5種草本植物對土壤重金屬鉛的吸收、富集及轉運

郭曉宏, 朱廣龍, 魏學智

(山西師范大學 生命科學學院, 山西 臨汾 041000)

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5種草本植物對土壤重金屬鉛的吸收、富集及轉運

郭曉宏, 朱廣龍, 魏學智

(山西師范大學 生命科學學院, 山西 臨汾 041000)

以臨汾西山煤礦周邊的5種優勢種植物蒼耳(Xanthiumsibiricum)、夏至草(Lagopsissupina)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、灰綠藜(Chenopodiumglaucum)、早熟禾(Poaannua)為試驗材料，研究植物修復土壤重金屬鉛的污染，分析比較其對鉛的吸收、轉運和富集的能力。結果表明：在鉛處理下早熟禾的生物量最大；5種植物地上部分對鉛的吸收量在10 000 mg時均達到1 000 mg/kg以上，其中夏至草的吸收量最高，達5 447.25 mg/kg；地下部分對鉛的吸收量在10 000 mg時也達到1 000 mg/kg以上，以蒼耳最高，達13 448.5 mg/kg。夏至草的轉運系數和富集系數最高，為鉛超富集植物，其余4種植物對重金屬鉛也有很好的吸收富集作用。

鉛污染; 植物修復技術; 生物量; 生物富集系數; 轉運系數

隨著全球經濟的發展，工業化和城市化進程加速，礦物開采與金屬冶煉規模擴大，重金屬污染物通過各種不同的途徑進入土壤，使土壤重金屬污染的程度愈發嚴重，對人類和其他生物的生存環境造成嚴重威脅。據研究測算,中國重金屬污染耕地面積約占總耕地面積的1/6[1]。鉛是重金屬污染最嚴重的元素之一[2]，且被認為是可能的人類致癌物質之一[3]。植物修復技術(phytoremediation)是利用植物對重金屬化合物的吸收、富集和轉化能力，把土壤、水體和大氣中殘存的重金屬污染物吸收、富集到植物體內，然后收獲植物，通過焚燒等方法回收重金屬，實現環境修復的目標。以其成本低、不破壞土壤生態環境，不造成二次污染、易被公眾接受等優點而大受關注[4-5]。

重金屬耐性植物和超富集植物(hyperaccumulators)的篩選則是植物修復技術的基礎和關鍵，而現今發現的超富集植物多為小生物量的草本植物[6]，污染地區的本土優勢植物是試驗的首選，可避免引入外來生物，破壞當地的生態平衡[7]。

本研究通過野外調查，選出該礦區的5種優勢種植物蒲公英、早熟禾、夏至草、蒼耳和灰綠藜，蒼耳是已發現的鉛富集植物[8]，而已發現的超富集植物大部分屬于禾本科、莎草科、菊科、唇形科、豆科、十字花科、蓼科和鳳尾蕨科等的植物種類，較其他幾個科多，本試驗選擇的5種植物都在這幾科內，所以通過對這5種植物對重金屬鉛的吸收、富集和轉運特性進行研究，為篩選修復西山煤礦礦區周邊土壤中重金屬鉛的適種植物提供理論依據，也為土壤重金屬污染的防治提供參考。

1　材料與方法

1.1研究區概況

西山煤礦位于山西省臨汾市堯都區(36.20N，111.33E)，該區屬溫帶大陸性氣候，極端最高氣溫42.3℃，極端最低氣溫-25.6℃，年平均溫度為12.6℃，平均降水量527.4 mm，植被以草本和矮小灌木居多。本試驗中選取的植物為該礦區的5種優勢種草本植物：蒼耳(Xanthiumsibiricum)、夏至草(Lagopsissupina)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、灰綠藜(Chenopodiumglaucum)、早熟禾(Poaannua)。于2013年10月采集蒼耳、夏至草、蒲公英、灰綠藜、早熟禾的種子。土壤樣品的采樣深度為0—20 cm。

1.2試驗方法

種子用0.1%的HgCl2消毒10 min，流水沖洗，200 mg/L赤霉素浸泡24 h，挑選籽粒飽滿，大小均勻的種子放入直徑15 cm的培養皿(鋪有3層紗布)，去離子水濕潤，溫度為(25±1)℃，光照時間為12 h，定期補加去離子水，萌發[9]。待幼苗長至3 cm左右進行分盆移栽，每盆栽種1株植物，培養方式為沙培，用10%Hoagland營養液培養[10]，植株長到10～15 cm開始鉛處理，每組處理做5個重復。

Pb(NO3)2配制鉛處理液，處理濃度分別為0，1 000，5 000，10 000，15 000，20 000 mg/L，每盆裝沙0.5 kg，4 d處理1次，分12次完成鉛處理，澆灌量依次為20，20，20，30，30，30，50，50，50，50，75，75 ml，每次處理間隔澆1次10%的Hoagland營養液，共48 d處理完成，施入的鉛總量梯度為0，500，2 500，5 000，7 500，10 000 mg。待鉛處理完成后采集植物(不包括已死亡的植株)，去離子水沖洗干凈，分為地上部分(包括莖、葉)和地下部分(根)。105℃殺青5 min，70℃烘干24 h至恒重，稱量，研磨，100目(孔徑為0.143 mm)尼龍篩過篩。土壤樣品經自然風干除雜后，磨碎，過100目尼龍篩，混勻。植物樣品用硝酸—高氯酸法消解，土壤樣品用王水—高氯酸法消解。同時做試樣空白對照。

1.3計算方法

以原子吸收分光光度法測定其重金屬鉛含量，并計算相應的富集系數和轉運系數[11]：

轉運系數=植物地上部重金屬含量/植物地下部同種重金屬含量

(1)

富集系數=植物體某種重金屬含量/土壤中同種重金屬含量

(2)

1.4統計分析

主要應用Microsoft Excel 2003，SPSS 16.0和Origin 9.0軟件進行數據分析及圖表處理。

2　結果與分析

2.1土壤鉛污染特征

采樣點重金屬鉛的含量普遍較高，污染程度超過國家《土壤環境質量標準》(GB15618—1995)3級標準[12]。重金屬鉛超標倍數平均值為18.54，說明礦區周邊土壤重金屬鉛污染嚴重(表1)。

表1西山煤礦礦區土壤重金屬鉛污染情況

土樣編號土壤Pb含量/(mg·kg-1)超標倍數土壤環境質量三級標準/(mg·kg-1)19675.80±23.7819.3550028770.65±21.5717.5450039372.45±34.9818.74500

注：表中的鉛含量數值為平均值±標準誤差；超標倍數=(測定值-標準值)/標準值。

2.2不同量Pb對5種植物的影響

由表2可知，植物在鉛處理下長勢很好，存活率很高，只有少數是80%，處理組的生物量均高于對照組。在10 000 mg處理組中，植物的存活率除早熟禾外其余都為80%，表明早熟禾對鉛的耐性比其余4種植物強。由圖1可知，在不同處理中，5種植物的生物量差異性顯著，早熟禾的總生物量最高，夏至草的最低。在0～5 000 mg處理梯度內，植物生物量隨著鉛處理濃度的增加而增加，說明低濃度重金屬鉛對植物的生長有一定的刺激作用，5 000 mg時的植物生物量與對照處理組有明顯差異(p<0.05)。當鉛濃度繼續增加，植物生物量開始下降，高濃度鉛對植物的生長起到抑制作用。在每個處理組中，5種植物的長勢基本差異顯著，只有蒲公英和蒼耳在500，5 000，7 500 mg處理組中在差異不顯著(p>0.05)，說明同一處理濃度下，不同的植物體現出對鉛不同的耐性。

2.3不同Pb量下植物地上部分和地下部分對Pb的吸收量

由圖2可知，不同植物的同一部位對鉛的吸收能力是不同的，5種植物莖和葉對鉛的吸收量表現為夏至草最大，每個處理組中其余4種植物對夏至草而言均差異顯著(p<0.05)，但是4種植物間的差異性不顯著。根對鉛的吸收量在每個處理組間都是不同的，在對照組2 500，5 000，10 000 mg中蒼耳的量最大，500 mg中是夏至草，7 500 mg則是蒲公英，但由于在500，2 500，5 000，7 500 mg處理組中植物間的差異性不是極顯著，所以地下部分中認為蒼耳對鉛的吸收量最高。5種植物對鉛的吸收量在10 000 mg時均高于1 000 mg/kg，對重金屬鉛具有較高的吸收能力。

表2不同鉛量處理下5種植物的存活率%

植物種類總鉛量/mg050025005000750010000蒲公英10010010010010080早熟禾100100100100100100夏至草1001001001008080蒼耳10010010010010080灰綠藜10010010010010080

2.4植物對鉛的富集和轉運特征

不同的植物對重金屬的富集和轉運能力也不盡相同(圖3)，除10 000 mg以外的4個處理組中，5種植物對鉛的富集能力由強到弱多表現為夏至草>蒼耳>蒲公英>早熟禾>灰綠藜。在每個處理組中夏至草的富集系數均最高，蒼耳次之。隨著處理濃度的增加，5種植物的富集系數基本呈降低趨勢，最后趨于平穩，表明隨著處理濃度的增加，植物對鉛的富集能力在減弱，植物受到的毒害作用增大。5種植物中對鉛的轉運能力除500 mg處理組中蒲公英的轉運能力最強外，其余組中最強的是夏至草，次之灰綠藜，其余3種轉運系數較低，綜合比較5種植物還是夏至草的轉運能力強。

注：不同小寫字母表示同種植物在不同處理下差異性顯著(p<0.05)，相同字母則表示差異性不顯(p<0.05)，不同大寫字母表示同一處理組內不同植物間的差異性顯著(p>0.05)，相同字母則表示差異性不顯(p>0.05)，下圖同。

圖1不同植物在鉛處理下的生物量

圖2　不同植物地上部分和地下部分鉛含量

圖3　5種植物的富集和轉運特征

3　討論與結論

5種植物在鉛處理下長勢良好，存活率高，表明這5種植物對鉛的耐性極強，能適應鉛污染介質。5種植物在不同濃度下的生物量均不同，證明不同植物對鉛的耐性存在一定差異，同一植物對不同濃度的鉛處理也表現出一定的差異，高紅真等[13]的研究也證實了這一結論。低濃度處理下，植物生物量呈上升趨勢，起促進生長的作用；高濃度處理下植物生物量開始下降最后趨于平穩，表現出抑制作用。張曉薇等[14]的研究同樣表明隨著植物的生長，鉛濃度的增加，植物抵御鉛脅迫和毒害作用的能力在減小，甚至有可能受毒害致死，鉛對植物的生長抑制作用在增加。

不同植物的不同部位對鉛的吸收能力也是不同的，地上部分是夏至草對鉛的吸收量最高，地下部分則是蒼耳。由于夏至草的富集能力和轉運能力均最強，只有7 500，10 000 mg處理組小于1，但是分別大于0.7，0.6，很大程度上滿足了超富集植物的標準[15]，篩選出夏至草為鉛超富集植物。其余4種植物中，蒼耳對鉛的吸收能力很強，但是轉運系數均低于0.5，大部分鉛被吸收后累積在根部，由于地下部分收割難度較大，比較容易造成對土壤的二度污染[16]。蒲公英、早熟禾和灰綠藜對鉛的吸收能力都較強，無論地上部分還是地下部分在鉛處理時對鉛的吸收量均能接近或達到1 000 mg/kg，但是它們的富集能力和轉運能力均較低，故這4種植物不作為修復污染土壤的首選植物。由于這4種植物在鉛處理下，長勢良好，生物量較大，在沒有更好的本土修復植物的前提下，也可作為修復植物，但是后期的處理將會比較困難，目前對于吸收能力較好但是轉運能力較低的重金屬富集植物的后期處理還沒有很好的解決辦法。綜上所述，夏至草是一種理想的鉛超富集植物，可將其作為土壤鉛污染修復的先鋒植物。

在實際治理中，必須根據當地的植物生長情況因地制宜，最好是采用當地的優勢種植物來完成對污染土壤的修復，避免因為外來生物的引進而破壞當地的生態平衡，維持環境的穩態，減少不必要的影響，才能更好地修復污染土壤。

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Characteristics of Uptake, Bioaccumulation and Translocation of Soil Lead (Pb) in Five Species of Herbaceous Plants

GUO Xiaohong, ZHU Guanglong, WEI Xuezhi

(SchoolofLifeScience,ShanxiNormalUniversity,Linfen,Shanxi041000,China)

Five species of herbaceous plants such asXanthiumsibiricum,Lagopsissupina,Taraxacummongolicum,ChenopodiumglaucumandPoaannuawere used to study the uptake, bioaccumulation and translocation of soil heavy metal lead (Pb) and to explore the restoration capacity of plant to soil severely polluted by Pb near the western hills of Linfen City. The results showed that the biomass accumulation ofPoaannuawas the highest among the tested plants under Pb treatment; the contents of Pb in above-ground biomass of all plants were greater than 1 000 mg/kg in 10 000 mg treatment group, particularly inLagopsissupina, it illustrated the highest content and reached to 5 447.25 mg/kg. In the under-ground biomass, the similar trend as the above-ground biomass was observed, and the contents also reached up to 1 000 mg/kg in 10 000 mg treatment group, the maximum content was 13 448.5 mg/kg in theXanthiumsibiricum. The biological concentration factor and translocation factor ofLagopsissupinewere all the highest, therefore, the results suggested that theLagopsissupinawas the Pb hyperaccumulation plant, and the other four kinds of plants have strong ability of Pb uptake, and they all can be used to remedy soil polluted by heavy metal.

lead pollution; phytoremediation; biomass; biological concentration factor; translocation factor

2015-01-26

2015-03-06

國家自然科學基金“酸棗對極端干旱氣候響應機理研究”(30972396)

郭曉宏(1989—),女,山西呂梁人,碩士研究生,研究方向為生物學、植物學。E-mail:18635753977@163.com

魏學智(1956—),男,山西臨汾人,教授,碩士生導師,主要從事結構植物研究。E-mail:wxz3288@163.com

X53; X173

A

1005-3409(2016)01-0183-04