螯合劑強化植物修復重金屬Pb、Cd復合污染土壤的研究*

王 娜，盧 楠

（1.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075；2.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西西安 710075；3.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075）

土壤是生態環境的重要組成部分，也是植物生長所需水分和養分的重要來源。伴隨著經濟社會的不斷發展，工業污染、礦產開發、農業生產等活動導致土壤重金屬污染日益加劇，對植物生長和質量也產生了極大的危害[1-2]。根據文獻報道[3]，目前全世界平均每年排入土壤中的重金屬大約為元素Hg1.5萬t，元素Cu340萬t，元素Pb500萬t，元素 Mn1500萬 t，元素Ni100萬 t。土壤重金屬污染具有污染范圍廣、持續時間長、污染物隱蔽、無法被生物降解的特點，并可以通過食物鏈在生物體內不斷富集，最終在人體內蓄積而危害人類健康4-5]。研究發現，暴露在含Cd環境中的人患腎功能不全等疾病的可能性增加，而且骨折的風險也很高[6]。在懷孕期間長期接觸Pb可能會導致胎兒神經系統發育紊亂，因為Pb可以迅速從孕婦的骨骼轉移到胎兒身上[7-8]，并且影響胎兒的一生[9]；除此之外，Pb還會對人體多個器官產生威脅，包括心血管系統[10-11]、腎功能系統[12-13]和肝臟系統[14]。因此，重金屬污染已日益引起人們的關注，重金屬污染土壤修復則成為國際上的研究難點和熱點。

近年來，土壤重金屬修復的方法較多，主要有物理修復、化學修復、生物修復、工程技術修復及農業生態修復[15-16]。螯合劑誘導植物修復技術是新發展起來的一種污染土壤修復技術，螯合誘導修復技術是通過人工外加螯合劑（EDTA、DPTA、EDDS等）使被土壤固相鍵結合的重金屬重新釋放并進入土壤溶液，成為溶解態或易溶態，從而有效提高植物對重金屬的吸收或富集效率[17]。EDTA是目前被廣泛應用的一種螯合劑[18]。EDTA能夠活化Pb、Cu、Zn、Cd等重金屬離子，促進植物對金屬離子的吸收。蔣先軍等[19]研究表明，土壤中加入EDTA能大幅度地提高土壤中水溶態鎘的濃度，同時當土壤中Cd濃度在130mg·kg-1以上時，顯著增加了地上部Cd的濃度。Sun等[20]研究認為，EDTA能提高根際土壤Pb的植物有效性，促進Pb從根系向地上部的運輸，顯著提高植物對Pb的富集能力。

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）是豆科苜蓿，屬多年生植物，能同時積累Cd、Zn、Cu等多種重金屬元素，因此成為治理污染土壤的首選植物材料[21-22]。然而，關于EDTA對Pb-Cd復合污染脅迫下紫花苜蓿生長發育的影響研究鮮有報道。鑒于此，通過添加不同濃度梯度外源的EDTA，初步探討EDTA對Pb-Cd復合污染脅迫下紫花苜蓿生長的影響，解析紫花苜蓿在Pb-Cd復合污染脅迫下的耐受機制，為螯合劑誘導植物修復Pb-Cd復合污染土壤提供理論指導依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試土壤

供試土壤為采自富平中試基地的塿土，所采集土樣為0-20cm的表層土壤，風干后研磨，過5mm篩備用。

重金屬復合污染土壤制備：取若干塑料盆，稱重，每盆中加入上述土樣3kg，將重金屬Pb和Cd分別以Pb（CH3COO）2、CdCl2形式溶解后一起施入土壤中，按《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618-2018）管制值，擴大3倍量添加重金屬鹽類物質，使土壤中Pb和Cd含量分別達到2100mg/kg和9mg/kg，控制含水量為田間持水量的60%，每隔3d檢查1次，老化30d，獲得重金屬復合污染土壤。

1.1.2 供試螯合劑

EDTA分析純。

1.1.3 供試植物

紫花苜蓿。

1.2 試驗方法

采用室內盆栽試驗，底肥施N=0.15g/kg，P2O5=0.12g/kg，K2O=0.09g/kg。設置 CK（只添加底肥）和 3、4.5、6、7.5、9、10.5mmol·kg-16 個水平的 EDTA，共 7 個處理，每個處理3次重復，共計21盆，試驗處理見表1。

表1 試驗方案設置

將制備的重金屬復合污染土壤按比例分別加入EDTA，同時施底肥，混合均勻。每盆均勻撒入苜蓿種子（預先催芽），在人工氣候室中栽培，出苗后每盆留下長勢相同的幼苗4株。種植60d后收獲，采集土壤樣品和植物樣品。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 植物生長指標

主要選取株高作為植物生長的指標，株高按照自然狀態下地面到植株最高點的距離為準，用直尺測定。

1.3.2 植物生物量及Pb、Cd含量測定

植物生物量采用稱重法測定，將新鮮植物體稱重后放入105℃烘箱殺青10min，然后在75℃下烘干24h左右至恒重，稱量植物干重。植物體Pb、Cd含量采用ICPMS測定。

1.3.3 土壤Pb、Cd可提取態

準確稱取2.000g土壤樣品置于聚丙烯塑料具塞離心試管中，加入20mL提取試劑，在室溫下振蕩提取2h，以6000r/min離心10min，取上清液作為待測液。提取試劑 分 別 為 0.5mol/L MgCl2，1.0mol/L NH4NO3，1.0mol/L NaAc。提取液Pb、Cd濃度采用ICP-MS測定。

2 研究結果

2.1 EDTA對紫花苜蓿株高的影響

紫花苜蓿的株高生長動態見表2。4.5mmol/kg（E2）EDTA處理顯著促進了植株生長，植株生長較為迅速，株高均顯著高于對照。隨著EDTA濃度的增大，植株生長逐漸降低，9mmol/kg（E5）與 10.5mmol/kg（E6） EDTA處理紫花苜蓿葉片隨著處理時間的增加逐漸變黃，后期出現大量黑色斑點，植株矮小，表現出嚴重受毒害癥狀，地上部基本萎蔫，地下部腐爛，基本無收成。60d的株高和20d的株高相比，對照增加了41.6%，而4.5mmol/kg（E2）和 6mmol/kg（E3）EDTA 處理分別增加了 28.3%和26.9%，至6mmol/kg EDTA處理后株高逐漸降低，60d的株高以4.5mmol/kg EDTA處理為最高，高出對照47.6%。

表2 EDTA對紫花苜蓿株高的影響

2.2 EDTA對紫花苜蓿生物量的影響

由表3可知，隨著EDTA濃度的增加，盆栽苜蓿的生物量呈緩慢增加后減少的趨勢，在EDTA濃度為4.5mmol/kg（E2）時，苜蓿的生物量達到最大，其地上部生物量比對照增產71.0%，地下部生物量比對照增產75.6%；與不添加EDTA處理相比，4.5mmol/kg EDTA處理能夠顯著增加苜蓿產量，使苜蓿增產33.3%，但隨著EDTA濃度的不斷增加，苜蓿產量開始逐漸降低，說明高濃度的EDTA不利于苜蓿的生長。

表3 EDTA對紫花苜蓿生物量的影響

2.3 EDTA對紫花苜蓿可食部分重金屬含量的影響

EDTA施用對紫花苜蓿地上部累積重金屬Pb和Cd的影響如圖1所示。由圖1可知，EDTA處理明顯促進了紫花苜蓿地上部對重金屬Pb、Cd的吸收，不同濃度EDTA處理下，紫花苜蓿對Pb、Cd的吸收、累積能力不同。隨著EDTA濃度的增加，紫花苜蓿地上部累積Pb的量呈先增加后減小的趨勢，其中在4.5mmol/kg EDTA處理下，Pb在紫花苜蓿體內的含量達到452.32mg/kg，為對照的8.6倍；紫花苜蓿地上部對重金屬Cd的累積隨著其濃度的增加而增加，3、4.5、6、7.5mmol/kg EDTA 處理下紫花苜蓿累積重金屬Cd的量分別為對照的4.8、6.1、7.3和8.2倍。

圖1 不同EDTA濃度紫花苜蓿地上部對重金屬Pb、Cd的影響

2.4 不同濃度EDTA對土壤中Pb、Cd可交換態的提取效率影響研究

不同提取劑提取重金屬Pb、Cd的含量結果見表4，從表4可以看出對重金屬Pb而言，NH4NO3提取重金屬Pb的量比MgCl2和NaAc高，且當土壤中EDTA濃度為4.5mmol/kg（E2）時提取劑NH4NO3提取重金屬Pb的量最大，達到234.40mg/kg，當土壤中EDTA濃度為6mmol/kg（E3）時，提取劑MgCl2和NaAc提取重金屬Pb的量相差不大；對重金屬Cd而言，三種提取劑對其的提取量差異不明顯，當土壤中EDTA濃度為3mmol/kg（E1）時，NH4NO3對重金屬Cd的提取量達到最大為2.75mg/kg，當土壤中 EDTA濃度為7.5mmol/kg（E4）時，MgCl2對重金屬Cd的提取量達到最大為2.87mg/kg，NaAc對重金屬Cd的提取量為2.85mg/kg。對比三種提取劑的提取效率，三種提取劑對重金屬Cd的提取效率顯著高于對重金屬Pb的提取效率，其中當EDTA濃度為4.5mmol/kg（E2）時，NH4NO3對重金屬 Pb、Cd 提取效率最高，分別為22.95%和46.80%，詳見表5。

表4 不同提取劑提取土壤中可交換態重金屬的含量（mg/kg）

表5 不同提取劑提取土壤中Pb、Cd的提取率（%）

3 結論

（1）結果表明，高濃度EDTA的處理對苜蓿株高和生物量均產生抑制作用，當EDTA濃度在4.5mmol/kg（E2）時，苜蓿的株高和生物量均出現最大值，隨著EDTA濃度的增加，盆栽苜蓿的生物量呈緩慢增加后又減少的趨勢，當EDTA濃度超過9mmol/kg（E5）時，苜蓿葉片發黃，地上部萎蔫，基本無收成。

（2）EDTA處理明顯促進了紫花苜蓿地上部對重金屬Pb、Cd的吸收，隨著EDTA濃度的增加，紫花苜蓿地上部累積Pb的量呈先增加后減小的趨勢，對重金屬Cd的累積隨著其濃度的增加而增加。