三聚磷酸鈉與檸檬酸復合強化蜈蚣草修復砷污染土壤

向冬芳，廖水姣*，涂書新，張麗梅，謝 天

（1.華中農業大學理學院，武漢 430070；2.華中農業大學資源與環境學院，武漢 430070）

為一種高效的螯合劑，能夠螯合Ca2+等眾多金屬離子[14]，土壤中砷常與金屬鐵、鋁、鈣等結合形成FeAsO4·2H2O、AlAsO4·2H2O、CaHAsO4等物質，從而影響了砷的遷移性[15]，因此添加三聚磷酸鈉應該有利于A-As的溶出。土壤A-As是指能夠被生物利用的一部分砷，這部分砷對土壤生物、植物等存在明顯的生物毒性，因此越來越多的學者將目光聚集在土壤A-As的研究而非總砷[16]。土壤中各形態砷的生物可利用性為A-As＞鈣結合態砷（Ca-As）＞鋁結合態砷（Al-As）＞鐵結合態砷（Fe-As）＞殘渣態砷（Res-As）[17]。目前的文獻鮮有將其運用于植物修復技術中。因此，我們提出將三聚磷酸鈉與檸檬酸聯合施用以驗證其提高蜈蚣草修復砷污染土壤效率的假設。為此，本文首先通過模擬實驗，探究化學試劑檸檬酸與三聚磷酸鈉單一和復合施用對土壤有效態砷含量變化的影響及復合施用對土壤中各形態砷含量變化的影響，然后通過蜈蚣草盆栽實驗，探究檸檬酸與三聚磷酸鈉復合施用對蜈蚣草萃取砷效率、蜈蚣草生理生化指標及污染土壤中砷的形態變化等的影響，為砷污染土壤化學活化劑的選擇提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試植物

蜈蚣草孢子取自華中農業大學農學院門前假山。蜈蚣草先行育苗，待長至15 cm左右，選取長勢大小基本相同的蜈蚣草移栽。育苗時將孢子均勻撒在裝有營養土（pH 7.5）的塑料盆中，蓋上帶透氣孔的薄膜，定期澆水，保持土壤濕潤；待長出2～3片子葉時分成單株繼續培養，期間根據幼苗長勢施加稀釋5倍的霍格蘭營養液；育苗在溫室中進行，溫室條件為空氣濕度60%左右，室溫25℃±3℃，光照16 h，黑暗8 h。

1.2 供試土壤

供試土樣取自湖北省荊門市虎山村（31°28′N，112°15′E）水稻田表層0～20 cm土壤，土樣自然風干后除掉大塊石子和雜草，研磨后過20目篩。土樣基本理化性質如表1所示。

表1 供試土壤基本理化性質Table 1 The basic physical and chemical properties of test soil

砷位于元素周期表中第4周期VA族，具有-3、0、+3、+5等價態，在地殼中平均含量為 2 mg·kg-1[1]。目前，全世界有將近1億人正面臨砷污染的威脅[2]。大規模使用化肥和含砷農藥、煤炭燃燒、采礦及生產工業材料等人為活動是造成土壤砷嚴重污染的主要因素[3]。我國砷土壤背景值為11.2 mg·kg-1[4]，約為世界土壤平均砷背景值（6 mg·kg-1）的2倍。我國砷資源儲量為世界砷總儲量的70%[5]，由于不合理的開采利用以及礦渣隨意傾倒堆積，導致我國成為砷嚴重污染的國家之一。湖南省錫礦山，由于銻的開采和冶煉，已造成嚴重的銻和砷污染[6]。湖北銅綠山礦已有3000多年的開采歷史，尾礦廢渣等未經妥善處理，導致該地區土壤砷等重金屬污染嚴重，大多數蔬菜和水稻籽粒中砷的濃度均超過了《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762—2017）限值0.05～0.15 mg·kg-1[7]。我國表層土壤中砷含量分布呈現出自南西向北東逐漸由高變低的趨勢，海拔較高地區土壤中砷含量高于海拔較低地區[8]。據報道，我國受砷等重金屬污染的耕地面積近2000萬hm2，約占總耕地面積的1/5[9]。砷會抑制植物生長、使根莖變色變短、植株發育不良、果實產量下降等，其也被國際癌癥研究機構（IARC）列為Ⅰ類致癌物。因此，砷污染土壤亟待修復。

常用的砷污染修復技術主要分為三類：物理修復、化學修復以及生物修復[10]。植物修復技術研發由于環保綠色、投資少等受到國內外學者的格外青睞。超富集植物蜈蚣草因其對砷的耐受性強（可在含砷23 400 mg·kg-1的礦渣中生長）、積累能力強（葉片最大含砷量可達5070 mg·kg-1）、生長較快、生物量大、分布廣而倍受關注[11]。然而，盡管蜈蚣草對砷富集能力強（在含砷量小于1000 mg·kg-1的土壤中，地上部生物富集系數可達7～80）[11]，但其根系僅能吸收土壤中的有效態砷（A-As），而一般砷輕中度污染土壤中，AAs僅占總砷含量的4.6%左右[12]，因而修復效率有限。因此，利用化學試劑等與蜈蚣草聯合修復土壤砷污染引起了科研人員的關注。有研究表明檸檬酸對蜈蚣草的生長有顯著的促進作用[13]。此外，三聚磷酸鈉作

1.3 實驗設計

1.3.1 土壤模擬實驗

選用化學活化劑三聚磷酸鈉（C，化學純）和無水檸檬酸（G，分析純）。

活化劑篩選試驗：實驗設置4個處理組，分別為去離子水（對照）、三聚磷酸鈉、檸檬酸、三聚磷酸鈉+檸檬酸（1∶1，質量比），每組3次重復。試驗前將各組活化劑均配制成濃度為0.03 g·L-1的溶液備用。稱取過100目篩的砷污染土壤1.000 g裝入塑料離心管中，分別加入25.00 mL上述各活化劑溶液，在25℃、150 r·min-1下水浴振蕩2 h；繼續補加25.00 mL NaHCO3溶液使其終濃度為0.5 mol·L-1，在同樣條件下振蕩0.5 h[18]；4000 r·min-1離心 3 min。試驗結束后，取上清液過濾、酸化，測定有效態砷含量。

活化劑對土壤各形態砷含量的影響：實驗設置2個處理組，分別為去離子水和三聚磷酸鈉+檸檬酸（1∶1，質量比），每組3次重復。實驗前將活化劑配制成濃度為0.03 g·L-1的溶液備用。稱取過100目篩的砷污染土壤1.000 g裝入塑料離心管中，分別加入25.00 mL去離子水和活化劑溶液，在25℃、150 r·min-1下水浴振蕩2 h；補加25.00 mL NH4Cl溶液使其終濃度為1 mol·L-1，在同樣條件下振蕩0.5 h；4000 r·min-1離心3 min。取上清液過濾酸化，用原子熒光光度計測定提取液A-As，然后按照連續提取法測定Al-As、Fe-As、Ca-As和Res-As含量[19]。

1.3.2 盆栽試驗

盆栽試驗設計對照（CK）組和三聚磷酸鈉與檸檬酸聯合施用（CG）組，每組3次重復。將水稻土與尿素（0.2 g·kg-1）、KH2PO4（0.2 g·kg-1）、K2SO4（0.3 g·kg-1）和阿農微量營養元素儲備液（1 mL·kg-1）充分混合后裝入盆中，每盆裝土2 kg。一周后，將蜈蚣草按1株·盆-1移栽，加入自來水，使其含水量達到土壤最大持水量的60%（實驗測得2 kg土壤最大持水量為1 L，故每盆加入600 mL自來水）。培養一周待其成活后，在CG組中加入三聚磷酸鈉+檸檬酸（1∶1，質量比）0.75 g。盆栽放置室外透明遮雨棚中，在栽培過程中保持初始水分。每隔50 d補充尿素0.1 g·盆-1，并在CG組中加入0.75 g活化劑。栽培150 d后第一次收獲蜈蚣草地上部和根附近土樣（在距根0.5～2 cm圓周內，深5 cm處挖掘約5 g帶根的土樣）。留根部繼續發芽生長，每隔75 d補充尿素0.1 g·盆-1，并在CG組中加入0.75 g活化劑，150 d后第二次收獲蜈蚣草地上部和根附近土樣。

1.4 分析方法與實驗數據處理

蜈蚣草地上部樣品取后2 h之內完成清洗、濾干等工作。將一半羽葉置于烘箱105℃殺青15 min，再于70℃烘至恒質量，記錄羽葉總干質量。磨碎過20目篩，準確稱取0.500 g羽葉樣品置于消解瓶中，采用HNO3-HClO4-H2SO4消解法消解，原子熒光光度法測定葉的砷濃度。根附近土樣風干，磨碎過100目篩。剩下一半新鮮羽葉以及部分新鮮根附近土樣自封袋密封后置于-80℃冰箱冷凍保存，分別用于植株葉綠素、還原型谷胱甘肽（GSH）、丙二醛（MDA）含量測定以及土壤細菌菌群多樣性分析。

葉綠素含量采用分光光度計比色法測定；MDA含量采用2-硫代巴比妥酸（TBA）法測定；GSH含量采用DTNB法測定[20]。

準確稱取0.500 g風干根附近土樣置于消解瓶中，采用HNO3-HClO4-H2SO4消解法消解，原子熒光光度計測定其砷濃度。稱取1.000 g風干根附近土樣按1.3.1砷形態提取法提取各形態砷。土壤脲酶、脫氫酶以及總磷酸酶活性測定方法參考《土壤酶及其研究法》[21]。稱取0.5 g新鮮根附近土樣，采用宏基因組16S rDNA測序技術分析土壤細菌菌群多樣性[22]。

實驗結果以平均值±標準差的形式表示。采用Origin 8.0繪圖。實驗數據采用SPSS 17.0進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 化學活化劑對砷污染土壤有效態砷和各形態砷含量變化的影響

由圖1A可知，單一活化劑和三聚磷酸鈉與檸檬酸配合施用均能夠提高土壤中有效態砷含量，且配合施用活化效果明顯優于單一活化劑。與對照組相比，單一活化劑三聚磷酸鈉、檸檬酸處理有效態砷含量分別提高28.4%、35.0%，三聚磷酸鈉+檸檬酸處理有效態砷含量顯著提高了99.58%。對水稻土而言（圖1B），加入三聚磷酸鈉+檸檬酸使土壤中A-As含量比對照組顯著提高了77.6%，Ca-As降低了8.6%，Al-As增加了8.8%，Fe-As及Res-As含量基本不變。說明三聚磷酸鈉和檸檬酸配合施用對鈣離子有較強的螯合能力，因此可通過溶解Ca-As來提高土壤A-As含量。

比較圖1A和圖1B發現，對于去離子水組，0.5 mol·L-1NaHCO3（pH 8.5）溶液提取的A-As含量為4.1 mg·kg-1，高于1 mol·L-1NH4Cl（pH 5.1）溶液提取的A-As含量（0.9 mg·kg-1）。說明pH對A-As含量變化影響較大。砷在土壤中以陰離子形式存在，pH增大會增加土壤的表面負電荷粒子，導致砷在土壤顆粒中的吸附量下降，促進了其釋放。

圖1 活化劑對土壤有效態砷（A）以及各形態砷含量（B）的影響Figure 1 Effects of compound chemical activators on the content of available As（A）and geochemical forms of As in contaminated soils of paddy soil（B）

2.2 三聚磷酸鈉和檸檬酸配合施用對蜈蚣草萃取砷含量的影響

本研究擬通過蜈蚣草富集土壤重金屬砷，收割植株地上部進行回收處理，留下根部繼續發芽生長，從而在不斷循環收割中達到修復土壤中砷污染的問題。由于蜈蚣草地上部富集的砷絕大多數儲存于羽葉的液泡中，約占地上部總砷的96%[23]，因此本研究重點探究羽葉中砷含量的變化。

對于一次收獲，由圖2A可知，CG組羽葉中的砷濃度比CK組增加了13.4%。活化劑CG能促進蜈蚣草羽葉的生長，使其生物量比CK提高了34.9%（圖2B）。圖2C為平均每株蜈蚣草羽葉萃取砷總量（羽葉砷濃度×羽葉干質量），與CK相比，CG組羽葉中總砷含量顯著提高了52.3%。

對于二次收獲，與CK相比，CG組羽葉中的砷濃度增加了28.0%（圖2D），羽葉生物量顯著提高了21.8%（圖2E），羽葉總砷含量提高了40.4%（圖2F）。

2.3 三聚磷酸鈉和檸檬酸配合施用對蜈蚣草生理生化指標的影響

葉綠素含量是衡量植物生長狀況的一個重要指標。羽葉中的GSH作為一種重要的抗氧化劑，含有活性巰基，可以在谷胱甘肽轉移酶的作用下與過氧化氫、活性氧自由基和重金屬結合，降低植物毒性。MDA含量可以衡量植物細胞膜過氧化程度，當細胞受到外界環境的脅迫時，植物細胞膜的過氧化程度增加，MDA含量增加。

對于一次收獲，由圖3A可知，與CK相比，CG組葉綠素含量增加了7.1%，該結果與生物量增加的規律（圖2B）較為一致；羽葉GSH含量增加了17.5%。MDA含量增加了24.6%。

對于二次收獲，由圖3B可知，與CK相比，CG組葉綠素含量增加了3.9%，GSH含量升高了19.4%，MDA含量顯著增加了51.9%。葉綠素含量增加與蜈蚣草羽葉生物量增加規律（圖2E）一致。

2.4 三聚磷酸鈉和檸檬酸配合施用對蜈蚣草根附近土壤總砷以及各形態砷含量的影響

一次收獲根附近土壤總砷含量如圖4A所示，與CK組相比，CG組根附近土壤總砷濃度顯著下降了3.6%。與CK組相比，CG組A-As含量顯著增加了375.4%，Ca-As含量降低了1.6%，Al-As含量增加了2.2%，Fe-As含量顯著降低了7.9%，Res-As含量降低了9.1%（圖4B）。從砷形態分布來看，三聚磷酸鈉+檸檬酸通過將Ca-As、Al-As、Fe-As和Res-As向A-As轉變，從而促進蜈蚣草對砷的吸收，降低土壤砷含量。

二次收獲根附近土壤總砷含量如圖4C所示，與CK相比，CG組根附近土壤總砷濃度下降了2.5%。與CK組相比，CG組A-As含量顯著增加了90.6%，Ca-As含量顯著增加了62.6%，Al-As含量增加了15.9%，Fe-As含量降低了2.2%，Res-As含量降低了21.5%（圖4D）。結合兩次收獲時根附近土壤總砷變化和各形態砷分布情況來看，三聚磷酸鈉和檸檬酸復合施用能夠顯著提高土壤可利用態砷含量，降低土壤總砷含量。

圖2 三聚磷酸鈉和檸檬酸配合施用對一次收獲蜈蚣草（A.羽葉砷濃度；B.羽葉生物量；C.羽葉總砷萃取量）和二次收獲蜈蚣草（D.羽葉砷濃度；E.羽葉生物量；F.羽葉總砷萃取量）萃取土壤砷含量的影響Figure 2 Effect of the composite of sodium tripolyphosphate and citric acid on the amount of arsenic absorbed by pinnae of Pteris vittata L.at first harvested（A.The concentration of As in pinnae；B.The dry weight of pinnae；C.The total As in pinnae）and second harvested（D.The concentration of As in pinnae；E.The dry weight of pinnae；F.The total As in pinnae）

圖3 三聚磷酸鈉和檸檬酸配合施用對一次收獲（A）和二次收獲（B）蜈蚣草生理生化指標的影響Figure 3 Effects of the composite of sodium tripolyphosphate and citric acid on physiological and biochemical parameters of the pinnae of Pteris vittata L.at first harvested（A）and second harvested（B）

2.5 三聚磷酸鈉和檸檬酸配合施用對二次收獲根附近土壤酶活性以及土壤細菌菌群多樣性的影響

土壤脲酶可以水解尿素，其活性可明顯反映土壤肥力水平。土壤脫氫酶廣泛存在于動植物和微生物體內，其活性可以評估土壤微生物降解有機物的能力。土壤磷酸酶可以水解磷酸基團，提高土壤中有效態磷的含量。圖5A顯示，與CK相比，CG組土壤脲酶活性顯著增加了43.6%，土壤脫氫酶活性顯著增加了57.6%，磷酸酶活性降低了9.0%。

圖4 三聚磷酸鈉和檸檬酸配合施用對一次收獲根附近土壤總砷（A）和各形態砷（B）含量以及對二次收獲根附近土壤總砷（C）和各形態砷（D）含量的影響Figure 4 Effect of the composite of sodium tripolyphosphate and citric acid on total As（A）and As geochemical forms（B）of soil cultivating Pteris vittata L.at first harvested and total As（C）and As geochemical forms（D）of soil cultivating Pteris vittata L.at second harvested

圖5 三聚磷酸鈉和檸檬酸配合施用對二次收獲根附近土樣酶活性（A）以及根附近土細菌菌群多樣性（門水平）（B）的影響Figure 5 Effects of the composite of sodium tripolyphosphate and citric acid on urease，dehydrogenase，phosphatase activities（A）and the bacterial community composition（phylum level）（B）of rhizosphere soil at second harvested

為研究加入的三聚磷酸鈉+檸檬酸是否會破壞土壤微生物菌群多樣性，利用QIIME軟件分析，得到了各處理根附近土壤中細菌在門水平上的組成和豐度分布。圖5B是細菌在門水平上的多樣性分析。不同的顏色表示不同的門水平分類，柱狀面積大小表示其含量所占比例。選取占比較大的前10種菌群進行分析，其中變形菌門占主導地位，CK和CG組變形菌門分別占總量的38.0%和41.7%；其次是酸桿菌門、綠彎菌門、擬桿菌門、放線菌門、芽單胞菌門等。Han等[24]發現在種植蜈蚣草的砷污染根附近土壤中，變形菌門占據主導地位。已有研究證實，變形菌的數量會影響土壤砷的轉化[25]。Li等[26]發現假單胞菌（變形菌門）在沉積物中砷的釋放過程中起著重要作用。說明變形菌門的增加對提高土壤中溶解性砷有促進作用。

3 討論

3.1 三聚磷酸鈉和檸檬酸配合施用能提高蜈蚣草羽葉砷修復效率

檸檬酸對植物具有明顯的促生作用[13]，且可通過酸解、離子交換等提高土壤砷溶解度[27]。三聚磷酸鈉對鈣、鐵、鎂等金屬離子具有良好的螯合作用，可溶解金屬結合態砷，還能通過磷酸根與砷酸根競爭土壤吸附位點，減少土壤對砷的吸附而釋放砷[28]，且其毒性較小，如可用作食品添加劑[29]等，因此具備了修復砷污染的潛力，但目前鮮有人將其運用于土壤重金屬修復領域。由圖1A可知，單獨使用三聚磷酸鈉和檸檬酸對土壤砷的活化有一定效果，但明顯低于兩者配合施用的效果。因此在盆栽實驗中研究了三聚磷酸鈉和檸檬酸配合施用對蜈蚣草修復效率的影響。結合兩次收獲蜈蚣草羽葉生物量來看（圖2B和圖2E），三聚磷酸鈉+檸檬酸組羽葉生物量提高了21.8%以上。實驗結果表明三聚磷酸鈉+檸檬酸的加入能夠促進植物生長，三聚磷酸鈉除提高A-As之外，還可能增加了土壤中磷的含量[30]。結合兩次收獲羽葉砷含量來看（圖2A、圖2C和圖2D、圖2F），三聚磷酸鈉+檸檬酸組羽葉砷濃度均提高了13.4%以上，總砷含量均提高40.4%以上。結果表明在砷污染土壤中加入復合化學活化劑三聚磷酸鈉+檸檬酸能夠促進蜈蚣草羽葉對土壤砷的富集。其原因是活化劑三聚磷酸鈉+檸檬酸顯著增加了植物根附近土壤中A-As含量（圖4B和圖4D），增加了蜈蚣草生物量（圖2B和圖2E），促進了蜈蚣草對土壤砷的吸收。

Mandal等[31]在研究磷肥對蜈蚣草萃取低砷污染土砷含量時發現，按0.226 g·kg-1的比例，平均每2周向盆栽中添加1次磷酸二氫鈣，4個月后與對照相比，地上部生物量增加19.1%，地上部總砷含量增加46.5%。與此對照，本實驗平均50 d向盆栽中加入0.375 g·kg-1活化劑，5個月收獲盆栽。本實驗活化劑加入總量遠小于Mandal等[31]加入的磷肥量，但蜈蚣草萃取砷效率基本相同，說明本實驗中三聚磷酸鈉和檸檬酸配合施用在促進植物生長和提高蜈蚣草羽葉砷萃取量等方面效果優于該磷肥。因此，為提高蜈蚣草修復效率，在土壤中加入復合化學活化劑三聚磷酸鈉+檸檬酸是一個較好的途徑。

3.2 三聚磷酸鈉和檸檬酸配合施用能提高植物光合作用和抗氧化作用

本研究發現，三聚磷酸鈉和檸檬酸配合施用能提高植株羽葉葉綠素含量和GSH以及MDA含量（圖3），這可能是因為活化劑提供了植物生長所需的磷、鈉、碳等元素，促進了植物的生長，因此光合作用增強，葉綠素含量增加。活化劑增大了土壤中AAs含量，從而導致葉片中砷濃度增加，細胞受到脅迫，MDA含量增加，因此刺激了葉片合成更多的GSH，降低砷對葉片的毒害。有研究表明[32]，土壤AAs含量下降可導致生菜葉綠素含量增加，MDA含量降低。

第一次的蜈蚣草在種植之前地上部本身已生長至15 cm，而第二次收獲的蜈蚣草則是從地上部發芽開始生長，活化劑對植物會有脅迫作用，這種影響對于弱小的蜈蚣草的影響會更大，因此二次收割時活化劑組蜈蚣草體內MDA含量顯著升高，而第一次活化劑組雖比對照高但不顯著。

3.3 三聚磷酸鈉和檸檬酸配合施用能改善土壤營養狀況

許多研究表明，土壤酶活性與土壤肥力之間存在顯著相關關系，土壤酶參與土壤有機質的轉化，釋放有效成分，能夠促進植物生長，土壤肥力水平很大程度上受制于土壤酶活性的影響[33]。由圖5A可知，加入活化劑三聚磷酸鈉+檸檬酸后，土壤脲酶和脫氫酶活性均有顯著增加。有研究發現，土壤脲酶活性與土壤中磷的含量呈顯著正相關[34]。三聚磷酸鈉+檸檬酸組中三聚磷酸鈉增加了土壤中磷的含量，因此使得脲酶活性增大，從而增加了土壤中氮等營養元素含量。由于脫氫酶大多存在于微生物體內，其活性增大也說明微生物代謝更加旺盛。因此土壤肥力得到了提高，導致蜈蚣草生物量增加。而總磷酸酶含量略有降低，說明磷的加入可能抑制了土壤磷酸酶的活性。

土壤微生物在土壤生態系統中起著不可替代的重要作用，它們的群落組成失衡將會直接導致土壤生態系統紊亂，影響土壤養分循環和農業生產。從圖5B可知，與CK相比，三聚磷酸鈉和檸檬酸配合施用后雖然會使微生物組成略有影響，但總的來說不會影響土壤微生物豐富度，因此實際運用中不會破壞土壤生態系統。

值得注意的是，由于本研究僅限于盆栽試驗，其實際應用效果仍需進行大田驗證。由于大田環境較為復雜，如干旱或季節性降水等問題，施用活化劑時間、用量和方式等仍需進一步優化。此外，本研究僅針對低砷污染土壤植物修復，對于重度砷污染或復合型重金屬污染土壤的修復仍需進行驗證。

4 結論

（1）與單一化學活化劑三聚磷酸鈉或檸檬酸相比，兩者配合施用時對提高土壤中有效態砷含量的效果更為顯著。三聚磷酸鈉和檸檬酸配合施用對土壤中各形態砷含量的變化有一定的影響，主要表現為促進難利用態砷向可利用態砷的轉化。

（2）盆栽試驗證明三聚磷酸鈉和檸檬酸配合施用能夠提高蜈蚣草羽葉砷萃取效率，主要是由于其顯著增加了土壤有效態砷含量，增加了植株羽葉生物量和砷濃度，砷萃取效率與這些指標呈正相關。此外，葉綠素含量和GSH含量均有所升高，也對蜈蚣草萃取砷有促進作用。三聚磷酸鈉和檸檬酸配合施用能夠提高土壤脲酶和脫氫酶活性，提高土壤肥力，且不會破壞土壤生態系統平衡。