不同螯合剂诱导下黑麦草对铅污染土壤的修复效果研究

摘要 ［目的］探究3种土壤螯合剂作用下黑麦草对Pb2+的富集作用和转运效果。［方法］通过盆栽试验，研究乙二胺四乙酸（EDTA）、氯化铁（FeCl3）和柠檬酸（CA）3种螯合剂对黑麦草修复不同浓度铅污染土壤的修复效果。［结果］黑麦草对Pb2+有良好的耐受性和富集作用，低浓度（≤500 mg/kg）Pb2+促进黑麦草生长，高浓度（≥1 000 mg/kg）Pb2+抑制黑麦草生长。EDTA作用下，黑麦草对不同浓度Pb2+污染土壤均有良好的富集作用；FeCl3作用下，黑麦草对高浓度Pb2+污染土壤的耐受性和富集作用最好；CA作用下，黑麦草对低浓度Pb2+污染土壤的富集作用最好。［结论］施用EDTA和FeCl3后，能显著促进Pb2+从黑麦草根部向茎叶部位转移，从而提高污染场地土壤修复效果。

关键词 铅污染；土壤螯合剂；植物修复；富集作用

中图分类号 X 53  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2023）02-0055-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.02.015

Remediation Effect of Ryegrass on Lead Contaminated Soil Induced by Different Chelators

LIU Bao-yong，TAO Xiao-nan，YANG Qi-li et al

（College of Environmental Science and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin，Liaoning 123000）

Abstract ［Ovjective］To explore the enrichment effect and translocation effect of Pb2+ by ryegrass under the action of three soil chelators.［Method］The remediation effect of ethylene diamine tetraacetic acid （EDTA），ferric chloride （FeCl3） and citric acid （CA） on ryegrass remediation of lead-contaminated soil at different concentrations was investigated by pot experiments.［Result］The ryegrass showed good tolerance and enrichment to Pb2+.Low concentrations （≤500 mg/kg） of Pb2+ promoted the growth of ryegrass and high concentrations （≥1 000 mg/kg） of Pb2+ inhibited the growth of ryegrass.The action of EDTA，ryegrass showed good enrichment to different concentrations of Pb2+ contaminated soil，under the action of FeCl3，ryegrass had the best tolerance and enrichment to the soil polluted by high concentration of Pb2+，and under the action of CA，ryegrass had the best enrichment effect on the soil contaminated with low concentration of Pb2+.［Conclusion］The application of EDTA and FeCl3 significantly promoted the transfer of Pb2+ from ryegrass roots to stem and leaf parts，thus improving the remediation effect of contaminated site soil.

Key words Lead contaminated;Soil chelators;Phytoremediation;Enrichment effect

基金项目 国家自然科学基金项目（41501217）。

作者简介 刘宝勇（1975—），男，辽宁葫芦岛人，副教授，博士，从事工矿区水土保持及矿山环境工程研究。通信作者，硕士研究生，研究方向：生态修复理论与技术。

收稿日期 2022-03-07

近年来，由于工业排放、汽车尾气、农药使用等人为活动影响，我国土壤面临的重金属污染问题日趋加重，Li等［1］对我国沈阳市铁西工业区土壤的重金属污染现状进行了研究，其中调查土壤中Pb2+污染超标的占比1.5%，位居第二，农产品的质量安全受到严重影响［2-4］。重金属污染土壤的修复模式主要包括固化/稳定化、植物修复、微生物修复、化学淋洗、电动修复等［5-7］，其中植物修复重金属污染土壤技术具有操作简便、成本低廉、效果持久等优势，近年来成为污染土壤修复领域的研究热点［8-9］。植物修复技术是利用植物对土壤内重金属的良好吸收和富集作用，将土壤中的重金属逐渐转移到植物体内，再通过收获植物从而减少土壤中重金属浓度［10］。目前，世界上发现的超富集植物有400多种［11-13］。螯合诱导技术是最具发展潜力的植物修复强化措施之一［14-15］，通过活化土壤中的重金属离子，与重金属离子形成螯合物从而促进植物对重金属的吸收和由根部向地上部转运的能力，进一步达到提高生物有效性、降低重金属植物毒性以及提高重金属积累量和提取效率的目的，在铅污染处理中得到广泛应用［16-18］。相关研究表明，乙二胺四乙酸（EDTA）和氨三乙酸（NTA）2种螯合剂在不同施用方式下对不同植物修复铅污染土壤具有强化效应［19］，EDTA可以提高土壤水溶性铅的浓度，促进铅从根部向地上部转运，增加植物地上部铅的浓度和提取量［20］。黑麦草是一种重要的牧草和绿化植物，具有适应范围广、生长快速、易于收割的特点，十分适合用作重金属修复植物。该研究选用黑麦草为修复植物，通过盆栽试验，探究乙二胺四乙酸（EDTA）、氯化铁（FeCl3）和柠檬酸（CA）3种常见重金属螯合剂对黑麦草生长规律和修复铅污染土的强化效果的影响，比较3类螯合剂作用下黑麦草对不同浓度铅污染土壤中重金属的富集作用和转运效果，明确3类螯合剂对强化黑麦草修复铅污染土壤的可行性，以期为铅污染土壤植物修复工程提供重要的理论和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料 该试验所用土壤均取自辽宁省阜新市辽宁工程技术大学校园，土层深度为10～20 cm的表层土，取样时间为2020年4—6月。将土壤取回实验室后烘干破碎，再过2 mm筛，测试土壤的基本理化性质，发现土壤含水率为22.5%、有机质浓度为1.8%，pH为6.85，主要由粉粒组成，占比为54.3%。向土壤中分别加入质量比为2‰尿素、3‰复合肥粉末和1%生物底肥，搅拌均匀后备用。黑麦草种购买于山东立国农业发展有限公司。供试螯合剂选用乙二胺四乙酸二钠（EDTA-2Na）、氯化铁（FeCl3）和柠檬酸（CA），选用醋酸铅［Pb（CH3COOH）2·3H2O］配制铅污染土壤，上述药品均购自上海麦克林生化科技有限公司；所有试剂均为分析纯。

1.2 试验方法

试验所用土壤为人工污染土，土壤的Pb2+浓度分别为0、200、500、1 000和2 000 mg/kg，以硝酸铅水溶液的形式分层加至土壤中，同时控制土壤含水率为田间持水率的70%，密封2 d后将土壤搅拌均匀，再次密封平衡28 d，确保土颗粒-水分子-铅离子能均匀充分结合。取1.8 kg处理土壤装入盆内，盆的内径和高度均为15 cm。先将黑麦草种用浓度5%的次氯酸钠溶液冲洗一遍，随后放入蒸馏水中浸泡30 min，再将草种直接播入装有土壤的盆内，每个处理做4个重复，共计20盆土壤。控制每盆草种的播入量为20颗。将播有草种的处理盆直接放在室内养护，温度为20～28 ℃，相对湿度50%～70%，确保自然光充足。养护期间每7 d 喷洒蒸馏水250 mL，确保土壤含水率控制在田间持水率的60%～80%。黑麦草种在播下5 d左右开始发芽生长，生长14 d后，将每盆黑麦草苗均保留到5株，确保每盆留存的苗体生长健康且高度基本一致。生长21 d后，将浓度为10 mmol/L 的EDTA、FeCl3和CA溶液分别喷洒至对应试验组的幼苗上，每7 d喷洒一次，每次每盆喷洒50 mL，连续喷洒3次后处理完成，未喷洒任何螯合剂的盆栽作为对照组（CK）。继续生长18 d后，对盆内黑麦草进行收割测试。

1.3 测定分析

将收割的黑麦草苗按照茎叶（地上部分）和根系（地下部分）分开处理，先将茎叶和根系用蒸馏水清洗干净并自然晾干，随后放入烘箱在105 ℃条件下杀青30 min，再在75 ℃条件下烘干至恒重。采用分析天平分别测试黑麦草根系与茎叶的干重量（生物量），然后再将植物体人工磨碎并过0.15 mm筛备用。

采用原子吸收分光光度计对黑麦草根部和茎叶内的铅浓度进行测试分析。取1.00 g植物体粉末放入坩埚内，然后置于马弗炉内在500 ℃下灼烧6 h，冷却后取出，确保植物体完全灰化。向灰化后的植物体内加入10 mL HNO3∶HClO4=9∶4（v/v）的浓酸消解24 h［21］，再采用火焰原子吸收分光光度计对浸出液内Pb2+浓度进行测试，从而得到植物体内的Pb2+浓度。

1.4 数据处理与分析

根据测试结果，分析黑麦草生长过程中的铅污染富集效果，分别计算黑麦草耐性指数（TI）、生物富集系数（BCF）和Pb2+转运系数（TF），计算方法如下［22］：

TI=研究组植物体生物量（g）对照组植物体生物量（g）（1）

BCF=根系（或茎叶）Pb2+浓度（mg/kg）土壤初始Pb2+浓度（mg/kg）（2）

TF=植物茎叶Pb2+浓度（mg/kg）植物根系Pb2+浓度（mg/kg）（3）

该试验图形处理利用Origin 2021软件完成，统计分析采用SPSS 20.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同螯合剂作用下黑麦草对Pb2+的耐性分析 从不同土壤Pb2+浓度作用下黑麦草的生长特性（图1）可以看出，随着土壤Pb2+浓度的增大，除FeCl3处理组外，各处理组黑麦草茎叶和根系生物量均出现先升高后降低的变化趋势，峰值均出现在土壤Pb2+浓度为500 mg/kg时。FeCl3处理组黑麦草茎叶和根系生物量随土壤Pb2+浓度的增大分别表现出先升高后稳定和先升高后降低的变化趋势，二者峰值均出现在土壤Pb2+浓度为1 000 mg/kg时。

与对照组（CK）相比，不同土壤Pb2+浓度下3种螯合剂对黑麦草茎叶和根系生物量的影响不同。EDTA处理组黑麦草茎叶和根系生物量在土壤Pb2+浓度为200 mg/kg时显著低于CK，其他土壤Pb2+浓度下无显著差异。FeCl3处理组黑麦草茎叶和根系生物量在土壤Pb2+浓度为200、500 mg/kg 时显著低于CK，在土壤Pb2+浓度为1 000、2 000 mg/kg时显著高于CK；当土壤Pb2+浓度为0 mg/kg时，FeCl3处理组黑麦草茎叶生物量与CK无显著差异，根系生物量显著低于CK。CA处理组黑麦草茎叶和根系生物量在土壤Pb2+浓度为0 mg/kg 时与CK无显著差异，在土壤Pb2+浓度为200、500、1 000 mg/kg 时显著低于CK，在土壤Pb2+浓度为2 000 mg/kg 时显著高于CK。整体上看，低浓度Pb2+（200 mg/kg）条件下，3种螯合剂对黑麦草茎叶生长均出现明显的抑制效果，随着Pb2+浓度增大，螯合剂对黑麦草的根系和茎叶生长的抑制出现改善。当土壤Pb2+浓度为2 000 mg/kg时，FeCl3处理组对黑麦草生长促进作用最为显著，黑麦草生物总量提高了约1倍。

植物耐性指数对于污染场地修复效果具有重要的影响，根据公式（1）可计算不同Pb2+浓度下黑麦草的耐性指数，结果如图2所示。当土壤受Pb2+污染程度不高时（浓度为200、500 mg/kg），3种螯合剂作用下黑麦草的根系和茎叶耐性指数均小于1，表明植物生长受到抑制，其中FeCl3和CA对黑麦草生长的抑制效果较明显。当土壤受Pb2+污染程度较高时（浓度1 000、2 000 mg/kg），FeCl3和EDTA这2种螯合剂对黑麦草的茎叶和根系生长均具有显著的促进作用。CA只有在土壤Pb2+浓度达到2 000 mg/kg时才对黑麦草生长表现出促进作用。