貴州萬山汞礦地區耐汞野生植物研究

趙甲亭，李云云，高愈希，李柏，李玉鋒，趙宇亮，柴之芳

中國科學院高能物理研究所 核輻射與核能技術重點實驗室 納米生物效應與安全性重點實驗室，北京 100049

貴州萬山汞礦地區耐汞野生植物研究

趙甲亭，李云云，高愈希，李柏，李玉鋒*，趙宇亮，柴之芳

中國科學院高能物理研究所 核輻射與核能技術重點實驗室 納米生物效應與安全性重點實驗室，北京 100049

在貴州萬山地區廢棄汞礦堆和礦山附近，受長期高劑量汞暴露的影響經過的自然選擇，該地區出現了一些能耐受汞毒性的生態型植物。對汞耐受及汞富集植物的篩選對于汞污染土壤的植物修復具有一定的現實意義。通過對萬山梅子溪地區汞污染土壤及汞耐受植物采樣調查發現，該區域采樣土壤中汞的含量均在50 mg·kg-1以上，達到重度汞污染水平。對該地區野生植物的采樣分析發現，薔薇科植物懸鉤子不僅數量較多，單株植物生物量較大，表現出很強的耐汞毒性的能力，而且植株內可以很大程度地富集汞，在其植株中汞的含量可達20 mg·kg-1左右，屬于汞富集植物，另外發現野蒿對汞也具有較強的富集能力，其植株中汞的含量可達10 mg·kg-1以上。該類型植物的發現將為植物的汞耐受以及汞富集機理研究提供新的素材，為汞污染土壤的植物修復技術提供新的植物類型，也為進一步開發汞污染土壤處理技術提供了一種可能。

汞耐受和汞富集植物；懸鉤子(Rubus L.)；汞污染土壤植物修復

汞是毒性最強的重金屬元素之一，具有易遷移、易蓄積和不易降解等特點。環境中的汞可以通過食物鏈在高層級生物體內累積到很高的濃度，危害機體健康，如強烈的致癌、致畸和致突變等[1-2]。汞礦開采、工業生產和燃煤等人為因素是導致我國汞污染的主要原因[3]。礦物開采及金屬冶煉過程中產生的大量礦渣、廢水和廢氣排放到周圍環境中，廢棄物中的汞可隨降水流動、沉淀，大氣中的汞可經沉降等過程在土壤中沉積[4-5]。土壤中的汞具有明顯的空間分布規律，一般地，汞的含量高低與污染源距離遠近具有顯著的相關性。在汞污染地區，從礦渣或尾礦沖刷下來的雨水經地表徑流進入河流，河流中的汞在向下游遷移的過程中,經過沉降與再懸浮作用，一部分汞被沉積物吸附，或被沿途植物所截留，一部分隨水流繼續遷移從而對周邊的環境造成嚴重的汞污染[6-8]。

萬山汞礦位于貴州省東部萬山特區，地處云貴高原向湘西丘陵過渡的武陵山區，屬黔東低山丘陵河谷地貌，年平均氣溫在13～14 ℃左右。該地區氣候宜人，地貌多樣，適宜多種植物生長，礦產資源豐富，汞礦儲量居全國首位，并且具有600多年的汞礦開采歷史[9]。在長期的汞礦開采和金屬冶煉過程中，產生了大量的含汞礦渣等廢棄物，造成該地區土壤和植物嚴重的汞污染。已有文獻報導，貴州萬山廢棄汞礦區的汞污染以土壤、大氣污染為主，大部分地區土壤汞含量為24.31～347.52 mg·kg-1，比全國土壤汞含量平均值高出2～3個數量級[10-11]。進入土壤中的汞可以通過食物鏈積累放大至數十倍，影響動植物生長發育，并最終威脅到人類的健康[12-13]。有研究表明，萬山當地的植被中存在明顯的汞蓄積，多種植物不同部位的汞含量可達到0.47～331.4 mg·kg-1[13]。Feng等人發現，汞污染地區的水稻可以吸收無機汞和甲基汞，食用稻米成為當地以及周邊居民汞尤其是甲基汞暴露的重要來源[14-15]。長期的汞污染可以破壞土壤的營養結構，污染地下水源，甚至嚴重影響當地生態系統的平衡發展，對當地居民的生活、健康造成了長期、潛在的威脅。近年來，利用超富集植物清除土壤中重金屬的技術以其潛在的高效、廉價和環境友好性成為該領域研究的熱點，一些能夠在地上部大量富集重金屬污染物的植物得到研究人員的廣泛關注。但是，長期以來人們對超富集植物的研究主要集中在鉛、砷等重金屬元素，而對汞富集植物的研究還相對較少。

本研究通過對貴州萬山特區廢棄汞礦地區生長的多種汞耐受野生植物進行汞富集特征分析，對篩選出的數量較多、能在高劑量汞污染環境中生存并且生長旺盛的植物進行汞的吸收、轉運和蓄積情況研究，為探索汞耐受植物的汞吸收、轉運和富集機制和汞污染地區植生修復技術的推廣和應用打下基礎。

1 材料和方法(Materials and methods)

1.1 儀器與試劑

儀器及條件：Elemental X7型ICP-MS儀(美國Thermo公司)，用含1 μg·L-1的Be、Co、In、U的調諧溶液用于優化儀器的各項參數對ICP-MS儀器條件進行優化，用含2% HNO3的10 μg·L-1Bi溶液作為在線內標。實驗過程中ICP-MS工作主要參數設置：射頻功率，1 200 W; 冷卻氣流速，13.0 L·min-1；輔助氣流速，0.70 L·min-1；霧室流速，0.72 L·min-1；樣品提升速度，0.6 mL·min-1；碰撞氣，H2: He = 7.28%，流速5.6 mL·min-1；駐留時間，100 ms。EH35 Aplus型微控數顯電熱板(德國Labtech公司)；RLPHR 1-2 LD plus 冷凍干燥機(德國CHRIST公司)；Milli-Q超純水系統(英國Millipore公司)。MARSxpress密閉微波消解系統(美國CEM公司)，樣品微波消解條件見表1。

試劑與標液：硝酸(BV-III級)，過氧化氫(Mos級)，2-巰基乙醇(ME，純度>99%，Amersco，USA)，氯化汞標準品(GBW 08617)購自國家標準物質中心，濃度為1 000 mg·L-1Hg，在實驗當天用2%的硝酸(含0.1%的巰基乙醇)逐級稀釋成0.5，1，2，5，10，50 μg·L-1做標準曲線使用，內標元素In和Bi的儲備液(1 000 mg·L-1，美國Thermo公司)測試時配制成20 μg·L-1的工作液使用，動態監測儀器使用過程中的穩定性。土壤標準樣品(GBW07405)和楊樹葉標準樣品(GBW 07604，GSV-3)均購自中國標準物質中心。所有溶液均用經Milli-Q 純水系統(Millipore，UK)處理的去離子水 (電阻率 ≥ 18.2 MΩ·cm) 配制。

表1 微波消解條件Table 1 The procedure of microwave digestion

1.2 實驗材料及處理

實驗樣品采集與前處理：

本次汞耐受植物采樣地點位于東經109° 13'，北緯27° 30'的萬山梅子溪地區。采集植物標準以植物數量及單株植物的生物量為指標，選擇莖干挺拔，枝葉伸展茂密的植物。采集時，將植物連根整株挖出，裝入布袋中并且做好標記；另外，收集植物根際土壤裝入自封袋中保存，每個位點平行取三份，并且做好相應的標記，共采集12種當地野生植物，包括小飛蓬、蜈蚣草、芒萁、構樹、懸鉤子、蕁麻、野葛、苜蓿、鬼針草、野蒿、旱蓼及蒼耳等。

所有植物樣品經過超聲二次水洗凈后，自然風干一周，各組植物分別分割成地下部和地上組織部分，然后進一步進行冷凍干燥24 h。樣品凍干后，用液氮輔助研磨成精細粉末，裝入自封袋中保存。消解時，每組樣品各取三份，每份0.2 g，置于50 mL聚四氟乙烯罐中，各組分別加入4 mL 濃硝酸和0.5 mL雙氧水放在通風櫥內預消解過夜，第二天將聚四氟乙烯罐密封后置于配套鐵罐內整體置于恒溫電熱箱中，設置消解溫度為150 ℃繼續消解2～3 h。消解完成后，取出消解罐，若消解液澄清，則認為消解完全，然后將內罐置于電熱板(設置為90 ℃)上趕酸至溶液剩余0.5 mL左右，取下冷卻至室溫，用2%的硝酸(含0.1%的巰基乙醇)定容至5 mL，用ICP-MS對樣品進行汞含量分析[16]。

土壤樣品經過自然風干后，過100目篩，置于自封袋內室溫保存。測試時，準確稱取三份土壤樣品各0.5 g置于高壓消解罐中，各加入3.75 mL濃硝酸，1.25 mL高氯酸，5 mL氫氟酸，加蓋密封，進行微波消解[24](微波消解條件見表2)，樣品消解完成后，待罐內的溶液稍稍冷卻，將消解液轉移至聚四氟乙烯罐中，置于電熱板上用90 ℃恒溫趕酸至0.5 mL左右，用2%的硝酸溶液(含0.1%的巰基乙醇)將其定容至5 mL，ICP-MS總汞含量分析[17-18]。

1.3 研究指標

1.3.1 采樣點土壤中汞的生態風險評價

本研究中采用地積累指數法評價采樣點土壤中汞的污染程度。地積累指數法是德國學者Muller[19]在評價沉積物中重金屬污染等級時提出的，目前廣泛應用于土壤重金屬的污染評價，一般將土壤重金屬污染程度分為7級(見表2)。計算公式如下：

Igeo= log2[C / (k × B) ]

式中：C為土壤中汞的含量；B為汞背景值，本研究中采用貴州土壤背景值，汞背景含量約為0.16 mg·kg-1；k為考慮當地背景值的變動而取的系數，一般為1.5。

表2 汞污染地積累指數級別Table 2 Igeo for evaluating Hg contaminated soil

1.3.2 植物對土壤中汞的生物富集系數(BAF)[20]

生物富集系數(AF)=植物體內汞濃度(Cp)/土壤中汞的濃度(Cs)

1.3.3 植物體內汞的生物轉運系數(TF)[21]

生物轉運系數(TF)=植物地上部汞濃度(Cu)/植物根部汞濃度(Cd)

1.4 數據處理

通過EXCEL數據處理軟件，將ICP-MS原始測量數據進行歸一化處理，并制表分析。利用Origin 8.0軟件進行繪圖。

2 結果 (Results)

2.1 采樣點土壤污染程度

本實驗中應用地積累指數法評價了采樣點土壤中汞的污染水平，各采樣點土壤中汞的地積累指數如表3所示。

從表3中可以看出，各植物采樣位點土壤中汞的含量均>50 mg·kg-1，高出世界土壤汞含量背景值(0.03 ～ 0.1 mg·kg-1) 2 ～ 3個數量級，而且遠遠大于國家土壤三級標準的限制值(Hg ≤ 1.5 mg·kg-1)，各位點的汞污染地積累指數均>5，達到嚴重汞污染水平，存在很大的生態風險。

2.2 植物對汞的生物富集水平分析

對貴州萬山廢棄汞礦區生長的植物采樣調查發現，與不少正在使用的礦山廢棄地很少有野生植物生長的情形不同，該地區有大量野生植物成簇生長，但是植物的種類組成較為簡單，大多數為叢生的草本植物。本次調查共記錄了12種生長數量較多的野生植物，包括菊科植物小飛蓬、鳳尾蕨科植物蜈蚣草、薔薇科植物懸鉤子等植物種類(見表3)。這些植物長勢較好，單株生物量比較大，對汞敏感性比較低，大都表現出較強的耐汞毒害的特征。

對采集的植物消解后，利用ICP-MS分析植物根部和地上組織部分汞的含量，結果如表3所示。結果表明，12種植物各組織中汞含量差異比較顯著，其中懸鉤子的汞含量最高，根部汞含量達到15.6 mg·kg-1，地上部汞含量達到6.1 mg·kg-1，且植株長勢比較茂盛，植物總體數量及單株植物生物量較大，表明該種植物具有較強的抗汞毒害能力；其次是野蒿，其根部汞含量為13.6 mg·kg-1，地上部汞含量為5.2 mg·kg-1；然后是野葛，其根部汞含量也超過10 mg·kg-1。其余植物各組織中汞的含量均<10 mg·kg-1，汞含量最小的是蜈蚣草，僅為1 mg·kg-1左右，而且蜈蚣草植株長勢相對比較弱小，表明其抗汞毒害能力較弱。懸鉤子和野蒿地上部汞含量高于5 mg·kg-1，對汞富集能力較強，屬于高富汞植物；野葛的地上部汞含量>3 mg·kg-1，而<3.5 mg·kg-1，可劃為中富汞植物，其余植物對汞的生物富集能力比較低。

表3 野生植物根際土壤及各組織部分中汞的含量Table 3 The concentrations of Hg in the collected soils and wild plants

注：采樣位置坐標：1#(N 27°30'15.0"，E 109°13'26.9"); 2-4#(N 27°30'14.8"，E 109°13'28.1"); 5-12#(N 27°30'15.7"，E 109°13'27")

Note: coordinates of the sampling sites, 1#(N 27°30'15.0"，E 109°13'26.9"); 2-4#(N 27°30'14.8"，E 109°13'28.1"); 5-12#(N 27°30'15.7"，E 109°13'27")

植物對汞的生物富集系數(bioaccumulation factors, BAF)見圖1。從圖1中可以看出，懸鉤子對汞的富集能力最強，對汞的生物富集系數>35%，其次是野蒿對汞的生物富集系數約為30%，這兩種植物對汞表現出較強的富集能力。其余野生植物雖然生物量也比較大，但對汞的生物富集系數均<25%，對汞的富集能力較小。在采集位點數量較多的蜈蚣草對汞的富集能力最小，對汞的生物富集系數僅為1%左右。植物地上部汞的含量更能反映出植物對土壤中汞的提取能力和轉運效率，植物對汞的生物轉運系數(transfer factors, TF)見圖2。從圖2中可以看出，與植物對汞的生物富集系數類似，在所采集植物中，懸鉤子對汞的生物轉運系數最高，約為40% ～ 45%，這也反映出其對汞有較強的生物富集能力；其次是野蒿對汞的生物轉運系數在40%左右。另外，野葛對汞的生物轉運系數在30% ～ 35%之間，而其余植物對汞的生物轉運系數均<20%，苜蓿對汞的生物轉運系數最低，僅為6%左右，反映出這些植物雖然具有一定的耐汞毒害的能力但對汞的生物富集能力比較小。

圖1 植物對汞的生物富集系數(BAF)Fig. 1 BAF of Hg in wild plants

圖2 植物對汞的生物轉運系數(TF)Fig. 2 The TF of Hg in wild plants

3 討論 (Discussions)

由于汞礦資源的枯竭，萬山地區大規模的汞礦開采、冶煉活動均已停止。但是長期的汞資源開發，產生了大量固體廢棄物，無論尾礦、廢棄礦，還是冶煉礦渣中都含有遠高于環境背景值的汞。有文獻報導礦區土壤總汞的含量為12.12 mg·kg-1～ 447 mg·kg-1，這些汞通過降水、大氣顆粒物沉降等過程，長期而緩慢地釋放到周圍環境中，造成礦區周邊土壤嚴重的汞污染，進而影響該地區植被的種類、數量與質量[22]。

受高劑量汞污染的影響，經過長期的自然選擇，在廢棄汞礦堆和原礦區周邊地區，出現了一些能耐受汞污染的生態型植物，其中以草本植物為主，喬木和灌木比較少。一般來說，重金屬超富集植物是指能夠大量吸收環境中的重金屬，并可高效地將其轉移到地上部的植物，這類植物一般應滿足兩個條件：一，富集系數>1，即植物中重金屬含量/土壤中重金屬含量>1；二，轉運系數>1，即植物地上部重金屬含量/地下部重金屬含量>1[23]。由于汞是毒性最強的重金屬元素之一，長期較高劑量的汞暴露環境下大多數植物難以正常生長，對于汞富集植物來說，植物體內汞含量一般應達到10 mg·kg-1以上[24]。目前為止，關于國內重金屬超富集植物的報導還比較少，且大多集中在對As，Cd等元素富集植物的研究，如陳同斌等發現As超富集植物蜈蚣草[25]；魏樹和等篩選出Cd超富集植物龍葵[26]；薛生國等在湖南湘潭錳礦區發現Mn超富集植物商陸[27]，以及張學洪等在廣西某電鍍廠附近發現的Cr超富集植物李氏禾等[28]，但是對汞超富集植物的相關報導還很有限。在國內僅有王明勇等發現大戟科植物乳漿大戟對汞具有較強的吸收、富集能力，在采樣點土壤中汞含量為100.3 mg·kg-1～ 123.9 mg·kg-1時，乳漿大戟根部積累汞的量為8.6 mg·kg-1～ 13.3 mg·kg-1，地上部汞含量可達15.1 mg·kg-1左右[29]。在該研究中，通過對高劑量汞污染的廢棄汞礦地區，覆蓋度較大的野生植物進行采樣分析，發現薔薇科植物懸鉤子和菊科植物野蒿不僅數量較多，而且對汞污染環境的適應性也較好，在土壤中汞含量很高的情況下，懸鉤子對汞的生物富集和生物轉運效率雖然<1，但仍然能夠達到50%左右，植物體內汞的含量可達到20 mg·kg-1左右，表明懸鉤子不僅具有很強抗汞毒害的能力，可以有效地從土壤環境中吸收汞，并且將其轉運至地上部并累積。礦區采樣中雖未發現乳漿大戟，但在該地區大多數植物都生長較弱勢的情況下，懸鉤子組織中汞含量較高并且能夠大量生長和繁殖，表明其具有較強的汞耐受和汞富集能力。

對汞耐受植物的篩選和植物對汞富集能力的分析，在汞污染土壤的植生修復方面有著重要的應用價值[30]。在汞污染地區汞耐受植物一般生長比較旺盛，生物量較大，擴培后可通過收割移除土壤中汞的辦法來對汞污染土壤進行修復。懸鉤子耐貧瘠、適應性強，且地上部生物量相對較大，對汞的耐性較強并且能夠很大程度地蓄積汞，這為汞污染土壤的人工植物修復技術提供了一種新的植物種類，也為開發汞污染土壤無損處理技術提供了一種可能途徑。但是，到目前為止所篩選的汞耐受植物對汞的總體富集能力和轉運效果相對較弱，距實際應用還有一定的距離，進一步了解這類植物的耐汞及富集汞的機理，提高汞耐受植物對汞吸收以及植物對汞從根部到地上組織部分的轉運效率，對汞污染地區土壤植物修復具有重要意義，這部分的工作還有待于進一步深入探討。

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StudyofMercuryResistantWildPlantsGrowingintheMercuryMineAreaofWanshanDistrict,GuizhouProvince

Zhao Jiating, Li Yunyun, GaoYuxi, Li Bai, Li Yufeng*, Zhao Yuliang, Chai Zhifang

Key Lab of Nuclear Radiation and Nuclear Energy Technology, Key Lab for Biomedical Effects of Nanomaterials and Nanosafety, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

15 May 2014accepted1 July 2014

With a long-term exposure to high levels of mercury (Hg), Hg-resistant wild plants were naturally selected to survive in the region near the abandoned Hg mine area in Wanshan District, Guizhou Province. The screening of Hg-resistant and -hyperaccumulation plants is practically significant for the phytoremediation of Hg contaminated soils. The concentrations of Hg in the soils and wild plants collected from Meizi rivulet in Wanshan district were analyzed. The results indicated that the contents of Hg in most of the soils surpassed 50 mg·kg-1which reached severe degree of Hg contamination. The concentration of Hg in Rubus L. which was found to have a large biomass survived in the Hg contaminated area can reach up to 20 mg·kg-1. Rubus L. can be considered as one of the Hg resistant and enriched plants. Additionally, the concentration of Hg in Artemisia argyi H. can also reach up to 10 mg·kg-1or more, indicating a strong capability for accumulating Hg of this plant. The Hg-resistant and Hg-hyperaccumulation plants discovered in this study can provide new model plants for revealing the mechanisms of Hg resistance and Hg accumulation in plant, and new insights for improving the phytoremediation techniques in Hg contaminated soils.

Hg resistant and enriched plant; Rubus L.; phytoremediation of Hg contaminated soils

國家自然科學基金(Nos. 21377129, 11205168)；

趙甲亭(1984-)，男，博士，研究方向為重金屬環境毒理學，E-mail: zhaojt@ihep.ac.cn

*通訊作者(Corresponding author)，E-mail: liyf@ihep.ac.cn

10.7524/AJE.1673-5897-20140515006

2014-05-15錄用日期：2014-07-01

1673-5897(2014)5-881-07

： X171.5

： A

李玉鋒(1977—)，男，博士，副研究員，主要從事金屬組學以及汞的環境生物學效應相關研究。

趙甲亭, 李云云, 高愈希, 等. 貴州萬山汞礦地區耐汞野生植物研究[J]. 生態毒理學報，2014, 9(5): 881-887

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