重金屬污染土壤植物修復的EDTA調控效果

楊 卓， 陳 婧

(中國環境管理干部學院，河北秦皇島 066004)

重金屬污染土壤植物修復的EDTA調控效果

楊 卓， 陳 婧

(中國環境管理干部學院，河北秦皇島 066004)

通過盆栽試驗比較乙二酸四乙酸(EDTA)對印度芥菜修復鎘(Cd)污染土壤的增效作用，探討EDTA施入量與不同施入階段對復合污染土壤中Cd、鉛(Pb)、鋅(Zn)的活化能力和印度芥菜吸收3種重金屬的影響。結果表明：Cd添加量相同的條件下，EDTA的施入使印度芥菜生物量明顯下降，地上部Cd吸收量明顯增加，重金屬提取量是未施入EDTA組的0.5～1.63倍，收獲時土壤有效態Cd含量施入組低于未施入組；生物量和Cd吸收量隨著Cd添加量的增加呈現先升高后下降的拋物線形規律，臨界Cd添加量為120 mg/kg；EDTA一次性使用劑量為3 mmol/kg與分3個階段施入 1 mmol/kg 相比，后者取得了最佳修復效果，Cd、Pb、Zn提取量分別是對照的1.13、3.78、1.29倍。將最優方案應用于微區試驗，地上部重金屬含量較對照顯著增加，對Cd、Pb、Zn的提取量分別是對照的1.24、2.06、2.07倍。

印度芥菜；復合污染；植物修復；重金屬；EDTA

土壤重金屬污染問題已成為全球關注的環境問題。土壤中的重金屬污染，不僅使土壤肥力退化，降低作物產量與質量，而且惡化水環境，并通過食物鏈在人和生物體內富集，嚴重威脅著人類的生命和健康。植物修復是20世紀 90 年代初發展起來的一種經濟有效、環境友好、適用于大面積輕度到中度污染土壤的生物修復技術[1-4]。其中，植物吸取(phytoextraction)旨在通過收獲富集重金屬的植物將重金屬帶出土體，從而逐漸降低土壤重金屬總量尤其是有效態重金屬的含量。植物修復技術受制于2個因素：第1個限制因素是超累積植物的生長速度緩慢和生物量小；第2個限制因素是土壤中重金屬的生物有效性低，重金屬一旦進入土壤，將通過沉淀、專性吸附等物理、化學過程變為難溶態，無法被植物吸收利用。向土壤中施加人工合成的螯合劑以解析與土壤固相結合的重金屬，增加土壤溶液中的重金屬濃度是克服上述瓶頸效應的重要途徑之一[5]。大量研究表明：乙二胺四乙酸(EDTA)、二乙基三胺五乙酸(DTPA)、乙二胺二戊二酸(EDGA)、氨三乙酸(NTA)等螯合劑均能不同程度地活化土壤重金屬，促進植物對重金屬的吸收乃至誘導植物對重金屬的超量吸收[6-10]。然而螯合劑的負面效應也是不容忽視的。因此，螯合劑的種類、劑量、使用方式和階段都是目前須要研究的熱點。

EDTA是公認的效果明顯的誘導活化劑。本試驗以印度芥菜(Brassicajuncea)為試驗材料，通過溫室盆栽試驗研究在鎘(Cd)污染土壤及Cd、鉛(Pb)、鋅(Zn)復合污染土壤中，在EDTA的調控下對重金屬的吸收和累積，分別研究EDTA加與不加、加入量、加入階段對植物修復重金屬污染的增效作用。以期篩選出效果最佳的合理的EDTA使用方法，探討EDTA對印度芥菜吸收富集土壤中重金屬的效果，并通過測試和統計分析，明確印度芥菜對重金屬的吸收富集特點，探討它在環境凈化上的應用潛力，為控制土壤重金屬復合污染和植物修復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物為印度芥菜的Wild Garden Pangent Mix品種。種子來自美國俄勒岡州的Wild Garden Seed農場。

供試土壤：采自河北農業大學西校區標本園0～40 cm深度的潮褐土，理化性質特征見表1。

供試底泥：取自河北省安新縣北際頭鄉保定納污河、府河末梢入淀口處。所取為0～20 cm底泥，呈深黑色淤泥狀，上部為稀漿狀，下部呈流塑狀，內有大量淡水貝殼、軟體動物，附近有大規模養鴨產業，底泥有明顯臭味。該層為近二三十年人類活動的產物，沉積年代新，沉積速率快，是該區域污染內源的主要蓄積庫。供試底泥主要理化性質見表1，底泥中有效態Cd、Pb、Zn含量分別為1.70、16.80、61.50 mg/kg。

1.2 試驗方案與布置

本研究采取盆栽試驗，在河北農業大學西校區溫室中進行。試驗用塑料小盆缽，其上緣直徑10 cm，底面直徑9 cm，高14 cm。每盆裝土1 000 g(以烘干土計)，供試土壤、底泥風干后過3 mm篩。重金屬Cd、Pb、Zn分別以Cd(Ac)2·2H2O、Pb(Ac)2·3H2O、Zn(Ac)2·2H2O固體粉末形式，按各自的處理量加入土壤，制成含不同濃度Cd、Pb、Zn的污染土壤。同時每盆加入0.2 g尿素、0.4 g磷酸二氫氨作底肥，均采用分析純試劑，與土壤一并混合均勻裝盆。加入蒸餾水使含水量為田間持水量的60%，保持10 d后播種，生長1周后見苗，每盆保留10株苗。試驗共分以下4個部分。

試驗1：土壤中加入EDTA效果研究。本試驗以印度芥菜中的Wild Garden Pangent Mix品種為試材，混合土(表1，下同)種植印度芥菜，Cd添加量設為0、40、80、120、160、200 mg/kg，不加EDTA的處理分別記作1-a、2-a、3-a、4-a、5-a、6-a，添加EDTA的處理分別記作1-b、2-b、3-b、4-b、5-b、6-b。在印度芥菜出苗30 d后，在1-b～6-b 處理中，加入3 mmol/kg EDTA，誘導活化重金屬。

表1 供試土壤與地泥的理化性質特征

注：混合土為質量比1 ∶1的潮褐土、底泥。

試驗2：不同EDTA施用量的效果研究。用混合土種植印度芥菜，加入Cd、Pb、Zn的含量分別為100、500、800 mg/kg，生長30 d后，向印度芥菜中分別加入0、1、3、5、7 mmol/kg EDTA(編號分別為a、b、c、d、e)，收獲后測定植株株高、地上部生物量、植株地上部Cd、Pb、Zn含量及土壤中有效態重金屬含量。

試驗3：不同EDTA施用階段的效果研究。用混合土盆栽種植印度芥菜，加入Cd、Pb、Zn的量分別為100、500、800 mg/kg。處理1：不施EDTA(編號為A，CK)；處理2：播種前一次性施入3 mmol/kg EDTA(編號為B)；處理3：生長30 d后一次性施入3 mmol/kg EDTA(編號為C)；處理4：收獲前7 d一次性施入3 mmol/kg EDTA(編號為D)；處理5：于播種前、生長30 d后、收獲前7 d，分別施入1 mmol/kg EDTA(編號為E)。于收獲后測定植株株高、地上部生物量，Cd、Pb、Zn含量以及土壤中有效態重金屬含量。

試驗4：上述試驗結束后進行微區試驗。采用玻璃材料制成的底為正方形的長方體(高30 cm，底的邊長60 cm)。重金屬Cd、Pb、Zn分別以Cd(Ac)2·2H2O、Pb(Ac)2·3H2O、Zn(Ac)2·2H2O 固體粉末形式，按各自的處理量加入土壤，制成Cd含量為 50 mg/kg、Pb含量為500 mg/kg、Zn含量 500 mg/kg 的污染土壤，土壤層高30 cm，填充密度保持與田間相似，施入含 0.2 g/kg 尿素、0.4 g/kg磷酸二氫銨的底肥，用蒸餾水潤濕土壤，靜置6個月，使土壤條件接近外界條件，保持田間持水量的60%。將0.2 g植物種子直播于微區中，每池保持盡可能密的苗，使池中植物覆蓋率達到90%以上。在植物生長30 d后進行以上試驗中EDTA施用方式的最優處理。試驗設2個處理：處理Ⅰ，試驗篩選出來的EDTA最優處理；處理Ⅱ，不添加EDTA的空白對照(CK)。每個處理重復3次。

以上試驗均在植物生長60 d后收獲，印度芥菜沿土面剪取地上部，測定鮮質量，植物樣品在105 ℃條件的烘箱內殺青0.5 h，并在80 ℃條件下烘至恒質量，烘干后粉碎測定重金屬元素Cd、Pb、Zn含量。植物樣采用硝酸-高氯酸消煮，原子吸收分光光度法測定重金屬Cd、Pb、Zn含量；土壤樣品采用 DTPA 浸提，原子吸收分光光度法測定重金屬Cd、Pb、Zn含量。

2 結果與分析

2.1 EDTA誘導印度芥菜富集Cd增效研究

在Cd添加量為0～200 mg/kg的不同處理中，印度芥菜都能夠順利發芽生長，除高濃度處理葉片少部分有萎蔫發黃的癥狀外，均無明顯受毒害現象，說明印度芥菜對Cd表現出極強的忍耐性。在同類盆栽試驗中，在重金屬添加量為 50 mg/kg 時，油菜就受到了明顯的重金屬毒害而無法正常生長[8]。在本試驗中，Cd毒害主要影響印度芥菜的生育進程，在Cd濃度0、40 mg/kg時，印度芥菜在試驗期內已經順利進入生育期，拔節開花結籽，而其他濃度處理都未能開花。隨著Cd濃度增大，a與b組處理均呈現地上部生物量先升高后降低的規律，其臨界Cd添加濃度均為120 mg/kg，在添加量為 0～120 mg/kg時，生物量增加，Cd添加量為120 mg/kg時，a組生物量比不添加Cd處理增加了57.67%，b組增加了 58.06%；在添加量為120～200 mg/kg時，生物量降低(圖1)。高Cd處理影響了印度芥菜的生殖生長，而對營養生長并沒有明顯干擾，相反，一定濃度的Cd處理還提高了植株地上部的生物量。隨著Cd 處理濃度的增加，植株趨于矮小化，即矮小植株在盆體內的比例增加。添加EDTA比不添加 EDTA 印度芥菜生物量顯著下降，6個處理平均值下降了 26.52%。2組試驗在同一Cd添加量時的生物量之差也呈現出先升后降的規律，在Cd添加量為120 mg/kg時相差最多，為11.36 g/pot。EDTA的施入會使印度芥菜生長受到抑制，生物量下降。

土壤重金屬的植物提取量是描述植物修復效果最直觀的指標，它是指用植株地上部重金屬的含量乘以生物量，得出每盆植物提取重金屬的量，它綜合了植物生物量、吸收量2個指標，能夠更為直接地反映某種植物對某種重金屬的修復效果。由圖2不同處理印度芥菜對Cd的提取量可見，隨著外源Cd添加量的增加，印度芥菜對Cd的提取量呈現先升后降的規律，a組提取量達0.02～0.36 mg/盆，b組提取量達0.01～0.55 mg/盆，其最高值均出現在Cd添加量為120 mg/kg，a組、b組此時的提取量分別為不添加Cd時的18、55倍。EDTA誘導調控分別可顯增加印度芥菜地上部對Cd的提取量，Cd添加量分別為0、40、80、120、160、200 mg/kg的處理中，b組的提取量分別是a組的0.50、1.36、1.63、1.53、1.54、1.45倍。由結果可見，EDTA的加入可以提高植物修復的效果，縮短修復年限。

由圖3可見。土壤Cd添加量與試驗結束后土壤中有效態Cd含量呈較好的線性關系，a組r2=0.916 1(n=6)，b組r2=0.867 4(n=6)。EDTA的施入在試驗結束后的表現為土壤有效態Cd含量低于對照組(a組)，這與理論上預想的結果有些偏差，這可能是因為土壤中重金屬不同形態之間處于不停轉換的動態變化之中，EDTA的加入使這種轉換更為活躍。如圖4所示，印度芥菜地上部Cd吸收量明顯高于對照組，說明植物吸收量增大，使此時土壤中有效態Cd含量反而低于對照組。由此說明，有效態重金屬含量的高低并不能直接反映植物吸收該種重金屬的情況。由圖3、圖4可以看出，a組有效態Cd含量增加的幅度是低濃度時較大，高濃度時較小，b組則相反；而印度芥菜地上部Cd吸收量在EDTA的誘導下不僅增大，而且隨著Cd添加量的增加，吸收量增加的幅度變化也加大。在Cd添加量為160 mg/kg時，芥菜地上部吸收量達最大，a、b組分別達107.67、217.34 mg/kg，Cd添加量分別為0、40、80、120、160、200 mg/kg的處理中，b組的吸收量分別是a組的0.80、1.85、2.22、2.14、2.12、1.83倍。由此可見，EDTA的加入可以的明顯提高印度芥菜對Cd的吸收量。

2.2 不同EDTA施用量對印度芥菜富集Cd、Pb、Zn效果影響

本研究用混合土種植印度芥菜，加入Cd、Pb、Zn的量分別為100、500、800 mg/kg，加上表1的背景含量，供試土壤Cd、Pb、Zn的含量分別為100.83、530.54、875.88 mg/kg。由表2可知，EDTA的添加使印度芥菜地上部生物量低于對照，隨著加入量的增加，生物量顯著下降，當施入量達7 mmol/kg (處理e)時，印度芥菜死亡，b、c、d處理生物量分別降低20.44%、36.38%、59.34%。土壤有效態Cd、Pb、Zn含量變化無明顯規律性，除Zn外，多數顯著低于對照。印度芥菜地上部Cd、Pb含量最大的為b處理，Zn 為c處理，分別比對照提高 53.73%、233.36%、29.17%。印度芥菜地上部Cd、Pb提取量最大的為b處理，Cd、Pb提取量分別為對照的1.21、2.66倍，Zn提取量則均低于對照。綜合以上結果，EDTA施用量不宜太高，當>5 mmol/kg時則對植株生長造成嚴重威脅，本研究中EDTA施用量為1 mmol/kg時取得了最好的試驗修復效果，此時EDTA與土壤中Cd、Pb、Zn物質量之比分別約為：10 ∶9、5 ∶13、5 ∶73，由于Zn物質的量與EDTA相差較大，因此誘導效果并不理想。

表2 不同EDTA施用量印度芥菜Cd、Pb、Zn含量與土壤中有效態重金屬濃度及提取量

注：差異顯著性用Duncan’s檢驗，同列不同小寫字母表示處理間有顯著差異(P<0.05)；提取量為各處理平均值；“—”表示因植株死亡而無數據。下表同。

2.3 不同EDTA施用階段對印度芥菜富集Cd、Pb、Zn效果影響

由表3可知，D處理使印度芥菜生物量降低程度最小，與對照幾乎無差別，其次是E處理，生物量只降低5.63%，B處理未能發芽，可能由于EDTA的加入使種子所處環境驟變，未能順利生長。土壤有效態Cd、Pb、Zn含量最低的是D處理，且除Zn外均低于對照。EDTA的施入使植株地上部含量均有所提高，最高的是E處理，Cd、Pb、Zn含量分別比對照提高20.11%、300.14%、37.16%；C處理分別提高6.59%、169.55%、29.17%；D處理Pb、Zn含量分別提高186.74%、26.29%，Cd含量略有下降。提取量最高的均為E處理，Cd、Pb、Zn提取量分別為對照的1.13、3.78、1.29倍。

2.3 不同EDTA施用階段對印度芥菜富集Cd、Pb、Zn效果影響

由表3可知，D處理使印度芥菜生物量降低程度最小，與對照幾乎無差別，其次是E處理，生物量只降低5.63%，B處理未能發芽，可能由于EDTA的加入使種子所處環境驟變，未能順利生長。土壤有效態Cd、Pb、Zn含量最低的是D處理，且除Zn外均低于對照。EDTA的施入使植株地上部含量均有所提高，最高的是E處理， Cd、Pb、Zn含量分別比對照提高20.11%、300.14%、37.16%；C處理分別提高6.59%、169.55%、29.17%；D處理Pb、Zn含量分別提高186.74%、26.29%，Cd含量略有下降。提取量最高的均為E處理，Cd、Pb、Zn提取量分別為對照的1.13、3.78、1.29倍。

2.4 最優處理EDTA誘導對印度芥菜吸收重金屬的影響

由上述試驗結果可知，EDTA單次施用量為1 mmol/kg，于播種前、生長30 d后、收獲前7 d，分別施入1 mmol/kg EDTA的處理取得了最好的誘導效果，因此微區試驗中采用此EDTA處理方法。由表4可知，EDTA 的加入使印度芥菜生物量略有下降，但統計上差異并不顯著；EDTA的添加顯著增加了植物地上部重金屬的含量，但在收獲時土壤中有效態重金屬含量均顯著低于對照，這可能是由于土壤中重金屬各形態間一直處于動態變化之中，無效態重金屬向有效態轉變，有效態重金屬被植物根系吸收。筆者取樣測定的是某一時刻土壤中的情況，在以上試驗中不難發現，有效態含量高的處理并不意味著植物吸收量也高，兩者之間不存在簡單的量之間的依賴關系，比如在表2、表3的數據中，土壤中有效態重金屬含量高的處理相對應的植株吸收量并不一定高。由表4還可見，植物地上部重金屬含量較對照顯著增加，Cd、Pb、Zn含量分別是對照的1.31、2.88、2.18倍，印度芥菜對重金屬的提取量(以每個微區為單元)均明顯增加，對Cd、Pb、Zn的提取量分別是對照的1.24、2.06、2.07倍。由此可見，EDTA較大幅度地增加了印度芥菜對重金屬的吸收與富集量，由于本試驗受種植面積、時間、氣溫等條件影響，如果開展較大規模田間試驗，可能會取得更為理想的誘導活化效果。

表3 不同EDTA施用時間印度芥菜Cd、Pb、Zn含量與土壤中有效態重金屬濃度及提取量

表4 EDTA誘導下印度芥菜Cd、Pb、Zn含量與土壤中有效態重金屬濃度及提取量

3 結論

本研究采用盆栽試驗探討了EDTA施用對印度芥菜吸收Cd的增效作用，比較了不同劑量、不同施用方式EDTA誘導活化的效果，結果表明：

(1)在Cd添加量為0～200 mg/kg的不同處理中，印度芥菜都能夠順利發芽生長，印度芥菜對Cd表現出極強的忍耐特征。Cd毒害主要影響了印度芥菜的生育進程，地上部生物量隨Cd添加量的增加出現先升高后降低的拋物線形規律，其臨界Cd添加濃度均為120 mg/kg。施入EDTA印度芥菜生物量比未施入的明顯下降，6個處理平均下降了26.52%。土壤Cd添加量與試驗結束后土壤中有效態Cd含量呈較好的線性關系，在收獲后土壤有效態Cd含量表現為施入EDTA組低于不施EDTA的對照組，但EDTA的加入可以明顯提高印度芥菜對Cd的吸收量。EDTA誘導調控可明顯增加印度芥菜地上部對Cd的提取量，提高植物修復的效果，縮短修復年限。

(2)EDTA施用量不宜太大，當>5 mmol/kg時則對植株生長造成嚴重威脅，本研究中EDTA施用量為1 mmol/kg時取得了最好的試驗修復效果。

(3)不同階段施入EDTA對印度芥菜生物量和吸收量的影響也是不同的。于播種前、生長30 d后、收獲前7 d 3個階段分別施入1 mmol/kg EDTA(E處理)時印度芥菜生物量和吸收量最大，達到較好的修復效果，這種方式優于其他處理。在這種方式處理的微區試驗中，印度芥菜對Cd、Pb、Zn的提取量均提高了。

(4)微區試驗采用上述試驗的最優處理，即EDTA單次施用量為1 mmol/kg，于播種前、生長30 d后、收獲前7d，分別施入1 mmol/kg EDTA，極大地提高了印度芥菜地上部對Cd、Pb、Zn的吸收與富集量，對Cd、Pb、Zn的提取量分別是對照的1.24、2.06、2.07倍。

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10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.072

2015-11-16

2013年度河北省科學技術研究與發展計劃“重金屬污染土壤原位微生物修復技術研究”(13227504D)。

楊 卓(1980—)，女，河北秦皇島人，博士，副教授，主要從事土壤重金屬污染與植物修復方面的研究。E-mail：yangzhuo315566@126.com。

X53

A

1002-1302(2017)02-0258-04

楊 卓，陳 婧. 重金屬污染土壤植物修復的EDTA調控效果[J]. 江蘇農業科學，2017，45(2)：258-261.