)的Cd和Pb向德國景天根部轉移，非根際土壤中的Cd和Pb向根際土壤擴散轉移，在土壤中進行沉積和吸附，轉化為其他形態(tài)，并處于不斷轉換的動態(tài)變化之中。

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