萱草對重金屬鉛污染土壤的修復效果研究

李秀仙，王斌，李 珣，孔文亮，孫寶年，姚士新

（天津市北大港濕地自然保護區(qū)管理中心，天津300270）

在人類生產和生活過程中，平均每年排放約5×106t鉛。我國每年排放到環(huán)境中的鉛約為7.83×105t[1]。大量有害重金屬鉛進入土壤，造成土壤中的鉛含量嚴重超標，使得土壤結構和功能惡化，土壤肥力下降，直接危害到人類的健康和發(fā)展。

重金屬鉛雖然是植物生長所需的微量元素,在植物體內的含量適中時，會對植物的生長發(fā)育起到良好的促進作用。但是，鉛在植物體內的含量較高時則會影響植物的正常生長,紊亂植物的生長代謝，抑制植物的生長和發(fā)育,最終導致植物死亡。如，長期使用含鉛量較高的水灌溉農作物時,會影響農作物的根部對氮的轉化和吸收[2]，而且，重金屬鉛污染的土壤中的鉛會富集到植物體內并會通過食物鏈在人體內富集。重金屬在食物鏈中的傳遞是具有累積性的，食物鏈頂端的人類會在體內累計大量的重金屬，當人體累積的重金屬鉛含量過高，會造成重金屬中毒并產生絞痛；孕婦體內的鉛含量過高時會造成死胎、早產及嬰兒精神呆滯等病癥[3]。通過研究萱草對不同濃度的鉛的富集與轉運情況來探究植物修復的機制，為防治重金屬鉛的土壤污染提供數據支持。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

準備材料：栽培土壤、營養(yǎng)土、花盆、萱草的幼苗等。

實驗儀器：石墨爐原子吸收分光光度計、鉛空心陰極燈、10 uL移液槍等。

實驗試劑：濃硝酸、氫氟酸、高氯酸、磷酸氫二胺溶液、鉛標準使用溶液 Pb（NO3）2：250 μg/L 等。

1.2 檢測方法

實驗測定土壤及植物體內重金屬鉛的方法依據是GB/T 17141—1997《土壤質量 鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光光度法》。儀器的使用條件見表1。

表1 儀器條件

1.3 計算公式

1.4 萱草培育

實驗是以萱草為栽培對象，盆栽所用土以5.5 kg野外土壤，0.5 kg營養(yǎng)土配置栽培土壤，即每個花盆裝土6.0 kg，共配置16盆，每盆摘種1株萱草嫩芽。自2018年1月培養(yǎng)至2018年11月。在寒冷季節(jié)，溫度較低時，轉移到室內培育，室內溫度23℃，溫度波動為2℃，于2018年1月15日將配置好的Pb（NO3）2以溶液形式加入土壤中（均勻滴滲）。以查閱的大量資料為依據，將實驗組分為三組，每組培養(yǎng)4盆，剩余4盆不加 Pb（NO3）2作為對照組（CK），各實驗組重金屬鉛的處理濃度具體值見表2。

表2 重金屬鉛處理濃度

1.5 試樣制備與測定

取樣時，將萱草完整取出，將花盆中的土壤收集完全，裝入準備好的信封中，于烘箱中80℃烘干4 h，稱重記錄。之后用研磨器研磨，通過100目的網篩，以除去孔徑較大的沙粒，取篩下土混勻后備用；將采集的萱草植物去除根部沙土并稱重記錄（具體質量見表3），后續(xù)處理方法與土壤相同。

表3 萱草烘干后的生物量

在電子天平上稱取0.2 g樣品倒入50 mL的坩堝中，先在坩堝中加少量去離子水再加入5 mL濃鹽酸，在電熱板上加熱，溫度控制在120～160℃，初步分解樣品，待試樣剩余約2 mL時，取出冷卻，然后加入5 mL硝酸、4 mL氫氟酸、2 mL高氯酸。加蓋后在電熱板上恒溫加熱1 h，溫度控制在160～190℃。到時間后，開蓋加熱除硅，并經常搖動坩堝。直到坩堝內冒厚重的高氯酸白煙時，再加蓋，這樣是為了使黑色的有機碳化物能夠充分分解。坩堝內的黑色有機物消失后，開蓋趕酸，等到樣品呈粘稠狀，取下坩堝冷卻，然后用去離子水淋洗坩堝的蓋和內壁，再加入1 mL硝酸于120℃恒溫加熱溶解剩余殘渣。殘渣溶解完全后將坩堝內溶液移至25 mL容量瓶中，再加入3 mL磷酸氫二胺溶液于容量瓶中，待溶液冷卻后定容。

依據GB/T 17141—1997《土壤質量 鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光光度法》。測定各實驗組泥土和萱草樣品中重金屬鉛的含量 W［Pb（Cd），mg/kg］，按公式（3）計算：

式中：c—制備的樣品中鉛含量，μg/L；

V—試液定容的體積，mL；

m—稱取試樣的質量，g；

f—試樣中水分的含量，%。

2 結果及討論

2.1 土壤本底值

測定剛配置的土壤中重金屬鉛的本底值（表4、表5）。

表4 土壤重金屬鉛本底值 mg·kg-1

表5 土壤本底值其他指標 mg·kg-1

2.2 測定結果與分析

各實驗組萱草根葉中鉛的濃度（表6）。

表6 萱草根葉中Pb的濃度 mg·kg-1

由表6可以看出，萱草的兩個器官中對重金屬鉛的吸收富集能力會隨著加入土壤中重金屬鉛的含量升高而增大。通過實驗數據來看，萱草根在各個實驗組中所富集的鉛含量均大于葉。其中鉛含量為100～1 000 mg/kg時，葉中的鉛含量大約是根中的1/2。此外，萱草的根對重金屬鉛的吸收能力在各濃度梯度均大于萱草葉。

2.3 富集系數與轉運系數

利用石墨爐原子吸收分光光度法測定土壤樣品和萱草中鉛的含量，通過公式（1）（2）即可計算出萱草的富集和轉運系數（表7）。

表7 萱草根-葉轉運系數及富集系數

在鉛的處理濃度較低時，根和葉的富集系數較高，濃度高時根的富集系數迅速減小。這是因為低含量的重金屬鉛離子是萱草生長過程中所需要的必需元素，因此根和葉器官會富集重金屬鉛；轉運系數在處理濃度為100 mg/kg時達到最大為1.15，此時萱草葉中的鉛含量大于根，土壤中的Pb趨向于向萱草的地上部分積累。

2.4 修復效率

利用石墨爐原子吸收分光光度法測定土壤樣品中鉛的含量，通過公式（4）即可計算出萱草對土壤中Pb的修復效果：

土壤修復效率=植物修復前后土壤重金屬含量的差值/泥土中最初的重金屬含量 （4）

由公式（4）計算得萱草對土壤修復效率，如表8。

表8 萱草對土壤中Pb的修復效率

從表8可以看出，萱草對鉛的修復效率都比空白對照組要大，修復效果比較穩(wěn)定，最大修復效率可達到82.14%。說明萱草對重金屬污染土壤具有一定的修復能力。

3 結論

通過實驗可以看出，在重金屬Pb脅迫濃度較高時（大于500 mg/kg），萱草葉的富集系數均大于根部的富集系數，說明重金屬Pb向萱草葉部轉化的較多。萱草的根在100 mg/kg實驗組中富集系數達到最高；地上部分在500 mg/kg實驗組，富集系數達到最高。萱草對鉛的修復效率都比空白對照組要大，修復效果比較穩(wěn)定，最大修復效率可達到82.14%。說明萱草對重金屬污染土壤具有一定的修復能力，修復后萱草平均土壤含水率為59.2%，是原來19%的3倍多，說明萱草可以改善土壤的性質。根據國家無公害蔬菜重金屬含量的標準，鉛的含量應不超過50 mg/kg，萱草種植在鉛濃度低于100 mg/kg的土壤中，其莖部和葉片中的鉛含量一般不超過50 mg/kg，萱草作為花卉植物很少被食用，可減少對人類身體健康的危害，將萱草用于城市隔離帶或者作為景區(qū)的景觀，不會進入食物鏈循環(huán)。這種方式可減少重金屬鉛在生態(tài)系統(tǒng)的流動過程中對人體健康產生的威脅。用萱草修復污染土壤，既能修復土壤，又能美化環(huán)境，是一種較為綠色的修復手段，可謂一舉多得。因此，萱草完全可用于環(huán)境的優(yōu)化和治理。