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(xiàn)不同的效果。低濃度的表面活性劑對芥菜的生長表現(xiàn)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(fā)揮其地上部生物量大的優(yōu)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(nèi)分布均表現(xiàn)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(shù)和位移系數(shù)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(tǒng)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(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，加上城市生活污水和垃圾處理不當以及工業(yè)“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(huán)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(wěn)定、不易分解等性質(zhì)，通過在食物鏈中積累對人體及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴重危害，治理土壤環(huán)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(huán)境友好的特點而倍受青睞[7]。傳統(tǒng)生物修復主要指植物修復，大多數(shù)超富集植物植株矮小、生長緩慢、生物量低并且沒有太大經(jīng)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)，因此，選擇生物量高、對重金屬吸收能力強、具有經(jīng)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(jīng)成為當前該領域研究的創(chuàng)新點[8-9]。在環(huán)境修復的研究中，由于重金屬在土壤環(huán)境中的污染過程具有隱蔽性、穩(wěn)定性及不可逆性等特點，探討其有效的處理方法已經(jīng)成為環(huán)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(tǒng)的化學修復技術最大的弊端是對環(huán)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(chǎn)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(huán)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(yōu)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(chǎn)蔬菜，其生活期短、地上部生物量大、經(jīng)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(jīng)濟植物用于土壤重金屬修復具有重要的實用價值和經(jīng)濟意義[12-13]。印度芥菜是通過雜交產(chǎn)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(huán)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(jù)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(zhì)為：pH值7.48±0.56，含水量（12.58±2.41）%，有機質(zhì)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(nóng)業(yè)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(yǎng)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(wěn)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(zhì)量，電子天平稱取各部分干質(zhì)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(zhì)量濃度，溶液用2 mmol/L的Mes-Tris緩沖溶液調(diào)節(jié)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(zhì)量分數(shù)，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(jù)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(guī)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(zhì)量分數(shù)[15]。

累積特征表示方法的計算公式分別為：

富集系數(shù)=植物地上部Pb、Cd質(zhì)量分數(shù)/土壤Pb、Cd質(zhì)量分數(shù)；

位移系數(shù)=植物地上部Pb、Cd質(zhì)量分數(shù)/植物根Pb、Cd質(zhì)量分數(shù)；

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

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

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2003和SPSS 18.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)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(zhì)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(zhì)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(xiàn)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(zhì)量均表現(xiàn)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(zhì)量分別高出對照10.13%、21.52%、19.62%，地下部干質(zhì)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(shù)、位移系數(shù)和轉運量系數(shù)均高于Cd。添加表面活性劑后，芥菜對Cd的富集系數(shù)變化范圍在0.08～0.12之間，位移系數(shù)在0.36～0.42之間，滯留率在58%～64%之間，轉運量系數(shù)在0.87～1.07之間；芥菜對Cd的富集系數(shù)和位移系數(shù)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(xiàn)出波動趨勢，Cd的轉運量系數(shù)隨表面活性劑濃度增加在一定范圍內(nèi)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(shù)變化范圍在0.14～0.32之間，位移系數(shù)在0.58～0.71之間，滯留率在29%～42%之間，轉運量系數(shù)在1.40～1.90之間。可以看出，芥菜對Pb和Cd的富集系數(shù)和位移系數(shù)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(fā)育影響的結果來看，表面活性劑促進了芥菜的生長發(fā)育，其生長發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)揮其地上部生物量大的優(yōu)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(nèi)Cd、Pb含量均表現(xiàn)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(xiàn)在地下部位，表現(xiàn)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(nèi)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?qū)ξ廴就寥肋M行修復，還能夠取得一定經(jīng)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(shù)和轉移系數(shù)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(tài)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(zhì)不同，Cd在土壤中的生物活性較高，易向植物體內(nèi)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(tǒng)一性。

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