秦嶺金堆城鉬礦區(qū)常見植物對(duì)鎘和鉻的富集作用

李愿愿，李吉鋒,2，劉楠楠

（1. 渭南師范學(xué)院化學(xué)與材料學(xué)院，陜西 渭南 714099；2. 陜西省河流濕地生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 渭南 714099）

金堆城鉬礦處于陜西省華縣境內(nèi)，地處東秦嶺南麓基巖山區(qū)，鉬礦蘊(yùn)藏量十分豐富，已探明礦石儲(chǔ)量約10 億t。金堆城鉬礦礦床集中、規(guī)模宏大、形態(tài)簡(jiǎn)單，適于大型露天開采，年產(chǎn)鉬金屬量約1.2 萬t，處于中國(guó)鉬行業(yè)之首，亞洲第一，是世界六大原生鉬礦床之一。鉬礦開采過程中不可避免伴隨土壤重金屬污染，土壤是人們賴以生存的寶貴資源，由于重金屬具有高毒性、難降解性、生物累積性，重金屬污染物土壤后，將沿著食物鏈富集，最終會(huì)危及人類健康。重金屬對(duì)土壤的危害是長(zhǎng)期、嚴(yán)重、緊迫的，急需修復(fù)，但其修復(fù)難度又非常大。

目前，礦區(qū)土壤重金屬污染修復(fù)常用的技術(shù)主要有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)[1]，生物修復(fù)包括微生物修復(fù)和植物修復(fù)。植物修復(fù)技術(shù)是一種利用植物對(duì)某些化學(xué)元素的強(qiáng)忍耐、高積累或易分解的生理特性，并結(jié)合與其共存微生物體系進(jìn)行吸收、降解、揮發(fā)和富集環(huán)境污染物的技術(shù)方法。植物修復(fù)技術(shù)包括植物固定、植物揮發(fā)和植物萃取3 種方式。植物萃取是利用植物從土壤中吸收金屬污染物并在植物地上部分富集，通過將收獲后植物進(jìn)行處理，降低土壤中重金屬的含量的方法，這種植物也叫重金屬超累積植物或者重金屬超富集植物。

國(guó)內(nèi)很多科研工作者開展了礦區(qū)重金屬超累積植物的研究。例如：陳同斌等[2]發(fā)現(xiàn)蜈蚣草對(duì)砷具有超累積作用；米艷華等[3]、李有志等[4]分別對(duì)滇南礦區(qū)和湘潭錳礦區(qū)富集植物進(jìn)行了調(diào)研；白宏鋒等[5]對(duì)壺瓶碎米薺的鎘富集能力進(jìn)行了分析；張曉薇等[6]、魏俊杰等[7]分別對(duì)遼陽弓長(zhǎng)嶺鐵礦區(qū)優(yōu)勢(shì)植物的重金屬耐性和冀中某銅礦廢棄地優(yōu)勢(shì)植物重金屬特征進(jìn)行了評(píng)價(jià)。但是目前對(duì)鉬礦區(qū)重金屬污染開展超累積植物研究的工作未見公開報(bào)道。

因此，筆者采集了秦嶺金堆城鉬礦區(qū)18 種常見植物樣品，分別為狗尾草、白酒草、毛蓮菜、蓼、假葦拂子草、灰灰菜、益母草、小苔草、刺槐、長(zhǎng)蕊石頭花、腺柳、白蓮蒿、野艾草、黑楊、一年蓬、山馬蘭、鬼蠟燭和蛇床子這，采用原子吸收法對(duì)植物根際土壤、植物根、植物莖葉中鎘（Cd）和鉻（Cr）2 種重金屬含量進(jìn)行測(cè)定，以期篩選出金堆城礦區(qū)本土重金屬污染超累積植物，為礦區(qū)土壤重金屬污染修復(fù)提供材料和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器及試劑

試驗(yàn)主要儀器有原子吸收分光光度計(jì)（北京瑞麗，WFX120），Cd 和Cr 元素的空心陰極燈。

試驗(yàn)試劑包括硫酸鎘、重鉻酸鉀，氫氟酸、硝酸、高氯酸（均為分析純）。蒸餾水用石英亞釜二次蒸餾制得。

1.2 樣品的采集和制備

在金堆城鉬礦區(qū)采集狗尾草、白酒草、毛蓮菜、蓼、假葦拂子草、灰灰菜、益母草、小苔草、刺槐、長(zhǎng)蕊石頭花、腺柳、白蓮蒿、野艾草、黑楊、一年蓬、山馬蘭、鬼蠟燭和蛇床子樣品，每類樣品同一地點(diǎn)均采集3 份以上并用PE 袋密封，采集植物樣品的同時(shí)收集相應(yīng)植物根際土壤并用PE 袋密封。

土壤樣品自然晾干、剔除雜質(zhì)后過篩、混勻、縮分，稱取1.00 g 于聚四氟乙烯燒杯中用硝酸-高氯酸-氫氟酸消解后定容于容量瓶。植物樣品先烘干殺青，再將根和莖葉分別粉碎、混勻，分別稱取1.00 g 于100 mL 干凈的燒杯中用硝酸-高氯酸消解后定容于容量瓶。消解樣品的同時(shí)制作空白對(duì)照樣品。

1.3 樣品測(cè)定方法

用原子吸收分光光度計(jì)先測(cè)定鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.20、0.40、0.60、0.80、1.00 mg/L）和鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液（2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mg/L）的吸光度，然后測(cè)定各樣品試液中Cd 和Cr 元素的吸光度，用回歸方程計(jì)算試液中各元素含量，轉(zhuǎn)化為各樣品中干重含量。

1.4 植物對(duì)重金屬超累積能力評(píng)價(jià)方法

植物的重金屬超累積能力一般用富集系數(shù)BAC（biological accumulating coefficient）或者轉(zhuǎn)移系數(shù)BTC（biological transfer coefficient）描述[1]。富集系數(shù)表征土地-植物體系中元素遷移的難易程度，是反映植物將重金屬吸收轉(zhuǎn)移到體內(nèi)的能力大小的評(píng)價(jià)指標(biāo)。富集系數(shù)越高，表明植物對(duì)重金屬富集能力越強(qiáng)，超累積植物富集系數(shù)一般要求大于1。轉(zhuǎn)移系數(shù)主要用來評(píng)價(jià)植物將重金屬?gòu)牡叵孪虻厣线\(yùn)輸和轉(zhuǎn)移的能力。轉(zhuǎn)移系數(shù)越大，則重金屬?gòu)母迪虻厣喜科鞴俎D(zhuǎn)運(yùn)的能力越強(qiáng)，超累積植物轉(zhuǎn)移系數(shù)一般要求大于1。

BAC=植物體（或器官）內(nèi)重金屬濃度/土壤內(nèi)重金屬污染濃度 （1）

BTC=地上部分重金屬含量/根部重金屬含量 （2）

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物及其根際土壤樣品中Cd 和Cr的含量

從表1 的數(shù)據(jù)可知，從金堆城礦區(qū)采集的植株根際土壤的Cd 含量遠(yuǎn)超該區(qū)域土壤Cd 的背景值（0.094 mg/kg），Cd 污染明顯；而土壤Cr 污染不是明顯。由于土壤受到嚴(yán)重Cd 污染，導(dǎo)致植物體內(nèi)Cd 含量普遍較高。

表1 金堆城鉬礦區(qū)不同植物及其根際土壤樣品中Cd 和Cr 的含量 （mg/g）

2.2 不同植物樣品對(duì)Cd 的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)

由表2 可知，金堆城礦區(qū)本土野生植物對(duì)Cd 富集系數(shù)均小于1，各植物對(duì)Cd 的富集能力強(qiáng)弱排序?yàn)橄倭竟硐灎T＞長(zhǎng)蕊石頭花＞小苔草＞蛇床子＞狗尾草＞野艾草＞毛蓮菜＞黑楊＞白蓮蒿＞山馬蘭＞一年蓬＞刺槐＞益母草＞假葦拂子草＞灰灰菜＞白酒草＞蓼。各植物對(duì)Cd 的轉(zhuǎn)移能力強(qiáng)弱排序?yàn)殚L(zhǎng)蕊石頭花＞刺槐＞蛇床子＞灰灰菜＞白蓮蒿＞黑楊＞腺柳＞毛蓮菜＞山馬蘭＞一年蓬＞蓼＞狗尾草＞小苔草＞野艾草＞白酒草＞益母草＞鬼蠟燭＞假葦拂子草。18 個(gè)植物樣本中僅灰灰菜、刺槐、長(zhǎng)蕊石頭花、白蓮蒿、蛇床子對(duì)Cd 的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1，其中長(zhǎng)蕊石頭花的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于3.0，對(duì)地下Cd 元素轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng)，可進(jìn)一步深入研究。綜合來看，長(zhǎng)蕊石頭花對(duì)Cd 的富集系數(shù)為0.744 2，轉(zhuǎn)移系數(shù)為3.109 4，腺柳對(duì)Cd 的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均接近1，這2 種植物都比較接近超累積植物標(biāo)準(zhǔn)，可以開展進(jìn)一步重金屬富集能力研究。

表2 植物樣品對(duì)Cd 的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)

2.3 不同植物樣品對(duì)Cr 的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)

由表3 發(fā)現(xiàn)，各植物對(duì)Cr 的富集能力強(qiáng)弱排序?yàn)橐婺覆荩竟肺膊荩鹃L(zhǎng)蕊石頭花＞小苔草＞腺柳＞灰灰菜＞蓼＞野艾草＞毛蓮菜＞白酒草＞假葦拂子草＞一年蓬＞鬼蠟燭＞刺槐＞白蓮蒿＞黑楊＞蛇床子＞山馬蘭，其中益母草對(duì)Cr 的富集系數(shù)大于1，表明其對(duì)Cr 的富集能力強(qiáng)，具備成為Cr 超累積植物的潛力。各植物對(duì)Cr的轉(zhuǎn)移能力強(qiáng)弱排序?yàn)樯叽沧樱敬袒保景拙撇荩久彶耍巨ぃ拘√Σ荩竟肺膊荩竞跅睿鹃L(zhǎng)蕊石頭花＞一年蓬＞灰灰菜＞鬼蠟燭＞益母草＞野艾草＞假葦拂子草＞腺柳＞白蓮蒿＞山馬蘭，其中蛇床子、刺槐、白酒草、毛蓮菜和蓼對(duì)Cr 的轉(zhuǎn)移系數(shù)大1。綜合來看，蛇床子對(duì)Cr 的富集系數(shù)小于1，但是轉(zhuǎn)移系數(shù)卻遠(yuǎn)大于 1，說明蛇床子將地下部分的Cr 元素轉(zhuǎn)移至地上部分的能力較強(qiáng)。

表3 植物樣品對(duì)Cr 的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)

3 結(jié)論與討論

綜合分析可知，長(zhǎng)蕊石頭花對(duì)Cd 的富集系數(shù)為0.744 2，轉(zhuǎn)移系數(shù)為3.109 4，腺柳對(duì)Cd 的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均接近1，這2 種植物都比較接近超累積植物標(biāo)準(zhǔn)，具有一定研究?jī)r(jià)值；益母草對(duì)Cr 的富集系數(shù)大于1.0，表明其對(duì)Cr 的富集能力強(qiáng)，具備成為Cr 超累積植物的潛力；蛇床子雖然對(duì)Cr 的富集系數(shù)小于1，但是轉(zhuǎn)移系數(shù)卻遠(yuǎn)大于 1。后續(xù)可以開展實(shí)驗(yàn)室盆栽試驗(yàn)，進(jìn)一步分析以上幾種植物是否真的具備對(duì)Cd 和Cr 的超累積能力。

李吉鋒[1]梳理了國(guó)內(nèi)礦區(qū)植物中對(duì)Cd 和Cr 具有明顯超累積作用的植物，指出本土礦區(qū)植物中的Cd 超累積植物有紫莖澤蘭（菊科）、亮葉樺（樺木科）、芥菜（十字花科）、龍葵（茄科）、商陸（商陸科）、寶山堇菜（堇菜科）、苧麻（蕁麻科）、桃葉蓼（蓼科）、蒼耳（菊科）、豬毛蒿（菊科）、菊芋（菊科）、鬼針草（菊科）、壺瓶碎米薺（十字花科）；Cr 超累積植物有紫莖澤蘭（菊科）、蜈蚣草（鳳尾蕨科）、李氏禾（禾本科）、狗尾草（禾本科）。

但是，筆者在金堆城礦區(qū)采集到的野生植物中屬于以上范圍的僅有狗尾草，而且其對(duì)Cd 和Cr 這2 種重金屬的富集效果并不明顯，可見，同一植物生長(zhǎng)于不同區(qū)域，所處的重金屬污染環(huán)境不同，其表現(xiàn)出的超累積能力可能也會(huì)存在差異。