不同螯合劑強化青葙修復土壤鎘污染的效應

蔣萍萍 俞果 姚詩音 劉杰 雷玲 游少鴻 陳喆 程艷

摘要：【目的】研究6種螯合劑對土壤可提取態鎘（Cd）含量及青葙吸收富集Cd的影響，篩選出青葙富集Cd的最佳螯合劑及其最佳濃度，為提高青葙對Cd污染土壤的修復能力提供理論參考。【方法】采用盆栽試驗，以青葙為Cd修復植物，在總Cd含量為5.72 mg/kg、可提取態Cd含量為2.62 mg/kg的土壤中，分別加入濃度梯度為0（對照）、1.0、2.5、5.0、8.0和10.0 mmol/kg的6種螯合劑（蘋果酸、檸檬酸、酒石酸、草酸、腐殖酸和EDTA），分析不同處理的土壤可提取態Cd含量、青葙生物量及青葙各部位對Cd的富集量?！窘Y果】除腐殖酸外，加入不同濃度的螯合劑后，土壤可提取態Cd含量均高于對照組，加入10.0 mmol/kg檸檬酸時土壤可提取態Cd含量（3.18±0.29 mg/kg）最高，比對照組增加22.8%。在土壤中添加不同濃度的EDTA后，青葙幼苗干枯死亡;加入不同濃度的酒石酸、蘋果酸、檸檬酸和草酸后，青葙根、莖、葉的Cd含量均有所增加，其中以5.0 mmol/kg檸檬酸處理青葙葉片中的Cd含量（143.00±14.60 mg/kg）最高，為對照組的2.74倍。添加5.0 mmol/kg的酒石酸、蘋果酸、檸檬酸和草酸后，青葙根、莖、葉的生物量均低于對照組，其中檸檬酸和草酸處理對青葙生長的抑制作用較小，生物量較高，且該濃度下檸檬酸處理青葙對Cd的提取總量（0.199±0.006 mg/株）最高?！窘Y論】不同螯合劑種類及濃度強化青葙修復土壤Cd污染的效應存在差異，其中以添加5.0 mmol/kg檸檬酸的螯合效果最佳。

關鍵詞： 青葙;Cd污染;螯合劑;富集

中圖分類號： S19;X53? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2019）11-2443-07

Remediation effects on cadmium contaminated soil by different chelating agents enhanced Celosia argentea Linn.

JIANG Ping-ping1，2， YU Guo1，2， YAO Shi-yin1， LIU Jie1，2*， LEI Ling1，2，

YOU Shao-hong1，2， CHEN Zhe1，2， CHENG Yan1，2

（1Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology， Guilin University of Technology，Guilin， Guangxi? 541004， China; 2Guangxi Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control and Water Safety in Karst Area，Guilin University of Technology， Guilin， Guangxi? 541004， China）

Abstract：【Objective】To find out the best chelator and chelating agent concentration for cadmium（Cd） bioaccumulation in Celosia argentea Linn. and provide reference for improving remediation of Cd contaminated soil by C. argentea， the effects of six chalating agents on the contents of extractable Cd in soil and adsorption and enrichment of Cd in C. argentea were studied. 【Method】The C. argentea was chosen as the repair plants， a pot experiment was conducted. The total Cd concentration and extractable cadmium concentration of the soil used in this study were 5.72 and 2.62 mg/kg，respectively. Six chelates（malic acid，citric acid，tartaric acid，oxalic acid，humic acid and EDTA） were added to the soil with a concentration gradient of 0（CK）， 1.0，2.5，5.0，8.0 and 10.0 mmol/kg，respectively. Under different treatment conditions， the soil extractable Cd concentration，biomass in C. argentea and the Cd accumulation in different parts of C. argentea was analyzed. 【Result】The soil extractable Cd concentrations of all chelates treatment groups except the humic acid treatment group were higher than that of the control group. The soil extractable Cd concentration was the highest（3.18±0.29 mg/kg） when adding 10.0 mmol/kg of citric acid to the soil，which increased by 22.8% compared to the control group. After adding different concentrations of EDTA，all the seedlings of C. argentea died. After adding different concentrations of tartaric acid， malic acid， citric acid and oxalic acid， the Cd contents in the roots， stems and leaves of C. argentea were increased. The Cd concentration in leaves of C. argentea reached the highest（143.00±14.60 mg/kg） when adding 5.0 mmol/kg of citric acid，which was as 2.74 times as that of the control group. After adding 5.0 mmol/kg tartaric acid， malic acid， citric acid and oxalic acid，the biomass of the roots，stems and leaves of the C.argentea was lower than the control group. Under this treatment， the plants treated by citric acid and oxalic acid had less inhibitory effects on the growth of C. argentea， but it had the higher biomass. Besides， the total amount of Cd extracted in citric acid treatment was the highest（0.199±0.006 mg/plant）. 【Conclusion】It can be concluded that the different types and concentrations of chelating agents on repairing soil Cd pollution by C. argentea are different， adding 5.0 mmol/kg citric acid has the best chelating effect.

Key words： Celosia argentea Linn.; Cd contamination; chelate; accumulation

0 引言

【研究意義】鎘（Cd）作為生物功能非必需微量金屬元素，對植物和動物具有較強毒性作用（Zhang et al.，2010），在環境質量和健康方面已受到高度關注（姚詩音等，2017）。據環境保護部和國土資源部2014年發布的全國土壤污染狀況調查公報顯示，Cd的點位超標率達7.0%。Cd主要通過工業活動、人類活動和大氣沉降等途徑進入土壤環境中，降低土壤質量及農產品質量，最終影響人類健康（羅慧等，2018;趙青青等，2018）。因此，如何有效減少土壤中的Cd含量，對于提高農產品質量、改善環境質量及提高人類健康水平均具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】植物修復技術是一種可行的重金屬修復方法，不會影響表層土壤性質，不僅可保存土壤的可利用性和肥力，還能通過輸入有機質增加土壤肥力（Mench et al.，2009;Ali et al.，2013）。但植物修復技術具有植物生長緩慢、修復時間長等缺點（李玉寶等，2017），如何提高修復效率是技術重點。植物根系對重金屬的可利用性是限制植物提取效率的關鍵因素（Evangelou et al.，2007），受許多土壤因素的影響，如陽離子交換能力、pH及有機質含量等（Schmidt，2003），通過提高土壤重金屬的可利用性可提高植物對重金屬的富集效果（Tahmasbian and Sinegani，2014）。一般而言，與固相重金屬相比，水溶態重金屬更易被植物根系吸收利用。有研究表明，螯合劑可活化溶出土壤中的重金屬，增加植物對重金屬的可利用性（Schmidt，2003;陳良華等，2016）。常用的螯合劑有人工合成螯合劑（EDTA和DTPA等）和天然低分子有機酸（蘋果酸、草酸和檸檬酸等）（丁竹紅等，2009）。張敬鎖等（1999）研究表明，檸檬酸和蘋果酸可與Cd在土壤中形成復合物，但該復合物不影響植物的吸收，因此增加了Cd在植物體內的運輸及Cd在植物（小麥）地上部的含量。趙雨森等（2010）研究了土壤中添加不同濃度的草酸和檸檬酸對土壤活化Cd和鉛（Pb）的影響，發現在添加濃度為5 mmol/kg時，草酸和檸檬酸對土壤Cd和Pb的活化效果最佳。EDTA是一種強螯合劑，盡管具有毒性，但由于其對重金屬有較強的絡合能力，因此仍是土壤修復優選的螯合劑之一（Chaturvedi et al.，2015）。Ebbs和Kochian（1998）發現在土壤中添加EDTA后，印度芥菜對鋅（Zn）的吸收量可增加2～4倍。陳良華等（2016）研究發現，土壤中添加0.25 mmol/kg的EDTA可顯著增加土壤Cd的生物有效性，促進Cd在香樟幼苗各器官中的積累?！颈狙芯壳腥朦c】本課題組在前期研究中發現，莧科青葙屬一年生草本植物青葙（Celosia argentea Linn）不但對錳（Mn）具有超富集能力（Liu et al.，2014），對Cd也具有較高的耐受和富集能力，是一種潛在的Cd超富集植物（姚詩音等，2017），但目前尚不清楚能否通過增加低分子有機酸和EDTA等螯合劑來提高青葙對Cd的富集能力?！緮M解決的關鍵問題】采用盆栽試驗，以青葙為Cd修復植物，研究6種螯合劑對土壤可提取態Cd含量及青葙吸收富集Cd的影響，以期篩選出適合青葙富集Cd的最佳螯合劑及其最佳濃度，為提高青葙對Cd污染土壤的修復能力提供理論參考。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

將青葙種子播種于苗床中，置于溫度為20～35 ℃的溫室內培養。待3～7 d種子萌發后，每周用霍格蘭營養液澆灌一次，使土壤水含量保持在田間持水量的80%左右。待幼苗長出4～6片真葉，高度為3～4 cm時，移栽進行盆栽試驗。

供試土壤為廣西某礦區尾砂污染的水稻田耕作層（0～20 cm）土壤。將采集的土壤樣品放置陰涼處自然風干，磨碎后過2 mm篩，利用土壤檢測儀（SL-3A）測定土壤的基本理化性質，結果詳見表1。

1. 2 土壤Cd溶出試驗

稱取10 g過100目篩的土壤，在土壤中分別加入濃度為0（對照）、1.0、2.5、5.0、8.0和10.0 mmol/kg的檸檬酸、蘋果酸、草酸、酒石酸、腐殖酸和EDTA（低分子有機酸和EDTA均購自西隴環境科學股份有限公司），平衡2周后將土壤置于100 mL塑料離心管中。

1. 3 盆栽試驗

稱取1 kg試驗土壤裝入2 L塑料盆內，分別向盆內添加濃度梯度為0（對照）、1.0、2.5、5.0、8.0和10.0 mmol/kg的檸檬酸、蘋果酸、草酸、酒石酸、腐殖酸和EDTA。加水后曬干如此反復3次，平衡2周后備用。選取生長一致的青葙幼苗移栽至試驗土壤中，每個濃度3個重復，每盆種植3棵青葙，生長期約50 d。

每個重復組選取一株青葙進行收割，收獲后的青葙分成根、莖和葉3部分。根部先用5 mmol/L Ca（NO3）2（購自西隴環境科學股份有限公司）溶液浸泡15 min，用超聲波清洗儀清洗10 min，再用去離子水沖洗3次。莖和葉直接用去離子水清洗3次。洗凈的樣品于105 ℃殺青18 min，60 ℃烘干至恒重，分別測定根、莖和葉的干重，粉碎，過5 mm篩備用。

1. 4 樣品分析

土壤總Cd采用HNO3-HClO4（購自西隴環境科學股份有限公司）溶液消煮，可提取態Cd采用0.005 mol/L DTPA+0.01 mol/L CaCl2+0.1 mol/L TEA（購自上海晶純生化科技股份有限公司）溶液浸提，并在25 ℃下振蕩2 h;粉碎的植物樣品（約0.5 g）用HNO3+HF+HClO4（3∶1∶1，v/v/v）消化，冷卻后用去離子水稀釋至50 mL。土壤總Cd、可提取態Cd和植物中Cd含量采用火焰/石墨爐原子吸收光譜儀（PE-PinAAcle 900T，美國）進行測定。

植物樣品消解及質量控制采用國家標準參比物質[GBW10015（GSB-6）]和平行全空白樣進行，為保證結果的準確性，加標回收率控制在95%～105%。青葙對Cd的提取總量=生物量×地上部分Cd含量。

1. 5 統計分析

使用Excel 2016統計試驗數據，利用SPSS 18.0進行單因素方差分析（One-way ANOVA），使用Origin 8.0制圖。

2 結果與分析

2. 1 不同螯合劑對土壤可提取態Cd含量的影響

由圖1可看出，除腐殖酸外，添加螯合劑后可增加土壤的可提取態Cd含量。與對照組相比，在土壤中添加1.0、2.5、5.0，8.0和10.0 mmol/kg的檸檬酸和EDTA后，土壤可提取態Cd含量逐漸增加，在10.0 mmol/kg的濃度條件下分別達3.18±0.29和2.96±0.20 mg/kg，較對照組增加22.8%和14.3%。隨酒石酸、蘋果酸和草酸添加濃度的增大，土壤可提取態Cd含量均呈先升高后降低的變化趨勢，酒石酸和蘋果酸濃度為5.0 mmol/kg時，土壤可提取態Cd含量最高，分別較對照組增加15.9%和10.2%;草酸濃度為8.0 mmol/kg時，土壤可提取態Cd含量最高，較對照組增加17.3%。隨著腐殖酸添加濃度的增大，土壤可提取態Cd含量逐漸降低，腐殖酸濃度大于5.0 mmol/kg時，土壤可提取態Cd含量顯著低于對照組（P<0.05，下同）。

2. 2 不同螯合劑對青葙吸收富集Cd的影響

在土壤中加入不同濃度的EDTA后，青葙幼苗移栽3 d后即出現中毒癥狀并相繼干枯死亡，因此無統計數據。由圖2可看出，加入1.0和2.5 mmol/kg的腐殖酸，青葙莖和葉中的Cd含量稍高于對照組，當加入腐殖酸的濃度達5.0 mmol/kg及以上時，青葙各組織中的Cd含量均低于對照，且腐殖酸濃度越高，各組織中的Cd含量越低。在土壤中加入不同濃度的酒石酸、蘋果酸、檸檬酸和草酸后，青葙根、莖、葉的Cd含量均有所增加，各組織吸收富集的Cd含量整體上表現為葉>根>莖。其中螯合劑濃度為1.0和10.0 mmol/kg時，蘋果酸處理青葙葉片中的Cd含量最高，分別為83.60±5.21和118.00±4.94 mg/kg，為對照組的1.59和2.25倍;螯合劑濃度為2.5 mmol/kg時，酒石酸處理青葙葉片中的Cd含量（98.70±6.09 mg/kg）最高，為對照組的1.88倍;螯合劑濃度為5.0 mmol/kg時，檸檬酸處理青葙葉片中的Cd含量（143.00±14.60 mg/kg）最高，為對照組的2.74倍;螯合劑濃度為8.0 mmol/kg時，檸檬酸和蘋果酸處理青葙葉片中的Cd含量分別為117.00±6.84和117.00±12.30 mg/kg，為對照組的2.23倍。對比可知，當螯合劑濃度為5.0 mmol/kg時，檸檬酸處理的青葙葉片中Cd含量最高，說明在5.0 mmol/kg的添加濃度下，檸檬酸處理青葙葉片吸收富集Cd的能力最強。

2. 3 不同螯合劑對青葙生物量的影響

當螯合劑濃度為5.0 mmol/kg時，土壤的可提取態Cd含量維持在較高水平（圖1），且該濃度下添加檸檬酸處理的青葙葉片中Cd含量最高（圖2），因此選取螯合劑濃度為5.0 mmol/kg進行后續試驗;此外，隨著腐殖酸濃度的增大，青葙不同組織中的Cd含量逐漸降低，故舍棄添加腐殖酸后青葙的生物量數據。由圖3可看出，添加酒石酸、蘋果酸、檸檬酸和草酸后，青葙根、莖、葉的生物量均低于對照組，其中酒石酸對青葙生長的抑制作用明顯，其根、莖和葉的生物量較對照組分別顯著降低54.1%、37.8%和51.6%。檸檬酸和草酸處理的青葙根、莖、葉干重均高于蘋果酸和酒石酸處理，且檸檬酸和草酸處理的根、莖、葉干重間均無顯著差異（P>0.05）?？梢?，在螯合劑濃度為5.0 mmol/kg時，加入檸檬酸和草酸后青葙生物量較高，說明這兩種螯合劑對青葙生長的抑制作用較小。

2. 4 不同螯合劑處理下青葙對Cd的提取總量

對比添加5.0 mmol/kg螯合劑時青葙對Cd的提取總量（圖4），結果發現添加酒石酸、草酸、檸檬酸和蘋果酸后，青葙對Cd的提取總量均高于對照組（0.111±0.010 mg/株），其中添加檸檬酸時，青葙對Cd的提取總量最高，為0.199±0.006 mg/株;其次是草酸和蘋果酸處理，青葙對Cd的提取總量分別為0.161±0.012和0.152±0.007 mg/株;經酒石酸處理后青葙對Cd的提取總量最低，為0.118±0.002 mg/株。

3 討論

低分子有機酸是含有一種或多種羧基基團的化合物，是重要的金屬配位體，可改變土壤溶液中重金屬的形態，減少土壤有機質與重金屬離子的固定作用，增加重金屬在土壤中的移動性（趙雨森等，2010;胡群群等，2011）。本研究結果表明，添加酒石酸、蘋果酸、檸檬酸、草酸和EDTA后，土壤的可提取態Cd含量與對照組相比均有所增加，說明選擇的低分子有機酸和人工合成螯合劑（EDTA）可活化溶出土壤中的重金屬，與Schmidt（2003）、陳良華等（2016）的研究結果一致。添加腐殖酸后，土壤可提取態Cd含量逐漸降低，腐殖酸濃度大于5.0 mmol/kg時，土壤可提取態Cd含量低于對照組，可能是因為腐殖酸表面存在羧基和苯基，Cd可與這些基團結合形成穩定的復合物（Krishnamurti et al.，1997），降低土壤Cd的可利用性（余貴芬等，2006），添加的腐殖酸濃度越高，羧基和苯基的基團越多，可與土壤Cd形成的穩定復合物越多，因此土壤Cd的可提取態含量降低。

大量研究表明，EDTA可活化溶出土壤中的Pb、Cd和Zn等金屬元素，促進植物對金屬的吸收和積累（Ebbs and Kochian，1998;蔣先軍等，2003;Chen et al.，2004）。但也有研究表明，在溶液中添加EDTA后降低了植物對重金屬的吸收（Chen and Cutright，2001），說明EDTA并不能促進所有植物對重金屬的吸收。本研究中，在土壤中加入不同濃度的EDTA后，青葙移苗3 d后出現幼苗中毒癥狀并相繼干枯死亡，表明在本研究條件下，青葙對EDTA耐受性極低;加入1.0和2.5 mmol/kg的腐殖酸，青葙莖、葉中的Cd含量稍有增加，當加入5.0 mmol/kg以上濃度的腐殖酸后，青葙根、莖、葉中的Cd含量均逐漸降低，可能是因為土壤中的腐殖酸濃度越高，與土壤Cd形成的穩定復合物越多，土壤可提取態Cd濃度降低，越不利于植物對Cd的吸收（Baker and Brooks，1989;余貴芬等，2006）。當添加不同濃度的酒石酸、蘋果酸、檸檬酸和草酸后，青葙不同器官的Cd含量均有所增加，可能是這些低分子有機酸能與Cd2+強烈結合形成有機復合態Cd，而有機復合態Cd比離子態Cd更易于在植物體內轉運和積累（Ehsan et al.，2014;姚詩音等，2017）。有研究表明，Cd主要富集在少花龍葵、長柔毛委陵菜和欒樹的根部（胡鵬杰等，2007;張杏鋒等，2014;楊嵐鵬等，2017）。本研究中，Cd在青葙不同組織中的富集規律為葉>根>莖，說明青葙葉片對Cd的富集能力較強。當加入不同濃度的螯合劑時，青葙葉片對Cd表現出不同的富集效果，可能與低分子有機酸對重金屬離子的活化能力存在濃度效應有關（丁竹紅等，2009）。李華英（2014）研究表明，水培試驗中1.5 mmol/L檸檬酸對Cd積累的促進作用強于草酸。本研究發現當添加5.0 mmol/kg的檸檬酸時，葉片中的Cd含量最高，說明在該濃度下檸檬酸對青葙葉片吸收富集Cd的促進作用最強。

超富集植物的生物量可反映逆境對植物生長的影響，也可表征植物的修復效率（韋朝陽和陳同斌，2001;楊勇等，2009）。已有研究表明，檸檬酸、蘋果酸、酒石酸和草酸可活化土壤中的重金屬，加劇重金屬對植物的毒害作用，進而影響植物的生長（宋靜等，2006;劉金等，2015）。本研究中，在螯合劑濃度為5.0 mmol/kg時，檸檬酸和草酸處理的青葙葉片干重最大，且二者無顯著差異，但添加檸檬酸時，青葙對Cd的提取總量最大，表明添加濃度為5.0 mmol/kg的檸檬酸時，青葙對Cd的積累能力達最高值，螯合效果最佳，且對青葙生長的抑制作用最小。

4 結論

不同螯合劑種類及濃度強化青葙修復土壤Cd污染的效應存在差異。當添加5.0 mmol/kg的檸檬酸時，青葙葉片的生物量最大，且此時青葙對Cd的提取總量達最高值，表明在本研究濃度范圍內，5.0 mmol/kg檸檬酸的螯合效果最佳。

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（責任編輯 王 暉）