生物表面活性劑對芥菜重金屬鎘和鉛的修復效果

呂華

摘要：采用盆栽試驗研究不同濃度生物表面活性劑對芥菜（Brassica juncea）重金屬鎘（Cd）和鉛（Pb）修復效果。結果表明：表面活性劑均顯著提高了土壤重金屬Cd和Pb的解吸率，而對于不同濃度的表面活性劑，其對重金屬的解吸率呈現不同的效果。低濃度的表面活性劑對芥菜的生長表現出促進作用，高濃度的表面活性劑對芥菜的生長有輕微的抑制作用，4～6 g/L可能是其臨界值，芥菜地上部生物量反應較為敏感，說明芥菜能夠發揮其地上部生物量大的優勢，對重金屬具有較強的抗耐性。芥菜地上部、地下部和籽實Cd和Pb含量均隨著表面活性劑濃度的增加呈先增加后降低趨勢，在芥菜體內分布均表現為根部>地上部>籽實；而土壤Cd和Pb含量隨著表面活性劑濃度的增加呈先降低后增加趨勢，均顯著低于對照（P<0.05），說明表面活性劑促進了芥菜各器官對于土壤重金屬Cd和Pb的吸收。添加表面活性劑后，芥菜對土壤Cd和Pb的吸收能力較強，富集系數和位移系數均高于對照，相比可知，芥菜對Pb的富集效應高于Cd。相關性分析表明，芥菜各部分器官之間Cd和Pb含量均呈顯著的線性相關，這表明在表面活性劑處理下芥菜不同器官重金屬Cd、Pb含量具有一定的相關性，各個器官之間具備統一性。

關鍵詞：表面活性劑；芥菜；重金屬；Cd；Pb；植物修復

中圖分類號： X53；X171.4 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0430-05

隨著現代化農業的發展，加上城市生活污水和垃圾處理不當以及工業“三廢”的不合理排放，導致土壤重金屬污染問題日趨突出[1-2]。土壤重金屬主要通過食物鏈危及人類的生命和健康，而土壤重金屬修復成為全球面臨的環境問題[3]。土壤重金屬鎘（Cd）和鉛（Pb）是毒性較強的重金屬元素，在土壤中具有穩定、不易分解等性質，通過在食物鏈中積累對人體及生態環境產生嚴重危害，治理土壤環境重金屬污染問題已成為當今的研究熱點[4-6]。物理化學修復手段顯然不能快速高效地解決這一難題，生物修復因其廉價、環境友好的特點而倍受青睞[7]。傳統生物修復主要指植物修復，大多數超富集植物植株矮小、生長緩慢、生物量低并且沒有太大經濟效益，這些因素限制了植物修復技術的廣泛應用，也嚴重耽誤了農業生產，因此，選擇生物量高、對重金屬吸收能力強、具有經濟效益的植物促進土壤中重金屬的溶解、運輸和轉移，提高其修復效率已經成為當前該領域研究的創新點[8-9]。在環境修復的研究中，由于重金屬在土壤環境中的污染過程具有隱蔽性、穩定性及不可逆性等特點，探討其有效的處理方法已經成為環境科學領域的重要課題[7]。化學強化是植物修復中最活躍、最有效的技術，但傳統的化學修復技術最大的弊端是對環境的危害，易導致二次污染，且不能生物降解[4-6]；生物表面活性劑是由微生物、植物或動物產生的天然表面活性劑，其分子結構中含有羥基、羧基等特征基團，不僅可以絡合重金屬離子，還能增溶和促進多環芳烴等有機污染物的降解，具有低毒性、生物可降解性和表面活性等優點，近年來在污染土壤的化學、生物修復研究中得到廣泛關注和研究[8-9]。

十字花科（Cruciferae）蕓薹屬植物一般具有較強的吸收富集重金屬的特性，芥菜（Brassica juncea）是十字花科蕓薹屬1年生或2年生草本植物，是我國著名的特產蔬菜，其生活期短、地上部生物量大、經濟價值高[10-11]。有資料表明，某些芥菜具有修復Cd和Pb污染土壤的能力，且在污染條件下具有高生物量，如果它們對重金屬也具有較強的吸收富集能力，那么將其作為特色經濟植物用于土壤重金屬修復具有重要的實用價值和經濟意義[12-13]。印度芥菜是通過雜交產生的芥菜新品種，地上部生物量較大，將其作為修復植物用于重金屬污染土壤的修復具有重要的實際意義[11-12，14]。因此，本研究從環境友好修復的角度，選用生物表面活性劑皂角苷作為淋洗劑，通過盆栽土培試驗法分析生物表面活性劑對芥菜土壤中Cd和Pb的修復效果，以期為生物表面活性劑修復土壤中重金屬-有機物復合污染提供理論依據和實踐參考。

1 材料與方法

1.1 試供材料

供試土壤類型為黑鈣土，自然風干后混合均勻，剔除草根、碎石，壓碎過2 mm不銹鋼篩（供試土壤理化性質為：pH值7.48±0.56，含水量（12.58±2.41）%，有機質含量（17.69±3.04） g/kg，陽離子交換量（19.23±2.45） mmol/kg，全氮含量（1.23±0.13） g/kg，全磷含量（1.47±0.56） g/kg，Pb含量（106.78±6.21） mg/kg，Cd含量（42.47±4.07） mg/kg。供試作物為印度芥菜，購于江蘇省農業科學院。

1.2 試驗設計

2015年5月，芥菜種子浸種20 min后，在漂盤中繁育幼苗，待幼苗高1 cm左右時，進行盆栽試驗。采用直徑 48.8 cm、高35.5 cm帶有托盤的塑料盆進行土培試驗，每盆盛過篩風干土5.0 kg，按照盆栽植物對養分的需求比例，分別加入尿素、磷酸二氫鉀、硫酸鉀1 500、350、300 mg/kg作為底肥，充分混勻，每盆2株，待生長1個月后，進行表面活性劑處理。所用的表面活性劑為鼠李糖脂，分別設5個處理：0（CK）、2、4、6、8 g/L，每個處理重復3次，隨機排列于大棚中，保持土壤濕度為田間持水量的60%～70%，并在溫室中穩定3周，幼苗移栽生長80 d后測定株高、冠幅、葉長和莖粗等生長指標，120 d后收獲其整個植株（分為地上部、地下部和籽實）。收獲的植物樣品先用自來水沖洗，后用去離子水浸泡，再用吸水紙吸干植株表面的水分，分地下部、地上部2個部位，在105 ℃下殺青30 min，55 ℃下烘至恒定質量，電子天平稱取各部分干質量（精確到0.01 g），烘干樣品粉碎過40目篩，用于測定重金屬Cd和Pb含量。

1.3 測定方法

稱取一定量的生物表面活性劑鼠李糖脂和皂角苷，加去離子水分別配成0（CK）、0.25、0.5、5、7.5 g/L質量濃度，溶液用2 mmol/L的Mes-Tris緩沖溶液調節pH值至5.0，準確稱取過20目尼龍篩的土樣3.0 g，按液土比20 mL ∶1 g添加 60 mL 表面活性劑溶液，放入50 mL離心管，恒溫振蕩器中振蕩4 h，然后于3 500 r/min離心10 min，測定上清液中重金屬質量分數，以去離子水代替表面活性劑溶液解吸土壤重金屬的上清液為對照。以上試驗均重復3次，根據表面活性劑解吸重金屬量與土樣中重金屬總量之比來計算解吸率。

指標及測試方法：植株株高、冠幅和生物量采用常規方法測定；土壤用王水[V濃硝酸 ∶V濃鹽酸=1 ∶3）-高氯酸消煮，植物樣品采用HNO3-H2O2法微波消解，然后用火焰原子吸收分光光度法測定植株和土壤中Pb、Cd質量分數[15]。

累積特征表示方法的計算公式分別為：

富集系數=植物地上部Pb、Cd質量分數/土壤Pb、Cd質量分數；

位移系數=植物地上部Pb、Cd質量分數/植物根Pb、Cd質量分數；

轉運量系數=（植物地上部Pb、Cd質量分數×植物地上部生物量）/（植物根Pb、Cd質量分數×植物根生物量）；

滯留率=（植物根Pb、Cd質量分數-植物地上部Pb、Cd質量分數）/（植物根Pb、Cd質量分數）×100%[16-17]。

1.4 數據處理

用Excel 2003和SPSS 18.0進行數據統計和檢驗，以及單因素方差分析（One-Way ANOVA），顯著性分析采用Tukey法。

2 結果與分析

2.1 表面活性劑對土壤重金屬解吸的影響

如圖1所示，不同濃度表面活性劑均能改變土壤重金屬Cd和Pb的解吸率，Pb、Cd的解吸率分別介于4.5%～8.3%、15.6%～38.9%之間，對重金屬Pb而言，生物表面活性劑能顯著提高芥菜對土壤Pb解吸量，并隨處理質量濃度的增加而提高，當表面活性劑濃度分別為2、4、6、8 g/L時，Pb解吸率分別高出對照13.3%、68.9%、75.6%、84.4%；對重金屬Cd而言，生物表面活性劑能顯著提高芥菜對土壤Cd解吸量，并隨處理質量濃度的增加而提高，當表面活性劑濃度分別為2、4、6、8 g/L 時，Cd解吸率分別高出對照19.9%、71.8%、88.5%、149.4%。總體來看，相同濃度下生物表面活性劑對Cd解吸率高于Pb解吸率。說明表面活性劑能用來強化土壤中Cd、Pb的解吸，相同條件下對Cd、Pb的解吸可能與溫度、酸度等有關，在所有處理中，表面活性劑設置濃度對重金屬的解吸率呈現不同的影響，說明表面活性劑濃度對Cd、Pb的吸附能力有影響。

2.2 表面活性劑對芥菜生長性狀的影響

由表1可知，表面活性劑在一定程度上影響了芥菜的生長，其中低濃度的表面活性劑促進了芥菜的生長，而高濃度的表面活性劑對芥菜的影響并不明顯；不同濃度表面活性劑處理芥菜的株高和干質量均表現出先增加后降低的趨勢，在表面活性劑濃度為4 g/L或者6 g/L時，芥菜的各項生長指標達到最大值，并且顯著高于其他處理（P<0.05）；當表面活性劑濃度為8 g/L時，芥菜的各項生長指標急劇降低，與對照基本沒有顯著差異。與對照相比，表面活性劑濃度分別為2、4、6 g/L 時的芥菜株高分別高出對照14.75%、27.46% 、30.82%，葉長分別高出對照4.49%、42.70%、29.21%，冠幅分別高出對照8.36%、56.43%、60.08%，莖粗分別高出對照16.98%、43.40%、41.51%，根長分別高出對照17.61%、14.47%、34.59%，地上部干質量分別高出對照10.13%、21.52%、19.62%，地下部干質量分別高出對照 35.85%、33.96%和49.06%。

2.3 表面活性劑處理下芥菜不同器官重金屬含量

由表2可見，芥菜地上部Cd含量為2.78～3.79 mg/kg，根部Cd含量為7.32～9.03 mg/kg，籽實Cd含量為0.61～0.78 mg/kg，土壤Cd含量為31.17～39.47 mg/kg，芥菜地上部、地下部和籽實Cd含量均隨著表面活性劑濃度的增加呈先增加后降低趨勢，低水平（2 g/L）表面活性劑處理下，芥菜地上部、地下部和籽實Cd含量較對照有所增加但未達到顯著水平；當表面活性劑濃度高于2 g/L時，芥菜地上部、地下部和籽實Cd含量急劇增加；當表面活性劑濃度達到6 g/L時，芥菜地上部、地下部和籽實Cd含量達到最大值，之后急劇下降，但仍高于對照（除籽實），局部有所波動；土壤Cd含量隨著表面活性劑濃度的增加呈先降低后增加趨勢，均顯著低于對照（P<0.05），當表面活性劑濃度達到2 g/L時，土壤Cd含量則急劇降低，當表面活性劑濃度達到6 g/L時，土壤Cd含量最低，之后有所回升。由表3可知，芥菜地上部、地下部和籽實Pb含量均隨著表面活性劑濃度的增加呈先增加后降低趨勢，低水平（2 g/L）表面活性劑處理時，芥菜地上部、地下部和籽實Pb含量急劇增加，并且顯著高于對照（P<0.05），當表面活性劑濃度達到6 g/L時，芥菜地上部、地下部和籽實Pb含量達到最大值，之后急劇下降，但仍顯著高于對照（P<0.05），局部有所波動；土壤Pb含量隨著表面活性劑濃度的增加呈先降低后增加趨勢，均顯著低于對照（P<0.05），當表面活性劑濃度達到2 g/L時，土壤Pb含量急劇降低，當表面活性劑濃度達到6 g/L時，土壤Pb含量最低，之后有所回升。

2.4 表面活性劑對芥菜吸收Cd和Pb的影響

從表4、表5可知，芥菜對Pb的富集系數、位移系數和轉運量系數均高于Cd。添加表面活性劑后，芥菜對Cd的富集系數變化范圍在0.08～0.12之間，位移系數在0.36～0.42之間，滯留率在58%～64%之間，轉運量系數在0.87～1.07之間；芥菜對Cd的富集系數和位移系數隨表面活性劑濃度的增加呈先增加后降低趨勢，并且基本高于對照，對Cd的滯留率隨表面活性劑濃度增加呈現出波動趨勢，Cd的轉運量系數隨表面活性劑濃度增加在一定范圍內呈降低趨勢，均低于對照（表4）。由表5可知，芥菜對Pb的富集系數變化范圍在0.14～0.32之間，位移系數在0.58～0.71之間，滯留率在29%～42%之間，轉運量系數在1.40～1.90之間。可以看出，芥菜對Pb和Cd的富集系數和位移系數大致隨表面活性劑濃度的增加呈先增加后降低趨勢，并且基本高于對照。

2.5 表面活性劑處理下芥菜不同器官Cd、Pb含量之間的關系

為揭示表面活性劑處理下芥菜不同器官Cd、Pb含量之間的關系，將芥菜各部位Cd和Pb含量之間的關系擬合多元線性回歸方程，篩選出最佳擬合曲線（P值最小，r2最大），并對數據進行相關性分析。由圖2可知，芥菜不同部位Cd和Pb含量之間的回歸方程均達到顯著水平（P<0.05）或極顯著水平（P<0.01）。芥菜地上部與地下部Cd含量呈極顯著的線性相關，線性回歸方程為y=1.548 1x+3.324 9，r2=0.902 9，P<0.001；地上部與籽實Cd含量呈極顯著的線性相關，線性回歸方程為y=0.141 2x+0.231 4，r2=0.722 2，P<0.01；地下部與籽實Cd含量呈顯著的線性相關，線性回歸方程為y=0.073 4x+0.075 9，r2=0.517 7，P<0.05（圖2-a、圖2-c、圖2-e）。芥菜地上部與地下部Pb含量呈極顯著的線性相關，線性回歸方程為y=1.047 3x+9.435 6，r2=0.928 6，P<0.001；地上部與籽實Pb含量呈極顯著的線性相關，線性回歸方程為y=0.151 9x-0.312 1，r2=0.893 7，P<0.001；地下部與籽實Pb含量呈極顯著的線性相關，線性回歸方程為y=0.145 1x-1.683 6，r2=0.964 0，P<0.001（圖2-b、圖2-d、圖2-f）。

3 討論與結論

本研究中，不同濃度表面活性劑均能改變土壤重金屬Cd和Pb的解吸率，與對照相比，均顯著提高了土壤重金屬Cd和Pb的解吸率，而對于不同濃度的表面活性劑，其對重金屬的解吸率呈現不同的影響，在一定程度上說明表面活性劑濃度對Cd和Pb的吸附能力有影響。從表面活性劑對芥菜生長發育影響的結果來看，表面活性劑促進了芥菜的生長發育，其生長發育各指標均顯著高于對照，基本隨著表面活性劑濃度的增加呈先增加后降低趨勢，當表面活性劑濃度為4～6 g/L 時，芥菜生長發育各指標達到最大值，因此4～6 g/L可能是表面活性劑對芥菜促進作用的臨界濃度；當表面活動劑濃度為8 g/L時，芥菜生長發育各指標急劇降低。隨著表面活性劑濃度的增加，芥菜地上部生物量反應較為敏感，說明芥菜能夠發揮其地上部生物量大的優勢，對重金屬具有較強的抗耐性，這對于修復重金屬污染土壤是非常有利的[12-13]。由此可知，低濃度的表面活性劑對芥菜的生長具有促進作用，高濃度的表面活性劑對芥菜的生長有輕微的抑制作用。

芥菜地上部、地下部和籽實Cd和Pb含量均隨著表面活性劑濃度的增加呈先增加后降低趨勢，在芥菜體內Cd、Pb含量均表現為根部>地上部>籽實，地下部Cd和Pb含量增加幅度明顯大于地上部，由此可見，表面活性劑對重金屬Cd和Pb的積累主要集中在芥菜地下部，向莖、葉遷移累積的量相對較少，說明芥菜對重金屬Cd和Pb的吸收富集主要體現在地下部位，表現出對Cd和Pb較強的轉移能力，而地上部和籽實中Cd和Pb的轉移能力較低，這對于植物修復來說非常有利[18-19]。低水平（2 g/L）表面活性劑處理時，芥菜地上部、地下部和籽實中Cd和Pb含量較對照有所增加，當表面活性劑濃度高于2 g/L時，芥菜地上部、地下部和籽實Cd和Pb含量急劇增加，當表面活性劑濃度達到6 g/L時，芥菜地上部、地下部和籽實中Cd和Pb含量達到最大值，之后急劇下降，由此可知，6 g/L可能是表面活性劑對芥菜Cd和Pb含量作用的臨界濃度；而土壤Cd和Pb含量隨著表面活性劑濃度的增加呈先降低后增加趨勢，均顯著低于對照（P<0.05），與植物體內的Cd和Pb含量變化趨勢相反，說明表面活性劑促進了芥菜各器官對于土壤重金屬Cd和Pb的吸收，隨表面活性劑濃度的增加，其吸收作用也逐漸增強，而當表面活性劑濃度為 8 g/L 時，其吸收作用略有降低。本試驗首次研究了Cd和Pb在芥菜籽實中的分布特性，雖然與芥菜其他器官相比芥菜籽實積累Cd和Pb含量很少，但其實際含量仍較高，因此建議芥菜整體采收、晾曬后，進行籽實的分離，最后對焚燒灰分進行安全填埋處理，這樣不僅能夠對污染土壤進行修復，還能夠取得一定經濟效益。

添加表面活性劑后，芥菜對土壤Cd和Pb的吸收能力增強，一定活性劑濃度下的富集系數和轉移系數均顯著高于對照，說明芥菜具有很強的吸收富集土壤中難溶態Cd和Pb能力，在表面活性劑作用下修復Cd和Pb污染土壤的應用潛力很大。相對比較而言，芥菜對Pb的富集效應高于Cd，主要由于Cd和Pb元素的性質不同，Cd在土壤中的生物活性較高，易向植物體內轉移，而土壤對Pb的吸持能力強于Cd。本研究的相關性分析表明，芥菜各部分器官之間Cd和Pb含量均呈顯著的線性相關，這表明在表面活性劑處理下芥菜不同器官重金屬Cd、Pb含量具有一定的相關性，它們之間具備一定的統一性。

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