萬山和丹寨汞礦區(qū)24種野生植物鉬富集特征

茍體忠,申敏,徐玉平,孫大方

(凱里學(xué)院 理學(xué)院,貴州 凱里 556011)

鉬(Mo)是動植物必需的微量重金屬元素之一[1]。鉬缺乏會導(dǎo)致鉬酶活性降低、氮饑餓反應(yīng)、莖和葉發(fā)育受阻、葉枯斑病、種子發(fā)育不良、坐果率降低等癥狀[2]。Mo超標會導(dǎo)致人智力發(fā)育遲緩、骨骼生長抑制、神經(jīng)異常等癥狀[3]。現(xiàn)代的工業(yè)活動使大量 Mo 排放于土壤環(huán)境中,導(dǎo)致Mo在土壤中富集,經(jīng)食物鏈放大并進入人體,危害人體健康[4]。因此,對Mo污染土壤的修復(fù)已迫在眉睫。物理或化學(xué)修復(fù)技術(shù)因成本較高、操作復(fù)雜,不利于大面積Mo污染土壤的治理。植物修復(fù)技術(shù)不但成本低、環(huán)境友好,而且能將土壤中的Mo永久性地去除。植物修復(fù)是指利用植物去除土壤重金屬的技術(shù)。植物修復(fù)包括:(1)植物萃取[5]-利用金屬積累植物去除土壤中的重金屬;(2)植物固定[6]-利用植物降低土壤中有毒金屬的生物利用度;(3)植物揮發(fā)[7]-利用植物去除土壤中的揮發(fā)性重金屬;(4)根際吸收[8]-利用植物根系去除污染水體中的有毒金屬。其中,利用超富集植物消除土壤中的重金屬是最有前景的修復(fù)技術(shù)[9]。超富集植物必須具備以下3個條件:(1)BCF>1,BTF>1[10];(2)植物體內(nèi)重金屬含量達到指定的量,如超富集Mo的含量標準為50 mg/kg[11];(3)在污染土壤中生長良好且生物量大[12]。目前已確認的重金屬超富集植物有400多種[13]。然而大多數(shù)重金屬超富集植物生長周期較長且生物量小,不利于對大面積重金屬污染土壤的治理[14]。因此,尋找適合本地污染土壤生長、更理想的重金屬超富集植物是植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵[15]。鑒于此,本研究采集了萬山和丹寨汞礦區(qū)13科24種野生植物及其根際土壤樣品(見表1)并分析其Mo含量,采用生物富集系數(shù)(Bioconcentration factors,BCF)[16]和生物轉(zhuǎn)移系數(shù)(Biological tanslocation factors,BTF)[17]對研究區(qū)植物的Mo富集能力進行評價,旨在篩選出一些對Mo具有富集能力的植物,以期為礦區(qū)Mo污染土壤的修復(fù)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析方法

野生植物及其根際土壤樣品于2018年7月分別采自分別萬山汞礦區(qū)和丹寨汞礦區(qū)。植物樣品采用“多點”取樣,將植物樣品洗凈,冷凍干燥至恒重,并粉碎至200目(粒徑0.074 mm),待用。

根際土壤樣品采用“多點”采樣,經(jīng)風干后用木棍壓碎,過200目(孔徑0.074 mm)篩,待用。

土壤和植物樣品Mo分析由南京聚譜檢測科技有限公司參照文獻[18]完成,并采用BHVO-2標準樣品進行質(zhì)量控制,其測定值與推薦值吻合。

1.2 評價方法

1.2.1 染指數(shù)法

為了評價Mo的污染程度,本研究采用單項污染指數(shù)法(PI)對研究區(qū)土壤Mo污染進行評價[19],其計算公式為:

PI=S/B

(1)

式中S表示土壤樣品Mo的實測值,B表示土壤Mo的背景值,選擇貴州省土壤Mo(2.4 mg/kg)的背景值作為Bi[20]。污染程度分級為:PI≤1為無污染;15為重度污染[21]。

1.2.2 生物富集系數(shù)(BCF)

生物富集系數(shù)是指植物地上部分或根部重金屬含量與土壤重金屬濃度的比值,是衡量植物重金屬富集能力的一個重要指標[22]。其計算公式如下:

(2)

(3)

BCFshoot為植物地上部分生物富集系數(shù);BCFroot為植物根部生物富集系數(shù);Wshoot為植物地上部分Mo質(zhì)量含量;Wroot為植物地上部分Mo質(zhì)量含量;Wsoil為根基土壤中Mo質(zhì)量含量。當BCF>1時,植物體內(nèi)Mo質(zhì)量含量大于土壤,對Mo具有富集能力,可用于土壤Mo污染修復(fù)。

1.2.3 生物轉(zhuǎn)運系數(shù)(BTF)

生物轉(zhuǎn)運系數(shù)是指地上部分重金屬質(zhì)量含量與根部重金屬質(zhì)量含量之比,反映植物對重金屬的轉(zhuǎn)運能力[23]。其計算公式如下:

(4)

Wshoot為植物地上部分Mo質(zhì)量含量;Wroot為植物地上部分Mo質(zhì)量含量。當BTF>1時,植物易將根部吸收的Mo輸送到地上部分,地上部分大量吸收Mo,通過植物提取的方式,可以治理Mo污染的土壤。當BTF<1時,植物具有耐受性,根部吸收了大部分Mo,防止Mo向地上部分遷移,可降低Mo引起的毒性[24]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤Mo污染評價

萬山和丹寨汞礦區(qū)土壤Mo質(zhì)量含量見表2。從表2可見,萬山汞礦區(qū)土壤Mo含量變化在1.80～7.11 mg/kg之間,平均值為3.89 mg/kg;丹寨汞礦區(qū)植物根際土壤Mo質(zhì)量含量變化在1.43～9.32 mg/kg之間,平均值為4.85 mg/kg。以貴州省土壤Mo背景值為評價標準,其評價結(jié)果見圖1,分析結(jié)果表明:萬山汞礦區(qū)植物根際土壤Mo的PI值變化在0.7～3.0之間,平均值為1.6,土壤總體表現(xiàn)為輕度Mo污染;丹寨汞礦區(qū)植物根際土壤Mo的PI值變化在0.6～3.9之間,平均值為2.0,土壤總體表現(xiàn)為輕度Mo污染。

圖1 土壤Mo的PI值

表2 土壤Mo含量和PI值

2.2 植物中的重金屬含量

不同植物種類以及同一植物不同部位Mo含量差異較大(見表3),從表3可見,24種植物根部Mo含量變化在0.20～53.38 mg/kg之間,平均值為6.04 mg/kg,其中,長波葉山螞蟥根部Mo含量最大,芒次之;地上部分Mo含量變化在0.16～44.29 mg/kg之間,平均值為7.46 mg/kg,其中長波葉山螞蟥地上部Mo含量最大,其含量達53.38 mg/kg,已達超富集Mo植物標準(50 mg/kg[11]),芒次之。總體上,24種植物中Mo含量均高于正常植物(0.2 mg/kg[25])。此外,研究結(jié)果還表明,Mo在植物不同部位的含量呈現(xiàn)一定的規(guī)律性,即葉>地上部分>根部>莖,Mo在植物根部、莖、葉和地上部分呈現(xiàn)“N”型配分模式(見圖2)。

圖2 Mo在植物不同部位中的含量

表3 植物中的Mo含量

2.3 植物重金屬富集及遷移特征

土壤重金屬的植物提取潛力可以用生物轉(zhuǎn)移系數(shù)(BTF)和生物富集系數(shù)(BCFshoot和BCFroot)進行評價[26]。在本研究中植物對重金屬的吸收機制可分為3類:(1)富集型(Shoot accumulators):BCFshoot>1,BTF>1;(2)根部囤積型(Root compartments):BCFroot>1,BTF<1;(3)規(guī)避型(Excluders):BCFroot<1,BCFshoot<1[27-28]。

24種植物的生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)見表4,結(jié)果顯示,水麻、葛、芒、龍葵、商陸、苧麻和鳳尾蕨中Mo的BCFshoot>1,BTF>1,符合富集型植物特征,屬于富集型植物;金絲草、長波葉山螞蟥和鬼針草中Mo的BCFroot>1,BTF<1,符合根部囤積型特征,屬于根部囤積型植物;藜、鉆葉紫菀、鱗毛蕨、醉魚草、蒼耳、假酸漿、木藍、刺莧、六月雪、魔芋、菊芋、鹽麩木、牛膝和苔草中Mo的BCFroot<1,BCFshoot<1,符合規(guī)避型植物特征,屬于規(guī)避型植物。此外,研究結(jié)果還顯示,大多數(shù)植物中Mo的BTF>1,表明Mo在植物中具有較強的轉(zhuǎn)移能力。

表4 Mo在植物中的BCF和BTF

3 結(jié)論

(1)萬山和丹寨汞礦區(qū)土壤已被Mo輕度污染。

(2)Mo在植物不同部位的含量呈現(xiàn)一定的規(guī)律性,即葉>地上部分>根部>莖,Mo在植物根部、莖、葉和地上部分呈現(xiàn)“N”型配分模式。

(3)水麻、葛、芒、龍葵、商陸、苧麻和鳳尾蕨屬于富集型植物;金絲草、長波葉山螞蟥和鬼針草屬于根部囤積型植物;藜、鉆葉紫菀、鱗毛蕨、醉魚草、蒼耳、假酸漿、木藍、刺莧、六月雪、魔芋、菊芋、鹽麩木、牛膝和苔草,屬于規(guī)避型植物。