檸檬酸-美人蕉體系對鉛鎘復合污染土壤的修復效果

莊靜靜，郭暉

(新鄉(xiāng)學院生命科學技術學院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，大多數(shù)國家和地區(qū)的土壤都出現(xiàn)了不同程度的重金屬污染.目前，土壤重金屬污染已對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了極大影響[1].在眾多的重金屬元素中，鉛(Pb)和鎘(Cd)會經(jīng)常伴隨出現(xiàn)，并易造成鉛鎘復合污染[2].研究表明，大多數(shù)金屬元素在自然環(huán)境下多以復合的形式存在，且各種復合元素之間存在協(xié)同作用、加和作用和拮抗作用等相互作用的形式，這些作用形式終將會影響到植物對金屬元素的吸收和代謝[3].如在同樣濃度下，鉛鎘復合污染往往比單一重金屬污染的抑制率更高，說明鉛鎘污染存在協(xié)同效應[4].也有研究表明，在鉛鎘復合脅迫下植物的株高、地徑增長受抑制，生物量下降，總葉綠素降低，丙二醛含量增加[4]，且植物各組織中鉛含量明顯低于單一鉛處理水平，表現(xiàn)為鎘對鉛的富集有抑制作用[6]，或表現(xiàn)鎘為對鉛的富集有促進作用[6]，說明鉛鎘污染存在協(xié)同和拮抗作用.

目前，植物修復技術因其成本低廉、操作簡便、運用范圍廣和綠色環(huán)保等特點[7]，使其成為重金屬污染修復的主要技術方法.但在植物修復中，如何有效活化土壤中的重金屬是重金屬污染修復的關鍵問題.研究表明，有機酸可與重金屬形成穩(wěn)定的復合體，將離子態(tài)的金屬轉變成低毒或無毒的螯合態(tài)形式，從而來提高植物對重金屬的耐性及修復效率[8].易龍生等[9]和潘麗萍等[10]研究表明，外源檸檬酸的添加，顯著降低了土壤有效重金屬含量并促進了植物吸收和累積重金屬的能力.因此，螯合劑輔助植物技術即向土壤中添加可活化重金屬離子的螯合劑，提高植物對目標重金屬的提取效率[11]，已成為土壤環(huán)境修復領域的研究熱點.

美人蕉(CannaindicaL.)是多年生球根花卉，在我國城區(qū)普遍栽植，因其形態(tài)優(yōu)美、花色艷麗、適應性強、兼具綠化、觀賞和凈化環(huán)境等重要價值而被廣泛應用[12].目前關于美人蕉修復重金屬污染的研究主要集中于對單一重金屬污染的修復[12-14]，而關于檸檬酸-美人蕉對鉛鎘復合污染的研究較少.本研究將檸檬酸聯(lián)合美人蕉構建鉛鎘污染土壤的螯合劑-植物聯(lián)合強化修復體系，探討其修復模式及效果，以期為美人蕉在城市特別是鉛鎘污染地區(qū)的園林應用和生態(tài)恢復提供參考.

1 材料與方法

1.1 供試材料

美人蕉采購于新鄉(xiāng)市花卉市場，選取株高10 cm左右的幼苗作為本研究的試驗材料.盆栽供試土壤采用新鄉(xiāng)學院校區(qū)內(nèi)的裸露空地，取回土壤后將其風干、過篩，用作盆栽用土[15].檸檬酸(鄭州富佳化工科技有限公司)和鉛粉、鎘粉(上海江萊生物科技有限公司)均為優(yōu)級純.土壤基本理化性質(zhì)測定如表1所示.

1.2 試驗方法

2019年6月，將供試土壤剔除雜物后自然風干，裝至50 cm×35 cm(直徑×高)的培養(yǎng)盆內(nèi)，每盆裝土50 kg，厚度約10 cm.選擇長勢健壯和高度基本一致的美人蕉幼苗移植盆內(nèi)進行培養(yǎng).不同添加量的檸檬酸對不同鉛鎘復合污染土壤修復效應的研究試驗為雙因素完全隨機區(qū)組試驗，A因素為鉛鎘污染濃度，設置4個水平，即Cd0Pb0(Ⅰ)、Cd1Pb100(Ⅱ)、Cd5Pb500(Ⅲ)、Cd10Pb1 000(Ⅳ)(數(shù)據(jù)單位為 mg/kg).B因素為檸檬酸添加量，設置4個水平，添加量為0(CA0)、2.0(CA2)、5.0(CA5)、10.0 mmol/kg(CA10)，共計16個處理.

1.3 測定指標

2019年8月，將植物整株取出，并用去離子水清洗干凈，用直尺測量和計算植物的高度和根系的平均長度.隨后將地上部、根系放入烘箱在120 ℃下干燥30 min，然后在75 ℃下烘干24 h，稱質(zhì)量，計算其生物量[15].土壤pH值采用土水比為1∶2.5的pH電位法測定[10].土壤和植物中重金屬含量采用酸濕法進行消解[16-17].具體方法：(1)鉛含量測定：每個樣品(土壤和植物)稱約0.5 g于消化管中，加入5 mL的硝酸，放置在石墨消解儀上加熱，所用儀器為Hanon220s石墨消解儀，消解至溶液變澄清，大約余量為1～2 mL時取出，定容至25 mL待測.(2)鎘含量測定：每個樣品(土壤和植物)稱約0.5 g置于消煮管中，采用HNO3-HClO4(4+1)混合酸濕法進行消解，所用儀器為Hanon220s石墨消解儀，待白煙冒盡，溶液呈清亮無色，停止加熱，然后自然降溫至室溫，定容于50 mL容量瓶.采用TAS-990火焰型原子吸收光譜儀(北京普析通用儀器有限責任公司，中國)測定土壤和植物鉛鎘含量.

表1 盆栽土壤基本理化性質(zhì)

轉運系數(shù)(TF)=植物地上部重金屬含量(mg/kg)/植物地下部重金屬含量(mg/kg)

富集量(BCQ)=植物地上部(地下部)重金屬含量(mg/kg)×植物地上部(地下部)干質(zhì)量(g)

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS Version 21軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，對不同處理的各指標間的差異性采用單因素方差分析，采用Origin 9.0進行制圖.

2 結果與分析

2.1 根際土壤理化性質(zhì)的變化規(guī)律

從圖1-A可知，外源檸檬酸的添加顯著降低了土壤pH值，測得美人蕉根際土壤pH值的范圍為5.54～7.67之間.同一處理下，添加檸檬酸與未添加檸檬酸對美人蕉根部pH值有顯著差異(P<0.05).在不同處理下，隨著檸檬酸添加量的增加根部pH值逐步下降.當檸檬酸添加量相同時，隨著鉛鎘污染濃度的增加，其根部pH值也逐漸下降，這是由于檸檬酸作為天然螯合劑，它能夠通過降低pH值和螯合作用來提取重金屬[18].土壤有機質(zhì)的變化趨勢與土壤pH值相反，表現(xiàn)為檸檬酸的添加顯著增加了土壤有機質(zhì)(圖1-B).在相同處理下，加入2 mmol/kg(CA2)檸檬酸的土壤有機質(zhì)與未添加檸檬酸之間差異不顯著(P>0.05)，而與5 mmol/kg(CA5)和10 mmol/kg(CA10)添加量之間差異性顯著(P<0.05).

土壤堿解氮的變化趨勢與土壤有機質(zhì)相一致(圖1-C).在CA0Cd0Pb0處理下，土壤的堿解氮含量為54.08 mg/kg.在相同處理下，隨著檸檬酸添加量的增加堿解氮的釋放量均呈現(xiàn)增加趨勢，較CA0Cd0Pb0分別增加了18.53%、39.43%和53.99%.在相同檸檬酸處理下，CA10處理組在不同濃度鉛鎘污染下，其土壤堿解氮的增加量最大，較CA0處理組相比，分別增加了53.99%、47.41%、49.26%和52.35%.在Cd0Pb0處理下，土壤速效磷在CA10處理組與CA0、CA2處理組之間差異性顯著(P<0.05)，而其他處理組在不同檸檬酸添加處理下差異性不顯著(P>0.05)(圖1-D).與CA0Cd0Pb0處理相比，CA10Cd10Pb1000處理組的速效磷含量最高，值為2.49 mg/kg.土壤速效鉀含量的變化趨勢與土壤pH值相一致(圖1-E).在Cd0Pb0處理下，土壤速效鉀的含量逐漸下降，但各處理間差異性不顯著，其差值分別為16.32、9.98、5.80 mg/kg.在相同檸檬酸添加量處理下，隨著鉛鎘污染濃度的增加，土壤速效鉀含量逐漸上升，這可能是由于檸檬酸通過酸化、配位交換和還原作用溶解轉化土壤中的礦物鉀，促進鉀釋放[19].

圖中數(shù)據(jù)為不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05).The data in the figure is the mean ± standard deviation.The different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05).圖1 不同處理根際土壤理化性質(zhì)的變化Figure 1 Changes in soil physical and chemical properties in rhizosphere at different treatments

2.2 美人蕉生物量的變化規(guī)律

由表2可知，在添加檸檬酸處理組下，美人蕉的株高要高于未添加檸檬酸處理組.在不同處理組下，美人蕉的株高隨著檸檬酸添加量的增加而增加，但在Cd1Pb100處理組中，株高之間差異不顯著(P>0.05).在相同檸檬酸添加處理下，美人蕉的株高隨著鉛鎘污染濃度的增加則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，說明美人蕉對鉛鎘污染具有一定的富集性.根長的變化趨勢與株高相一致，均表現(xiàn)為在低濃度鉛鎘污染處理(Cd5Pb500)時，其根長達到最大，值分別為21.71、26.16、31.20 cm和34.71 cm.在Cd10Pb1000處理時，美人蕉的根長較Cd5Pb500處理分別下降了95.18%、147.29%、217.54%和274.45%.美人蕉的地上生物量在Cd1Pb100和Cd5Pb500脅迫下，其值要高于Cd0Pb0處理，加入檸檬酸后，值有所增加，且隨著檸檬酸濃度的增加而增加.但在Cd10Pb1000處理時，美人蕉的地上生物量較其他3種處理明顯下降，且隨著檸檬酸濃度的增加，生物量逐漸下降，這可能是由于在鉛鎘污染濃度較高時，對美人蕉的生長產(chǎn)生了抑制作用，而且較高的檸檬酸含量也會影響美人蕉的生長.鉛鎘污染濃度不同，美人蕉的根部生物量變化趨勢也不相同，隨著鉛鎘污染濃度的增加，美人蕉的根部生物量也逐漸增加.在Cd5Pb500處理時，美人蕉的根部生物量達到最大值，分別較Cd0Pb0提高了85.23%、75.99%、81.39%和83.38%，這與根系的生長情況相一致.在Cd10Pb1000處理組，美人蕉根部生物隨著檸檬酸添加量的增加而下降，與未添加檸檬酸之間差異性顯著(P>0.05).

表2 不同處理對美人蕉生物量的影響

2.3 美人蕉地上部分和地下部分鉛鎘含量的變化規(guī)律

由圖2可知，美人蕉地上部分和地下部分的鉛含量隨著鉛鎘污染濃度的增加而增加.在Cd0Pb0處理組中，美人蕉地上部分鉛含量隨著檸檬酸添加量的增加而增加，而地下部分的鉛含量則在CA0時最大，且是地上部分鉛含量的2.56倍.在Cd1Pb100處理組中，美人蕉地上部分鉛含量表現(xiàn)為添加檸檬酸比不添加檸檬酸的含量高，且CA5的鉛含量大于CA2和CA10的鉛含量(P<0.05).在不同濃度鉛鎘污染中，CA5的鉛含量比不添加檸檬酸CA0的鉛含量分別提高了7.47(Cd1Pb100)、370.16(Cd5Pb500)、285.50 mg/kg(Cd10Pb1000).美人蕉地下部分鉛含量的變化趨勢與地上部分存在差異，未添加檸檬酸CA0的地下部分鉛含量高于添加檸檬酸(CA2、CA5、CA10)，且它們之間差異性顯著(P<0.05，圖2).這是由于美人蕉塊狀莖的特性，使其地下部分作為鉛的主要存儲部位，當檸檬酸添加后，促進了植物地下部分鉛含量向地上部分的運輸，但添加檸檬酸(CA2、CA5、CA10)的美人蕉地下部分鉛含量仍表現(xiàn)為隨著檸檬酸添加量的增加而先上升后下降的趨勢，這更加說明了適量的檸檬酸有利于鉛的移動，而較高濃度的檸檬酸則不利于鉛的移動.在Cd10Pb1000處理組中，美人蕉的地上部分和地下部分鉛含量之間差異較小，添加檸檬酸處理的地上部分鉛含量較地下部分分別上升了22.60、22.93、8.15 mg/kg.

由圖3可知，在相同污染條件下(Cd1Pb100、Cd5Pb500、Cd10Pb1000)，不同檸檬酸的添加量對美人蕉地上部分鎘含量影響表現(xiàn)為差異顯著(P<0.05).當檸檬酸添加量為CA5時，美人蕉地上部分鎘含量較CA0分別升高了380.14%、279.29%175.04%和30.38%.在Cd10Pb1000處理組中，CA0的美人蕉地下部分鎘含量達到最大，值為124.51 mg/kg，較地上部分上升了76.08%.在不同處理中，美人蕉地上部分鎘含量與地上部分鉛含量的變化趨勢相一致，均表現(xiàn)為添加檸檬酸(CA2、CA5、CA10)的鎘含量要大于未添加檸檬酸(CA0)，而地下部分則表現(xiàn)為未添加檸檬酸(CA0)的鎘含量要大于添加檸檬酸(CA2、CA5、CA10)處理，表現(xiàn)出明顯的檸檬酸促進地下部分重金屬向地上部分轉移的特性.

1：地上部分檸檬酸添加量CA0；2：地上部分檸檬酸添加量CA2；3：地上部分檸檬酸添加量CA5；4：地上部分檸檬酸添加量CA10；5：地下部分檸檬酸添加量CA0；6：地下部分檸檬酸添加量CA2；7：地下部分檸檬酸添加量CA5；8：地下部分檸檬酸添加量CA10.圖中數(shù)據(jù)為不同小寫字母表示地上部分/地下部分差異達顯著水平(P<0.05).1：Adding amount of citric acid in aboveground CA0；2：Adding amount of citric acid in aboveground CA2；3：Adding amount of citric acid in aboveground CA5；4：Adding amount of citric acid in aboveground CA10；5：Adding amount of citric acid in underground CA0；6：Adding amount of citric acid in underground CA2；7：Adding amount of citric acid in underground CA5；8：Adding amount of citric acid in underground CA10.Data in the figure are the mean ± standard deviation..Different lowercase letters represent significant difference(P<0.05).圖2 不同處理美人蕉體內(nèi)的鉛含量Figure 2 Content of Pb Canna indica at different treatments

2.4 鉛鎘在美人蕉體內(nèi)遷移和累積規(guī)律

由表3可知，在不同處理中，添加檸檬酸(CA2、CA5、CA10)處理組能顯著促進鉛鎘在美人蕉體內(nèi)的積累，其積累效應也隨著鉛鎘污染濃度的增加而增大.在相同濃度處理下，添加檸檬酸的美人蕉地上部分鉛積累量要大于未添加檸檬酸(CA0)，且差異性顯著(P<0.05).在CA2處理下，美人蕉地下部分鉛積累量隨著鉛鎘污染濃度的增加而增加，但要小于未添加檸檬酸(CA0)處理組.通過對比鉛在美人蕉體內(nèi)的轉運系數(shù)(表3)可知，檸檬酸的添加增加了鉛從地下部分向地上部分的轉運能力.在相同濃度處理下，添加檸檬酸的處理組其轉運系數(shù)均大于1，且在Cd0Pb0時，其轉運系數(shù)達到最大，分別為3.04(CA2)、3.08(CA5)和2.97(CA10).在Cd0Pb0和Cd1Pb100處理中，檸檬酸添加量(CA5)的轉運系數(shù)最高，是CA0的7.90倍和3.60倍.在Cd5Pb500處理中，CA10的轉運系數(shù)最高，而在Cd10Pb1000中，CA2的轉運系數(shù)最高，這表明在低濃度鉛鎘污染中高濃度的檸檬酸對鉛鎘的轉移有促進作用，而在高濃度鉛鎘污染中低濃度的檸檬酸則會起促進作用.

1：地上部分檸檬酸添加量CA0；2：地上部分檸檬酸添加量CA2；3：地上部分檸檬酸添加量CA5；4：地上部分檸檬酸添加量CA10；5：地下部分檸檬酸添加量CA0；6：地下部分檸檬酸添加量CA2；7：地下部分檸檬酸添加量CA5；8：地下部分檸檬酸添加量CA10.圖中數(shù)據(jù)為不同小寫字母表示地上部分/地下部分差異達顯著水平(P<0.05).1：Adding amount of citric acid in aboveground CA0；2：Adding amount of citric acid in aboveground CA2；3：Adding amount of citric acid in aboveground CA5；4：Adding amount of citric acid in aboveground CA10；5：Adding amount of citric acid in underground CA0；6：Adding amount of citric acid in underground CA2；7：Adding amount of citric acid in underground CA5；8：Adding amount of citric acid in underground CA10.Data in the figure are the mean± standard deviation..Different lowercase letters represent significant difference(P<0.05).圖3 不同處理美人蕉體內(nèi)的鎘含量Figure 3 Content of Cd Canna indica at different treatments

表3 美人蕉對鉛鎘富集量及其轉運系數(shù)

對比美人蕉地上部分和地下部分鎘積累量可知，除Cd1Pb100處理外，其他處理組中未添加檸檬酸(CA0)處理組的美人蕉的地上部分鎘積累量要大于地上部分積累量，這說明美人蕉對鎘的積累主要存在于地上部分.在同一處理中，美人蕉地上部分鎘積累量隨著檸檬酸添加量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的特點，表明適量的檸檬酸有利于美人蕉對鎘的積累，而過量(CA10)的檸檬酸則會抑制植物對鎘的積累.在CA0處理下，Cd10Pb1000的地下部分鎘積累量達到最大(2 392.14 μg/株)，分別為Cd0Pb0、Cd5Pb500和Cd10Pb1000的12.80倍、3.30倍、0.98倍.美人蕉體內(nèi)鎘的轉運系數(shù)表現(xiàn)出與鉛轉運系數(shù)相同的趨勢，即有檸檬酸添加的處理顯著提高了鎘的轉運能力，且轉運系數(shù)均大于1，這與前面關于美人蕉體內(nèi)鉛鎘含量的變化規(guī)律研究結果相一致.

3 討論

研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的重金屬脅迫對植物的生長有促進作用，但當超過一定濃度時，則會抑制植物的生長，尤其是當復合污染存在時，對植物的毒性作用會發(fā)生協(xié)同效應，使中毒更為嚴重[20].本研究結果表明，美人蕉雖在不同濃度的鉛鎘復合污染中均可正常生長，但在不同濃度鉛鎘污染處理下，美人蕉的株高、根長和生物量隨著鉛鎘污染濃度的增加呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，這表明低濃度的鉛鎘污染對美人蕉的生長抑制作用較小，而當鉛鎘污染濃度較高時，鉛鎘復合污染顯著抑制了美人蕉的生長.這與張呈祥和陳為峰[12]研究中，鎘含量小于1 mg/kg時對美人蕉的生長影響不大，大于5 mg/kg時會抑制美人蕉生長的結果相一致.而有研究認為[21]，美人蕉的鉛濃度安全臨界值為200 mg/kg，在本研究中，鉛鎘復合污染濃度

植物體內(nèi)重金屬濃度的高低可反映植物對重金屬的吸收富集能力，其是評價植物修復重金屬污染效率的重要指標[26].本研究結果表明，美人蕉的地上部分和地下部分鉛含量和鎘含量均表現(xiàn)為隨著鉛鎘污染濃度的增加而逐漸增加.在CA0處理組中，美人蕉的地上部分和地下部分鉛含量和鎘含量表現(xiàn)為地下部分>地上部分.這是由于根系是重金屬進入植物的重要通道，為了避免植物地上部分尤其是葉片遭受重金屬的毒害作用，使根系的重金屬含量大于地上部分[27].在相同處理下，檸檬酸處理(CA2、CA5、CA10)組的地上部分和地下部分鉛鎘含量則表現(xiàn)為地上部分>地下部分，且轉運系數(shù)大于1，這是由于檸檬酸作為一種低分子量有機酸，土壤添加檸檬酸后，其對土壤中重金屬的有效性有所增強，并降低了重金屬的毒害作用[17].本研究結果也表明，檸檬酸的添加顯著促進美人蕉體內(nèi)重金屬鉛鎘從地下部分向地上部分轉移，且在Cd0Pb0和Cd1Pb100處理組中這種效應更加明顯.檸檬酸促進美人蕉對重金屬吸收和轉移的主要原因，一是檸檬酸酸化了植物根際，降低了土壤pH值，增加了重金屬離子的移動性，提高了植物根部對重金屬的集聚向地上部分的轉移[27]；二是檸檬酸中的陰離子可與重金屬發(fā)生絡合反應，有效促進金屬離子釋放，同時減少土壤有機質(zhì)、黏粒和氧化物附著重金屬離子，使重金屬在土壤中的移動性增強[23].

4 結論

綜合研究結果表明，美人蕉在一定濃度鉛鎘復合污染脅迫下長勢良好，具有較高的生物量積累.添加檸檬酸可顯著增加株高、根長和生物量，且隨著檸檬酸的添加量的增加而逐漸增加.另外，添加檸檬酸還可增加美人蕉對鉛鎘的吸收和累積，使美人蕉的地上部分和地下部分鉛鎘含量均表現(xiàn)為隨著鉛鎘污染濃度的增加而逐漸增加.且檸檬酸的添加顯著促進了美人蕉體內(nèi)重金屬鉛鎘含量從地下部分向地上部分轉移.