植物对镉污染土壤的修复作用

陈 诚， 李中宝， 邓楠鑫， 李升锦

(长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州 434000)

随着社会和经济的快速发展，我国境内大部分土壤受到了不同程度的重金属污染。重金属污染是指由重金属及其相应的化合物所造成的环境污染，主要由广泛使用矿产资源、电子垃圾、污水污泥以及化肥、除草剂、杀虫剂和工业污水排放、废气与一些金属制品等人为因素所致[1-2]，重金属污染的危害程度取决于重金属在环境、食品和生物体中存在的浓度和化学形态，主要出现在水、大气固体废物中[3]。

土壤中的重金属进入植物体内的方式是通过根系吸收，重金属会在一定程度上改变与植物光合作用有关酶的活性，改变细胞膜通透性，并促进ATP(三磷酸腺苷)的降解，从而损伤遗传物质DNA(脱氧核糖核酸)等，进而影响植物的生长、繁殖和代谢[4]。

植物修复是利用植物来降解或吸附土壤或水中的污染物，植物修复技术就是一项利用绿色植物及其根系与土壤中的微生物体系来降解环境中一些不易自然降解而造成永久性污染的物质[5]。随着关于重金属植物修复技术研究的逐渐深入、根系分泌物与重金属络合理论的提出，以及“绿色化学”引起全球范围内的重视，植物修复技术的涵义和应用越来越被重视[6]。并且该技术无二次污染，绿色环保，作用持久[7]。在重金属污染土壤的植物修复中，根系分泌物中的有机酸、柠檬酸等物质能有效降解土壤中的重金属，能促进重金属离子的活化从而更易被植物或其他生物体吸收、富集[8]。

本研究以镉为重金属污染源，探究黑麦草、玉米草、苏丹草、狼尾草4种不同植物对其污染土壤的修复作用。

1 材料与方法

1.1 发芽率的测定

本研究中的6种植物种子，分别为黑麦草、玉米草、苏丹草、狼尾草、紫花苜蓿、白三叶草种子，均购自华南农业大学。试验地点为长江大学东校区，试验时间为2017年6月。取90个直径为120 mm且经过乙醇洗涤、高温消毒的培养皿，在每个培养皿中放入2片直径为120 mm的定性滤纸，取浸泡8 h后的各10粒种子置于培养皿中；配制不同浓度的含镉离子的溶液，浓度分别设置为10、25、50、75、100 mg/L，将配制好的镉离子溶液分批多次滴加在滤纸上，保持滤纸湿润，每隔1 d滴加1次5 mL镉离子溶液，并记录种子的发芽情况。待种子萌发后，将所有培养皿移入人工气候箱内，设置湿度为70%，温度为30 ℃，光照度为80 lx。

1.2 植物生长试验

土壤取自长江大学校园附近无重金属污染的农田，土壤类型为褐土，取回后将土壤置于阴凉处风干、磨碎待用，试验地点为长江大学东校区，试验时间为2017年7—9月。

污染土壤的配制：以分析纯CdCl2作为Cd污染试剂，在每个盆中加入500 g土壤，按照0、25、50、75、100 mg/kg的土壤含量标准，求出每个盆栽所需的镉离子含量，然后将所需的镉离子含量配制成相应溶液加入，搅拌均匀后放置2 d，风干。

分别在培养箱中对黑麦草、玉米草、苏丹草、狼尾草、紫花苜蓿、白三叶草6种草的种子进行催芽，然后在每个盆中移植10粒已经发芽的种子，保持土壤含水率为60%～70%，以 45 d 为生长周期。

1.3 植物及土壤中镉离子的测定

1.3.1 仪器及试剂 WYS24OO型原子吸收分光光度计(杭州华创科学器材有限公司)、浓硝酸(分析纯)、高氯酸(分析纯)、氢氟酸(分析纯)、柠檬酸(分析纯)、甘氨酸(分析纯)、麦芽糖(分析纯)(国药集团化学试剂有限公司)。

1.3.2 样品前处理 (1)待植物生长45 d后，将植物与土壤分离，然后轻轻敲去根系周围的土壤，用自来水充分冲洗，除去上面的泥土，再用蒸馏水清洗1遍，然后置于烘箱中于 104 ℃ 恒温烘烤8 h至完全干燥，将干燥的植物样品分别剪成根、茎、叶，然后分别称质量以计算生物量。

(2)称取0.5 g土壤样品，加入10 mL盐酸(50%)，充分混匀消解(T=180 ℃)，待溶液挥发近干时，加入10 mL浓硝酸，过一段时间后，溶液挥发近干；再加入10 mL氢氟酸，过一段时间以后，氢氟酸挥发近干；再加入10 mL高氯酸，消解过程中要盖盖子，适当摇晃消解罐使之充分消解。待土样基本被消解后，用5%稀硝酸清洗消解罐内壁，并将所有溶液转移至25mL比色管中，用蒸馏水定容，置于 4 ℃ 冰箱内待测[9]。

(3)植物根、茎、叶的处理方法同土壤样品。

1.3.3 标准曲线的测定 (1)镉标准贮备液的制备。准确称取0.100 0 g镉粉，溶解于10 mL硝酸中，然后于1 L容量瓶中定容，得到100 mg/mL镉的贮备液。

(2)镉标准溶液的配制。分别取镉贮备液0.2、0.5、1、2、4 mL于100 mL容量瓶中定容，获得标准系列质量浓度分别为0.2、0.5、1、2、4 mg/L的镉离子溶液。

(3)绘制标准曲线。用原子吸收分光光度计在波长228.8 nm处依次加入1 mL质量浓度为0.2、0.5、1、2、4 mg/L的镉离子溶液，测定其吸光度，然后以吸光度对浓度作图，即得到其标准曲线，详见图1。

2 结果与分析

2.1 发芽率结果

经过2周的培养，分别计算不同植物发芽种子的数量，并计算平均发芽率。由表1可以看出，狼尾草在全系镉离子质量浓度下的发芽率均可达到80%及以上；玉米草的发芽率随着镉离子质量浓度的升高先降后升，但是也能稳定在70%左右；苏丹草的发芽率随着镉离子质量浓度的升高而逐渐降低，当镉离子质量浓度达到100 mg/kg时，其发芽率仍能达到60%以上；黑麦草的发芽率随着镉离子质量浓度的升高而逐渐降低，直至最后降至50%；而紫花苜蓿、白三叶草的发芽率一直较低，在高质量浓度时甚至不发芽。

表1 不同植物种子的发芽率

2.2 植物的生长状况

在出苗之后，将各盆植物搬到室外，发现白三叶草、紫花苜蓿均有少量的根枯黄、变干的迹象，尤其是紫花苜蓿较为严重。紫花苜蓿和白三叶草在不同镉离子浓度条件下与其他植物相比最明显的就是生长缓慢、植株矮小，且植株数量随着镉离子浓度的升高而逐渐减少，因为Cd可对植物光合作用及根系与土壤产生的一系列氧化还原反应的酶产生抑制作用，从而降低了生物量和抑制了根的伸长，导致植物出现植株矮小等状况[10]。故本研究选用黑麦草、玉米草、苏丹草、狼尾草4种草作为分析对象。

从图2中4种草在不同镉离子含量土壤中的生长状况看出，随着镉离子含量上升，玉米草的根质量先下降，但随后基本不变，而茎、叶质量出现小范围的波动，目前认为，玉米草对镉离子的耐受能力是不错的。对于狼尾草而言，叶质量整体呈抛物线形先升后降，而根、茎质量整体呈上升趋势，说明其对镉离子的修复主要靠叶、茎来固定及吸收。至于黑麦草，Lou等研究发现，黑麦草在Cd存在下的根系活动异常旺盛，除了根部被镉离子抑制生长外，其他部位的生长波动不大，可以认为黑麦草主要靠根系来修复污染土壤[11]。至于苏丹草，在一定镉离子含量范围内，其生物量明显随着镉离子含量的上升而不断增大，可以认为它对镉离子的耐受能力是极好的。

2.3 植物各部位的镉离子含量

经过45 d室外培养后，将培养盆中的所有植物收割，并分别将每种植物的根系、茎、叶剪碎，放入烘箱中烘干，称质量，然后将每种植物的根、茎和叶分别放入三角瓶中进行消解。消解后溶液中的镉离子含量用原子吸收分光光度计进行测定。

从表2可以看出，随着土壤中镉离子含量的增加，玉米草根系中的镉离子含量也越来越大，即随着土壤中镉离子含量的增加，玉米草根系对镉离子的修复能力也随之增强，而茎、叶中的镉离子含量较少，可能是因为玉米草主要靠根系来固定和吸收镉子。Schütze等研究发现，链霉菌可通过生物吸附、氧化还原作用以及增加酶活性来增强植物的抗重金属特性[12]。可以认为，由于根际土壤中微生物数量的增加有效地促进了植物对重金属的修复，只有当镉离子在根系中的积累达到一定量时才会向茎和叶片中转移。当镉离子含量逐渐升高时，去除率先升后降。

从表3可以看出，狼尾草叶片中的镉离子含量最高，可能是狼尾草根系对重金属几乎没有固定作用，主要靠叶片积累重金属，可能是植物叶片内产生了抗氧化酶或者一些抗性物质能够有效清除重金属胁迫产生的有活性的和有毒性的超氧自由基，于是产生了相对于根茎更好的耐金属效应[13]。狼尾草对镉离子的去除率稳定在70%左右，并且不随含量的增大而减小，可以认为狼尾草对镉的耐受能力是不错的。

表3 狼尾草各部位的镉离子含量

由表4可以看出，黑麦草对镉离子的积累与狼尾草相似，靠叶片积累镉离子，并且随着镉离子含量的增加，黑麦草叶片对镉离子的吸收量呈现先增大后减小的趋势，而根、茎则无明显变化并且吸附量小到可忽略不计，这可能也是因为黑麦草的叶片比较发达，而根、茎则相对较弱小，又或者与狼尾草一样，叶片内产生了抗氧化酶或者其他一些抗性物质，所以黑麦草在镉离子污染土壤中主要是由其叶片吸收和固定镉离子。而从对镉离子的去除率来看，随着含量的上升，对镉离子的去除率下降得很明显，最后不到20%，表明耐受性较差。

表4 黑麦草各部位镉离子含量

由表5可以看出，苏丹草主要靠茎固定重金属，叶几乎没有固定效果，这可能与苏丹草的茎比较发达有关，又或者由于茎向叶传输重金属的路径不如黑麦草、苏丹草通顺，但是总体上对镉离子的去除率稳定在60%以上。因此可以认为，苏丹草对镉离子的耐受能力是不会随着土壤中镉离子含量的增加而降低的，其耐受能力也不错。

为了更加直观地对比不同植物在不同镉离子含量土壤中对镉离子的去除效率，对不同植物在不同含量下对镉离子的去除率作图。由图3可以直观地看出，当土壤中镉离子含量为25 mg/kg时，黑麦草对镉离子的去除率最高， 玉米草对镉离子的去除率最低，可以认为此时玉米草处于被镉离子抑制的阶段，从而导致这一结果；当土壤中镉离子含量为 50 mg/kg 时，苏丹草对镉离子的去除率最高，并且一直稳定在60%以上，而黑麦草此时对镉离子的去除率最低；当土壤中镉离子含量为75～100 mg/kg时，狼尾草对镉离子的去除率较高，而黑麦草对镉离子的去除率较低，并且随着土壤中镉离子含量的升高，黑麦草对镉离子的去除率逐渐降低，狼尾草对镉离子的去除率先降后升再降，但总体比较稳定，在75%左右。

表5 苏丹草各部位镉离子含量

3 结论

笔者根据国内外研究现状，选取能够在当地较好存活的6种植物——玉米草、狼尾草、苏丹草、黑麦草与紫花苜蓿、白三叶草进行模拟污染场地修复，在经过45 d室外盆栽培养后，测定不同植物的生物量及各个部分的重金属含量，分析其生长和富集规律，得到结论如下：

(1)以空白为对照，以不同种子的发芽率高低为筛选指标，选取玉米草、狼尾草、苏丹草、黑麦草为镉离子污染土壤修复的主要植物，按富集能力大小排序为狼尾草>玉米草>苏丹草>黑麦草。

(2)当土壤中镉离子含量为25 mg/kg时，黑麦草对镉离子的去除率最高，达到79%，但随着含量的升高，去除率逐渐下降，最后不到20%；玉米草对镉离子的去除率先升后降；苏丹草对镉离子的去除率大致稳定在60%左右；当土壤中镉离子含量为 75～100 mg/kg时，狼尾草对镉离子的去除率较高，并且一直稳定在75%左右。所以，目前认为狼尾草、苏丹草对镉离子有很好的耐受能力，可以用于镉离子污染土壤的修复。