中低汞污染下2種汞富集植物的發現

樊政 王新偉 喻小剛 楊曉霞 王歡歡 王一鳴 桂玉茹 鄭步云

摘要[目的]通過實地調研及實驗室模擬法篩選汞的富集植物。[方法]采用冷原子熒光光譜法測定萬山汞礦植物汞含量，在此基礎上，通過實驗室模擬法，研究更高土壤汞濃度下，優勢植物的汞富集能力。[結果]在土壤汞濃度較低（0.141 mg/kg）時，苣荬菜（Sonchus brachyotus DC.）和野艾蒿（Artemisia lavandulaefolia）具有很高的轉運系數，分別為5.95和5.28。根據實驗室模擬結果，在土壤汞濃度為4.54和2.76 mg/kg時，苣荬菜和野艾蒿的轉運系數分別為1.92和1.26。[結論]在中低土壤汞污染水平下，綜合比較9種植物的富集系數、轉運系數、生物量及生長繁殖速率等指標，苣荬菜和野艾蒿可作為2 種新型汞富集植物。

關鍵詞汞富集植物；萬山汞礦；轉運系數；富集系數

中圖分類號S181；X53文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）19-0062-04

The Discovery of 2 Kinds of Mercury Enrichment Plants Under Low and Middle Mercury Pollution

FAN Zheng ，WANG Xinwei*，YU Xiaogang et al

（China University of Petroleum （Beijing）， State Key Laboratory of Oil and Gas Resources and Exploration， Beijing 102200）

Abstract[Objective]Screening out Hg enrichment plants through field investigation and laboratory simulation method.[Method]Determining Wanshan mercury mine plants Hg content by cold atomic fluorescence spectrometry， on this basis， explore the enrichment ability of Hg in dominant plants under higher soil pollution through laboratory simulation method.[Result]When mercury concentration in soil was low （0.141 mg/kg）， Sonchus brachyotus DC.and Artemisia lavandulaefolia still has a high transfer coefficient，were 5.95 and 5.28， respectively.According to the simulation results，the transfer coefficient of Sonchus brachyotus DC.and Artemisia lavandulaefolia were 1.92 and 1.26 at soil Hg concentrations of 4.54 and 2.76 mg/kg.[Conclusion]As the enrichment coefficient， transfer coefficient， biomass and growth rate were compared，Sonchus brachyotus DC.and Artemisia lavandulaefolia can be regarded as 2 new mercury enrichment plants under the low and middle level of soil mercury pollution.

Key wordsMercury enrichment plants；Wanshan mercury mine；Transfer coefficient；Enrichment coefficient

汞具有長程跨界污染的屬性，是除了溫室氣體以外唯一一種對全球范圍產生影響的化學物質，由于其持久性、生物蓄積性和毒性，已被聯合國環境規劃署列為全球性污染物[1]。隨著1953年日本水俁灣汞污染以來，全球汞污染事件不斷升級，很多國家開始重視防治汞污染。研究表明，約95%的人為排放汞駐留在土壤[2]，因此，各國學者對土壤汞的關注尤為密切。

植物修復技術和化學修復、物理修復、微生物修復等技術手段相比，具有成本低、不破壞土壤、不引起二次污染、效率高且保護生態環境等優點。因此，自1983年植物修復技術被美國科學家Chaney等首次提出以來，得到了廣大學者的重視[3]。在所有的重金屬中，對砷、鋅、鉛、錳及鎘等的富集植物研究較多[4-10]，相比之下，對汞富集植物的研究并不多[11]。王明勇等[12]研究發現，大戟科乳漿大戟（Euphorbia esula Linn）具有較強的汞富集能力，但其富集系數和轉運系數不高。Liu等[13]發現了截至目前報道的汞富集能力最強的植物──三葉草（Trifolium repens），但該結果只是在實驗室的含汞溶液中得出的，尚未證實在受汞污染土壤中的修復效果。可見，日益增長的土壤汞修復需求和相對滯后的土壤汞研究進展形成了矛盾。由于自然選擇作用，在礦區內往往存在某些重金屬的超富集植物或富集植物，這些植物的發現與培養成為植物修復的重要保證[14]。筆者對貴州萬山汞礦區的植物進行了采集檢測，篩選后進行實驗室模擬，以期找到一種汞的富集植物或超富集植物，為進一步探索植物的汞富集機理奠定理論基礎。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1研究對象。萬山汞礦的

苣荬菜（Sonchus brachyotus DC.）、抱莖苦荬菜（Xeris sonchifolia Hance.）、

野艾蒿（Artemisia lavandulaefolia）、牛膝（Achyranthes bidentata）、千里光（Senecio scandens Buch.Ham.）、

貫眾（Cyrtomium fortunei J.Sm.）、求米草（Oplismenus undulatifolius）、鳳尾蕨（Spider brake）、鐵角蕨（Asplenium trichomanes L.Sp.）

9種植物、土壤及實驗室收獲的2種植物（苣荬菜、野艾蒿）及土壤。

1.1.2主要試劑。HgCl2晶體、新鮮王水、超純水、BrCl溶液、NH2OH·HCl溶液、純氮、營養土、植物營養液。

1.1.3主要儀器。冷原子熒光光譜儀（北京吉天儀器有限公司，AFS-920）、微波消解爐、粉碎機、恒溫箱、植物培養箱、全光譜植物燈。

1.2方法

1.2.1樣品采集。2015年8月在我國汞都──貴州萬山進行實地調研，并系統地采集萬山汞礦礦山地質環境一坑（黑洞子）的植株樣及土樣。同時采集萬山汞礦六坑（張家灣）的土樣作為對照。植株樣按地上部、地下部分裝，土樣以0～5 cm表土采集。采樣點分布見圖1。

1.2.2樣品前處理。

1.2.2.1土壤樣品前處理。把土壤樣品均勻混合，使用四分法縮分去除土樣中的小石子等異物，放在陰涼處風干，用研缽研磨。過100目尼龍篩，稱重，裝于玻璃瓶中，用錫紙封裝，貼上標簽，備用。

1.2.2.2植物樣品前處理。先用自來水徹底沖洗植株，再使用去離子水淋洗，把洗凈的植株分為地下部（根）和地上部（莖、葉），風干6 h，置于恒溫箱中于50 ℃烘干，用粉碎機粉碎，過100 目尼龍篩，稱重，分裝于玻璃瓶中，用錫紙封裝，貼上標簽，備用。

1.2.3汞含量的測定。采用《中華人民共和國國家標準GB/T 17136—1997》方法進行土樣和植株樣中汞含量的測定（委托北京市農林科學院植物營養與資源研究所進行測定）。

1.3實驗室培育及模擬

通過Hg含量檢測，綜合比較9種

植物的生物量、富集系數、轉運系數、繁殖速度、根系長度及

環境適應性等因素，確定苣荬菜和野艾蒿2種植物為汞富集植物。通過實驗室模擬法，探究更高土壤汞濃度下植物的富集系數及轉運系數。苣荬菜和野艾蒿的種子均在貴州市場購買，分別播種到8個花盆中，每種植物各4個，花盆隨機擺放于植物培養箱中，光照10～14 h/d，保持空氣溫度為25～35 ℃，土壤濕度為60%～80%。植物發芽2 d后，將花盆轉移到花盆架上，覆蓋上透明大棚膜，使用全光譜植物燈照射8～12 h/d。植物生長57 d時，每7 d添加1次HgCl2溶液，濃度分別為10、50、250和500 mg/L，收獲植物前7 d停止添加。85 d時，收獲所有植物和土壤，再次測定汞含量。

2結果與分析

2.1植物汞污染水平

由于萬山汞礦區特殊的地理位置及地形，在長期的自然選擇下，礦區中大多數是野生的草本植物，喬灌木相對較少。對萬山一坑生長良好、生物量較大的植物進行了采集，植株地上、地下部分的汞含量見表1。由表1可知，苣荬菜、抱莖苦荬菜、野艾蒿、牛膝、千里光、貫眾、求米草、鳳尾蕨及鐵角蕨9種植物對汞的富集系數均大于100，對汞均具有較強的耐性和富集能力，其中苣荬菜、抱莖苦荬菜、野艾蒿、牛膝、千里光、貫眾的富集系數均大于5.00，可見菊科植物植株中汞含量及富集系數均排在前列。菊科是比較年青且進化程度較高的一個大科，該科植物在形態結構及繁殖方式上先進，環境適應性較強，生長速度快，廣泛分布在世界各地，具有作為修復植物的基本條件，也為汞富集植物的尋找與篩選提供了一定的指導方向。

因此，在較低的土壤汞脅迫下，萬山以菊科植物為主的富集植物比例達到444%，占最大比例，這不同于王明勇等[12]報道的大戟科乳漿大戟。

安徽農業科學2017年

2.2土壤汞污染水平

萬山汞礦一坑的土壤平均汞濃度為0.141 mg/kg，汞礦六坑的土壤平均汞濃度為0.165 mg/kg。通過與以往研究對比分析可知，貴州萬山一坑和貴州萬山六坑土壤汞含量均高于國家11種土壤汞平均含量（0.071 mg/kg），也高于世界土壤汞的平均值 0.030～0.100 mg/kg[15]，但低于2005和2010年萬山汞礦的污染水平（表2），這說明礦區土壤汞污染得到了一定的治理，但汞污染依然存在。由表2可知，萬山汞礦區的汞污染在世界各地區中較為嚴重，迫切需要進行土壤汞修復。

2.3優勢植物的富集特征

為篩選可修復土壤汞污染的優勢植物，對9種植物的富集系數、轉運系數等因素進行對比分析。目前，對于重金屬富集系數的計算方法存在一些爭議，該研究采用韋朝陽等[18]和吳浩等[19]提出的計算方法。轉運系數的計算方法目前不存在爭議，為地上部與地下部重金屬含量之比。

富集系數=地上部重金屬含量/土壤重金屬含量

轉運系數=地上部重金屬含量/根部重金屬含量

由表1可知，在萬山汞礦一坑 9種常見的植物中，苣荬菜、抱莖苦荬菜、野艾蒿、牛膝地上部汞含量均超過0.900 mg/kg，為一般植物體內（以辣椒為例）汞含量的45倍以上[20]。

苣荬菜和野艾蒿的富集系數分別為7.09和6.74，說明這2種植物在土壤汞含量較低時（0.141 mg/kg）能夠有效吸收土壤中的汞。苣荬菜和野艾蒿的轉運系數分別為5.95和5.28，說明這2種植物可有效地將植物地下部的汞轉移到地上部。在汞礦區，2種植物均生長良好，生物量較高。野艾蒿分布極廣，適應性很強，對土壤無特殊要求，生長、繁殖速度快且根系發達，可以富集較深的含汞土壤。苣荬菜分布廣泛，不擇土壤，可生長于荒山和礫石灘，耐鹽堿、耐干旱且栽培技術成熟。因此，確定苣荬菜和野艾蒿作為優勢植物進行實驗室模擬。

2.4優勢植物的實驗室模擬通過對苣荬菜和野艾蒿的種植、培育、加汞、檢測，得出花盆中植物及土壤的汞含量見表3。

研究表明，汞主要累積在植物根部，故植物的轉運系數一般較低[21]。但根據表1、3實測結果，在土壤汞濃度較低（0.141 mg/kg）時，苣荬菜和野艾蒿仍具有很高的轉運系數，分別為5.95和5.28。根據實驗室模擬結果，在土壤汞濃度為4.54和2.76 mg/kg時，苣荬菜和野艾蒿的轉運系數分別為1.92和1.26。當土壤汞濃度增加時，苣荬菜和野艾蒿的富集系數均降低，但地上部、地下部汞濃度均較大提升，再次證明苣荬菜和野艾蒿為汞的富集植物。

3討論

3.1汞超富集植物的判定

超富集植物的概念首先是由 Brooks 等[20]提出，對于汞的超富集植物的定義至今尚無明確定論。一般情況下，重金屬超富集植物的認定要考慮以下3個條件[22]：①植物地上部富集重金屬的量需要達到一定臨界標準，在較低污染水平下也要有較高的吸收速率；

②S/R>1（S和R分別代表植物地上部與地下部的重金屬含量），即植物要有較強的轉運能力，而一般植物的S/R≤0.1；

③與一般植物相比較，超富集植物能夠忍耐較高濃度的重金屬毒害，而一般植物則會發生毒害甚至死亡。

通過趙慶令等[23]的評價指標可以看出，在土壤汞含量為0.141 mg/kg時，苣荬菜和野艾蒿的富集程度均為顯著富集，作為汞的富集植物，這種富集程度很少見。趙甲亭等[24]在萬山汞礦區同樣證實了野艾蒿屬于汞富集植物，這與該研究結論一致。土壤汞含量大于50 mg/kg時，根部汞含量為13.6 mg/kg，地上部汞含量為5.2 mg/kg，說明在重度汞污染（大于50 mg/kg）情況下，野艾蒿富集系數和轉運系數均降低且小于1.00，但地上部、地下部汞含量均得到顯著提升。當土壤汞含量在重度污染（大于50 mg/kg）水平時，苣荬菜的富集系數、轉運系數將如何變化還有待后續的試驗研究。

3.2汞富集植物的選育

該研究表明，野艾蒿和苣荬菜均為汞富集植物。其中，野艾蒿并不滿足汞超富集植物的嚴格定義，苣荬菜是否滿足汞超富集植物的嚴格定義還有待后續研究。以往研究中，植物的富集系數、轉運系數得到了充分重視，但富集植物和超富集植物的篩選、引種培育和綜合試驗工作，也應該重點放在一些生物量大、根系發達、生長繁殖速度快、適應性廣或栽培技術成熟的植物上。苣荬菜和野艾蒿的一系列特征正好滿足這一期望，在汞污染土壤的治理方面，尤其是在中低濃度的汞污染條件下具有較好的應用前景，適合大面積推廣。

4結論

在萬山汞礦區一坑長勢較好的9種常見植物中，菊科植物的比例為44.4%，菊科植物在汞的修復中具有較大潛力。在中低土壤汞污染水平下，綜合比較9種植物的生物量、富集系數、轉運系數等指標可知，苣荬菜和野艾蒿可作為2種新型汞富集植物。

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