香薷對Cu污染土壤的修復(fù)作用

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本文作者：徐笑作者單位：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院

銅礦區(qū)土壤由于含銅量較高，使大部分植物無法生存，造成植被破壞、土地裸露、水土流失等嚴(yán)重生態(tài)問題，還可能污染地下水和農(nóng)作物，從而嚴(yán)重威脅人類健康。但生長在多數(shù)礦區(qū)的海州香薷種群不僅耐受這種惡劣生長條件，而且適當(dāng)?shù)挠行с~濃度對海州香薷生長有一定促進(jìn)作用，使其光合能力增強(qiáng)，有機(jī)物質(zhì)積累增多，地上地下部分都有一定的銅積累。作為銅礦地區(qū)的指示物以及吸附改善銅污染土壤優(yōu)勢植物之一的海州香薷，對銅、鋅、鉛復(fù)合污染土壤有較強(qiáng)的耐性，生物量較大，生長速度快，能夠在嚴(yán)重重金屬污染土壤中完成包括營養(yǎng)生長和生殖生長在內(nèi)的整個生命史，為彌補(bǔ)物理、化學(xué)方法處理土壤中重金屬易引起二次污染的瑕疵。利用海州香薷等植物修復(fù)土壤技術(shù)顯現(xiàn)出越來越高的研究價值。海州香薷屬唇形科，多年生草本，高30～40cm，莖直立，通常呈棕紅色，生于山野，分布于遼寧、山東、河北等地，素有“銅草”之稱，有它的地方就有銅礦。海州香薷通過植物萃取作用降低了表層土壤中銅、鋅、鉛的濃度，從而為其他植物提供了相對適宜的生存環(huán)境，但這種利用植被自然修復(fù)和演替的過程十分緩慢，需要通過人為干預(yù)來提高恢復(fù)效率。因此，提高植物含銅量是成功修復(fù)銅污染土壤的關(guān)鍵因素之一，輔助植物修復(fù)作用和有效解決處理后的植物將關(guān)系到植物修復(fù)技術(shù)能否應(yīng)用到實(shí)際中。

1影響海州香薷對重金屬吸附能力的原因

在影響海州香薷銅積累量以及土壤恢復(fù)效率的諸因素中，土壤本身的污染水平和營養(yǎng)狀況以及植物對土壤條件的適應(yīng)能力最為關(guān)鍵。有研究表明，土壤pH值、全磷和有效磷與植物的銅、鋅積累量具有很高的相關(guān)性，這為人們有目的地改良土壤性狀，加速植被演替和恢復(fù)，提高植物修復(fù)效率等提供了有價值的參考［1］。據(jù)最近研究成果，海州香薷中地上部含cu量在水培條件下可以達(dá)到3417mg/kg(干重)，但在土培條件下地上部含銅量最高只有260mg/kg，甚至在10mg/kg以下［2］，但在Cu污染土壤上施用EDTA和EDDS培養(yǎng)10d后，其地上部Cu含量和積累量均顯著增加，甚至達(dá)數(shù)十倍［3］。此外，與單一Cu污染相比，Cu、Zn復(fù)合污染可促進(jìn)海州香薷生長，增加其地上部干物重。

1.1土壤中銅的有效濃度對海州香薷修復(fù)土壤機(jī)制的影響

不同重金屬形態(tài)對植物的毒性以及被植物吸收的情況差異很大，有效態(tài)的重金屬更易被植物吸收，而對重金屬的有效性有重大影響，主要是土壤有機(jī)質(zhì)和酸堿度等條件，因而，有效金屬濃度不僅取決于金屬的總濃度，還跟土壤其他參數(shù)如磷、pH值等有關(guān)。有研究證明，土壤中的磷以及較高的pH值更有利于有效態(tài)重金屬的釋放。但對照試驗結(jié)果顯示，銅、鋅的積累量均與有效銅的相關(guān)性最低，而與土壤總銅量和土壤pH值的相關(guān)性很高［1］，盡管如此，其他研究者給出了多種猜想，Song等發(fā)現(xiàn)，提高土壤溶液的pH值，能夠增加海州香薷根部的銅濃度，即在銅濃度保持不變情況下pH值升高增加了銅離子的植物有效性，這可能跟高pH值條件下生物表面(細(xì)胞壁和生物膜)銅的結(jié)合能力提高有關(guān)［2］。又經(jīng)研究表明，銅濃度與pH值的關(guān)系呈“U”形，pH值較低時，銅濃度隨著pH值的增加而下降，而pH值較高時，則隨pH值的增加而增加［4］。通過改變土壤的酸堿性使各金屬離子呈現(xiàn)不同的價態(tài)，改變植物對它們的吸收量、耐受程度以及在體內(nèi)代謝形式，實(shí)為影響海州香薷修復(fù)土壤機(jī)制的重要因素之一。在今后的實(shí)驗中，我們可以通過采取多梯度、多個對照樣、嚴(yán)格控制單一變量、提高實(shí)驗同步性來增加結(jié)果的真實(shí)度。

1.2土壤中有效磷濃度對海州香薷修復(fù)土壤機(jī)制的影響

除了土壤pH值的影響至關(guān)重要之外，土壤中有效磷的作用也不可小覷。研究證實(shí)，隨著有效磷濃度的增加，海州香薷對銅、鋅的積累量也明顯提高。因為銅等重金屬易引起植物體磷等營養(yǎng)元素低于正常水平，所以，土壤中充足磷的供應(yīng)將會改善海州香薷的營養(yǎng)條件，從而增加其根部對銅、鋅的吸收活性［1］。礦區(qū)的海州香薷種群在過量銅的環(huán)境下對磷饑餓時具有自我拯救機(jī)制，即通過增強(qiáng)植物酸性磷酸酶活性以及向根際土壤的分泌作用，而使植物在脅迫條件下維持正常的磷生理代謝。重金屬脅迫下，植物內(nèi)生細(xì)菌分泌大量酸性磷酸酶是一種脫毒機(jī)制。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，銅脅迫下海州香薷根系體內(nèi)的酸性磷酸酶活性顯著提高，這促使金屬離開細(xì)胞的敏感位點(diǎn)，同時磷被認(rèn)為與一些金屬元素有拮抗作用，能減少這些元素的吸收。如土壤中磷的增加會減少Cd和Zn的生物積累，磷的增加也能減少植物對Cu的積累。銅的吸收積累是一個十分復(fù)雜的過程，許多機(jī)制共同參與，其中有關(guān)酸性磷酸酶的作用仍需更多的實(shí)驗，其分子機(jī)制也需進(jìn)一步探索，我們可以結(jié)合新興的代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等手段做更深入細(xì)致的研究。

1.3EDTA和EDDS與植物銅積累量的關(guān)系

螯合誘導(dǎo)植物修復(fù)理念是向土壤中施加螯合劑來增加土壤重金屬的可溶性，提高植株地上部的干物重以促進(jìn)植物的重金屬積累。有研究表明，施加5mmol/kgEDTA(乙二胺四乙酸)和EDDS(乙二胺二琥珀酸)可增加海州香薷地上部的Cu、Pb、Zn和Cd的含量和積累量。其中，EDDS比EDTA具有更強(qiáng)的溶解土壤Cu、Zn和增加植物吸收積累Cu、Zn的能力，但對土壤Pb、Cd的溶解及Pb、Cd在植物地上部積累的促進(jìn)作用，EDTA大于EDDS［3］。這種方法雖增加了重金屬在土壤中的可溶性，但同時也增加了重金屬向下和四周遷移的可能性，易對地下水和周邊環(huán)境造成二次污染，且高劑量人工合成螯合劑會破壞自然生存體系，對植物、微生物產(chǎn)生毒害作用。盡管有資料顯示，EDDS對土壤真菌和其他微生物群落毒性影響較小，易降解，但施用EDDS的時間長短、施用前后當(dāng)?shù)靥鞖鈼l件等多種實(shí)際問題必須要進(jìn)行進(jìn)一步探討。提高金屬的移動力儼然是促進(jìn)植物重金屬吸收的可行之路，但是否是螯合劑發(fā)揮了作用仍需要做進(jìn)一步研究。

1.4植物對Cu、Zn、Pb等元素復(fù)合污染土壤的修復(fù)作用

在自然條件下，銅礦污染區(qū)多富集鋅、鉛等重金屬，因而考察海州香薷與環(huán)境的相互作用時不能忽略非銅重金屬的影響。我們常用吸收富集系數(shù)來表征土壤———植物體中重金屬元素遷移的難易程度。有文獻(xiàn)報道，土壤受重金屬復(fù)合污染時，Cu、Zn、Pb共存能夠提高植物對幾種重金屬元素的吸收系數(shù)，促進(jìn)這些重金屬元素在植物體內(nèi)的遷移。因為復(fù)合污染時，銅、鋅、鉛等元素共存能夠提高植物對這幾種重金屬的吸收系數(shù)，并促進(jìn)這些重金屬元素在植物體內(nèi)的遷移。鋅會抑制銅向香薷屬植物地上部分的運(yùn)輸，限制植物地上部銅含量的提高，筆者實(shí)驗室也發(fā)現(xiàn)對于復(fù)合污染的土壤來說，海州香薷屬植物對鋅吸收效果更為顯著，這似乎暗示了對于修復(fù)復(fù)合污染地區(qū)，可首先解決鋅污染，再著重處理銅污染。

1.5根際土中細(xì)菌、植物內(nèi)生菌對海州香薷及其生長環(huán)境的影響

筆者所在的實(shí)驗室曾發(fā)現(xiàn)，一些植物根際細(xì)菌通過產(chǎn)生1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(ACC)脫氨酶、鐵載體、吲哚乙酸以及溶解難溶性的磷酸鹽能夠直接或間接地促進(jìn)植物生長，增大海州香薷的生物量［5］。此外，還發(fā)現(xiàn)經(jīng)無色菌處理提高了海州香薷的生物量和地上部Cu濃度，進(jìn)一步挖掘出海州香薷對污染土壤中Cu的去除潛力［6］。土壤微生物透過分泌物提高土壤酶活性，進(jìn)而改變土壤中重金屬的生物有效性且對環(huán)境友好。這為生物修復(fù)開辟了一條新途徑，即通過利用抗性促生細(xì)菌的方法來提高植物的修復(fù)效率，堪稱是一種比用化學(xué)試劑、肥料等方法改變土壤理化性質(zhì)更有效、更具有可持續(xù)性的措施。

1.6其他因素

油松針葉重金屬含量動態(tài)變化研究表明，重金屬在植物體內(nèi)變化是復(fù)雜的，油松針葉的Cu、Zn含量在整個生長季節(jié)均呈現(xiàn)下降趨勢，而Pb的含量在夏季時最高。另有學(xué)者認(rèn)為，因為NO3－促進(jìn)陽離子吸收且在木質(zhì)部運(yùn)輸中是陽離子合適的陪伴陰離子，而NH4+在根系中已被同化為氨基酸，不能成為陰離子的陪伴陽離子，所以硝銨態(tài)氮能促進(jìn)海州香薷對銅的吸收以及向地上部分的運(yùn)輸并提高銅的積累量。

2實(shí)際應(yīng)用展望

通過近幾年實(shí)驗，可以肯定耐性植物在植物穩(wěn)定修復(fù)中的作用。在重金屬污染土壤上種植金屬耐受性植物可降低金屬的移動性并減少其進(jìn)入食物鏈的含量，有毒金屬將會被固定在生態(tài)系統(tǒng)中，可減少有毒金屬因淋溶而進(jìn)入地下水所引起的污染。在提高海州香薷修復(fù)土壤重金屬污染效率的問題上，現(xiàn)代學(xué)者多側(cè)重于外加誘導(dǎo)措施增加土壤中重金屬的植物有效性，以提高超富集植物的生物量，或者找到一種重金屬富集量更高的超富集植物。重金屬在植物體內(nèi)的含量變化很復(fù)雜，適當(dāng)延長植物生長時間并選擇合適的收獲期有助于提高植物累積金屬效果，對紫花香薷和海州香薷而言，其葉片開始脫落前收獲為佳，此時植物積累的生物量最大，一般要培養(yǎng)195d。實(shí)際應(yīng)用中植物生長時間設(shè)計十分重要，而收獲已積累大量重金屬元素的海州香薷植物體的去向也不可忽視。經(jīng)實(shí)驗驗證，以海州香薷為堆肥原料，接種以纖維素分解菌為主的混合菌，在室溫、含水率為75%條件下，堆肥的品質(zhì)最佳，其C/N值為13．7，ηC/N為60．8%，可達(dá)到有機(jī)肥料一級腐熟標(biāo)準(zhǔn)，能快速高效地降解海州香薷殘體，而且作為肥料，植物體中的黃酮類物質(zhì)對植物病原真菌有抑制效果，使其變廢為寶［7］。這一研究對于降低污染土壤修復(fù)成本、礦山地區(qū)農(nóng)民增收以及發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)有著重要作用，為開發(fā)新型抗菌劑產(chǎn)品提供了一定的技術(shù)支持。研究重金屬在土壤－植物體系向植物的遷移、傳輸和分布隨時間變化的動態(tài)過程，將提供植物在重金屬脅迫條件下對重金屬吸收代謝的信息，對認(rèn)識重金屬在植物體內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和植物修復(fù)的實(shí)際應(yīng)用有重要意義。

3結(jié)束語

利用植物修復(fù)土壤的優(yōu)勢地位日益凸顯。海州香薷因長期生長在銅礦區(qū)附近(含重金屬土壤)，已對高金屬污染、土壤保水力差的環(huán)境脅迫產(chǎn)生了抗性進(jìn)化，不僅成為礦藏的指示植物，還對尾礦、重金屬污染的土壤起到一定的修復(fù)作用。