丹寨汞(金)礦區(qū)11種本地植物的重金屬富集特征

茍體忠, 宋 偉, 嚴紅光

(1.凱里學院 大健康學院，凱里 556011；2.黔南民族醫(yī)學高等專科學校，都勻 558003)

土壤中的重金屬難以被微生物分解，易在土壤中累積[1]，并通過食物鏈放大，最終危害人體健康[2]。土壤重金屬污染已成為全球關注的重要環(huán)境問題[3]。因此，對重金屬污染土壤的修復已迫在眉睫。傳統(tǒng)的物理或化學修復技術因成本較高，不利于大面積重金屬污染治理，而植物修復是一種成本低、環(huán)境友好且能大面積治理土壤重金屬污染的綠色技術，并可以將土壤中的重金屬永久性去除[4]。

植物修復技術包括：1)植物萃取[5]；2)植物固定[6]；3)植物揮發(fā)[7-9]；4)根際吸收[10]。其中，利用超富集植物消除土壤中的有毒重金屬是最有前景的植物修復技術[11]。超富集植物必須具備3個條件：1)植物葉片部分或地上部分的Hg、Cd>100 mg/kg，Cr、Cu、Ni、Pb、As和Se>1 000 mg/kg，Zn>10 000 mg/kg[12]；2)植物地上部分的重金屬含量高于根部，且在污染地生長良好，生物量大[13]。

雖然目前國內(nèi)外發(fā)現(xiàn)了400多種重金屬超富集植物[14-16]，但大多數(shù)重金屬超富集植物生長周期長、生物量小，不利于大面積重金屬污染土壤的治理。此外，不同植物對生長環(huán)境的適應能力各異，而利用本地植物進行植物修復是很重要的，因為本地植物在環(huán)境脅迫下生長和繁殖方面通常優(yōu)于引種植物。因此，尋找適合污染土壤生長的重金屬超富集植物是植物修復技術的關鍵。鑒于此，本研究采集了丹寨汞(金)礦區(qū)11科11種最普通的本地優(yōu)勢植物及其土壤樣品，分析其重金屬含量，采用生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)對研究區(qū)植物的重金屬富集能力進行評價，旨在篩選出一些對重金屬具有富集能力的植物，以期為汞礦區(qū)重金屬污染土壤的修復提供科學參考。

表1 研究區(qū)主要植物種類

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2018年7月，采用“多點”取樣法采集丹寨汞(金)礦區(qū)汞礦渣堆上11種本地優(yōu)勢植物不同部位及其根際土壤樣品，采樣點分布見圖1。

圖1 采樣點分布示意圖

1.2 試樣分析

1.2.1 重金屬含量的測定

參照文獻[17]的方法，利用北京海光儀器有限公司生產(chǎn)的AFS-230型雙道原子熒光光度計測定Hg含量。參照文獻[18]的方法，利用美國熱電公司生產(chǎn)的Finnigan MAT ELEMENT型高分辨等離子體質(zhì)譜儀測定其Cd、As、Pb、Cu、Ni、Cr、Zn和Se的含量。

1.2.2 質(zhì)量控制

為避免容器和試劑帶入污染，所用的試劑均經(jīng)蒸餾純化處理，所用容器均用5%逆王水煮沸，再用超純水清洗3次。同時，采用流程空白、平行樣和國家標準物質(zhì)(土壤：GBW07407，植物：GBW07602)進行質(zhì)量控制，其測定結果的相對標準偏差均小于5%，滿足質(zhì)量控制要求。

1.3 評價方法

1.3.1 單項污染指數(shù)法(PI)

為評價重金屬污染程度，采用單項污染指數(shù)法(PI)對研究區(qū)土壤進行重金屬污染評價[19]，其公式為

(1)

式(1)中：Ci表示重金屬i的實測值，Bi表示重金屬i的背景值，本文選擇貴州省土壤Hg(0.11 mg/kg)、Cd(0.66 mg/kg)、As(20 mg/kg)、Pb(35.2 mg/kg)、Cu(32 mg/kg)、Ni(39.1 mg/kg)、Cr(95.9 mg/kg)、Zn(99.5 mg/kg)和Se(0.29 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]。

1.3.2 生物富集系數(shù)(BCF)

為衡量植物的重金屬富集能力，采用生物富集系數(shù)對重金屬在植物中的富集程度進行評價[22]。其公式為

(2)

(3)

式(2)和(3)中：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)；[Metals]shoot為植物地上部分某重金屬濃度；[Metals]root為植物根部重金屬濃度；[Metals]soil為根際土壤重金屬濃度。

1.3.3 生物轉(zhuǎn)運系數(shù)(BTF)

為了反映植物對重金屬的轉(zhuǎn)運能力，采用生物轉(zhuǎn)運系數(shù)對重金屬在植物中的轉(zhuǎn)運特征進行評價[23]。其公式為

(4)

式(4)中：[Metals]shoot和[Metals]root分別為植物地上部分和根部重金屬濃度。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與處理

采用SPSS 19.0、Coredraw X6和Origin 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理。

2 結果與討論

2.1 土壤重金屬含量

土壤重金屬含量分布結果(表2)顯示，土壤中的As、Hg、Se、Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb的平均含量分別是貴州土壤背景值的38.3、531.6、12.3、0.5、0.6、0.8、1.0、0.8和1.0倍。由圖2可知，土壤中As、Hg和Se重度污染，其他重金屬輕度或無污染。

表2 土壤重金屬含量

圖2 土壤重金屬的PI箱型圖

2.2 植物重金屬含量

植物重金屬含量見表3，11種植物的根部和地上部分的As含量均高于植物正常As含量(<1 mg/kg)[24]，其中蜈蚣草地上部分As含量最高，其含量高達2 300 mg/kg，已達到超富集植物地上部分As含量標準(≥1 000 mg/kg)[12]，這與Ma等[25]的研究結果一致。此外，金絲草的根部富集了大量的As，其As含量達1 300 mg/kg。雖然金絲草地上部分含量相對較低，但由于金絲草根系非常發(fā)達，其根系的生物量與地上部分相當，因此金絲草可用于As污染土壤的植物修復。侯曉龍等[26]僅報道了金絲草是Pb超富集植物，但目前尚未有關于金絲草根部富集As的報道。11種本地植物的根部和地上部分的Hg含量均高于植物Hg正常范圍，但均低于超富集Hg植物標準。大部分植物的根部和地上部分的Se含量高于植物Se正常含量上限值，但也遠小于超富Se植物標準。其他重金屬在11種植物中的含量幾乎處于植物重金屬正常范圍。分析認為：同一植物對土壤不同重金屬的富集能力不同，同一重金屬在不同植物中的富集程度不同。研究表明，植物中的重金屬濃度取決于植物種類、土壤中的重金屬濃度以及重金屬的生物活性[31]。

表3 植物重金屬含量

2.3 重金屬富集及轉(zhuǎn)運特征

植物對土壤重金屬的富集和提取潛力可以用BCFshoot、BCFroot和BTF進行評價[31]。生長在重金屬嚴重污染土壤中的植物對重金屬具有一定的耐性，但不同植物對重金屬的吸收、轉(zhuǎn)運和富集具有差異。植物中重金屬的BCF和BTF值見表4。從表4可見：蜈蚣草對As、鉆葉紫菀對Cu和對Zn的BCFshoot均大于1，表明蜈蚣草和鉆葉紫菀的地上部分分別對As、Cu和Zn具有較強的富集能力；鉆葉紫菀對Se、金絲草對As和Cr的BCFroot大于1，表明鉆葉紫菀和金絲草的根部具有較強的Se、As和Cr富集能力；其余植物對重金屬的BCFroot和BCFshoot均小于1，表明它們對重金屬具有一定耐性。

從表4可見：蒼耳、商陸、蜈蚣草、苧麻對As的BTF大于1，其中，蜈蚣草的BTF值最大，表明蜈蚣草對As有很強的轉(zhuǎn)運能力；鬼針草、龍葵和商陸對Hg的BTF大于1，表明這些植物對Hg有很強的轉(zhuǎn)運能力；蒼耳、假酸漿、芒、龍葵對Se的BTF值大于1，表明這些植物對Se具有很強的轉(zhuǎn)運能力；商陸對Cr的BTF值大于1，表明商陸對Cr有較強的轉(zhuǎn)運能力；假酸漿、龍葵、商陸對Ni的BTF值大于1，表明這些植物對Ni具有很強的轉(zhuǎn)運能力；蒼耳、假酸漿、龍葵、商陸和鉆葉紫菀對Cu的BTF值大于1，表明這些植物對Cu有很強的轉(zhuǎn)運能力；蒼耳、鬼針草、芒、龍葵、商陸、蜈蚣草、鉆葉紫菀和苧麻的BTF值大于1，表明這些植物對Zn有很強的轉(zhuǎn)運能力；蒼耳、芒、龍葵、商陸、藜和苧麻對Cd的BTF值大于1，表明這些植物對Cd有很強的轉(zhuǎn)運能力；蒼耳、龍葵、商陸、苧麻對Pb的BTF值大于1，表明這些植物對Pb有很強的轉(zhuǎn)運能力。其中，蒼耳、龍葵和商陸對多種重金屬的BTF值大于1，可用于多種重金屬污染土壤的復合修復。

表4 植物中重金屬的BCF和BTF值

Punz等[32]將重金屬耐受性植物分為富集型、根部囤積型和規(guī)避型等3類。富集型植物是指其BCFshoot>1，BTF>1，且地上部分富集了大量重金屬，可用于重金屬污染土壤的植物提取修復。從表4可見，蜈蚣草對As的BCFshoot和BTF均大于1，符合富集型植物特征，且蜈蚣草地上部分As含量遠大于超富集As植物標準，該結果再次確證了蜈蚣草是As的超富集植物。此外，鉆葉紫菀對Cu的BCFshoot和BTF以及對Zn的BCFshoot和BTF均大于1，符合富集植物的特征，但其地上部分的Cu和Zn的含量未達到超富集植物Cu、Zn含量標準，這與土壤背景值有關。因此，鉆葉紫菀是一種潛在的Cu、Zn超富集植物，但仍需盆栽試驗確定。

根部囤積型植物是指其BCFroot>1，BTF<1，且根部富集了大量重金屬，可用于重金屬污染土壤的植物穩(wěn)定修復。從表4可見，金絲草對As、Cr和鉆葉紫菀對Se的BCFroot>1以及BTF<1，符合根部囤積型植物特征，其中，金絲草根部As含量為1 300 mg/kg，屬于典型的根部囤積型植物。

規(guī)避型植物是指生長在重金屬超標的土壤中的植物，其BCFroot<1或BCFshoot<1，且植物體內(nèi)含有少量重金屬。從表4中可見，蒼耳假酸漿、蒼耳、假酸漿、鬼針草、芒草、商陸、藜和苧麻的BCFshoot和BCFroot均小于1，且這些植物體內(nèi)的重金屬含量處于正常范圍，符合規(guī)避型植物的特征，屬于規(guī)避型植物。

3 結論

土壤As、Hg和Se達重度污染，其他重金屬為輕度或無污染；蜈蚣草為As的超富集植物，龍葵為Cd的富集型植物，鉆葉紫菀為Cu和Zn的富集型植物；金絲草為As根部囤積型植物，鉆葉紫菀和金絲草分別是Se和Cr的根部囤積型植物；蒼耳、假酸漿、鬼針草、芒、商陸、藜和苧麻為規(guī)避型植物。