厭氧環(huán)境下美人蕉根表鐵膜對重金屬積累轉(zhuǎn)運的影響

宋陽煜, 吳 娟, 成水平*

1.江蘇省城市規(guī)劃設計研究院, 江蘇 南京 210009 2.同濟大學，長江水環(huán)境教育部重點實驗室, 上海 200092

隨著工業(yè)化進程和城市化進程的不斷推進，我國水環(huán)境面臨的重金屬污染問題呈現(xiàn)愈演愈烈的趨勢. 進入水體后的重金屬大多在物理沉淀、化學吸附等作用下，由水相轉(zhuǎn)入固相，沉積于底泥中. 由于重金屬污染的難移動性、累積性和不可逆性等特點，重金屬污染底泥的修復面臨著很大困難. 近年來，越來越多的研究和實踐表明，在控制外源污染的前提下，利用植物修復作用是解決目前底泥重金屬污染的長遠之策，植物對重金屬的消減機理已經(jīng)成為目前環(huán)境修復領域研究的熱點[1-5]. 根際作為植物與環(huán)境之間交換物質(zhì)和能量的界面，在底泥重金屬污染的植物修復中發(fā)揮著至關重要的作用. 有研究[6-7]表明，水生植物通過根系釋氧改變根際氧化還原環(huán)境，使底泥中大量的還原性物質(zhì)Fe2+、Mn2+被氧化，高價態(tài)的鐵錳化合物沉積在根系表面形成根表鐵錳氧化物膠膜，一般稱為“鐵膜”. 根表鐵膜的性質(zhì)與自然界的鐵氧化物相似，具有帶正負電荷的基團和較大的表面積，可以通過對底泥中陰、陽離子的吸附或共沉淀等作用影響植物對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運，從而影響重金屬污染底泥的植物修復效果[8].

在富營養(yǎng)化的大背景下，水體和底泥中的大量有機污染物分解消耗底泥中的溶解氧和其他電子受體，導致底泥呈厭氧狀態(tài). 厭氧環(huán)境會改變底泥中電子供體和受體的生物地球化學特征和行為，影響重金屬的生物可利用性及其分布. 同時，伴隨厭氧環(huán)境的低pH條件會改變根際鐵的溶解性，影響植物根表鐵膜的形成，進而影響重金屬污染底泥的植物修復效果. 目前已有較多關于植物修復重金屬污染土壤或者底泥的研究，但大多只考慮了生物因素，關于底泥氧化還原環(huán)境對植物修復的影響研究還相對較少.

美人蕉(CannaindicaL.)作為生態(tài)修復中廣泛應用的挺水植物[9]，具有較強的根系氧化能力和適應能力，可用于修復重金屬污染底泥. 該文采用向底泥中投加蔗糖的方法模擬不同程度的底泥厭氧環(huán)境，探討該環(huán)境中美人蕉根表鐵膜的形成及其對植物積累轉(zhuǎn)運重金屬的影響，以期為重金屬污染底泥的植物修復技術提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

該試驗采用9個直徑25 cm、高20 cm的塑料水桶栽種植物. 試驗用底泥采集自合肥市南淝河，過0.85 mm孔徑篩去除大顆粒雜質(zhì). 試驗底泥特征見表1.

表1 試驗底泥的理化特征

試驗前用減重法測定底泥的含水率，并向底泥中投加CdSO4、K2Cr2O7、CuSO4、NiSO4、Pb(NO3)2和ZnCl2溶液，投加量參考GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》三級標準限值和芮勝陽等[10]試驗結(jié)果，使Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的投加量分別為8、600、270、250、330、300 mgkg(以底泥干質(zhì)量計). 底泥攪拌均勻靜置2周后測定Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的初始含量分別為8.12、653、344、260、424和409 mgkg(以底泥干質(zhì)量計). 美人蕉購自上海澤龍生物工程有限公司，預培養(yǎng)4周后，選取大小一致的健壯植株，株高為(45.4±1.1)cm，鮮質(zhì)量為(145.0±2.7)g.

1.2 試驗設計

試驗在同濟大學南校區(qū)遮雨棚內(nèi)進行. 采用向底泥中添加蔗糖的方式模擬厭氧環(huán)境[11]. 設置非厭氧、輕度厭氧和重度厭氧3個試驗組，每組3個平行，蔗糖投加量分別為底泥干質(zhì)量的0%、0.25%和0.5%. 將20 mL加有不同濃度蔗糖的1%熱瓊脂溶液倒入塑料桶中靜置，待瓊脂溶液凝固后加入厚度為12 cm的底泥(干質(zhì)量約4.5 kg). 在每個桶內(nèi)種植2株美人蕉，沿桶壁小心加入自來水至水面高出底泥3 cm. 試驗開始于2018年7月6日，周期為60 d. 期間每天12:00左右測定的環(huán)境光照照度為(20 000±2 530)lx，氣溫為(30.4±1.4)℃. 試驗期間及時補水至初始水位線.

1.3 樣品的采集與測定

1.3.1底泥氧化還原電位

試驗開始7d后，將復合電極插入底泥下6 cm處，每隔7 d記錄一次底泥氧化還原電位(Eh).

1.3.2植物生物量

試驗開始前測定每個桶內(nèi)美人蕉鮮重與株高，另外選取5棵植株于105 ℃殺青30 min，然后80 ℃烘干至恒質(zhì)量并稱重，計算植株含水率. 試驗結(jié)束后收獲美人蕉植株，測定株高后依次用自來水和去離子水將植物沖洗干凈，分離根系和莖葉，并分別測定各器官鮮質(zhì)量. 每個桶的植物根系均勻混合后，分離出10 g 新鮮根系用于測定根表鐵膜，其余根系和莖葉分裝入紙袋中，烘干后測定干質(zhì)量.

1.3.3植物根表鐵膜

植株根表鐵膜采用DCB(dithionite-citrate-bicarbonate)法提取[12]：將洗凈后的植物根系吸干水分后放入100 mL錐形瓶中，加入40 mL 0.3 molL的檸檬酸鈉、5 mL 1 molL的碳酸氫鈉及5 g連二亞硫酸鈉. 然后在25 ℃和280 rmin條件下用搖床上提取3 h，將提取液用濃硝酸和雙氧水消解后采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP Aligent 720ES，美國安捷倫公司)測定提取液中Fe、Mn、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的含量，提取鐵膜后的根系用去離子水沖洗干凈，80 ℃烘干至恒質(zhì)量并稱量.

1.3.4植物重金屬含量

提取過鐵膜的根系和莖葉粉碎過0.25 mm孔徑篩，用濃硝酸、濃鹽酸和雙氧水消解至澄清，消解液用1%硝酸定容后，用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀測定各重金屬的含量.

1.4 數(shù)據(jù)處理

(1)

式中：w1和w2分別表示植物試驗前、后的干質(zhì)量，g；t1和t2分別表示試驗開始和結(jié)束的時間，d.

轉(zhuǎn)運系數(shù)(translocation factor，TF)計算方法：TFroot表示植物根系內(nèi)與根表鐵膜中重金屬含量的比值；TFshoot表示植物莖葉內(nèi)與根系中重金屬含量的比值.

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析采用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析，分析底泥厭氧處理對根表鐵膜及植物吸收轉(zhuǎn)運重金屬的影響. 采用最小顯著性差異法(LSD法)進行各組數(shù)據(jù)之間的兩兩比較，P<0.05表示具有顯著差異.

2 結(jié)果與討論

2.1 厭氧處理對底泥氧化還原環(huán)境的影響

底泥Eh的時間變化如圖1. 由圖1可見，試驗前期非厭氧組的底泥Eh基本穩(wěn)定，在20～40 mV的范圍內(nèi)波動，從第36天開始有一定上升趨勢. 輕度和重度厭氧組底泥Eh在第8天已顯著低于非厭氧對照組，分別為-171和-241 mV，說明在氣溫較高的情況下底泥中的蔗糖釋放較快，導致底泥迅速進入?yún)捬鯛顟B(tài). 方差分析結(jié)果表明，厭氧處理對底泥Eh的影響極顯著(P<0.01)，且隨著底泥厭氧水平的提高，Eh依次下降. 這表明通過向底泥中添加蔗糖模擬底泥厭氧環(huán)境的方法是可行的.

圖1 不同底泥厭氧處理中底泥Eh的變化Fig.1 Variation of Eh in the three sediment anoxia treatments

2.2 底泥厭氧環(huán)境對植物生長狀況的影響

表2為試驗結(jié)束時美人蕉的生長狀況. 輕度和重度厭氧環(huán)境下根系干質(zhì)量均小于非厭氧組，說明厭氧環(huán)境顯著抑制根系生長(P<0.05). 而與根系不同的是，莖葉的生長僅在重度厭氧環(huán)境下受到抑制. 這可能是因為相比于根系，挺水植物的莖葉絕大部分與底泥不直接接觸，因此其生長不易受到底泥厭氧環(huán)境的脅迫. 不同程度的厭氧水平下，美人蕉的相對生長速率大小表現(xiàn)為輕度厭氧組>非厭氧組>重度厭氧組. 重度厭氧環(huán)境下的美人蕉植株矮小，生長受到抑制，而輕度厭氧環(huán)境一定程度上促進了植物生長.

表2 不同底泥厭氧處理中美人蕉的生長狀況

Raun等[13]發(fā)現(xiàn)底泥的缺氧環(huán)境可能通過抑制根系的氧化磷酸化而影響ATP的產(chǎn)生，限制植物吸收和運輸營養(yǎng)物質(zhì)的化學能量供應，從而抑制其生長. 但輕微的厭氧環(huán)境會促進水生植物的生長[14-15]，這可能是因為厭氧環(huán)境促進底泥中磷元素釋放[13,16]，特別是鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)磷酸鹽占比較大的底泥. 同時，氨氮的積累也是厭氧性底泥的另一特征[17]，在輕度厭氧環(huán)境中，適量的氨氮增加可促進水生植物生長，但當厭氧環(huán)境超出一定范圍，過高的氨氮濃度會對植物造成毒害.

2.3 底泥厭氧環(huán)境對植物根表鐵膜含量的影響

由表3可見，美人蕉根表鐵膜含量在重度厭氧水平下最高，w(Fe)為(10.40±0.30) gkg(以根系干質(zhì)量計)，而非厭氧和輕度厭氧水平下無顯著差異(P>0.05)，說明底泥厭氧環(huán)境在一定程度上促進根表鐵膜的形成，而底泥厭氧環(huán)境未對根表鐵膜中Mn的含量產(chǎn)生顯著影響(P>0.05).

Fe和Mn均是底泥中常見且對植物生長有重要作用的變價元素，可以同時作為電子供體和電子受體，Eh會影響土壤中Fe和Mn的化合價及活性，進而影響鐵錳氧化物的形成溶解[18]. 但由于Mn的臨界Eh值(300～700 mV)比Fe(300～100 mV)高，因此在植物根際中，F(xiàn)e2+較Mn2+更容易被氧化. 曾祥忠等[19]也發(fā)現(xiàn)水稻根表鐵錳氧化物膠膜實際以鐵氧化物膠膜為主，占膠膜總量的92.5%～97.7%. 盡管不同條件下不同植物根表鐵膜的絕對含量差異較大，但鐵膜中的Fe占植物根系Fe總量的比例均在90%左右[20]. 厭氧環(huán)境促進根表鐵膜的形成，可能是因為厭氧底泥中會產(chǎn)生大量的可溶性二價鐵，容易向根界面擴散，并在根系表面發(fā)生Fe的氧化和沉淀. XU等[21]也發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)液Eh的降低使根表鐵膜含量增加了31%.

表3 不同底泥厭氧處理組美人蕉根表鐵膜中 Fe和Mn的含量

2.4 底泥厭氧環(huán)境對根表鐵膜和植物組織中重金屬含量的影響

由圖2可見，不同底泥厭氧水平對美人蕉根表鐵膜中Cd、Cr、Ni、Pb和Zn含量的影響達到顯著水平(P<0.05). 厭氧環(huán)境下根表鐵膜中Cd、Pb和Zn的含量顯著低于非厭氧環(huán)境(P<0.05)，而Cr和Ni含量則呈相反趨勢，說明厭氧環(huán)境對根表鐵膜吸附重金屬能力的影響因金屬種類的不同而不同，主要是因為根表鐵膜對不同金屬元素的吸附能力和結(jié)合形式不同. 此外，根表鐵膜對重金屬的富集效應也受介質(zhì)中重金屬含量的影響. 氧化還原環(huán)境會影響重金屬的生物有效性，改變根際中植物可利用的金屬離子含量，從而影響根表鐵膜對重金屬的富集. 不同于Cd、Cr、Ni、Pb和Zn，Cu的主要存在形態(tài)為穩(wěn)定的有機態(tài)和殘渣態(tài)，兩種形態(tài)含量占總量的70%以上[22]，因此底泥中植物可利用的Cu2+含量很低，這可能是根表鐵膜中Cu含量極低的原因.

非厭氧環(huán)境下，根系中Cd、Cu、Ni和Zn的含量分別是重度厭氧環(huán)境下的1.9、1.8、2.1和1.8倍，說明厭氧環(huán)境不利于這4種元素在根系內(nèi)的累積；莖葉中Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的含量均顯著高于厭氧組(P<0.05)，輕度和重度厭氧組間差異不顯著，說明厭氧環(huán)境抑制了莖葉對這6種元素的吸收. 結(jié)合各植物組織的生物量計算不同底泥厭氧環(huán)境下根表鐵膜、根系和莖葉中積累的重金屬總量，發(fā)現(xiàn)厭氧環(huán)境對植物組織中各重金屬總量的影響達到顯著水平(P<0.05). 隨厭氧程度的增加，植物對重金屬的吸收量呈逐漸減少的趨勢. 其中莖葉部分的重金屬吸收量占整個植株的63.4%～92.0%，遠高于根表鐵膜和根系，說明莖葉是積累重金屬的最主要部位，根系內(nèi)和根表鐵膜的積累量較少. 然而YE等[23]利用寬葉香蒲做試驗發(fā)現(xiàn)，大部分的Pb累積在根部(87%)，根表鐵膜和地上部積累的Pb僅分別占11%和1.7%. LIU等[24]研究表明，水稻根表鐵膜及根系內(nèi)積累的Cd含量約占水稻總吸收Cd的65%. 這可能是由于不同植物的根表鐵膜含量不同.

2.5 底泥厭氧環(huán)境對根表鐵膜重金屬向植物組織轉(zhuǎn)運的影響

植物對重金屬的轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)表征植物對重金屬的轉(zhuǎn)運能力，與植物的生理、生化和遺傳因素關系密切[25]，也會受到重金屬形態(tài)[26]、環(huán)境介質(zhì)[27]等因素影響. 根表鐵膜是底泥重金屬進入植物體內(nèi)的界面，其含量和物理化學性質(zhì)會影響重金屬進入根系和莖葉，從而影響重金屬在組織內(nèi)的積累和分布[28-29]. 由表4、5可知，底泥厭氧環(huán)境下Ni的根表鐵膜-根系轉(zhuǎn)運系數(shù)(TFroot)顯著降低(P<0.05)，根系-莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)(TFshoot)無顯著變化(P>0.05)，同時根表鐵膜中的Ni占整個植物富集量的比例增大，表明厭氧環(huán)境不利于Ni從根表鐵膜轉(zhuǎn)運至美人蕉植物組織，更多地積累在根表鐵膜中. 輕度厭氧環(huán)境下Cr和Zn的TFroot顯著增加，TFshoot顯著降低(P<0.05)，而重度厭氧環(huán)境下該差異不顯著，說明一定程度的厭氧環(huán)境能促進Cr和Zn從根表鐵膜轉(zhuǎn)運至根系，同時間接抑制Cr和Zn從根系轉(zhuǎn)運至莖葉. Cd、Pb的TFroot和TFshoot，以及Cu的TFshoot在不同的底泥氧化還原環(huán)境下無顯著差異(P>0.05)，這與YE等[30-32]的研究結(jié)果相似. 由此可見，底泥厭氧環(huán)境對根表鐵膜中不同重金屬的轉(zhuǎn)運發(fā)揮著不同的作用.

注： 直方柱上方英文小寫字母不同表示各處理組間植物組織的重金屬含量差異顯著(P<0.05).圖2 不同底泥厭氧處理組美人蕉根表鐵膜、根系和莖葉的重金屬含量Fig.2 Heavy metal contents in the iron plaque, root and shoot of Canna indica in the three sediment anoxia treatments

表4 美人蕉對不同重金屬的根表鐵膜-根系轉(zhuǎn)運系數(shù)

表5 美人蕉對不同重金屬的根系-莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)

已有研究發(fā)現(xiàn)，濕地植物之所以能在淹水和重金屬污染較嚴重的惡劣環(huán)境下生存，主要得益于根表鐵膜可以為As、Cu、Pb和Zn等金屬的螯合和易位提供反應基質(zhì)，阻礙重金屬元素的吸收和運輸[33]，從而減少金屬元素的毒害[34-35]. 另外，根表鐵膜作為其他元素的儲存庫，也可以促進植物對重金屬元素的吸收[36-37]. 除了吸附重金屬，鐵氧化物也能吸附多種有機和無機陰離子[38-39]，因此這些鐵氧化物表面的陰離子和金屬陽離子間存在競爭關系. 底泥厭氧環(huán)境提高了底泥中活性較強的Fe2+含量[40]，與重金屬競爭植物代謝性敏感位點[41]，同時改變了植物根際分泌物的數(shù)量和種類，影響根表鐵膜的形成以及鐵膜表面陰離子和金屬陽離子間的競爭關系[42]，從而影響重金屬向植物根系和莖葉的轉(zhuǎn)運. 這種影響因重金屬元素種類而異，主要取決于根表鐵膜的厚度、重金屬在鐵膜上的空間分布結(jié)果，以及二者之間的相互作用[43].

3 結(jié)論

a) 隨底泥厭氧程度的增加，美人蕉對重金屬的吸收量減少. 莖葉是美人蕉積累重金屬的最主要部位，根系和根表鐵膜的積累量較少.

b) 底泥厭氧環(huán)境會顯著影響重金屬在植物組織中的積累和轉(zhuǎn)運，這種影響因厭氧水平和金屬元素種類不同存在很大差異. 一定程度的底泥厭氧環(huán)境會促進根表鐵膜形成，增加根表鐵膜中Cr和Ni的含量，同時降低Cd、Pb和Zn的含量. 底泥厭氧環(huán)境不利于Ni從鐵膜轉(zhuǎn)運至植物組織，反而更多地積累在根表鐵膜中，但是對Cd、Pb和Cu的遷移轉(zhuǎn)運無顯著影響. 輕度厭氧環(huán)境促進Cr和Zn從根表鐵膜轉(zhuǎn)運至根系，同時抑制其從根系轉(zhuǎn)運至莖葉.