陳 立,王 丹*,龍 嬋,崔正旭
(1.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,四川 綿陽 621010;2.西南科技大學(xué)核廢物與環(huán)境安全國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽621010)
核能促進(jìn)了我國工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展,但同時(shí)也使鈾礦的開采和冶煉力度加大,導(dǎo)致越來越多的核廢物和鈾尾礦污染通過不同途徑進(jìn)入環(huán)境中。鈾尾礦是一個(gè)復(fù)合的污染源,大多伴生有Cd、Pb、Cu、Mn、Fe、Zn等多種重金屬[1-2]。其中,當(dāng)土壤中鈾濃度低于100 mg·kg-1時(shí),大多數(shù)植物均正常生長[3-4],而鈾濃度高于200 mg·kg-1時(shí),致使大部分植物葉色變淡萎蔫,無法完成正常生長周期[5-6]。鈾尾礦污染不僅影響生態(tài)環(huán)境,還會(huì)通過水體進(jìn)入食物鏈危及人類健康,因此,其修復(fù)問題亟待解決。
目前,植物修復(fù)技術(shù)以其成本低廉、操作簡便、運(yùn)用范圍廣、綠色環(huán)保等優(yōu)勢,受到越來越多的關(guān)注,應(yīng)用前景廣闊[7]。在植物修復(fù)中,如何有效活化土壤中的重金屬是問題的關(guān)鍵。近期研究表明,螯合劑能夠改變土壤中重金屬元素的賦存形態(tài),提高其生物有效性,利于植物吸收[8]。如Grcman等[9]研究結(jié)果表明,施加可降解螯合劑EDDS(乙二胺二琥珀酸)可以顯著提升蕪菁對Pb吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、富集。Nascimento等[10]通過實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了天然小分子有機(jī)酸可增加土壤中水溶性重金屬的濃度,使植物修復(fù)效果明顯提高。此外,螯合劑誘導(dǎo)植物提取土壤中重金屬的能力,既與植物本身、土壤性質(zhì)及重金屬固有特性有關(guān),還與植物生長環(huán)境條件、螯合劑施加方式及螯合劑施加時(shí)段等有關(guān)[11]。就同一種植物而言,螯合劑種類及添加濃度不同也使其誘導(dǎo)植物提取重金屬的能力差異明顯,因此,選擇最適的螯合劑種類及其施加濃度對于提高植物修復(fù)效果具有重要意義。
芥菜(Brassica juncea var.tumida)為十字花科蕓苔屬一年生草本植物,具有生長迅速、生物量大等特點(diǎn)。目前,已有研究表明芥菜對鈾污染土壤具有良好的修復(fù)效果[12]。本試驗(yàn)以芥菜為材料,比較在鈾鎘復(fù)合污染脅迫下土壤根部施加可降解螯合劑EDDS(乙二胺二琥珀酸)、OA(草酸)及CA(檸檬酸)對芥菜吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及富集鈾鎘的影響,旨在為螯合誘導(dǎo)植物修復(fù)技術(shù)在實(shí)際鈾鎘復(fù)合污染土壤治理中的運(yùn)用提供理論參考。
供試植物為芥菜(Brassica juncea L.),種子采購于綿陽市涪城區(qū)龍門鎮(zhèn)綠色農(nóng)業(yè)生態(tài)園。供試螯合劑均可降解,分別為EDDS、OA及CA(均為分析純),購買于綿陽生科力科技有限公司。供試土壤取自西南科技大學(xué)后山種質(zhì)圃表層0~30 cm的土壤,為黃壤土,基本理化性質(zhì)如下:pH值為6.88,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比為18.99 g·kg-1,速效磷、堿解氮、速效鉀質(zhì)量比為41.35、166.46、57.03 mg·kg-1,陽離子交換量為115.64 mmol·kg-1。
采用模擬盆栽試驗(yàn),鈾鎘污染土壤中鈾質(zhì)量比為150 mg·kg-1土,鎘質(zhì)量比為 15 mg·kg-1土;鈾源為醋酸雙氧鈾[UO2(CH3CO2)2·2H2O],鎘源為氯化鎘(CdCl2·2.5H2O),均以水溶液的方式均勻澆灌至部分待模擬污染的土壤中,再采用建筑工地用攪拌機(jī)將已污染處理的土壤與目標(biāo)量土壤攪拌混合均勻(遞進(jìn)拌制法)。靜置平衡4周后,定量稱取每盆3.0 kg土裝至試驗(yàn)容器中(試驗(yàn)容器規(guī)格為Φ24 cm×24 cm,底部有孔,帶托盤),置于玻璃溫室中待用。之后,選取生長較好且長勢一致的芥菜幼苗移栽至鈾鎘復(fù)合污染土壤的盆中,每盆兩株,定期澆水調(diào)節(jié)盆中土壤含水量約為田間持水量的60%,其余處理一致。
待移栽幼苗后2個(gè)月后,按試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別向土壤中施加相應(yīng)的螯合劑。施加前,將螯合劑按一定濃度比例配成溶液,并且調(diào)節(jié)pH值至6.5左右,澆灌加入植物根際周圍土壤。EDDS、OA和CA分別設(shè)置了3個(gè)處理濃度,即2.5、5、7.5 mmol·kg-1土,以添加等量的水溶液作為空白對照(CK),每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。螯合劑分為3次施加,每盆一次施加量是33 mL(第3次是34 mL),單次施加時(shí)間間隔3 d,總計(jì)施加100 mL。施加螯合劑后,定期灌溉土壤,最后一次處理7 d后收獲芥菜,進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測定。
1.3.1 芥菜生物量的測定
將3個(gè)重復(fù)區(qū)的每一個(gè)處理的植株(以盆為單位)從盆中連根移出,清理掉附著在根系表面的土壤并用蒸餾水洗凈,吸干水分,再將地上部與地下部分開于105℃殺青30 min后,在75℃下于烘箱中烘干至恒重,分別稱取地下部與地上部的干質(zhì)量(以每盆中每株植物的平均質(zhì)量計(jì))后保存待用。
1.3.2 芥菜鈾鎘含量的測定
使用粉碎機(jī)(北京永光明有限公司)將芥菜地上部和地下部干物質(zhì)分別粉碎,準(zhǔn)確稱取0.300 0 g粉末,加入20 mL濃硝酸,使用石墨爐消解儀(SH230N,濟(jì)南海能儀器有限公司)進(jìn)行消解,消解液濾膜過濾后采用ICP-MS(Aglient 7700x,美國安捷倫公司)測定芥菜各部分的鈾鎘含量。
1.3.3 土壤中有效態(tài)鈾鎘含量的測定
采集芥菜根際土壤樣品并烘干,過0.1 mm篩備用。取1.000 0 g樣品加入錐形瓶中,并添加50 mL的Mehlich3浸提液,放入振蕩器振蕩30 min,過濾,取濾液,采用ICP-MS(Aglient 7700x,美國安捷倫公司)測定有效態(tài)鈾、鎘含量。
轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)=植物地上部重金屬含量(mg·kg-1)/植物地下部重金屬含量(mg·kg-1)
富集量(BCQ)=植物地上部(地下部)重金屬含量(mg·kg-1)×植物地上部(地下部)干質(zhì)量(g)
轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)[13](BCF)=植物地上部重金屬富集量(mg)/植物地下部重金屬富集量(mg)
利用Microsoft Excel 2010進(jìn)行平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算,采用SPSS 23.0進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)及相關(guān)分析,使用Origin 9.1作圖。
生物量是植物修復(fù)重金屬污染的一個(gè)重要因素,對烘干后的芥菜稱重,結(jié)果見圖1。從圖1可知,在螯合劑EDDS處理下,芥菜植株干質(zhì)量隨濃度增大而減小。而在螯合劑OA、CA處理下,芥菜植株干質(zhì)量隨濃度的增大,先增高后降低,并在2.5 mmol·kg-1時(shí)達(dá)到峰值。
如圖1所示,在OA、CA 2.5 mmol·kg-1處理與對照植株干質(zhì)量相比分別提高了1.45、2.5 g,而隨著濃度增高,芥菜地上部干質(zhì)量不斷降低。在7.5 mmol·kg-1EDDS處理下,芥菜地上部干質(zhì)量與對照相比降低了2.16 g,生長受到嚴(yán)重抑制。芥菜地下部干質(zhì)量隨螯合劑濃度的變化趨勢與地上部一致,在OA、CA 2.5 mmol·kg-1處理下,與對照地下部干質(zhì)量相比分別提高了0.14 g和0.25 g,但7.5 mmol·kg-1EDDS處理下,芥菜地下部干質(zhì)量為1.37 g,是對照的77.4%。在三種螯合劑中,每種螯合劑處理對芥菜單株生物量增加效用存在差異,其影響能力由大到小為CA>OA>EDDS。同時(shí),低濃度(2.5 mmol·kg-1)的OA、CA顯著促進(jìn)了芥菜生長,但在高濃度(7.5 mmol·kg-1)處理下,則對芥菜生長產(chǎn)生抑制作用,其原因可能為,在一定重金屬環(huán)境下低濃度的小分子有機(jī)酸可以緩解重金屬對植物的毒害,而濃度過高則可能對植物生理生長產(chǎn)生雙重毒性。
圖1 EDDS、OA和CA對芥菜生物量的影響Figure 1 Effects of EDDS,OA and CA on biomass of Brassica juncea L.
芥菜地上部、地下部及單株鈾含量見表1。由表1可知,芥菜的地下部鈾含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地上部,表明鈾主要被植物根部所吸收。同時(shí),不同的螯合劑處理促進(jìn)芥菜植株吸收鈾的能力也存在差異,其總體作用趨勢為CA>EDDS>OA。其中,CA處理顯著促進(jìn)了芥菜對鈾的吸收,并且鈾含量隨著CA濃度升高而增大,在7.5 mmol·kg-1CA處理時(shí)芥菜單株鈾含量達(dá)到峰值為20.63 mg·kg-1,是對照的2.84倍。隨著EDDS濃度升高,芥菜中鈾含量均呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢,并在5 mmol·kg-1EDDS處理下達(dá)到峰值為20.11 mg·kg-1,是對照的2.77倍。而OA處理下,芥菜單株鈾含量均有所降低,但與對照之間無顯著差異(P>0.05)。
螯合劑處理下,芥菜的鈾轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均有所升高,比對照提高了7.23%~293.02%,其總體作用趨勢為CA>OA>EDDS。在7.5 mmol·kg-1CA處理后芥菜鈾轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)達(dá)到峰值0.118,顯著高于其他處理組(p<0.05)。
由表2可知,與對照相比,螯合劑CA、EDDS對芥菜植株富集鈾有促進(jìn)作用,且CA效果更為明顯,而OA則產(chǎn)生抑制效用。此外,芥菜單株鈾富集量隨螯合劑濃度變化與鈾含量變化規(guī)律一致。在CA 7.5 mmol·kg-1時(shí),芥菜地上部及單株富集量均達(dá)到峰值,分別為89.36、223.66 μg,是對照的5.4、2.55倍。在5 mmol·kg-1EDDS處理下,芥菜單株鈾富集量為206.74 μg,僅略低于CA 7.5 mmol·kg-1處理組。在OA處理下,芥菜單株鈾富集量略低于對照組,但無顯著差異(p<0.05),表明OA處理抑制了芥菜對鈾的富集。
表1 不同螯合劑對芥菜鈾含量與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響Table 1 Effects of different cheating agents treatments on U concentration and translocation factor of Brassica juncea L.
表2 不同螯合劑對芥菜鈾富集量與轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)的影響Table 2 Effects of different cheating agents treatments on U bioaccumulation quantity and transfer quantity factor of Brassica juncea L.
表3 不同螯合劑對芥菜鎘含量與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響Table 3 Effects of different cheating agents treatments on Cd concentration and translocation factor of Brassica juncea L.
在不同處理下,芥菜轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)均低于1,表明鈾主要富集于芥菜植株地下部。不同處理對芥菜鈾轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)產(chǎn)生不同效用,其中促進(jìn)效用表現(xiàn)為CA>OA>EDDS。在7.5 mmol·kg-1CA處理后芥菜鈾轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)達(dá)到峰值為0.66,是對照的2.85倍,高于其他處理組。
綜上可知,在三種螯合劑中,螯合劑CA、EDDS均可促進(jìn)芥菜對鈾的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、富集,且CA效果明顯優(yōu)于EDDS,加之,其是一種成本低廉、環(huán)境友好的小分子有機(jī)酸,故CA對芥菜提取土壤中鈾的促進(jìn)效果最佳,而EDDS次之。
芥菜地上部、地下部及單株鎘含量見表3。由表3可知,與對照相比,施加適宜濃度的螯合劑能夠一定程度上提升芥菜植株的鎘含量,其中,EDDS效果最佳,OA次之,CA最差。隨著EDDS濃度的升高,芥菜地上部、地下部及單株鎘含量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。在5 mmol·kg-1EDDS處理下,芥菜地上部、地下部及單株鎘含量均達(dá)到峰值,分別為382.2、18.6 mg·kg-1及 328.2 mg·kg-1,是對照的 4.67、2.03 倍及2.35倍,且顯著高于其他處理組(p<0.05)。而CA、OA處理對芥菜吸收鎘的促進(jìn)作用相對較差。
在螯合劑處理下,芥菜鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為對照的91.66%~235.18%。在CA 5 mmol·kg-1處理下,芥菜鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最低,為8.183。在5 mg·kg-1EDDS處理下,芥菜鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最高,為20.997。
由表4可知,施加螯合劑均能促進(jìn)鎘在芥菜體內(nèi)積累,其總體作用效果為EDDS>OA>CA。其中,在5 mmol·kg-1EDDS處理下,地上部及單株鎘積累量達(dá)到峰值,分別為 3 388.75、3 417.67 μg,分別是對照的4.03、3.98倍,均顯著高于其他處理。在OA、CA處理下,芥菜地上部、地下部及單株鎘富集量與對照無顯著差異(P>0.05),表明OA、CA促進(jìn)芥菜富集鎘的能力較差。
在不同處理下,芥菜鎘轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)均遠(yuǎn)高于1,表明芥菜地上部對鎘的富集效果極佳。在螯合劑處理下,芥菜鎘轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)為對照的89.92%~247.19%,且變化規(guī)律與鎘含量的趨勢一致。在CA 5 mmol·kg-1處理下,芥菜鎘轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)最低,為46.63。在5 mmol·kg-1EDDS處理下,芥菜鎘轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)最高,為128.18。
綜上可知,在三種螯合劑中,螯合劑EDDS促進(jìn)芥菜吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、富集Cd的能力最佳,而OA、CA則無明顯效用。
從表5可知,螯合劑的施加提高了土壤中有效態(tài)鈾含量,但不同螯合劑處理效果有所差異。在CA處理下,隨著濃度的升高,土壤中的有效態(tài)鈾含量持續(xù)升高,在CA濃度為7.5 mmol·kg-1時(shí)達(dá)到峰值,為125.83 mg·kg-1,是對照的1.76倍,表明CA活化土壤中有效態(tài)鈾能力較佳。而在EDDS處理下,隨著濃度升高,土壤中有效態(tài)鈾含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,在 5 mmol·kg-1時(shí)達(dá)到峰值,為 101.4 mg·kg-1,是對照的1.42倍。而OA處理對土壤中有效態(tài)鈾含量無顯著變化。對于鎘而言,螯合劑的施加可以提升土壤中有效態(tài)鎘含量。其中,在EDDS處理下,隨著濃度升高,土壤中有效態(tài)鎘含量先升高后降低,在 5 mmol·kg-1時(shí)達(dá)到峰值,為 13.23 mg·kg-1,是對照的1.61倍。而OA、CA處理對土壤中有效態(tài)鎘含量的影響無顯著差異。整體而言,CA活化土壤中有效態(tài)鈾的效果最佳,EDDS提高土壤中有效態(tài)鎘的效用最佳,而OA處理對于活化土壤中有效態(tài)鈾鎘的能力均較差。
表4 不同螯合劑對芥菜鎘富集量與轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)的影響Table 4 Effects of different cheating agents treatments on Cd bioaccumulation quantity and transfer quantity factor of Brassica juncea L.
表5 EDDS、OA和CA對土壤有效態(tài)鈾鎘含量的影響(mg·kg-1)Table 5 Effects of EDDS,OA and CA on mass ratio of available uranium and cadmium in soil(mg·kg-1)
植物修復(fù)過程中施加螯合劑可以活化土壤中的重金屬,利于植物的吸收,同時(shí),過高劑量的螯合劑也會(huì)對植物本身產(chǎn)生毒害作用,導(dǎo)致植物黃化、枯萎,甚至凋亡[14-15]。本研究結(jié)果表明,在低濃度處理下,OA、CA對芥菜生長產(chǎn)生促進(jìn)作用。在高濃度處理下,三種螯合劑對芥菜生長產(chǎn)生不同程度的抑制。其原因可能是,低濃度的有機(jī)酸可以緩解重金屬對植物的毒害。但螯合劑濃度過高時(shí),對土壤中重金屬的活化導(dǎo)致土壤溶液中重金屬離子濃度大幅增加,進(jìn)而對植物造成更加嚴(yán)重的脅迫,致使其生物量降低[8,16]。衛(wèi)澤斌等[17]研究表明,低濃度(2.5 mmol·kg-1)的GLDA(谷氨酸N,N-二乙酸)促進(jìn)東南景天地上部生物量增加,而高濃度(10 mmol·kg-1)則產(chǎn)生毒害作用,與本文的研究結(jié)論一致。
螯合劑促進(jìn)植物對重金屬的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及富集,主要原因分為兩個(gè)方面:一方面,螯合劑的施加,降低了植物根際土壤pH,提高重金屬離子的溶解性,進(jìn)而利于植物吸收。另一方面,螯合劑能與重金屬形成水溶性的金屬螯合物,改變重金屬在土壤中的形態(tài),提升土壤中有效態(tài)重金屬含量,增強(qiáng)了植物根系對其的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)效率[18]。在試驗(yàn)中,施加CA對土壤中有效態(tài)鈾含量提升效果最佳,同時(shí),CA對芥菜吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)鈾的促進(jìn)效果也最佳,表明了土壤中有效態(tài)鈾含量與芥菜的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)直接相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn),在CA 7.5 mmol·kg-1處理下,芥菜地上部、地下部及單株鈾含量分別是對照的6.03、2.08倍及2.84倍。在5 mmol·kg-1EDDS處理下,芥菜地上部、地下部及單株鎘含量分別是對照的4.67、2.03倍及2.35倍。鐘鉬芝[19]研究發(fā)現(xiàn)向蠶豆中施加2.5 mmol·kg-1CA,可以使蠶豆單株鈾含量顯著增高。金忠民等[20]發(fā)現(xiàn),外加EDDS可以使高羊茅和紅三葉地上部鎘含量大幅度提升。此外,芥菜鈾轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)遠(yuǎn)低于1,而鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)遠(yuǎn)高于1,這與查忠勇等[21]、張守文[22]的研究結(jié)論一致。螯合劑能夠有效促進(jìn)芥菜對鈾鎘的積累。在本研究中,施加7.5 mmol·kg-1CA,芥菜地上部及單株鈾富集量分別是對照的5.4、2.55倍。而楊瑞麗等[23]研究表明,施用5 mmol·kg-1CA處理可使黑麥草地上部、根部鈾富集系數(shù)分別提高2.31、1.67倍。施加5 mmol·kg-1EDDS,芥菜地上部、單株鎘富集量分別是對照的4.03、3.98倍,表明EDDS促進(jìn)了芥菜對Cd的富集。劉金等[24]研究發(fā)現(xiàn),2.5 mmol·kg-1EDDS顯著強(qiáng)化了苧麻對鎘的富集能力。
外源施加螯合劑可以有效提升土壤中有效態(tài)鈾鎘含量。本研究發(fā)現(xiàn),CA的施加提高了土壤中有效態(tài)鈾含量,EDDS的施加顯著提升了土壤中有效態(tài)鎘含量,同時(shí),對有效態(tài)鈾含量也有一定提升效果,而OA的施加對土壤中有效態(tài)鈾鎘含量無顯著差異。其原因可能是不同重金屬和螯合劑之間存在選擇性,CA對鈾的選擇性較強(qiáng),而EDDS對鎘的選擇性較強(qiáng)[24-25]。Huang等[26]與張磊等[27]研究也得出相似結(jié)論。此外,施加螯合劑對土壤特性與植物本身也會(huì)產(chǎn)生一定影響,尤其是對植物產(chǎn)生毒害效用,使其生物量降低,可能造成植物中重金屬富集量的相對降低。因此,在進(jìn)行螯合誘導(dǎo)植物修復(fù)時(shí),應(yīng)當(dāng)了解相應(yīng)螯合劑對植物種類生長效應(yīng)的影響。
(1)芥菜生長受螯合劑種類和濃度影響,其中EDDS對芥菜有較強(qiáng)的毒害作用,隨著濃度的增加,出現(xiàn)葉片黃化、萎焉等情況,而低濃度(2.5 mmol·kg-1)的CA、OA均促進(jìn)芥菜的生長,高濃度(7.5 mmol·kg-1)產(chǎn)生抑制作用。
(2)螯合劑促進(jìn)芥菜對鈾、鎘的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn),其中,7.5 mmol·kg-1CA使芥菜鈾含量、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著增加,5 mmol·kg-1EDDS使芥菜鎘含量、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著增加。此外,芥菜地下部鈾含量遠(yuǎn)小于地上部,而鎘含量遠(yuǎn)高于地上部。
(3)螯合劑促進(jìn)了芥菜對鈾、鎘的積累,7.5 mmol·kg-1CA處理時(shí)富集鈾的效果最好,5 mmol·kg-1EDDS處理時(shí)富集鎘的效果最佳。此外,芥菜的鈾轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)小于1,而鎘轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)大于1。
(4)螯合劑的添加提升了土壤中鈾、鎘的有效態(tài)含量。各處理中,CA提高土壤中有效態(tài)鈾含量效果最佳,而EDDS提高土壤中有效態(tài)鎘含量效果最佳,同時(shí)對鈾也有一定效用。