花卉植物对Cd、As、Pb污染农田的修复及其精油应用

曹斐姝 涂春艳 张超兰 吕保樱 朱红祥 宋海农 陈冠益 廖长君

摘 要：  為提高植物修复的经济价值，该文选取孔雀草、波斯菊和矢车菊三种附加值较高的花卉植物，考察其对广西某矿区Cd、As、Pb复合污染农田的修复潜力，测定分析三种花卉植物对重金属的富集和转运能力，并从修复后植物的地上部提取精油，研究植物精油对病原菌埃希氏大肠杆菌（Escherichia coli）、金黄色葡萄球菌（Staphyloccocus aureus）、伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）的生长抑制效果，进一步探索植物精油作为洗手液添加剂的应用能力。结果表明：（1）试验区域内土壤污染严重，Cd、As全量超过风险管制值，Pb全量超过风险筛选值，属于Cd、As、Pb重度污染。（2）选取的三种花卉植物均可在试验区域较好地生长，其中孔雀草和波斯菊对Cd、Pb的富集与转运能力较强，对As的富集能力最弱但转运能力较强。与孔雀草和波斯菊相比，矢车菊除对Cd的转运能力较强外，对其他重金属的富集和转运能力均较弱。三种植物重金属富集能力大小排序为孔雀草>波斯菊>矢车菊，不同花卉对重金属富集偏好顺序依次为Cd>Pb>As。（3）从修复后的植物地上部提取精油进行研究分析发现，孔雀草精油对三种病原菌都具有良好的生长抑制效果（<10 CFU·mL-1），且孔雀草体内富集的重金属并未影响精油中的重金属含量。另外，添加了孔雀草精油的洗手液，对金黄色葡萄球菌的生长抑制效果可延长至480 min。因此，孔雀草不仅可作为重金属复合污染农田的修复植物，而且修复后还可从植物体内提取精油作为抑菌剂。该研究结果为修复后重金属富集生物质的新型资源化利用提供了理论基础。

关键词： 重金属复合污染， 农田， 植物修复， 植物精油， 抑菌

中图分类号：  Q948

文献标识码：  A

文章编号：  1000-3142（2021）12-2033-10

收稿日期：  2021-04-07

基金项目：  中国博士后科学基金（2020M673549XB）; 南宁市优秀青年科技创新创业人才培育项目（RC20180204）; 广西重点研发计划项目（AB18281002） [Supported by China Postdoctoral Science Foundation （2020M673549XB）; Nanning Excellent Young Scientist Program （RC20180204）; Guangxi Key Research and Development Plan Program （AB18281002）]。

作者简介： 曹斐姝（1987-），博士，主要从事土壤生物修复技术研究，（E-mail）feishu.cao@hotmail.com。

通信作者：  廖长君，博士，高级工程师，主要从事环境修复技术研究，（E-mail）465274933@qq.com。

Phytoremediation of Cd， As， Pb contaminated farmland

by flower plants and extracted essential oil application

CAO Feishu1，2， TU Chunyan1， ZHANG Chaolan3， L Baoying4， ZHU Hongxiang1，

SONG Hainong1， CHEN Guanyi2， LIAO Changjun1*

（ 1. Guangxi Bossco Environmental Protection Technology Co.， Ltd.， Nanning 530007， China; 2. School of Environmental Science

and Engineering， Tianjin University， Tianjin 300072， China; 3. School of Resources， Environment and Materials， Guangxi

University， Nanning 530004， China; 4. Medicine College， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， Guangxi， China ）

Abstract：  To improve the economic value of phytoremediation， three flower plants i.e. Tagetes patula， Cosmos bipinnata and Centaurea cyanus were chosen in this study to investigate their remediation and reutilization potentials. The pilot-scale experiments were carried out in Cd， As and Pb contaminated farmland near the mining area in Guangxi. The metal amounts， bioconcentration factor （BCF） and biotranslocation factor （BTF） of three flower plants towards Cd， As and Pb were analyzed and calculated. In order to develop a novel reutilization method of the harvested plants， the essential oil was extracted from the aboveground biomasses. The inhibitory effects of plant essential oil on the growth of pathogenic bacteria were studied， and the  antibacterial effects of the oil as well as in the sanitizer were also investigated. The results were as follows：  （1） The studied area was heavily polluted. Cd and As contents in the soil were above risk intervention values， whereas Pb content was above risk screening value. It indicated that the area was at high-level of soil contamination risk by Cd， As and Pb. （2） The studied three flower plants had good resistance to high-level contamination of Cd， As and Pb in the soil. Tagetes patula and Cosmos bipinnata extracted higher contents of Cd and Pb from the soil， whilst Cosmos bipinnata showed the lowest metal enrichment amounts. These flower plants  possessed high level of BCFs and BTFs towards Cd， moderate level for Pb， but the lowest level for As. In general， the metal extraction ability of three flower plants  in descending order was Tagetes patula > Cosmos bipinnata > Centaurea cyanus， and the metal enrichment preference was Cd>Pb>As. （3） The Tagetes patula oil was found to have a good inhibition effect （<10 CFU·mL-1） towards Escherichia coli， Staphyloccocus aureus and Salmonella typhimurium. Given the high metal accumulation in Tagetes patula， no significant amounts of metals were detected in the extracted oil. It also prolongated the antibacterial effect of the sanitizer as long as 480 min. Therefore， Tagetes patula is not only preferred in the phytoremediation of metal-contaminated farmland， but also the  essential oil extracted from the harvested biomasses can be developed as an antibacterial agent. This study provides the theoretical basis for the novel reutilization of metal-concentrated plants harvested from the phytoremediation.

Key words： heavy metal contamination， farmland， phytoremediation， essential oil， antibacterial

广西拥有丰富的矿产资源，是我国有色金属矿产资源重要产地之一。然而，由于矿业活动频繁，因此重金属污染问题尤为突出，特别是刁江流域的南丹县、金城江区和都安瑶族自治县地区，大部分冶炼企业周边土壤中As、Cd、Pb、Zn等重金属污染情况严重（周永章等，2005）。土壤中重金属含量超标导致大厂镇、车河镇存在较高生态风险，严重影响农产品质量安全（钟雪梅等，2016）。2016年5月国务院发布《土壤污染防治行动计划》（“土十条”），明确实施农用地分类管理，按照污染程度将农用地划分为三个等级，即轻度、中度和重度污染区。根据不同污染区污染程度和特征差异，采取对应的修复策略和修复技术，以保障农业生产环境安全，改善区域土壤环境质量，实现污染农用地的安全利用。相较于传统的物理化学修复方法，植物修复具有成本低、环境友好、土壤扰动小、易于大面积推广等优势，在解决农田污染问题时广受关注（白向玉等，2010;王静和刘如，2019）。

目前，研究的重金属修复植物普遍存在经济价值低、生长速度缓慢、生物量低等特点（刘家女等，2006）。蜈蚣草、东南景天等超积累植物对重金属积累的专一性，制约了其在复合重金属污染修复中的应用（陆成云等，2015）。刘家女等（2006）研究表明，紫茉莉、凤仙、金盏菊和蜀葵四种花卉植物对重金属Cd、Pb单一污染及Cd-Pb复合污染都表现出较强的耐受性和积累性，当土壤中Cd浓度为100 mg·kg-1时，四种花卉植物的地上部重金属含量超过Cd超积累植物的临界标准值100 mg·kg-1两倍。李翠兰等（2010）研究发现，当土壤中Pb浓度为0～1 000 mg·L-1时，紫茉莉、紫花玉簪和鸭跖草地上部Pb含量和富集系数均显著高于其他花卉植物，表现出了较强的重金属积累能力，具有重金属超积累植物的特征。花卉作为一种观赏性较强的植物，对重金属具有一定的耐受和富集能力（陆成云等，2015）。利用花卉植物对污染农用地进行种植结构调整，可较好地实现生态环境和经济效益的统一（刘家女，2008;邵泽强等，2010）。因此，对经济价值高、生长速度快的花卉植物进行筛选，考察其对复合重金属的修复能力是本研究的重要目标之一。

植物修复后会产生大量的重金属富集植物生物质，如何对这些生物质进行安全处置是目前植物修复领域面临的共同难题。虽然可利用传统方法如焚烧、热解等进行减量化处置，但存在处置费用高、飞灰中重金属超标、二次污染潜在风险大等问题（刘维涛等，2014）。新兴生物质资源化利用技术如植物冶金、热液改质、超临界水技术等，大多处于实验室研究阶段，由于缺乏规模化生产工艺及设备，因此其在应用推广方面受限（李宁等，2005）。植物次生代谢产生的精油含有丰富的化学成分如萜烯类、醇类与酮类等，具有抑菌、抗氧化等效果，已在医药、食品等行业广泛应用（贾会玲等，2018）。精油提取使用的蒸馏法、压榨法、有机溶剂萃取法等，在提取工艺及相关设备方面已具备产业化条件（王爽等，2020）。然而，环境气候、土壤理化性质、植物本身特性等因素均会影响植物精油质量，尤其作为修复植物，体内富集的重金属是否影响精油的功能效果目前尚未得知。

本研究根据试验区气候及植物生长条件，选取生长周期短、花期长、观赏性强且具有药用价值的菊科草本花卉植物孔雀草（Tagetes patula）、波斯菊（Cosmos bipinnata）和矢车菊（Centaurea cyanus）。本研究基于田间试验探索了三种花卉植物对重金属的富集及转运能力，从修复后的重金属富集植物体内提取精油，考察精油的重金属含量及抑菌效果，以期为修复后重金属富集植物的资源化利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于广西南丹县五一矿下游的某废弃农田，试验区河对岸为停产的铅锌选矿厂。根据2017年10月对该地块的土壤污染调查结果，土壤pH为4.45～6.25，呈酸性，土壤质地为粉质黏土，有机质含量为22.17 g·kg-1。试验区域污染物为Cd、As、Pb，平均含量为4.17、686.53、218.70 mg·kg-1。参照《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618-2018），该区域土壤中Cd、As全量超过风险管制值1.4倍和3.6倍，Pb全量超过风险筛选值1.7倍。

南丹县年均气温18.9 ℃，年均降雨量1 152.8 mm，属南亚热带山地气候，其特点是气温低、雨量多、光照少、湿度大。植被主要类型：原生植被，以天然常绿阔叶林和落叶散生林等140多个林种为主;次生植被，主要以生长在常绿阔叶林下或荒地上的各类蕨类植物、藤本植物和草本植物等190多个草种为主;人工植被，主要以农作物和杉木、马尾松、油桐、油茶、水果为主，多分布于丘陵、中低山和岩溶洼地地区。

1.2 三种花卉植物对重金属污染农田的修复试验

1.2.1 试验区划分及样品采集 在废弃农田内选取面积约1 333 m2的区域作为试验区，并划分为3个小区，每个小区面积约466 m2，采取梅花采样法，对不同小区内的土壤进行采样收集。土壤样采集深度为0～20 cm，混合后装于塑封袋。孔雀草、波斯菊和矢车菊种子购于瑞尚种业。2019年4月中下旬，分别种植于3个试验小区，间距为1 m × 1 m，施肥及田间管理按照花卉培育习惯。60 d后，根据前期的土壤采样点，尽量按点对点的方式对花卉进行采样收集，每种花卉处理设置3个重复。采集整株花卉样品，包括地上部和地下部，采样过程中尽量保证根的完整性，小心抖落土壤后装入塑封袋保存。

1.2.2 样品处理及测定 采集的土壤样品置于干燥通风处自然风干，混合均匀后分别过20目筛和100目篩保存待测。采用电位法（NY-T 1377-2007）测定土壤pH，采用重铬酸钾法（GB 9834-1988）测定土壤有机质，采用石墨炉原子吸收分光光度法（GB/T 17141-1997）测定土壤Cd、Pb全量，采用原子荧光光度法（GB/T 22105.2-2008）测定土壤总As，采用DTPA浸提法（GB/T 23739-2009）测定土壤中有效态Cd、Pb，采用NaH2PO4浸提法（DB35/T 1459-2014）测定有效态As。

采集的花卉样品先用自来水洗去尘土和夹杂物，再用去离子水清洗3次以上;置于105 ℃恒温烘箱杀青1 h，接着60 ℃烘干至恒重后置干燥皿内冷却;分别取样品地上和地下部，粉碎研磨过100目筛，混匀后贮于试样瓶中待用（刘家女等，2007）。花卉样品重金属累积量参照食品中重金属的测定方法，即采用石墨炉原子吸收光谱法测定Cd和Pb（GB 5009.15-2014、GB 5009.12-2017），采用电感耦合等离子质谱仪法测定As（GB 5009.11-2014）（徐蒙蒙，2018）。

1.2.3 土壤污染程度评价 土壤污染程度评价采用单项污染指数法，反映污染物超标倍数和污染程度。计算公式如下：

Pi=CiSi（1）

式中：Pi为土壤中重金属i的单项污染指数;Ci为土壤中重金属i的全量（mg·kg-1）;Si为《食用农产品产地环境质量评价标准》（HJ 332-2006）中的土壤环境质量评价指标限值（mg·kg-1）。 Pi≤0.7时，污染等级为 1，表示土壤清洁;0.7

3.0，表示土壤重度污染，且 Pi值越大污染越严重（曲豪杰等，2020）。1.2.4 植物修复能力评价 通过计算植物转运系数（BTF）和富集系数（BCF）可以定量评价植物修复能力。BTF表示植物从地下部向地上部转运重金属的能力，植物富集系数表明植物从周围环境中积累金属到组织中的效率（Stoltz & Greger， 2002;曲豪杰等，2020）。植物转运和富集系数计算公式（路畅等，2010）如下：

植物转运系数（BTF）=地上部重金属累积量地下部重金属累积量（2）

植物地上部/地下部富集系数（BCF）=地上部/地下部重金属累积量土壤重金属累积量（3）

式中，重金属累积量单位为mg·kg-1。

1.3 植物精油提取及应用性能测试

1.3.1 精油提取 收集的花卉地上部采用水蒸气蒸馏法提取精油。准确称取150 g花卉植物茎叶，剪碎并置于1 000 mL圆底烧瓶中，加入500 mL去离子水浸没剪碎的原料。180 ℃下恒温加热，在第一滴挥发油滴出时开始计时，沸腾2 h后，结束蒸馏。停止加热后，将收集到的挥发油静置1 h，待油水分离后，收集油水分离器中上层液体即粗油。向粗油中加入无水硫酸钠，除去残余水分。利用减压蒸馏装置将干燥后的粗油进行浓缩，直到蒸馏瓶中液体不再变化时，蒸馏瓶中所得液体即为提取的精油（李健等，2010）。精油中重金属含量测定方法参照食品中重金属测定方法（具体见1.2.2）。

1.3.2 精油抑菌性能测试 提取后精油的抑菌性能测试采用平板计数法（胡文杰等，2019）。接种环分别取埃希氏大肠杆菌（Escherichia coli）、金黄色葡萄球菌（Staphyloccocus aureus）、伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium），划线接种于经灭菌的营养琼脂培养基斜面试管中，接种完成的试管用胶塞封口并用封口膜密封，于36 ℃生化培养箱中培养48 h。分别按说明书配制三种菌对应的培养基：MCA培养基（大肠杆菌）、BP培养基（金黄色葡萄球菌）、BS培养基（伤寒沙门氏菌），以每个培养皿含10～15 mL培养基。每种菌用接种环各取1～2环，分别接种于含有10 mL灭菌生理盐水无菌试管中，混匀后按103、104、105倍梯度稀释。每种菌液按相同稀释梯度设置精油和无菌水2个处理，即在冷却后的培养基中分别加入0.1 mL菌液与0.2 mL精油，涂抹均匀，并设置空白对照（无菌水）（王晓飞，2005）。接种好的培养皿在生化培养箱中36 ℃倒置培养24 h后，利用细菌平板菌落计数法进行菌落计数。

1.3.3 精油抑菌应用效果测试 取0.8 mL精油作为辅料加入200 g无抑菌效果洗手液中，以无抑菌效果洗手液作为空白对照，无抑菌效果洗手液均经过121 ℃、15 min灭菌处理。将试验处理样品置于敞开空气中，每120 min取1～2 g样品，持续480 min取样分析。选取稀释度为104的菌液进行抑菌活性实验，即取0.2 mL洗手液样品与0.1 mL金黄色葡萄球菌菌液混合均匀涂布于培养基上，培养24 h后，按照细菌平板菌落计数法进行菌落计数。实验重复3次，结果取平均值。

1.4 数据分析与处理

利用SPSS 16.0软件进行单因素方差（ANOVA）和最小显著差数法（LSD）對实验数据进行分析和显著性检验（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 试验区土壤重金属污染情况

3个小区的土壤pH为5.6～5.8，有机质平均含量为25.5 g·kg-1。如表1所示，土壤中Cd、As、Pb全量分别为4.82、685.60、246.89 mg·kg-1，有效态分别为2.56、20.96、62.93 mg·kg-1。其中，有效态Cd、Pb占其全量的比例较高，分别为53%、25%。由表1可知，土壤中各重金属有效态与其全量并非呈正比关系。根据重金属全量的均值计算单项污染指数，结果表明花卉种植区域中Cd、As、Pb的Pi值均≥3.0，达到重度污染水平。其中，As的污染指数Pi值最高（为17），表明试验区域土壤As污染最严重。

2.2 试验区花卉植物修复能力

2.2.1 花卉植物地上部/地下部重金属累积量 由图1可知，不同花卉植物地上部、地下部对重金属Cd、As、Pb的累积量不同（P<0.05）。孔雀草地上部对Cd、As、Pb三种重金属的累积量最高，其中对Cd和Pb的累积量在14 mg·kg-1以上;其次为波斯菊地上部，对Cd、Pb的累积量均为7.57、8.2 mg·kg-1;矢车菊地上部对三种重金属的累积能力最弱，累积量均在1 mg·kg-1左右。三种花卉植物地下部对Pb的累积量最高，其中孔雀草、波斯菊地下部的累积量均在30 mg·kg-1以上;其次为Cd，波斯菊和孔雀草地下部的Cd累积量约为12 mg·kg-1;对As的累积量最低，约为1.75 mg·kg-1。综上，不同花卉植物对三种重金属的累积量大小依次为孔雀草>波斯菊>矢车菊，其中孔雀草和波斯菊对Cd、Pb的积累量较高。

2.2.2 花卉植物对重金属的转运和富集能力 如表2所示，三种花卉植物对Cd、As、Pb的富集能力具有显著性差异（P<0.05），且富集系数越大，表明花卉植物对重金属的富集能力越强。由表2可知，孔雀草和波斯菊对Cd的富集能力较强（BCF>1），其中孔雀草地上部、地下部对Cd的BCF均在2以上，表明孔雀草对Cd的富集能力最强;除波斯菊地上部对Pb的BCF大于1以外，其余均小于0.2，表明仅波斯菊地上部对Pb的富集能力较强;三种花卉植物地上部、地下部对As的BCF均在0.01以下，表明三种花卉植物对As的富集能力最弱;矢车菊对三种重金属的BCF均小于0.5，说明矢车菊对重金属的富集能力最弱。因此，三种花卉植物重金属富集能力大小排序为孔雀草>波斯菊>矢车菊。

植物转运系数越大表示植物将重金属从根部向地上部的转运能力越强（Stoltz & Greger，2002）。由表2可知，重金属转运系数随植物种类和重金属类型的不同而变化。孔雀草对各重金属转运系数的大小顺序为As>Cd>Pb，其中Cd、As的转运系数均大于1，表示孔雀草对Cd、As有较强的转运能力;波斯菊对各重金属转运系数的大小顺序为As>Cd>Pb，其中仅As的转运系数大于1，表示波斯菊对As有较好的转运能力;矢车菊对三种重金属的转运系数均小于1，表明矢车菊对三种重金属转运能力较弱。另外，三种植物对Pb的转运系数均在0.5左右及以下，说明所选花卉植物对Pb的转运能力相对较弱。因此，三种花卉植物对重金属的转运能力大小排序为孔雀草>波斯菊>矢车菊。

2.3 精油抑菌性能分析

对三种花卉植物同时进行精油提取试验，由于结果发现仅孔雀草茎叶可提取精油，因此后续试验的开展以孔雀草精油为研究对象。孔雀草精油中重金属含量测定结果如表3所示，孔雀草精油中重金属基本未检出，表明植物体内累积的重金属并未影响精油中的金属含量。

孔雀草精油对埃希氏大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、伤寒沙门氏菌的抑菌效果如表4所示，未经涂布的空白培养基无菌落生长，表明实验过程未引入外源杂菌。随着菌液稀释浓度的增加，对照组（无菌水）中三种细菌的菌落数逐渐减少;在菌液稀释倍数最低（103）时，对照组中三种细菌的菌落数均>100 CFU·mL-1，而实验组（孔雀草精油）中的菌落数均<10 CFU·mL-1，表明孔雀草精油对三种病原菌的生长活性均具有显著的抑制效果。

2.4 精油应用性能分析

选用金黄色葡萄球菌考察孔雀草精油作为洗手液抑菌添加剂的应用效果，结果如表5所示。在480 min的放置时间内，空白组与实验组中的菌落数均呈现上升的趋势，其中空白对照组的菌落数由（53±5）CFU·mL-1增加至（1 036±25）CFU·mL-1; 而添加孔雀草精油的实验组中，虽然菌落个数由初始值（4±2）CFU·mL-1增加至（86±9）CFU·mL-1，但数量明显低于空白对照组。因此，将孔雀草精油添加到洗手液中后，有助于延长洗手液抑菌效果的持续时间。

3 讨论

3.1 花卉植物的重金属修复能力

本研究选取的三种花卉植物均可在Cd、As、Pb重度污染土壤上较好地生长，说明其对Cd、As、Pb复合污染土壤具有较强的耐受性。植物对重金属的耐受机制包括对重金属的解毒和转运两大作用体系，其中对重金属的解毒主要通过螯合、硫代谢响应、抗氧化等作用来实现（张军和束文圣，2006）。植物体对重金属的转运源自其根部细胞组织与重金属结合位点的相似性，重金属以化合物形式进入植物根部，受蒸腾作用的影响，重金属化合物由地下部转移至地上部（Chaney et al.， 1997）。孔雀草植物细胞内的巯基化合物对重金属Cd有很强的亲和力，形成Cd-低分子巯基化合物复合体，从而减少胞质中游离的重金属，并以Cd-SH形式运输到液泡中进行区室化，降低重金属对孔雀草的毒性（王明新等，2014;韩淑梅，2018）。波斯菊在重金属Cd的胁迫下，体内超氧化物歧化酶（SOD）活性增强，提高了活性氧的清除效率，避免产生过氧化伤害，从而增强了波斯菊对Cd胁迫的耐受性能（刘翰升等，2020）。

本研究结果表明，三种花卉植物对重金属Cd、As、Pb富集和转运能力均不同，其中孔雀草和波斯菊对Cd、Pb的累积量较高，矢车菊对三种重金属的富集与转运能力最低，这与蒋兴一等（2017）的研究结果一致。影响植物吸收累積重金属的因素，主要包括土壤条件、重金属形态、其他元素的协同/拮抗作用和植物种类等。根据BCR形态分析方法，土壤重金属形态主要有弱酸提取态、碳酸盐结合态、铁锰氧化态和残渣态，其中能被生物吸收利用或产生毒害效应的形态（有效态）主要指弱酸提取态和碳酸盐结合态（李亮亮等，2008;周卫红等，2017）。相同总量的重金属形态分布不同，其生物效应和环境效应差异很大（王莹雪等，2014）。本研究中，虽然土壤中重金属Pb的总量超过Cd的60倍，但Cd有效态的占比却高于Pb有效态的占比。除波斯菊地上部以外，不同花卉植物地上部、地下部对Cd的累积量均大于Pb的累积量，表明三种花卉植物对重金属的累积量与重金属有效态有一定的关系。目前，对重金属Cd和Pb相互作用的研究认为，土壤Cd虽会降低植物对Pb的吸收，但土壤Pb可促进植物对Cd的吸收。由于Pb的高电负性，易与土壤中的Fe、Al、Mn氧化物形成共价键，因此土壤中的Pb很难被植物吸收（杨小琴，2008）。

孔雀草的地上部、地下部对Cd富集系数均高于2，表明孔雀草对Cd有很强的富集作用。孔雀草根部内生细菌在生长代谢过程中可产生多种琥珀酸、草酸等有机酸，活化土壤中的Cd，从而增加孔雀草对Cd的吸收（张萌萌，2020）。在本研究中，三种花卉植物对As的富集系数较低（<0.1），可能与土壤中P（V）的互相拮抗作用相关。植物在有氧条件下，主要以主动吸收的方式从土壤中吸收As（V），并且可能与P（V）共用同一个吸收系统（Meharg & Macnair， 1990）。因此，植物能够通过增加体内的磷含量抑制对As的吸收（Meharg & Macnair， 1991）。

不同种类植物在重金属胁迫条件下，其发育情况会受到影响。孔雀草幼苗随土壤中Pb含量的升高，根冠比逐渐下降，根长变短（杨小琴，2008）。随着土壤中Cd质量浓度的增加，波斯菊的根长、芽长和根表面积、根体积均呈先上升后下降的变化趋势（刘翰升等，2020）。植物修复过程中，植物地上部对污染物积累和去除较为重要，根冠比越小越利于地上部生物量的积累，并有利于污染物的去除。据此推断，土壤重金属含量对试验花卉植物的发育情况有所影响，从而导致生物量、根冠比等发生变化，造成花卉植物对重金属的富集能力随之波动。低浓度Cd污染水平（< 40 mg·kg-1）有利于百日草、万寿菊、矢车菊的生长，随着土壤中Cd浓度水平的增加（5～80 mg·kg-1），三种植物对土壤中Cd的富集量与Cd污染水平呈正相关（蒋兴一等，2017）。

3.2 修复后花卉的再利用潜力

植物精油是从植物花、叶、茎、根、果实等部位中提取的一类具有较强挥发性的植物次生代谢产物，一般由小分子、萜烯类、醇类、醛酮类等物质组成（李亚茹等，2014）。本研究对修复后的三种花卉植物进行精油提取试验，发现仅有孔雀草茎叶可提取精油，且精油中基本未检出重金属。对提取出的孔雀草精油进行组分分析，其中主要成分为萜品油烯、3-甲基-6-（1-甲基乙亚基）环己-2-烯-1-酮、右旋柠檬烯、反式-β-罗勒烯、（Z）-罗勒烯酮、（E）-罗勒烯酮、石竹烯、胡椒酮等（王云龙等，2019），表明孔雀草体内积累的重金属并未影响精油的重金属含量，可进一步安全利用。本研究结果表明，提取出的孔雀草精油不仅对埃希氏大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、伤寒沙门氏菌均具有很好的抑菌效果，而且可以作为洗手液的抑菌添加剂延长其抑菌效果。植物精油抑制微生物活性的机制如下：（1）改变微生物细胞和菌丝体的形态结构和组成，造成细胞不可逆的损伤，诱发菌丝体溶解，最终导致微生物死亡;（2）降低或抑制分生孢子的产生和萌发，降低或阻断病菌后代的毒性（贾会玲等，2018）。孔雀草精油成分中的萜烯类物质能够降低细菌细胞内氧化反应平衡，从而影响核酸修复，最终导致细胞死亡（李亚茹等，2014）。另外，孔雀草根系能分泌具有杀线虫活性的α-三噻吩，不仅可以作为间作和套种植物防治线虫（Evenhuis et al.， 2004），而且容易与其他农作物配置高矮秆间作体系，从而提高作物群体的光能利用效率（苗欣宇和李潇，2019）。因此，修复后的孔雀草可以作为天然植物精油提取原材料，未来还可以从中分离纯化抑菌活性物质，既能丰富植物精油的来源，又能开创农作物病害生物防治的新途径（贾会玲等，2018;胡文杰等，2019）。因此，选择合适的花卉植物对重度污染农用地进行修复，在达到修复污染土壤目的的同时，可与农村生态旅游业和服务业相结合，保障重金属污染农田的经济收益，从而实现污染土壤的减量修复与创收双赢的新修复模式（白向玉等，2009;周霞等，2012;陈进，2017）。

4 结论

本研究考察了孔雀草、波斯菊和矢车菊三种花卉植物在Cd、As、Pb重度污染农田的修复能力，并探索了修复后花卉植物的应用潜力。主要结论如下：（1）三种花卉植物均可在重度污染的农田中正常生长，并对重金属具有一定的富集作用，富集能力大小综合排序为孔雀草>波斯菊>矢车菊，富集量大小为Cd>Pb>As。（2）孔雀草对Cd和As的转运系数均大于1，波斯菊对As的转运系数大于1，矢车菊对三种重金属的转运能力均小于1。（3）修复后的孔雀草茎叶可用于提取植物精油，且精油中重金属含量与植物体内重金属富集量无关。（4）孔雀草精油对埃希氏大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、伤寒沙门氏菌均具有良好的抑菌效果，添加至洗手液中有助于提高其抑菌长效性。

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（责任编辑 蒋巧媛）