肖玲瓏, 陽(yáng)蓮, 尹納潔, 廖子棋, 歐陽(yáng)倩暉, 陳龍, 段彥之, 李姝, 黃熠,陳曉嵐, 湯銀娟,

(1. 湘南學(xué)院 臨床學(xué)院, 湖南 郴州, 423000; 2. 湘南學(xué)院 化學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院, 湖南 郴州, 423000; 3.湘南學(xué)院 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院, 湖南 郴州, 423000; 4. 湘南學(xué)院 南嶺藥用資源研究所, 湖南 郴州, 423000)

郴州柿竹園某尾礦區(qū)不同層次的土壤重金屬含量及優(yōu)勢(shì)植物富集特征

肖玲瓏1, 陽(yáng)蓮1, 尹納潔1, 廖子棋1, 歐陽(yáng)倩暉1, 陳龍1, 段彥之1, 李姝1, 黃熠2,陳曉嵐3, 湯銀娟3,4

(1. 湘南學(xué)院 臨床學(xué)院, 湖南 郴州, 423000; 2. 湘南學(xué)院 化學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院, 湖南 郴州, 423000; 3.湘南學(xué)院 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院, 湖南 郴州, 423000; 4. 湘南學(xué)院 南嶺藥用資源研究所, 湖南 郴州, 423000)

采用火焰原子吸收分光光度法、富集系數(shù)法及轉(zhuǎn)移系數(shù)法等方法測(cè)定了郴州市柿竹園礦區(qū)不同土層中Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的含量以及分析優(yōu)勢(shì)植物富集特征, 結(jié)果表明: 不同層次同種重金屬的條件下, Zn2+和Cd2+的土壤樣本平均含量在4層中的第1層最高, 分別達(dá)到358.40和907.13 mg/kg; Cu和Pb的樣本平均含量為第4層最高, 分別達(dá)到358.40和907.13 mg/kg; 大多優(yōu)勢(shì)植物符合超富集植物的部分特征也符合規(guī)避型植物的部分特征。該礦區(qū)的污染狀況較為嚴(yán)重, 應(yīng)按照每一層不同的污染情況及時(shí)建立保護(hù)及修復(fù)措施以減輕環(huán)境的污染。

重金屬; 富集系數(shù); 不同層次; 原子吸收分光光度計(jì)

上世紀(jì)90年代以來(lái), 我國(guó)很多城市都開(kāi)展了城市重金屬調(diào)查, 特別是對(duì)工礦企業(yè)的Cd2+、Cu2+、Pb2+、Zn2+等重金屬污染問(wèn)題己成為關(guān)注熱點(diǎn)[1]。廖啟林等[2]在對(duì)江蘇典型地區(qū)水稻與小麥籽實(shí)的元素富集系數(shù)的初步研究中發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的元素含量分布差異較明顯, 清晰地顯示了不同地區(qū)的元素富集系數(shù)不均勻的特征。潘義宏等[3]在對(duì)大型植物對(duì)重金屬的富集與轉(zhuǎn)移的研究中發(fā)現(xiàn), 同一湖泊不同采樣點(diǎn)水生植物對(duì)重金屬的吸收和富集量不同, 這表明植物對(duì)重金屬的富集與吸收能力跟元素所在地理位置有一定的關(guān)聯(lián)。其次, 不同土層的植物富集重金屬能力與其生長(zhǎng)環(huán)境有關(guān), 國(guó)內(nèi)有相關(guān)研究也證明了這一點(diǎn)[4–5]。陳勤等[6]在對(duì)紫湖溪流域重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)與植物富集特征的研究表明, 所采的9種植物樣本中大多數(shù)富集系數(shù)小于1, 表現(xiàn)出規(guī)避型植物特征, 轉(zhuǎn)移系數(shù)卻大于1, 對(duì)重金屬耐受相對(duì)較強(qiáng), 說(shuō)明某些在重金屬污染的區(qū)域生長(zhǎng)的植物可表現(xiàn)出規(guī)避型植物和超富集植物的特征。

本研究通過(guò)測(cè)量郴州柿竹園某尾礦區(qū)不同土層的植物中富集的重金屬含量, 對(duì)該地重金屬礦區(qū)不同土層的污染情況進(jìn)行評(píng)價(jià), 為該地重金屬污染的修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

郴州市地處湖南省東南部, 位于北緯24°53′～26°50′, 東經(jīng)112°25′～114°22′。郴州市柿竹園重金屬礦區(qū)擁有143種礦產(chǎn)資源, 被稱為“世界有色金屬博物館”, 海拔高度為186～500 m[7]。

1.2 材料

主要試劑。1 000 μg/mL Cu2+(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)溶液, GSB G 62024-90(2902))、1 000 μg/mL Zn2+(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)溶液, GSB G 62025-90(3001))、1 000 μg/mL Pb2+(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)溶液, GSB G 62071-90(8201))、1 000 μg/mL Cd2+(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)溶液, GSB G 62040-90(4801))、濃硝酸(優(yōu)級(jí)純, 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、H2O2、HF(優(yōu)級(jí)純, 西隴化工股份有限公司)、硫脲(分析純, 天津市永大化學(xué)試劑有限公司)、抗壞血酸(分析純,湖南省南化化學(xué)品有限公司)。

主要儀器。AA-7000型原子吸收分光光度計(jì)(日本島津企業(yè)管理(中國(guó))有限公司)、MD6C-10H型微波樣品處理系統(tǒng)(北京盈安美誠(chéng)科學(xué)儀器有限公司)、AF-10A型密封型搖擺式中藥粉碎機(jī)(溫嶺市奧力中藥機(jī)械有限公司)、DHG-9203A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)、eppendorf移液槍(德國(guó))、FA2104N型電子天平(上海菁海儀器有限公司)。

1.3 方法

1.3.1 樣品采集及處理

根據(jù)該重金屬礦區(qū)山的高度及礦砂堆積的年限選擇了4個(gè)采樣層, 在每個(gè)采樣層采用隨機(jī)法選取2～5個(gè)采樣點(diǎn), 采集各樣點(diǎn)1 m2內(nèi)的優(yōu)勢(shì)植物種類, 并標(biāo)記其地上和地下部分。同時(shí)采集植物周圍0～20 cm的根部土壤, 分別用密封袋封裝并編號(hào), 再經(jīng)過(guò)2 mm篩的過(guò)濾, 干燥保存, 參考胡寧?kù)o等[8]的方法對(duì)土壤樣本進(jìn)行pH測(cè)定, 結(jié)果見(jiàn)表1。用四分法取部分土壤置于65 ℃電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘干,充分混勻碾碎, 用于土壤重金屬含量的測(cè)定。用蒸餾水清洗植物表面粘附的土壤及其它雜質(zhì)后, 用去離子水沖洗3次, 置于65 ℃干燥箱中烘干, 將其粉碎后用于測(cè)定重金屬含量。

1.3.2 樣品重金屬含量的測(cè)定

土壤、植物樣本消解及實(shí)驗(yàn)樣品溶液的配制[9–11]。(1) 土壤樣品: 按編號(hào)稱取0.2 g(精確至0.000 1 g)土壤樣品置于消解罐中, 加入4 mL濃HNO3、1 mL H2O2以及2 mL HF。(2) 植物樣品: 按編號(hào)準(zhǔn)確稱取0.3 g(精確至0.000 1 g)植物樣品置于消解罐中, 加入5 mL濃HNO3和1mL H2O2。將上述樣品放入微波樣品處理系統(tǒng)中按表1中的參數(shù)進(jìn)行消解。消解完成后, 轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶?jī)?nèi), 加5 mL混酸(由5%抗壞血酸和5%硫脲組成), 用2%的硝酸定容, 將消解液轉(zhuǎn)移至廣口瓶中待測(cè)。

實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制及標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制[12–15]。吸取濃度為1 000 μg/mL 的Cu2+(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)溶液), 按梯度分別稀釋為0.2、0.4、0.6、0.8和1 μg/L。Zn2+、Pb2+、Cd2+均按上述方法稀釋, 設(shè)定好儀器工作參數(shù)之后, 進(jìn)行繪制Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的標(biāo)準(zhǔn)曲線, 測(cè)得Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的相關(guān)系數(shù)分別為0.995 0、0.999 7、0.995 0、0.999 8, 其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)均小于8%。

表1 土壤及植物碎沫樣本的微波樣品處理系統(tǒng)消解參數(shù)

重金屬含量測(cè)定[16–19]。在上述工作基礎(chǔ)上, 用火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定各樣品中Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+等重金屬濃度。結(jié)果見(jiàn)表2。

植物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)的計(jì)算。參考高陳璽等[3]的方法, 按照如下公式計(jì)算植物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù): 富集系數(shù)(FBC)=植物地上部分的重金屬含量/土壤的重金屬含量; 轉(zhuǎn)移系數(shù)(FT)=植物地上部分的重金屬含量/植物根部重金屬的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤及植物中重金屬含量及特征

由表2可知, 該礦山的所有采樣點(diǎn)的土壤pH均小于6, 土壤為酸性, 且該礦區(qū)土壤中各重金屬的變化范圍一部分變化較大, 而另一部分, 其中Cu2+的變化范圍為110.25～374.25 mg/kg, Zn2+的變化范圍為598.05～2 156.45 mg/kg, Pb2+的變化范圍為256.90～920.95 mg/kg, Cd2+的變化范圍為23.60～42.95 mg/kg, 與國(guó)家2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(pH<6.5, Cu2+為50 mg/kg, Zn2+為200 mg/kg, Pb2+為250 mg/kg, Cd2+為0.3 mg/kg)相比[6], Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+最高含量分別為國(guó)家2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的7.49倍、10.78倍、3.68倍、143.17倍,Pb2+的含量相對(duì)較低, 其最高含量?jī)H為國(guó)家2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的3.68倍。因此, 礦區(qū)土壤中Cd2+的污染較為嚴(yán)重,平均值為國(guó)家2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的109.71倍, 而Pb2+的污染較輕, 平均值為國(guó)家2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的2.13倍。從不同層次的同種重金屬來(lái)看(表3), 在第1層土壤中, Zn2+和Cd2+的樣本平均含量在四層中最高, 分別達(dá)到37.04、1 486.46 mg/kg, 分別為國(guó)家2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的123.47倍和7.43倍; 在第4層土壤中, Cu2+和Pb2+的樣本平均含量在四層中最高, 分別達(dá)到358.40 mg/kg和907.13 mg/kg, 分別為國(guó)家2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的7.17倍和3.63倍; 其他兩層相對(duì)于第1層和第4層各重金屬含量相對(duì)較低, 這說(shuō)明不同層次的土壤重金屬含量各異, 其污染狀況也不同。

表3 不同層次中的Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+含量及相關(guān)轉(zhuǎn)移系數(shù)與富集系數(shù)平均值

2.2 各層植物的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)及特征

從植物中重金屬含量、富集系數(shù)以及轉(zhuǎn)移系數(shù)(見(jiàn)表3)角度來(lái)看, 4種重金屬中, Zn2+在整株植物體內(nèi)的含量變化相對(duì)較大, 最高含量達(dá)401.96 mg/kg, 而最低含量為59.83 mg/kg, 最高值約為最低值的6.72倍; 而Cd2+在植物體內(nèi)的含量變化相對(duì)較小, 最高值僅為35.60 mg/kg, 最低值為14.22 mg/kg, 由上述可知優(yōu)勢(shì)植物體內(nèi)Zn2+含量的最低值也比Cd2+含量的最高值含量高。由表3可知, 植物對(duì)4種重金屬的富集系數(shù)波動(dòng)較小, 而轉(zhuǎn)移系數(shù)卻相對(duì)波動(dòng)較大, 其中Cd2+的轉(zhuǎn)移系數(shù)波動(dòng)最大, 范圍為0.22～4.16。

圖1表示1～4層每一層所有植物樣本對(duì)Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的平均的富集系數(shù)對(duì)比關(guān)系, 反映該層優(yōu)勢(shì)植物對(duì)各重金屬吸收能力的對(duì)比關(guān)系; 圖2表示1～4層每一層所有植物樣本對(duì)Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的平均的轉(zhuǎn)移系數(shù)對(duì)比關(guān)系, 反映該層優(yōu)勢(shì)植物從根部向地上部分運(yùn)輸轉(zhuǎn)移重金屬能力的大小。二者共同反映植物對(duì)各重金屬富集能力的強(qiáng)弱。由圖1可知, 在4種重金屬中, Cd2+在各層的平均富集系數(shù)最高, 表明在各層中的優(yōu)勢(shì)植物對(duì)Cd2+的吸收能力最強(qiáng); 在第1、2、3層中Pb2+的平均富集系數(shù)僅次于Cd2+, 表明在該礦區(qū)生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)植物整體上對(duì)Pb2+的吸收能力也較強(qiáng)。由圖2可知: 在第1層中各金屬的平均轉(zhuǎn)移系數(shù)Cd2+> Pb2+> Zn2+> Cu2+; 在第2層中各金屬平均轉(zhuǎn)移系數(shù)Cd2+> Zn2+>Pb2+> Cu2+; 在第3層中各金屬的平均轉(zhuǎn)移系數(shù)Zn2+> Pb2+> Cd2+> Cu2+; 在第4層中各金屬的平均轉(zhuǎn)移系數(shù)Zn2+> Pb2+> Cu2+> Cd2+。這表明不同層次的優(yōu)勢(shì)植物對(duì)不同重金屬的轉(zhuǎn)系系數(shù)各有差異, 即優(yōu)勢(shì)植物從根部向地上部分運(yùn)輸轉(zhuǎn)移重金屬能力各不相同。

圖3表示不同層次的Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的平均富集系數(shù)對(duì)比關(guān)系, 反映不同層次條件下, 優(yōu)勢(shì)植物吸收各重金屬能力的對(duì)比關(guān)系。圖4表示不同層次的Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的平均轉(zhuǎn)移系數(shù)對(duì)比關(guān)系, 反映不同層次條件下, 優(yōu)勢(shì)植物從根部向地上部分運(yùn)輸轉(zhuǎn)移各重金屬能力的大小。由圖3可知,從第1層到第4層, 優(yōu)勢(shì)植物對(duì)Cu2+的平均富集系數(shù)依次降低; 各層優(yōu)勢(shì)植物對(duì)Zn2+的平均富集系數(shù)第4層>第3層>第1層>第2層; 各層優(yōu)勢(shì)植物對(duì)Pb2+的平均富集系數(shù)第2層>第1層>第3層>第4層; 各層優(yōu)勢(shì)植物對(duì)Cd2+的平均富集系數(shù)第2層>第3層>第1層>第4層。由圖4可知: 從第1層到第4層, 優(yōu)勢(shì)植物對(duì)Cu2+和Pb2+的平均轉(zhuǎn)移系數(shù)逐漸降低; 各層優(yōu)勢(shì)植物對(duì)Zn2+的平均轉(zhuǎn)移系數(shù)第3層>第1層>第2層>第4層; 各層優(yōu)勢(shì)植物對(duì)Cd2+的平均轉(zhuǎn)移系數(shù)第2層>第1層>第3層>第4層。綜上可知, 在不同層次的條件下, 優(yōu)勢(shì)植物對(duì)各金屬的富集系數(shù)及轉(zhuǎn)系系數(shù)均各有差異, 同時(shí)也反映了不同層次的優(yōu)勢(shì)植物對(duì)不同的重金屬的富集能力在一定程度上具有差異性。

圖1 各土層的植物樣本對(duì)Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的平均富集系數(shù)對(duì)比

圖2 各土層的植物樣本對(duì)Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的平均轉(zhuǎn)移系數(shù)對(duì)比

圖3 相同重金屬不同層次平均富集系數(shù)對(duì)比

圖4 相同重金屬不同層次平均轉(zhuǎn)移系數(shù)對(duì)比

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)郴州市柿竹園某尾礦區(qū)不同層次的植物富集重金屬含量的分析發(fā)現(xiàn): 該尾礦區(qū)的重金屬污染較為嚴(yán)重, 土壤中Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+四種重金屬在該尾礦區(qū)的最大含量分別達(dá)到374.25、2156.45、920.95、143.17 mg/kg, 分別為國(guó)家2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的7.49倍、10.78倍、3.68倍、143.17倍。此前雷梅等[7]對(duì)湖南柿竹園進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)Cu、Zn、Pb、Cd四種重金屬在才山選礦廠的最高含量高達(dá)3 974、24 333、29 702、236 mg/kg, 各重金屬含量遠(yuǎn)高于本研究所研究區(qū)域的含量, 表明選礦廠對(duì)土壤環(huán)境的污染比尾礦區(qū)對(duì)土壤環(huán)境的污染嚴(yán)重得多。但是二者具有污染較為嚴(yán)重的區(qū)域植物分布稀疏這一共同特點(diǎn)。本次研究發(fā)現(xiàn)不同層次的植物對(duì)各種重金屬的富集能力具有一定的差異性。

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(責(zé)任編校: 劉剛毅)

The characteristics of different levels of heavy metal contents and advantages of soil plant enrichment Chenzhou Shizhuyuan tailing area

Xiao Linglong1, Yang Lian1, Yin Najie1, Liao Ziqi1, Ouyang Qianhui1, Chen Long1, Duan Yanzhi1, Li Shu1Huang Yi2, Chen Xiaolan3, Tang Yinjuan3,4
(1. Clinical College of XiangNan University, Chenzhou 423000, China; 2. College of chemistry and biological engineering; XiangNan University, Chenzhou 423000, China; 3. College of Basic Medical Sciences, XiangNan University, Chenzhou 423000, China; 4. Institute of medicinal resources; XiangNan University, Chenzhou 423000,China)

The flame atomic absorption spectrophotometric method, the enrichment coefficient method and the transfer coefficient method were used for determinating the content of Cu2+, Zn2+, Pb2+and Cd2+of different levels soil in the mining area of Chenzhou City, and analysing the characteristic of dominant plant enrichment. The results show that under the condition of different levels of the same heavy metal, the average content of Zn and Cd of the soil samples are highest in first layer among four layers, reaching 358.40mg/kg and 907.13 mg/kg respectively, and the average content of Cu and Pb are highest in fourth layer, reaching 358.40 mg/kg and 907.13 mg/kg respectively.Most dominant plants not only accord with some parts of hyperaccumulators’ characteristics, but also conform to the characteristics of the avoid-type-plants . The pollution of this area is serious and we should take some protecting andrepairing measures according to different conditions of every layer to alleviate environmental pollution in time.

heavy metal; enrichment factor; different levels; atomic absorption spectrophotometer

X 171

: A

1672–6146(2017)03–0022–06

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.03.006

湯銀娟, 2265382029@qq.com; 陳曉嵐, chxl64627@qq.com。

: 2017–03–06

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(教高司函[2015]41號(hào)-201510545003); 湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(湘教通[2015]269號(hào)-490); 湘南學(xué)院大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目([2015]66號(hào)-12); 湘南學(xué)院“橘井泉香”科技文化節(jié)項(xiàng)目(2014KJJ06); 中南林業(yè)科技大學(xué)對(duì)口支援湘南學(xué)院科技項(xiàng)目(2012XN04)。