丹寨汞(金)矿区11种本地植物的重金属富集特征

苟体忠, 宋 伟, 严红光

(1.凯里学院 大健康学院，凯里 556011；2.黔南民族医学高等专科学校，都匀 558003)

土壤中的重金属难以被微生物分解，易在土壤中累积[1]，并通过食物链放大，最终危害人体健康[2]。土壤重金属污染已成为全球关注的重要环境问题[3]。因此，对重金属污染土壤的修复已迫在眉睫。传统的物理或化学修复技术因成本较高，不利于大面积重金属污染治理，而植物修复是一种成本低、环境友好且能大面积治理土壤重金属污染的绿色技术，并可以将土壤中的重金属永久性去除[4]。

植物修复技术包括：1)植物萃取[5]；2)植物固定[6]；3)植物挥发[7-9]；4)根际吸收[10]。其中，利用超富集植物消除土壤中的有毒重金属是最有前景的植物修复技术[11]。超富集植物必须具备3个条件：1)植物叶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属含量高于根部，且在污染地生长良好，生物量大[13]。

虽然目前国内外发现了400多种重金属超富集植物[14-16]，但大多数重金属超富集植物生长周期长、生物量小，不利于大面积重金属污染土壤的治理。此外，不同植物对生长环境的适应能力各异，而利用本地植物进行植物修复是很重要的，因为本地植物在环境胁迫下生长和繁殖方面通常优于引种植物。因此，寻找适合污染土壤生长的重金属超富集植物是植物修复技术的关键。鉴于此，本研究采集了丹寨汞(金)矿区11科11种最普通的本地优势植物及其土壤样品，分析其重金属含量，采用生物富集系数和转移系数对研究区植物的重金属富集能力进行评价，旨在筛选出一些对重金属具有富集能力的植物，以期为汞矿区重金属污染土壤的修复提供科学参考。

表1 研究区主要植物种类

1 材料与方法

1.1 样品采集

2018年7月，采用“多点”取样法采集丹寨汞(金)矿区汞矿渣堆上11种本地优势植物不同部位及其根际土壤样品，采样点分布见图1。

图1 采样点分布示意图

1.2 试样分析

1.2.1 重金属含量的测定

参照文献[17]的方法，利用北京海光仪器有限公司生产的AFS-230型双道原子荧光光度计测定Hg含量。参照文献[18]的方法，利用美国热电公司生产的Finnigan MAT ELEMENT型高分辨等离子体质谱仪测定其Cd、As、Pb、Cu、Ni、Cr、Zn和Se的含量。

1.2.2 质量控制

为避免容器和试剂带入污染，所用的试剂均经蒸馏纯化处理，所用容器均用5%逆王水煮沸，再用超纯水清洗3次。同时，采用流程空白、平行样和国家标准物质(土壤：GBW07407，植物：GBW07602)进行质量控制，其测定结果的相对标准偏差均小于5%，满足质量控制要求。

1.3 评价方法

1.3.1 单项污染指数法(PI)

为评价重金属污染程度，采用单项污染指数法(PI)对研究区土壤进行重金属污染评价[19]，其公式为

(1)

式(1)中：Ci表示重金属i的实测值，Bi表示重金属i的背景值，本文选择贵州省土壤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)的背景值作为Bi[20]。污染程度分级为：PI≤1为无污染；15为重度污染[21]。

1.3.2 生物富集系数(BCF)

为衡量植物的重金属富集能力，采用生物富集系数对重金属在植物中的富集程度进行评价[22]。其公式为

(2)

(3)

式(2)和(3)中：BCFshoot为植物地上部分生物富集系数；BCFroot为植物根部生物富集系数；[Metals]shoot为植物地上部分某重金属浓度；[Metals]root为植物根部重金属浓度；[Metals]soil为根际土壤重金属浓度。

1.3.3 生物转运系数(BTF)

为了反映植物对重金属的转运能力，采用生物转运系数对重金属在植物中的转运特征进行评价[23]。其公式为

(4)

式(4)中：[Metals]shoot和[Metals]root分别为植物地上部分和根部重金属浓度。

1.4 数据统计分析与处理

采用SPSS 19.0、Coredraw X6和Origin 19.0软件对数据进行分析处理。

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属含量

土壤重金属含量分布结果(表2)显示，土壤中的As、Hg、Se、Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb的平均含量分别是贵州土壤背景值的38.3、531.6、12.3、0.5、0.6、0.8、1.0、0.8和1.0倍。由图2可知，土壤中As、Hg和Se重度污染，其他重金属轻度或无污染。

表2 土壤重金属含量

图2 土壤重金属的PI箱型图

2.2 植物重金属含量

植物重金属含量见表3，11种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，其含量高达2 300 mg/kg，已达到超富集植物地上部分As含量标准(≥1 000 mg/kg)[12]，这与Ma等[25]的研究结果一致。此外，金丝草的根部富集了大量的As，其As含量达1 300 mg/kg。虽然金丝草地上部分含量相对较低，但由于金丝草根系非常发达，其根系的生物量与地上部分相当，因此金丝草可用于As污染土壤的植物修复。侯晓龙等[26]仅报道了金丝草是Pb超富集植物，但目前尚未有关于金丝草根部富集As的报道。11种本地植物的根部和地上部分的Hg含量均高于植物Hg正常范围，但均低于超富集Hg植物标准。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，但也远小于超富Se植物标准。其他重金属在11种植物中的含量几乎处于植物重金属正常范围。分析认为：同一植物对土壤不同重金属的富集能力不同，同一重金属在不同植物中的富集程度不同。研究表明，植物中的重金属浓度取决于植物种类、土壤中的重金属浓度以及重金属的生物活性[31]。

表3 植物重金属含量

2.3 重金属富集及转运特征

植物对土壤重金属的富集和提取潜力可以用BCFshoot、BCFroot和BTF进行评价[31]。生长在重金属严重污染土壤中的植物对重金属具有一定的耐性，但不同植物对重金属的吸收、转运和富集具有差异。植物中重金属的BCF和BTF值见表4。从表4可见：蜈蚣草对As、钻叶紫菀对Cu和对Zn的BCFshoot均大于1，表明蜈蚣草和钻叶紫菀的地上部分分别对As、Cu和Zn具有较强的富集能力；钻叶紫菀对Se、金丝草对As和Cr的BCFroot大于1，表明钻叶紫菀和金丝草的根部具有较强的Se、As和Cr富集能力；其余植物对重金属的BCFroot和BCFshoot均小于1，表明它们对重金属具有一定耐性。

从表4可见：苍耳、商陆、蜈蚣草、苎麻对As的BTF大于1，其中，蜈蚣草的BTF值最大，表明蜈蚣草对As有很强的转运能力；鬼针草、龙葵和商陆对Hg的BTF大于1，表明这些植物对Hg有很强的转运能力；苍耳、假酸浆、芒、龙葵对Se的BTF值大于1，表明这些植物对Se具有很强的转运能力；商陆对Cr的BTF值大于1，表明商陆对Cr有较强的转运能力；假酸浆、龙葵、商陆对Ni的BTF值大于1，表明这些植物对Ni具有很强的转运能力；苍耳、假酸浆、龙葵、商陆和钻叶紫菀对Cu的BTF值大于1，表明这些植物对Cu有很强的转运能力；苍耳、鬼针草、芒、龙葵、商陆、蜈蚣草、钻叶紫菀和苎麻的BTF值大于1，表明这些植物对Zn有很强的转运能力；苍耳、芒、龙葵、商陆、藜和苎麻对Cd的BTF值大于1，表明这些植物对Cd有很强的转运能力；苍耳、龙葵、商陆、苎麻对Pb的BTF值大于1，表明这些植物对Pb有很强的转运能力。其中，苍耳、龙葵和商陆对多种重金属的BTF值大于1，可用于多种重金属污染土壤的复合修复。

表4 植物中重金属的BCF和BTF值

Punz等[32]将重金属耐受性植物分为富集型、根部囤积型和规避型等3类。富集型植物是指其BCFshoot>1，BTF>1，且地上部分富集了大量重金属，可用于重金属污染土壤的植物提取修复。从表4可见，蜈蚣草对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含量远大于超富集As植物标准，该结果再次确证了蜈蚣草是As的超富集植物。此外，钻叶紫菀对Cu的BCFshoot和BTF以及对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的含量未达到超富集植物Cu、Zn含量标准，这与土壤背景值有关。因此，钻叶紫菀是一种潜在的Cu、Zn超富集植物，但仍需盆栽试验确定。

根部囤积型植物是指其BCFroot>1，BTF<1，且根部富集了大量重金属，可用于重金属污染土壤的植物稳定修复。从表4可见，金丝草对As、Cr和钻叶紫菀对Se的BCFroot>1以及BTF<1，符合根部囤积型植物特征，其中，金丝草根部As含量为1 300 mg/kg，属于典型的根部囤积型植物。

规避型植物是指生长在重金属超标的土壤中的植物，其BCFroot<1或BCFshoot<1，且植物体内含有少量重金属。从表4中可见，苍耳假酸浆、苍耳、假酸浆、鬼针草、芒草、商陆、藜和苎麻的BCFshoot和BCFroot均小于1，且这些植物体内的重金属含量处于正常范围，符合规避型植物的特征，属于规避型植物。

3 结论

土壤As、Hg和Se达重度污染，其他重金属为轻度或无污染；蜈蚣草为As的超富集植物，龙葵为Cd的富集型植物，钻叶紫菀为Cu和Zn的富集型植物；金丝草为As根部囤积型植物，钻叶紫菀和金丝草分别是Se和Cr的根部囤积型植物；苍耳、假酸浆、鬼针草、芒、商陆、藜和苎麻为规避型植物。