耐高鹽堿蓬對濕地土壤中金屬元素的富集特征研究

張樂添，李景喜，溫永紅，孫承君，鄭 立，蔣鳳華，陳發(fā)榮

(1.青島科技大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院，山東 青島 266042；2.國家海洋局第一海洋研究所 海洋生態(tài)研究中心，山東 青島 266061；3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室海洋藥物與生物制品功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071)

濕地是地球上水陸相互作用形成的獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)，作為水陸過渡帶，具有巨大的環(huán)境調(diào)節(jié)功能和生態(tài)效益[1-2]。近年來由于自然因素和人類生產(chǎn)活動(dòng)的影響，各地的濕地處于不斷退化或即將退化的過程中。目前，隨著環(huán)境科學(xué)的不斷發(fā)展，濕地重金屬污染已成為國內(nèi)外濕地環(huán)境污染的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容，濕地中重金屬是一類難降解、易積累的持久性有毒污染物，通常由自然因素和人為因素所致，其中自然因素包含巖石的風(fēng)化、酸雨等；人為因素有工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、化肥的使用、汽車尾氣的排放等[3-4]。濕地中某些重金屬元素(Cd、Pb、Hg、Cr、As)的含量高于自然背景水平，可導(dǎo)致濕地生態(tài)環(huán)境的破壞。較高濃度的重金屬可抑制植物對Ca、Mg的吸收，使植物表現(xiàn)出葉片發(fā)黃甚至壞死，根系不發(fā)達(dá)，以及植株矮小等癥狀[5]；并且重金屬可通過植物的吸收進(jìn)入食物鏈，對生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成一定的威脅[6]。

濕地中重金屬的分布特征及修復(fù)技術(shù)已有報(bào)道，特別是植物對濕地中的重金屬修復(fù)已成為研究重點(diǎn)，植物修復(fù)濕地中重金屬主要基于植物可耐受或超積累某些特定的重金屬污染物。目前植物修復(fù)技術(shù)主要分為3類：①植物揮發(fā)：利用植物將吸收到體內(nèi)的重金屬轉(zhuǎn)化成氣態(tài)物質(zhì)，釋放到大氣中，從而減少土壤中的一些揮發(fā)性污染物；②植物提取：利用植物吸收、積累重金屬的特性，通過植物自身或人為誘導(dǎo)的方法使植物將土壤中的重金屬轉(zhuǎn)移到地上部分，再通過收割的方式減少土壤中的重金屬含量；③植物穩(wěn)定：利用植物的根吸附積累重金屬或利用其分泌物將重金屬沉淀或還原，使重金屬的生物有效性降低，減少被其他植物吸收的可能性等[7-8]。

因此，基于濕地中的植物對重金屬的吸收、代謝和累積作用，其對重金屬的富集能力決定了濕地的凈化能力和植物的配置原則，且不同科屬的濕地植物對重金屬的富集能力不同。一年生草本植物耐高鹽堿蓬一般生長在荒野灘涂，適應(yīng)能力較強(qiáng)，能在易富集重金屬的濕地、沿海灘涂和潮灘等高鹽堿環(huán)境中正常生長[9]，并對Cu、Pb、Zn、Cd、Ni和As等重金屬有著很好的耐受性[10]，將該植物用于濕地修復(fù)，在凈化土壤的同時(shí)，還能起到固土護(hù)堤[11]、調(diào)節(jié)氣候的作用。本文通過在秦皇島濱海濕地種植耐高鹽堿蓬，觀測濕地土壤沉積物及耐高鹽堿蓬中不同金屬元素的含量與變化，分析耐高鹽堿蓬根、莖、葉對金屬元素的富集特征，以及不同金屬元素在堿蓬中的遷移規(guī)律，以期為利用堿蓬進(jìn)行濕地中重金屬的修復(fù)提供技術(shù)支撐及理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 7500a電感耦合等離子體質(zhì)譜(美國安捷倫公司)；MARS密閉微波消解儀(美國CEM公司)；Milli-Q超純水處理系統(tǒng)(美國Millipore公司，電阻率18.2 MΩ·cm)；真空冷凍干燥機(jī)(美國Labconco公司)；AL104 型電子天平(瑞士Mettler-Toledo 公司)。

濃HNO3、H2O2、HF(優(yōu)級純，德國Merck公司)；多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液10 mg·L-1及50 μg·L-1Li、Sc、Ge、Y、In、Tb和Bi混合內(nèi)標(biāo)溶液(美國SPEX CertiPrep公司);液氬(純度99.999%)；土壤、沉積物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW07434)及灌木枝葉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW07603(GSV-2)(國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心)。

1.2 試驗(yàn)區(qū)及樣品的采集

試驗(yàn)區(qū)為秦皇島濱海濕地(119°30′49.57″E～119°31′3.30″E，39°50′20.11″N～39°50′10.33″N，圖1)，布設(shè)16個(gè)站位采取沉積物樣品(Q01～Q16)，其中在Q01、Q08、Q11、Q13、Q15站位分別采集堿蓬植物(每站3～5株)。堿蓬選取生長狀態(tài)良好的植株，生長周期為4個(gè)月，株高約18 cm，采集時(shí)保持根部完整，現(xiàn)場采集的植物與沉積物樣品于密封袋中密封保存。

圖1 樣品采集站位圖Fig.1 Sampling stations

1.3 樣品預(yù)處理及測定

堿蓬樣品用水洗凈后，用超純水洗滌3次，風(fēng)干，將同一站位采集的不同株堿蓬按根部、莖部、葉片分類混合，在真空冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥、粉碎后混合均勻，稱取0.20 g干樣品于聚四氟乙烯(PTFE)消解罐中，加入6 mL HNO3+2 mL H2O2，按表1程序進(jìn)行消解；待樣品消解完畢后，用超純水定重至20.00 g，待測。

表1 微波消解工作參數(shù)Table 1 Working parameters of microwave digestion

沉積物樣品冷凍干燥、粉碎過篩(80目)后，準(zhǔn)確稱取0.10 g干樣品于聚四氟乙烯(PTFE)高壓密封罐中，加入5 mL HNO3+2 mL H2O2+1 mL HF，于80 ℃消解2 h，放氣穩(wěn)定后于120 ℃再消解2 h，冷卻、趕酸后用超純水定重至20.00 g，待測。

沉積物與植物消解溶液均利用Agilent 7500a ICP-MS進(jìn)行測定，標(biāo)準(zhǔn)溶液和樣品溶液測定時(shí)均在線加入內(nèi)標(biāo)進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，內(nèi)標(biāo)溶液為50 μg·L-1Li、Sc、Ge、Y、In、Tb、Bi。為考察方法的可靠性與準(zhǔn)確度，在相同實(shí)驗(yàn)條件下對土壤、沉積物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW07434)和灌木枝葉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW07603(GSV-2))進(jìn)行金屬元素測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用富集系數(shù)(Enrichment factor，EF)和轉(zhuǎn)移系數(shù)(Translocation factor，TF)對研究區(qū)域中植物的富集特征進(jìn)行評估，其計(jì)算公式分別為：富集系數(shù)(EF)=CX/C沉積物；轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)=CX1/CX2。CX為植物不同部位中重金屬的濃度，C沉積物為植物附近沉積物中重金屬濃度。植物對重金屬的富集系數(shù)可反映出植物對土壤中不同重金屬的吸附效果[12]。CX1、CX2分別為植物不同部位的重金屬濃度。重金屬在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移系數(shù)能夠提示重金屬在植物體內(nèi)的遷移過程和積累情況[13]。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕地沉積物中重金屬含量分析

為考察濕地表層沉積物中重金屬的分布特征，首先對16個(gè)站位沉積物中的Cr、Fe、Mn、Ni、Cu、Zn、As、Mo、Cd和Pb 10種金屬元素含量進(jìn)行測定(表2)。結(jié)果顯示，沉積物中不同金屬元素的平均含量由高至低順序?yàn)镕e>Mn>Zn>Cr>Pb>Ni>Cu>As>Mo>Cd，平均值與中位數(shù)近似，表明采樣數(shù)據(jù)在高濃度與低濃度之間分布較平均，不同重金屬含量的變化范圍不大，最大值與最小值之間比值較大的為Cd、Ni、Cu、Mo和Pb，其值分別為4.25、2.88、2.81、2.75與2.20。相對標(biāo)準(zhǔn)偏差可反映采樣總體中各樣點(diǎn)之間的平均變異程度[12]，從結(jié)果可知Cd的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差最大(為58.51%)，在空間變異程度中屬于強(qiáng)變異類型，表明Cd在空間中分布不均勻，離散性較大，其他9種金屬元素(Cr、Fe、Mn、Ni、Cu、Zn、As、Mo、Pb)的變異程度較小，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為15.72%、7.04%、10.81%、25.35%、23.26%、15.91%、11.74%、29.92%、20.74%，空間分布較均勻，波動(dòng)較小。

表2 濕地沉積物中的重金屬含量Table 2 Levels of heavy metal in sediment from wetland

2.2 堿蓬中不同部位重金屬的含量分析

堿蓬體內(nèi)不同部位的重金屬含量如表3所示，由平均值可知，堿蓬不同部位的重金屬含量存在差異,Mn、Ni、Cu、As、Cd和Pb的含量大小順序?yàn)楦?葉>莖，F(xiàn)e的含量順序?yàn)楦?莖>葉，Cr的含量順序?yàn)榍o>根>葉，Zn和Mo的含量順序?yàn)槿~>根>莖。比較各站位數(shù)據(jù)可知，在根中Q01站位的Fe、Mn、Ni、As、Mo、Pb和Q15站位的Cd含量明顯高于平均含量，在莖中Q01站位的Fe、Mn、Cu和Q15站位的Cr含量明顯高于其他站位，在葉中Q08站位的Mo和Q11站位的Mn含量明顯高于平均含量，而Q01站位的Cd含量明顯低于平均含量。不同金屬元素在沉積物及堿蓬中的含量相關(guān)性分析顯示[13]，根、莖、葉中重金屬含量與不同站位沉積物中重金屬含量之間呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.999 5。

表3 重金屬在堿蓬不同部位的分布Table 3 Distribution of heavy metal in different plant organs (mg/kg，n=3)

2.3 方法學(xué)考察

測得土壤、沉積物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的金屬元素含量為：Cr 89.2 mg/kg(標(biāo)準(zhǔn)值94.0±3.0 mg/kg)，F(xiàn)e 4.10 mg/kg(標(biāo)準(zhǔn)值4.45±0.04 mg/kg)，Mn 0.54 mg/kg(標(biāo)準(zhǔn)值0.60±0.01 mg/kg)，Ni 39.5 mg/kg(標(biāo)準(zhǔn)值41.3±1.9 mg/kg)，Cu 30.1 mg/kg(標(biāo)準(zhǔn)值28.8±2.0 mg/kg)，Zn 80.1 mg/kg(標(biāo)準(zhǔn)值77.2±3.2 mg/kg)，As 17.2 mg/kg(標(biāo)準(zhǔn)值15.9±1.0 mg/kg)，Mo 1.12 mg/kg(標(biāo)準(zhǔn)值1.08±0.06 mg/kg)，Cd 0.033 mg/kg(標(biāo)準(zhǔn)值0.037±0.008 mg/kg)和Pb 28.9 mg/kg(標(biāo)準(zhǔn)值30.8±1.4 mg/kg)，各元素的回收率為89.2%～108%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于10%。測得灌木枝葉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的金屬元素含量為：Cr 2.4 mg/kg(標(biāo)準(zhǔn)值2.6±0.2 mg/kg)，Mn 59 mg/kg(標(biāo)準(zhǔn)值61±5 mg/kg)，Ni 1.5 mg/kg(標(biāo)準(zhǔn)值1.7±0.3 mg/kg)，Cu 7.2 mg/kg(標(biāo)準(zhǔn)值6.6±0.8 mg/kg)，Zn 21.6 mg/kg(標(biāo)準(zhǔn)值20.6±2.2 mg/kg)，As 1.33 mg/kg(標(biāo)準(zhǔn)值1.25±0.15 mg/kg)，Mo 0.26 mg/kg(標(biāo)準(zhǔn)值0.28±0.05 mg/kg)，Cd 0.35 mg/kg(標(biāo)準(zhǔn)值0.38 mg/kg)，Pb 44 mg/kg(標(biāo)準(zhǔn)值47±3 mg/kg)，各元素的回收率為88.2%～109%，RSD小于8%，表明檢測方法的準(zhǔn)確度和重現(xiàn)性較好。

圖2 堿蓬不同部位的金屬富集系數(shù)Fig 2 Enrichment factors of different organsA.root；B.stem；C.leaf

2.4 堿蓬不同部位對金屬的富集系數(shù)

土壤中植物不同部位對重金屬的富集系數(shù)(EF)可反映其對不同重金屬的吸附效果[14]，EF數(shù)值越大，說明植物對重金屬的吸收效果越好。研究結(jié)果顯示：堿蓬根部(圖2A)的金屬富集系數(shù)平均值由大到小的順序?yàn)椋篊d>Mo>Cu>As>Zn>Cr>Ni>Mn>Pb>Fe，平均值分別為22.53、2.08、1.86、0.99、0.90、0.68、0.47、0.43、0.38、0.34。Q01站位，堿蓬根部對Cd的富集系數(shù)均遠(yuǎn)小于其他站位，對Fe的富集系數(shù)遠(yuǎn)大于其他站位，根部對其他元素的富集系數(shù)在各站位變化不大，Cu和Mo的富集系數(shù)高于Cr、Fe、Mn、Ni、Zn、As、Pb，而Fe的富集系數(shù)最低。堿蓬莖部(圖2B)的金屬富集系數(shù)平均值由大到小的順序?yàn)椋篊d>Mo>Cu>Zn>Cr>Mn>As>Ni>Fe>Pb，平均值分別為10.65、1.18、1.03、0.79、0.77、0.18、0.17、0.14、0.06、0.05。由平均值可知，堿蓬莖對Cd的富集系數(shù)最高，對Pb的富集系數(shù)最低，其中Mn、Ni、Cu、Zn、Mo在各站位的富集系數(shù)分布較為平均，Q15中Cr和Q01中Fe、As、Pb的富集系數(shù)遠(yuǎn)高于其他站位，而Q01中Cd的富集系數(shù)遠(yuǎn)低于其他站位。在葉中(圖2C)的富集系數(shù)平均值由大到小的順序?yàn)椋篊d>Mo>Zn>Cu>Mn>As>Cr>Ni>Pb>Fe，平均值分別為20.02、6.71、1.45、1.05、0.41、0.23、0.16、0.15、0.10、0.05。在堿蓬葉中，Cd的富集系數(shù)最大，F(xiàn)e的富集系數(shù)最小，Q15中Mo的富集系數(shù)遠(yuǎn)高于其他站位，Q01中Cd的富集系數(shù)遠(yuǎn)低于其他站位，Cr、Fe、Mn、Ni、Cu、Zn、As和Pb的富集系數(shù)在各站位變化不大。由平均值可知，堿蓬莖的富集系數(shù)除Cr外均低于根和葉中的富集系數(shù)，除Zn和Mo外，在根中的富集系數(shù)高于葉中的富集系數(shù)。

另外，植物地上部分對重金屬的富集系數(shù)>1時(shí)，能夠通過收獲植物地上部分的方式將重金屬元素移出生態(tài)系統(tǒng)[15]。由表4可知，所有站位中堿蓬地上部分的富集系數(shù)由高到低依次為Cd>Mo>Zn>Cu>Cr>Mn>As>Ni>Pb>Fe，Cd的平均富集系數(shù)最大(32.13)，F(xiàn)e的富集系數(shù)平均值最小(0.11)，其中Cd、Mo、Zn和Cu富集系數(shù)的平均值>1，由此可以看出，堿蓬地上部分對Cd和Mo的富集效果最好，Zn和Cu次之，富集Cr、Mn、As、Ni 、Pb和Fe的效果相對較差。

表4 生物富集系數(shù)(C地上部分/C沉積物)Table 4 Bioconcentration factor(Caboveground/Csediment)

2.5 重金屬在植物體內(nèi)的遷移與積累

重金屬在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)顯示了重金屬在植物體內(nèi)的遷移過程和積累情況[16]，制約金屬離子從根部轉(zhuǎn)移到莖部有兩個(gè)因素：①堿蓬根系的吸收蛋白將重金屬元素吸收到根部的細(xì)胞中，再通過轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)移到木質(zhì)部中，在此過程中，重金屬離子需通過專一通道或由特異性蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入木質(zhì)部，木質(zhì)部裝載的選擇性導(dǎo)致了不同重金屬積累在堿蓬體內(nèi)的不同部位；②葉部葉肉細(xì)胞隨蒸騰流吸收重金屬。表5的研究結(jié)果表明，一些重金屬在堿蓬體內(nèi)TF葉/根<1且TF葉/莖>1(如Fe、Ni、Pb、As、Cu)，說明堿蓬根部中這些重金屬含量明顯高于葉和莖中的含量，另一些重金屬在堿蓬中TF葉/根>1且TF莖/根<1(如Mn、Zn、Mo、Cd)，說明堿蓬將這些重金屬儲存在葉中，而只有Cr被儲存在莖中(TF莖/根>1且TF葉/根<1)，說明堿蓬中根和葉是主要重金屬積累器官，堿蓬將Fe、Ni、Pb、As、Cu固定在根部，而Mo、Zn、Cd、Mn能夠由根部遷移到葉中，并在葉中儲存。一般情況下，普通植物體內(nèi)重金屬含量過高會(huì)導(dǎo)致植物植株矮小，葉片發(fā)黃，甚至死亡，但重金屬耐受性植物能夠通過根部細(xì)胞分泌的有機(jī)酸與重金屬絡(luò)合，使重金屬的毒性降低，同時(shí)增加重金屬的溶解性和可移動(dòng)性，提高重金屬運(yùn)輸?shù)礁档乃俾剩⑶抑参锛?xì)胞的分區(qū)室化也能使重金屬的毒害作用降低;液泡能夠通過主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞轿罩亟饘伲瑢⒅c其中的有機(jī)酸和蛋白質(zhì)結(jié)合而儲存在液泡中，通過揮發(fā)或落葉等形式將重金屬排出體外[17-20]。因此，本研究中不同重金屬的遷移與富集特征，可為耐高鹽堿蓬對濕地重金屬的修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。

表5 重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)Table 5 Translocation factor of heavy metal

3 結(jié) 論

本文通過對秦皇島濕地沉積物中的重金屬含量以及耐高鹽堿蓬對重金屬元素的富集和遷移的研究，得出以下結(jié)論：研究選取的濕地修復(fù)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤沉積物中金屬元素的分布較均勻，多數(shù)金屬元素的變異程度較小；金屬元素在堿蓬根、莖、葉中的含量分布存在較大差異，其中Fe、Mn、Ni、Cu、As、Cd和Pb的含量在根中最高，Cr的含量在莖中最高，Zn和Mo的含量在葉中最高，植物的根、莖、葉與沉積物中重金屬含量呈顯著正相關(guān)。從堿蓬的富集系數(shù)可見，堿蓬葉片對Cd的富集能力最強(qiáng)，并且Cu、Zn、Mo、Cd的吸收系數(shù)均大于1，說明堿蓬能將土壤中的Cu、Zn、Mo、Cd移出。Fe、Ni、Pb、As、Cu等重金屬在堿蓬體內(nèi)的遷移效率較低，被儲存在堿蓬的根部，Mo、Zn、Mn、Cd等重金屬在堿蓬體內(nèi)傳輸效率較高，能從根部轉(zhuǎn)移到葉片貯存，可通過揮發(fā)或落葉的形式將重金屬排出體外。上述研究結(jié)果在濕地土壤中重金屬的修復(fù)方面具有一定應(yīng)用價(jià)值。