優(yōu)勢植物對電解錳渣中Mn遷移的影響

摘要 本研究對一電解錳渣堆場兩種植物（五節(jié)芒、一年蓬）定植條件下的植株Mn含量、電解錳渣全Mn含量、電解錳渣有效態(tài)Mn含量和滲透水中Mn含量進行測定，計算富集系數，探討植物定植對電解錳渣中Mn遷移的影響。結果表明，五節(jié)芒植株內Mn含量37.62 mg/kg，一年蓬植株內Mn含量98.30 mg/kg。五節(jié)芒定植后，電解錳渣有效態(tài)Mn含量下降了48.25%，一年蓬定植使電解錳渣有效態(tài)Mn含量下降了37.19%。此外，與對照相比，五節(jié)芒定植使?jié)B透水中的Mn含量下降了65.64%～80.66%，一年蓬定植使?jié)B透水中Mn含量下降了12.87%～19.48%。綜上，兩種植物定植均能減少電解錳渣中Mn向水體遷移，其中五節(jié)芒的阻控效果優(yōu)于一年蓬，具有治理電解錳渣堆場Mn污染的潛力。

關鍵詞 五節(jié)芒；一年蓬；電解錳渣；富集系數；Mn遷移

中圖分類號 X53；S-3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2024）19-0061-04

DOI號 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2024.19.013

Influence of dominant plants on the migration of Mn in electrolytic manganese residue

LUO Shanshan LUO Yang PU Liqun LI Pu LI Jinhong

（School of Geography and Resources， Guizhou Normal University， Guiyang 550018， China）

Abstract The Mn content in plant， substrate， residue and osmotic water were determined under the establishment conditions of two plants （Miscanthus floridulus and Erigeron annuus） in a electrolytic manganese residue storage site， and the bioaccumulation coefficient was calculated to investigate the effect of plant colonization on Mn migration in electrolytic manganese residue. The results showed that the content of Mn in M. floridulus was 37.62 mg/kg and

E. annuus was 98.30 mg/kg. The content of available Mn in electrolytic manganese residue decreased by 48.25% after the establishment of M. floridulus， and the content of available Mn in electrolytic manganese residue decreased by 37.19% after the establishment of E. annuus. In addition， compared with the control， the Mn content in the osmotic water decreased by 65.64%-80.66% with the establishment of M. floridulus， and 12.87%-19.48% with the growth of E. annuus. In conclusion， the establishment of the two plants can reduce the Mn migration from the electrolytic manganese residue to water body， and the resistance control effect of M. floridulus is better than that of E. annuus， which has the potential of treating the Mn pollution in the electrolytic manganese residue storage site.

Keywords Miscanthus floridulus; Erigeron annuus; electrolytic manganese residue; bioaccumulation coefficient; Mn migration

電解錳渣是硫酸浸取菱錳礦中金屬錳（Mn）而產生的濾渣，呈弱酸性黑色黏稠狀，以細粒成分為主[1]。錳礦石單位產渣量大，錳渣通常采用露天堆放或填埋方式進行處理[2-3]。研究表明，錳渣中的Mn含量達4%～6%[4]。高濃度的Mn2+會抑制植物根系吸收活性，引起氧化性脅迫，導致葉綠素含量下降，葉綠體超微結構被破壞和植株光合速率降低[5]。Mn具有生殖毒性，人體吸收過量的Mn會導致中毒[6]。因此，采取適宜措施，阻控電解錳渣中的Mn向周圍環(huán)境遷移，對于區(qū)域生態(tài)保護和人類健康具有重要意義。

植物修復技術是利用植物吸收、累積、固定和凈化等作用去除土壤中的重金屬污染物，并逐步改善土壤養(yǎng)分狀況，同時恢復土壤原有地貌，促使局部氣候改善、微環(huán)境得以優(yōu)化的一種環(huán)境治理技術[7]。采用植物修復方法對礦區(qū)進行生態(tài)修復是當前的研究熱點之一。電解錳渣長期堆放過程中，在風化作用的影響下，部分堆場上已有少數植物定居[8]。這些植物具有耐貧瘠性，可通過吸收和固定作用降低電解錳渣中Mn的遷移轉化能力，并恢復當地景觀，具有良好的生態(tài)應用價值[9]。在前期對一錳渣堆場的調查中，發(fā)現堆體上面生長有五節(jié)芒（Miscanthus floridulus）和一年蓬（Erigeron annuus）兩種優(yōu)勢植物。這兩種植物定植對電解錳渣中Mn的調控作用尚未可知。為此，本研究對電解錳渣堆場基質、定植優(yōu)勢植物及滲透水進行調查。通過測定植株Mn含量、電解錳渣全Mn含量、電解錳渣有效態(tài)Mn含量和滲透水中Mn含量，探討植物定植對電解錳渣中Mn遷移的影響，為電解錳渣堆場Mn污染治理及生態(tài)恢復提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試電解錳渣：采自電解錳渣堆場，堆存時間2～4年。

供試植物：五節(jié)芒，禾本科芒屬一年生植物，其生物量大，分布較廣泛，種植要求低，生物耐性強，h+cNXtdA2pnM6BhjNmWzYw==能在尾礦區(qū)正常生長[10]；一年蓬，一年或兩年生草本，莖粗壯，直立，高30～100 cm，上部有分枝[11]。

1.2 試驗設計

從電解錳渣堆場選取長勢良好的五節(jié)芒和一年蓬，在其根部20 cm直徑范圍外開挖，深挖40 cm，植株用無紡布包裹后，將其整叢連同基質移栽至塑料桶中，做好標記。同時在采樣點附近挖取土壤基質作為對照。試驗共設計4組處理：M處理，五節(jié)芒定植的電解錳渣基質；MCK處理，五節(jié)芒采樣點附近的裸露電解錳渣基質；P處理，一年蓬定植的電解錳渣基質；PCK處理，一年蓬采樣點附近的裸露電解錳渣基質。每個處理重復3次，每盆裝基質4 kg。試驗期間不做施肥處理，每盆底部安裝滲透水收集裝置。根據自然降水情況在9—11月間隔15 d采集1次滲透水，共收集5次。滲透水用0.45 μm濾膜過濾到50 mL塑料離心管中，加酸酸化后保存于冰箱內[12-13]。采摘的五節(jié)芒和一年蓬地上部用自來水沖洗一遍，再用去離子水反復沖洗后自然晾干，樣品烘干至恒重后粉碎，用于Mn含量測定。充分混合電解錳渣樣品，經自然風干、去除雜物后利用研缽研磨粉碎，過10和100目尼龍篩，裝入密封袋，備用。

1.3 測定項目及方法

電解錳渣全Mn含量：準確稱取廢渣基質樣品0.15～0.30 g，在HNO3-HCl-HF-H2O2體系（體積比3∶1∶1∶1）下，按120 ℃（7 min）—150 ℃（9 min）—190 ℃（25 min）程序進行微波消解，消解至液體透明澄清后，用火焰原子吸收分光光度計測定。

植物Mn含量：采用HNO3-H2O2消解體系（體積比5∶2），按120 ℃（20 min）—160 ℃（20 min）—190 ℃（40 min）程序微波消解至液體透明澄清[14-15]，用原子吸收分光光度計測定。

錳渣中有效態(tài)Mn含量：采用0.1 mol/L HCl浸提，用火焰原子吸收分光光度計測定。

滲透水Mn含量：用0.45 μm濾膜將滲透水過濾到50 mL塑料離心管中，用火焰原子吸收分光光度計測定。測試過程中設置空白和重復樣用于質量控制。

植物Mn富集系數采用式（1）計算[16]。

富集系數=植物體Mn含量/電解錳渣中Mn含量

（1）

1.4 數據分析

采用Excel 2007軟件進行數據整理，結果以平均值±標準差形式表示，用SPSS 26.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 植物對電解錳渣中Mn的富集吸收效果

由表1可知，電解錳渣堆場基質全Mn含量7 671.42～25 948.61 mg/kg，是該地區(qū)土壤背景值的9.66～32.68倍[17]。從分布上來看，以一年蓬周邊的裸渣全Mn含量最高，五節(jié)芒生長區(qū)基質全Mn含量最低。其中，五節(jié)芒根際電解錳渣（M）全Mn含量較其周圍的裸渣（MCK）降低了3.74%；一年蓬根際電解錳渣（P）全Mn含量較其周圍的裸渣（PCK）降低了2.24%。五節(jié)芒植株中Mn含量98.30 mg/kg，一年蓬植株中Mn含量37.62 mg/kg，兩種植物對Mn的富集系數較低，其中五節(jié)芒的Mn富集系數（12.81×10-3），是一年蓬Mn富集系數（1.48×10-3）的8.66倍。

2.2 植物定植對電解錳渣中有效態(tài)Mn含量的影響

由圖1可知，五節(jié)芒定植區(qū)（M）電解錳渣有效態(tài)Mn平均含量356.45 mg/kg，而五節(jié)芒采樣點附近裸渣（MCK）的有效態(tài)Mn含量688.78 mg/kg。與裸渣處理組相比，五節(jié)芒生長區(qū)電解錳渣中有效態(tài)Mn的含量降低了48.25%。一年蓬定植區(qū)電解錳渣（P）有效態(tài)Mn平均含量1 016.50 mg/kg，一年蓬采樣點附近裸渣（PCK）有效態(tài)Mn含量1 618.33 mg/kg；與裸渣處理組相比，一年蓬定植區(qū)域電解錳渣中有效態(tài)Mn含量降低了37.19%。

2.3 植物定植對電解錳渣中Mn向水體遷移的影響

由表2可知，五節(jié)芒采樣點附近裸渣處理組（MCK）滲透水中Mn的質量濃度37.12～54.45 mg/L，隨著時間的推移呈下降趨勢；五節(jié)芒定植后（M），滲透水中Mn的質量濃度下降至7.23～18.71 mg/L，降幅65.64%～80.66%。一年蓬采樣點附近裸渣處理組（PCK）滲透水中Mn的質量濃度88.92～103.48 mg/L，隨著時間的推移呈下降趨勢；一年蓬定植后（P），滲透水中Mn的質量濃度下降至71.60～90.16 mg/L，降幅12.87%～19.48%。兩種植物的定植均能減少電解錳渣中Mn向水體遷移，其中五節(jié)芒的阻控效果優(yōu)于一年蓬。

3 結論與討論

Mn是植物體的必需微量元素之一[18]，而過量的Mn會影響植物細胞代謝和礦質養(yǎng)分吸收，對植物造成損害[19]。在本研究中，五節(jié)芒定植區(qū)電解錳渣中全Mn含量低于一年蓬定植區(qū)，可能是因為電解錳渣堆場的電解錳渣是按照批次傾倒的，兩種植物生長區(qū)域的冶煉礦石類型、礦石品位、冶煉工藝及堆存時間等可能不同[20]。兩種植物的Mn含量在37.62～98.30 mg/kg，富集系數在1.48×10-3～12.81×10-3，未達到超積累植物的標準[21]（Mn含量10 000 mg/kg，富集系數大于1）。對比發(fā)現，五節(jié)芒的Mn富集系數是一年蓬的8.66倍，說明五節(jié)芒對Mn的吸收能力比一年蓬更強，這與徐曉瑩等[22]的研究結果一致。

植物可通過根系分泌有機物質來改變根際基質中重金屬的有效性，但具體影響有待深入探討。敖慧等[23]研究表明，根系分泌的有機酸可降低基質的pH，加速基質中重金屬的溶解，從而提高其有效性；也有研究認為，植物根系分泌的有機物質能與重金屬結合生成穩(wěn)定的絡合物，從而降低重金屬的遷移能力[24-25]。在本研究中，五節(jié)芒、一年蓬定植處理組電解錳渣中有效態(tài)Mn含量與其對應的周圍裸渣相比分別下降了48.25%和37.19%，說明在這兩種植物的根際效應下，電解錳渣的礦物、有機物和微生物組成可能發(fā)生了一定的改變，在其綜合影響下降低了電解錳渣中Mn的遷移能力，但其具體的作用機制還有待深入研究。

GB 5749—2022《生活飲用水衛(wèi)生標準》規(guī)定出廠水中Mn含量限值為0.1 mg/L[26]。在本研究中，各處理組滲透水中的Mn含量均超過該限值。一年蓬和五節(jié)芒定植后，滲透水中Mn的濃度與對照相比出現了不同程度的下降，說明這兩種優(yōu)勢植物定植能阻控電解錳渣中Mn向水體遷移。一方面可能是植物對Mn有一定的吸收作用[27]，從本研究結果來看，該途徑的貢獻率相對較小。另一方面，植物的根際效應降低了Mn的有效性，削弱了其擴散能力。五節(jié)芒對電解錳渣中Mn向水體遷移的阻控能力強于一年蓬，可能是因為五節(jié)芒地上部生物量及對Mn的吸收能力大于一年蓬，部分Mn被固定在植株體內。此外，五節(jié)芒根系較一年蓬發(fā)達，對電解錳渣的固持能力較強，且其根系分泌物對Mn有效性的降低作用強于一年蓬。因此，在電解錳渣堆場的Mn污染治理中，可將五節(jié)芒作為先鋒植物。

本研究對電解錳渣堆場兩種植物（五節(jié)芒、一年蓬）定植條件下植株Mn含量、電解錳渣全Mn含量、電解錳渣有效態(tài)Mn含量和滲透水中Mn含量進行測定，探討植物定植對電解錳渣中Mn遷移的影響，得出以下結論。

（1）五節(jié)芒和一年蓬對電解錳渣中的Mn均具有一定的吸收作用，其植株體內Mn含量在37.62～98.30 mg/kg，Mn富集系數在1.48×10-3～12.81×10-3，未達到超積累植物標準。

（2）植物定植降低了電解錳渣中Mn的有效性，與相對應的裸露電解錳渣相比，五節(jié)芒、一年蓬定植區(qū)域基質中有效態(tài)Mn含量分別降低了48.25%和37.19%。

（3）植物定植減少了電解錳渣中Mn向水體的遷移，與相對應的裸露電解錳渣處理組相比，五節(jié)芒、一年蓬的定植使?jié)B透水中的Mn含量分別降低了65.64%～80.66%和12.87%～19.48%。

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（責任編輯：何艷）