不同螯合劑誘導下黑麥草對鉛污染土壤的修復效果研究

劉寶勇，陶曉楠，楊奇麗，鄭晶倫，趙志浩

(遼寧工程技術大學環境科學與工程學院，遼寧阜新 123000)

近年來，由于工業排放、汽車尾氣、農藥使用等人為活動影響，我國土壤面臨的重金屬污染問題日趨加重，Li等[1]對我國沈陽市鐵西工業區土壤的重金屬污染現狀進行了研究，其中調查土壤中Pb2+污染超標的占比1.5%，位居第二，農產品的質量安全受到嚴重影響[2-4]。重金屬污染土壤的修復模式主要包括固化/穩定化、植物修復、微生物修復、化學淋洗、電動修復等[5-7]，其中植物修復重金屬污染土壤技術具有操作簡便、成本低廉、效果持久等優勢，近年來成為污染土壤修復領域的研究熱點[8-9]。植物修復技術是利用植物對土壤內重金屬的良好吸收和富集作用，將土壤中的重金屬逐漸轉移到植物體內，再通過收獲植物從而減少土壤中重金屬濃度[10]。目前，世界上發現的超富集植物有400多種[11-13]。螯合誘導技術是最具發展潛力的植物修復強化措施之一[14-15]，通過活化土壤中的重金屬離子，與重金屬離子形成螯合物從而促進植物對重金屬的吸收和由根部向地上部轉運的能力，進一步達到提高生物有效性、降低重金屬植物毒性以及提高重金屬積累量和提取效率的目的，在鉛污染處理中得到廣泛應用[16-18]。相關研究表明，乙二胺四乙酸(EDTA)和氨三乙酸(NTA)2種螯合劑在不同施用方式下對不同植物修復鉛污染土壤具有強化效應[19]，EDTA可以提高土壤水溶性鉛的濃度，促進鉛從根部向地上部轉運，增加植物地上部鉛的濃度和提取量[20]。黑麥草是一種重要的牧草和綠化植物，具有適應范圍廣、生長快速、易于收割的特點，十分適合用作重金屬修復植物。該研究選用黑麥草為修復植物，通過盆栽試驗，探究乙二胺四乙酸(EDTA)、氯化鐵(FeCl3)和檸檬酸(CA)3種常見重金屬螯合劑對黑麥草生長規律和修復鉛污染土的強化效果的影響，比較3類螯合劑作用下黑麥草對不同濃度鉛污染土壤中重金屬的富集作用和轉運效果，明確3類螯合劑對強化黑麥草修復鉛污染土壤的可行性，以期為鉛污染土壤植物修復工程提供重要的理論和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料該試驗所用土壤均取自遼寧省阜新市遼寧工程技術大學校園，土層深度為10～20 cm的表層土，取樣時間為2020年4—6月。將土壤取回實驗室后烘干破碎，再過2 mm篩，測試土壤的基本理化性質，發現土壤含水率為22.5%、有機質濃度為1.8%,pH為6.85，主要由粉粒組成，占比為54.3%。向土壤中分別加入質量比為2‰尿素、3‰復合肥粉末和1%生物底肥，攪拌均勻后備用。黑麥草種購買于山東立國農業發展有限公司。供試螯合劑選用乙二胺四乙酸二鈉(EDTA-2Na)、氯化鐵(FeCl3)和檸檬酸(CA)，選用醋酸鉛[Pb(CH3COOH)2·3H2O]配制鉛污染土壤，上述藥品均購自上海麥克林生化科技有限公司；所有試劑均為分析純。

1.2 試驗方法試驗所用土壤為人工污染土，土壤的Pb2+濃度分別為0、200、500、1 000和2 000 mg/kg，以硝酸鉛水溶液的形式分層加至土壤中，同時控制土壤含水率為田間持水率的70%，密封2 d后將土壤攪拌均勻，再次密封平衡28 d，確保土顆粒-水分子-鉛離子能均勻充分結合。取1.8 kg處理土壤裝入盆內，盆的內徑和高度均為15 cm。先將黑麥草種用濃度5%的次氯酸鈉溶液沖洗一遍，隨后放入蒸餾水中浸泡30 min，再將草種直接播入裝有土壤的盆內，每個處理做4個重復，共計20盆土壤。控制每盆草種的播入量為20顆。將播有草種的處理盆直接放在室內養護，溫度為20～28 ℃，相對濕度50%～70%，確保自然光充足。養護期間每7 d 噴灑蒸餾水250 mL，確保土壤含水率控制在田間持水率的60%～80%。黑麥草種在播下5 d左右開始發芽生長，生長14 d后，將每盆黑麥草苗均保留到5株，確保每盆留存的苗體生長健康且高度基本一致。生長21 d后，將濃度為10 mmol/L 的EDTA、FeCl3和CA溶液分別噴灑至對應試驗組的幼苗上，每7 d噴灑一次，每次每盆噴灑50 mL，連續噴灑3次后處理完成，未噴灑任何螯合劑的盆栽作為對照組(CK)。繼續生長18 d后，對盆內黑麥草進行收割測試。

1.3 測定分析將收割的黑麥草苗按照莖葉(地上部分)和根系(地下部分)分開處理，先將莖葉和根系用蒸餾水清洗干凈并自然晾干，隨后放入烘箱在105 ℃條件下殺青30 min，再在75 ℃條件下烘干至恒重。采用分析天平分別測試黑麥草根系與莖葉的干重量(生物量)，然后再將植物體人工磨碎并過0.15 mm篩備用。

采用原子吸收分光光度計對黑麥草根部和莖葉內的鉛濃度進行測試分析。取1.00 g植物體粉末放入坩堝內，然后置于馬弗爐內在500 ℃下灼燒6 h，冷卻后取出，確保植物體完全灰化。向灰化后的植物體內加入10 mL HNO3∶HClO4=9∶4(v/v)的濃酸消解24 h[21]，再采用火焰原子吸收分光光度計對浸出液內Pb2+濃度進行測試，從而得到植物體內的Pb2+濃度。

1.4 數據處理與分析根據測試結果，分析黑麥草生長過程中的鉛污染富集效果，分別計算黑麥草耐性指數(TI)、生物富集系數(BCF)和Pb2+轉運系數(TF)，計算方法如下[22]：

(1)

(2)

(3)

該試驗圖形處理利用Origin 2021軟件完成，統計分析采用SPSS 20.0軟件完成。

2 結果與分析

2.1 不同螯合劑作用下黑麥草對Pb2+的耐性分析從不同土壤Pb2+濃度作用下黑麥草的生長特性(圖1)可以看出，隨著土壤Pb2+濃度的增大，除FeCl3處理組外，各處理組黑麥草莖葉和根系生物量均出現先升高后降低的變化趨勢，峰值均出現在土壤Pb2+濃度為500 mg/kg時。FeCl3處理組黑麥草莖葉和根系生物量隨土壤Pb2+濃度的增大分別表現出先升高后穩定和先升高后降低的變化趨勢，二者峰值均出現在土壤Pb2+濃度為1 000 mg/kg時。

與對照組(CK)相比，不同土壤Pb2+濃度下3種螯合劑對黑麥草莖葉和根系生物量的影響不同。EDTA處理組黑麥草莖葉和根系生物量在土壤Pb2+濃度為200 mg/kg時顯著低于CK，其他土壤Pb2+濃度下無顯著差異。FeCl3處理組黑麥草莖葉和根系生物量在土壤Pb2+濃度為200、500 mg/kg 時顯著低于CK，在土壤Pb2+濃度為1 000、2 000 mg/kg時顯著高于CK；當土壤Pb2+濃度為0 mg/kg時，FeCl3處理組黑麥草莖葉生物量與CK無顯著差異，根系生物量顯著低于CK。CA處理組黑麥草莖葉和根系生物量在土壤Pb2+濃度為0 mg/kg 時與CK無顯著差異，在土壤Pb2+濃度為200、500、1 000 mg/kg 時顯著低于CK，在土壤Pb2+濃度為2 000 mg/kg 時顯著高于CK。整體上看，低濃度Pb2+(200 mg/kg)條件下，3種螯合劑對黑麥草莖葉生長均出現明顯的抑制效果，隨著Pb2+濃度增大，螯合劑對黑麥草的根系和莖葉生長的抑制出現改善。當土壤Pb2+濃度為2 000 mg/kg時，FeCl3處理組對黑麥草生長促進作用最為顯著，黑麥草生物總量提高了約1倍。

注：不同小寫字母表示同一螯合劑不同濃度間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示同一濃度不同螯合劑間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant difference between different concentrations of the same chelators (P<0.05),different uppercase letters indicate significant difference between different chelators of the same concentration (P<0.05).圖1 不同土壤Pb2+濃度下黑麥草莖葉與根系的生長狀況Fig.1 Growth of ryegrass stems and leaves and root system under different soil Pb2+ concentration

植物耐性指數對于污染場地修復效果具有重要的影響，根據公式(1)可計算不同Pb2+濃度下黑麥草的耐性指數，結果如圖2所示。當土壤受Pb2+污染程度不高時(濃度為200、500 mg/kg)，3種螯合劑作用下黑麥草的根系和莖葉耐性指數均小于1，表明植物生長受到抑制，其中FeCl3和CA對黑麥草生長的抑制效果較明顯。當土壤受Pb2+污染程度較高時(濃度1 000、2 000 mg/kg)，FeCl3和EDTA這2種螯合劑對黑麥草的莖葉和根系生長均具有顯著的促進作用。CA只有在土壤Pb2+濃度達到2 000 mg/kg時才對黑麥草生長表現出促進作用。

注：不同小寫字母表示同一螯合劑不同濃度間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示同一濃度不同螯合劑間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant difference between different concentrations of the same chelators (P<0.05),different uppercase letters indicate significant difference between different chelators of the same concentration (P<0.05).圖2 不同土壤Pb2+濃度下黑麥草莖葉與根系的耐性指數Fig.2 Tolerance index of ryegrass stem,leaf and root under different soil Pb2+ concentrations

2.2 不同螯合劑作用下黑麥草對Pb2+的富集作用分析從黑麥草不同部位對Pb2+的富集作用(圖3)可以看出，隨著土壤Pb2+濃度的增大，黑麥草根系和莖葉Pb2+濃度均顯著增加。不同土壤Pb2+濃度下，3種螯合劑對黑麥草莖葉和根系Pb2+濃度的影響有所差異。EDTA處理組和FeCl3處理組黑麥草莖葉和根系Pb2+濃度在土壤Pb2+濃度為0、200 mg/kg時高于CK，在其他土壤Pb2+濃度下顯著高于CK。CA處理組黑麥草莖葉Pb2+濃度在所有土壤Pb2+濃度下均高于CK。CA處理組黑麥草根系Pb2+濃度在土壤Pb2+濃度為500 mg/kg 時顯著高于CK，其他土壤Pb2+濃度下無顯著差異。整體而言，當土壤中Pb2+濃度高于1 000 mg/kg時，FeCl3和EDTA對提升黑麥草富集Pb2+效果更為顯著。對于Pb2+濃度為2 000 mg/kg土壤，施加FeCl3螯合劑后，黑麥草莖葉和根系對Pb2+的富集量分別為492.4和827.6 mg/kg，相比于CK對照組分別提高了2.64和0.95倍。

注：不同小寫字母表示同一螯合劑不同濃度間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示同一濃度不同螯合劑間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant difference between different concentrations of the same chelators (P<0.05),different uppercase letters indicate significant difference between different chelators of the same concentration (P<0.05).圖3 不同土壤Pb2+濃度下黑麥草莖葉與根系對Pb2+的富集作用Fig.3 Enrichment of Pb2+ by stems,leaves and roots of ryegrass in different soil Pb2+ concentrations

注：不同小寫字母表示同一螯合劑不同濃度間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示同一濃度不同螯合劑間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant difference between different concentrations of the same chelators (P<0.05),different uppercase letters indicate significant difference between different chelators of the same concentration (P<0.05).圖4 不同土壤Pb2+濃度下黑麥草莖葉與根系Pb2+的生物富集系數Fig.4 Bioconcentration coefficients of Pb2+ in ryegrass stems and leaves and roots under different soil Pb2+ concentrations

根據公式(2)計算不同土壤Pb2+濃度下黑麥草莖葉和根系Pb2+的生物富集系數，結果如圖4所示。不同土壤Pb2+濃度下，黑麥草莖葉的生物富集系數(0.10～0.33)明顯小于根系Pb2+生物富集系數(0.22～0.63)。隨著土壤Pb2+濃度增大，對照組和CA處理組黑麥草的根系和莖葉Pb2+生物富集系數均持續降低，EDTA處理組黑麥草莖葉和根系Pb2+生物富集系數分別呈現出先降后升和持續下降的變化趨勢，FeCl3處理組黑麥草莖葉和根系對Pb2+生物富集系數分別呈現出先降后穩定和先降后升的變化趨勢。當土壤Pb2+濃度為2 000 mg/kg，EDTA處理組黑麥草莖葉和根系Pb2+生物富集系數顯著大于CK，FeCl3處理組黑麥草莖葉和根系Pb2+生物富集系數顯著大于CK，CA處理組黑麥草莖葉Pb2+生物富集系數顯著大于CK，此時，EDTA對黑麥草莖葉Pb2+生物富集系數和FeCl3對黑麥草根系Pb2+生物富集系數相比于對照組分別提高了2.6和2.1倍。

2.3 不同螯合劑作用下黑麥草對Pb2+的轉運效果分析單因素方差分析結果表明，不同Pb2+濃度下的黑麥草莖葉與根系的Pb2+濃度呈極顯著差異(P<0.01)。不同Pb2+濃度下黑麥草根系與莖葉中Pb2+濃度的相關性如圖5所示，不同Pb2+濃度條件下，對照組黑麥草的根系與莖葉中Pb2+濃度具有良好的線性關系，此時線性擬合曲線斜率(k1)為0.313。施加3種螯合劑后，不同Pb2+濃度土壤中黑麥草根系與莖葉的Pb2+濃度仍然具有良好的線性關系，此時擬合曲線斜率(k2)為0.567。表明隨著3種螯合劑的加入，均可以促進Pb2+從植物根部向莖葉部位轉移。

圖5 不同Pb2+濃度下黑麥草莖葉與根系Pb2+濃度關系Fig.5 Relationship between Pb2+ concentration in ryegrass stem,leaf and roots under different Pb2+ concentrations

為進一步探究不同Pb2+濃度下黑麥草Pb2+的轉運效率，根據公式(3)計算黑麥草Pb2+的轉運系數，結果如圖6所示。隨著土壤Pb2+濃度增大，對照組黑麥草對Pb2+的轉運系數逐漸減小，土壤Pb2+濃度為2 000 mg/kg時，對照組黑麥草的轉運系數為0.32。3種螯合劑加入后，黑麥草Pb2+轉運系數隨著土壤Pb2+濃度增大出現先減小后增大的趨勢，當土壤Pb2+濃度為500 mg/kg時，3種螯合劑作用下黑麥草的轉運系數均出現最小值，當土壤Pb2+濃度達到2 000 mg/kg，EDTA、FeCl3和CA作用下黑麥草Pb2+的轉運系數分別為0.56、0.59和0.48，相比于對照組分別提高了0.75、0.84和0.50倍，此時根系部位富集的Pb2+大部分可轉運至莖葉部位以供收割。

圖6 不同螯合劑誘導下黑麥草Pb2+的轉運系數Fig.6 Transport coefficients of Pb2+ in ryegrass induced by different chelators

3 結論與討論

研究表明，黑麥草對土壤Pb2+有良好的耐受性和富集作用，整體表現為中低濃度(≤500 mg/kg)促進生長，高濃度(≥1 000 mg/kg)抑制生長。3種螯合劑加入后，黑麥草對土壤Pb2+的耐受性和富集作用在一定程度上發生改變，具體表現為低濃度(<500 mg/kg)抑制生長，而中高濃度促進生長。當土壤Pb2+濃度為2 000 mg/kg時，FeCl3對黑麥草生長促進作用最為顯著，對應黑麥草生物量提高約1倍。推測其原因可能與植物受到環境的影響有關。低濃度Pb2+作用能夠提高植物葉綠體的酶活動，從而加速葉綠素的合成，促進植物生長。但當土壤內Pb2+過高時，會影響植物的呼吸作用和細胞器的正常結構，并抑制根細胞的光合作用和有絲分裂，從而抑制了植物生長[23]。

該研究中，黑麥草對Pb2+的富集作用規律表現為根系>莖葉，且根系與莖葉中Pb2+濃度表現出較好的線性相關關系。黑麥草具有富集重金屬Pb2+的能力，Pb2+主要富集于其根部，施加不同類型螯合劑后可顯著增強黑麥草對土壤重金屬Pb2+污染的修復效率[24]。3種螯合劑加入均能顯著促進黑麥草對Pb2+的富集作用，具體表現為低濃度(≤200 mg/kg)時CA>EDTA>FeCl3，中低濃度(500 mg/kg)時EDTA>CA>FeCl3，中高濃度(1 000 mg/kg)時EDTA>FeCl3>CA,高濃度(>1 000 mg/kg)時FeCl3>EDTA>CA，因此，對于受Pb2+污染程度較高的土壤，選用FeCl3誘導黑麥草的方式可對場地Pb2+濃度起到較好的降低作用。EDTA對黑麥草修復任何Pb2+濃度土壤具有較好的提升作用，而FeCl3僅對Pb2+污染程度嚴重的土壤修復才能起到較好的促進作用，CA對黑麥草修復Pb2+污染程度嚴重的土壤修復效果影響較小。對于Pb2+污染程度較高的土壤，EDTA和FeCl3誘導作用下可顯著提高黑麥草對Pb2+的富集效率，有利于提升污染場地的植物修復效果。而CA誘導作用下對于黑麥草修復Pb2+污染程度較低的土壤提升效果明顯。

該研究表明3種螯合劑的施加均能促進黑麥草對重金屬Pb2+的富集作用，綜合考慮螯合劑適應性及成本，EDTA和FeCl3這2種螯合劑對于黑麥草修復高濃度Pb2+污染土具有良好的提升效果，且FeCl3效果更為顯著。