留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

EDTA和有机酸对毛竹修复重金属污染土壤的强化作用

叶朝军 吴家胜 钟斌 陈俊任 郭佳 徐美贞 柳丹

叶朝军, 吴家胜, 钟斌, 陈俊任, 郭佳, 徐美贞, 柳丹. EDTA和有机酸对毛竹修复重金属污染土壤的强化作用[J]. 浙江农林大学学报, 2018, 35(3): 431-439. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.03.006
引用本文: 叶朝军, 吴家胜, 钟斌, 陈俊任, 郭佳, 徐美贞, 柳丹. EDTA和有机酸对毛竹修复重金属污染土壤的强化作用[J]. 浙江农林大学学报, 2018, 35(3): 431-439. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.03.006
YE Chaojun, WU Jiasheng, ZHONG Bin, CHEN Junren, GUO Jia, XU Meizhen, LIU Dan. Effects of EDTA and organic acid on phytoremediation of heavy metal contaminated soil by Phyllostachys edulis[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2018, 35(3): 431-439. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.03.006
Citation: YE Chaojun, WU Jiasheng, ZHONG Bin, CHEN Junren, GUO Jia, XU Meizhen, LIU Dan. Effects of EDTA and organic acid on phytoremediation of heavy metal contaminated soil by Phyllostachys edulis[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2018, 35(3): 431-439. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.03.006

EDTA和有机酸对毛竹修复重金属污染土壤的强化作用

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.03.006
基金项目: 

浙江省科学技术重点研发项目 2015C03020-2

国家自然科学基金面上资助项目 31670617

详细信息
    作者简介: 叶朝军, 从事林业推广示范研究。E-mail:24283680@qq.com
    通信作者: 柳丹, 教授, 博士, 博士生导师, 从事土壤污染修复研究。E-mail:liudan7812@aliyun.com
  • 中图分类号: S714.6;X53

Effects of EDTA and organic acid on phytoremediation of heavy metal contaminated soil by Phyllostachys edulis

图(5) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  1149
  • HTML全文浏览量:  181
  • PDF下载量:  331
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-10-11
  • 修回日期:  2017-12-20
  • 刊出日期:  2018-06-20

EDTA和有机酸对毛竹修复重金属污染土壤的强化作用

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.03.006
    基金项目:

    浙江省科学技术重点研发项目 2015C03020-2

    国家自然科学基金面上资助项目 31670617

    作者简介:

    叶朝军, 从事林业推广示范研究。E-mail:24283680@qq.com

    通信作者: 柳丹, 教授, 博士, 博士生导师, 从事土壤污染修复研究。E-mail:liudan7812@aliyun.com
  • 中图分类号: S714.6;X53

摘要: 以毛竹Phyllostachys edulis幼苗和重金属污染土壤为研究对象,通过土柱淋洗试验,施加乙二胺四乙酸(EDTA,1.5和3.0 mmol·kg-1)和有机酸(15.0和30.0 mmol·kg-1),研究了毛竹叶片叶绿素荧光特性、毛竹各部位重金属质量分数、土壤液中重金属质量分数和EDTA质量浓度的变化。结果表明:施加EDTA和有机酸都抑制毛竹叶绿素荧光特性,且在30.0 mmol·kg-1的有机酸处理下,毛竹叶片叶绿素荧光特性受到的抑制效果最为显著。EDTA施加能够促进毛竹对锌、铜和镉的吸收,而有机酸处理对毛竹吸收重金属无促进作用,施加3.0 mmol·kg-1EDTA对表层土壤中铜、锌和镉的活化作用最强。20和40 cm土层土壤溶液中重金属质量分数随时间慢慢积累,分别在第4次收集后达到稳定和在最后一次收集液中达到最大;而添加有机酸后土壤溶液中重金属质量分数则在第2次土壤收集液中达到最大,随后逐渐降低。土壤溶液中EDTA主要集中在5 cm土层,且随时间增加显著降低,在5~9 d内EDTA质量浓度相对稳定,分别为110.9~122.9和257.8~263.3 mg·L-1。综上,EDTA可以有效地提高重金属生物有效性,强化植物修复重金属污染土壤,但使用时应综合考虑其环境风险。

English Abstract

叶朝军, 吴家胜, 钟斌, 陈俊任, 郭佳, 徐美贞, 柳丹. EDTA和有机酸对毛竹修复重金属污染土壤的强化作用[J]. 浙江农林大学学报, 2018, 35(3): 431-439. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.03.006
引用本文: 叶朝军, 吴家胜, 钟斌, 陈俊任, 郭佳, 徐美贞, 柳丹. EDTA和有机酸对毛竹修复重金属污染土壤的强化作用[J]. 浙江农林大学学报, 2018, 35(3): 431-439. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.03.006
YE Chaojun, WU Jiasheng, ZHONG Bin, CHEN Junren, GUO Jia, XU Meizhen, LIU Dan. Effects of EDTA and organic acid on phytoremediation of heavy metal contaminated soil by Phyllostachys edulis[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2018, 35(3): 431-439. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.03.006
Citation: YE Chaojun, WU Jiasheng, ZHONG Bin, CHEN Junren, GUO Jia, XU Meizhen, LIU Dan. Effects of EDTA and organic acid on phytoremediation of heavy metal contaminated soil by Phyllostachys edulis[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2018, 35(3): 431-439. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.03.006
  • 随着工农业的发展及人类的活动加剧,重金属污染已经严重危害到人类的健康[1-2]。目前,植物修复因其绿色环保受到广泛的关注,但由于受到土壤中重金属生物有效性的影响,植物修复效率低下[3-4]。利用螯合剂来活化土壤中的重金属,促进植物对重金属的吸收,是提高植物修复效率的方法之一[5],其中,乙二胺四乙酸(EDTA)是使用最广泛的一种螯合剂,能够显著提高铅(Pb),铜(Cu),镉(Cd)等重金属的活性[6-8]。CHIGBO等[9]在铜污染的土壤中施加EDTA强化植物修复后显著提高了土壤中铜的有效态含量,同时显著促进了植物对铜的吸收积累。有研究表明:EDTA的生物降解性差,可能会对环境造成一定污染[10]。草酸、柠檬酸等生物降解性较好的小分子有机酸也被广泛用于植物修复中[11]。DUQUÈNE等[12]研究发现,使用5 mmol·kg-1柠檬酸、柠檬酸铵、草酸等有机酸显著增加了土壤溶液中重金属的质量浓度。相对于其他超积累植物或者重金属富集植物,毛竹Phyllostachys edulis拥有巨大的生物量,并且已被证明作为植物修复材料的可能性[13-14]。本研究采用镀锌厂重金属污染土壤和毛竹苗进行土柱淋洗试验,研究施加螯合剂EDTA和有机酸后毛竹叶片叶绿素荧光特性,毛竹重金属质量分数变化,土壤溶液重金属质量分数及EDTA质量浓度的动态变化,为螯合剂强化重金属污染土壤植物修复提供科学依据。

    • 供试土壤来自浙江省杭州市富阳区云纳热镀锌厂附近农田(29°53′17″N,119°53′24″E),采集0~20,20~40,40~60 cm等3个土层的重金属污染土壤,风干过5 mm筛,其土壤基本理化性质见表 1。供试植株:由种子培养生长在基质中的毛竹幼苗,选择长势相似且无病虫害的幼苗,用蒸馏水去除附着的基质,在含有1/2 Yoshida营养液(pH 5.8)的黑色塑料盆中预培养。营养液隔5 d更新1次,保持24 h通气。

      表 1  土壤基本理化性质

      Table 1.  Physicochemical properties of soil

      土层/cm pH值 w碱解氮/(mg·kg-1) w有效磷/(mg·kg-1) w速效钾/(mg·kg-1) w/(mg·kg-1) w/(mg·kg-1) w/(mg·kg-1)
      0~20 1 367.10 296.20 2.21
      20~40 7.16 30.10 4.41 98.64 300.00 58.90 0.56
      40~60 133.78 34.11 0.24
    • 将不同土层的土壤装入土柱中,并且在5,20,40,60 cm土层处装入土壤溶液收集器[15]。栽植毛竹苗3株·土柱-1,并且控制土柱土壤含水率,整个实验培养周期为2个月,在实验结束前10 d,一次性分别添加人工螯合剂和有机酸。所添加的人工螯合剂为质量摩尔浓度1.5 mmol·kg-1(E1.5)和3.0 mmol·kg-1(E3.0)的EDTA-Na2;有机酸根据毛竹苗根系分泌物配制,为m(草酸):m(柠檬酸):m(乳酸)=5:1:1的混合物[16],质量摩尔浓度为15.0 mmol·kg-1(S15)和30.0 mmol·kg-1(S30),以不添加螯合剂和有机酸为对照(ck),共5个处理,重复3个·处理-1,并随机排放。整个试验在浙江农林大学温室大棚内完成。为避免pH值不同所引起的活化差异,所添加的EDTA和有机酸的pH值均调节成供试土壤pH值[17]

    • 在添加螯合剂前1 d,收集土柱各土层的土壤溶液,作为初始溶液,然后一次性加入EDTA和有机酸,并在第1,3,5,7,9天收集土壤溶液[18],共6次。收集到的土壤溶液取10 mL酸化,利用ICP-OES测定土壤液中重金属质量分数,其余冷冻保存冰箱备用。

    • 在试验结束前2 d,选择晴朗天气,利用便携式叶绿素荧光仪在9:00-12:00测定每株毛竹第3片叶片叶绿素荧光特征。Fo为初始荧光;Fm为最大荧光产量;Fv/Fm为PSⅡ最大光化学量子产量;Fv/Fo为PSⅡ潜在光化学效率。

    • 收获的毛竹用20.0 mmol·L-1EDTA-Na2浸泡20 min,去除附着的重金属,将毛竹分为根茎叶3部分,粉碎,称取0.1 g的样品,用硝酸/高氯酸消煮定容至50 mL并过滤,用ICP-OES测定重金属质量分数。

    • EDTA质量浓度测定参考郭晓方等[19]、郑睿行等[20]方法:取1.0 mL样品至管中,加1.0 mL氯化铁溶液(2.5 mmol·L-1)和1.0 mL抗坏血酸(含4.0 mg抗坏血酸),稀释至5.0 mL,水定容摇匀,经0.22 μm微孔滤膜过滤,立即液相色谱法测定。液相色谱为日本LC-20AT,分析柱:C18 Inertsil ODS-SP色谱柱(4.6 mm × 250 mm,5 μm),岛津;保护柱:Inertsil ODS-SP(5 μm,4.0 mm × 10 mm),岛津;流动相:水-甲醇(80+20)含有0.02 mol·L-1四丁基溴化铵,0.03 mol·L-1乙酸钠缓冲液(磷酸调pH 4);流速:0.8 mL·min-1,检测波长:258 nm。

    • 采用Excel 2013和SPSS 21.0软件进行数据处理,用SigmaPlo 12.5软件作图。采用方差分析和最小差异显著法(LSD)对数据进行统计分析,差异显著性水平为P < 0.05。

    • 表 2可知:施加EDTA和有机酸后,Fo略微上升,与对照组之间无显著差异;而FmFv /FmFv /Fo不同程度地下降,且添加3.0 mmol·kg-1EDTA和有机酸后,FmFv /FmFv /Fo显著降低,在30.0 mmol·kg-1有机酸下FmFv /FmFv /Fo下降幅度最大,分别降低了11.7%,5.3%和19.2%。可见,30.0 mmol·kg-1的有机酸处理对毛竹叶片叶绿素荧光特性抑制效果最为显著。

      表 2  添加EDTA和有机酸后毛竹叶片叶绿素荧光变化

      Table 2.  Changes of chlorophy fluorescence parameter of moso bamboo leaves after adding EDTA and organic acids

      处理 Fo Fm Fv/Fm Fv/Fo
      ck 178.11±6.61 a 801.44±38.43 a 0.779±0.007 a 3.502±0.201 a
      E1.5 182.75±7.34 a 762.63±31.06 ab 0.760±0.013 ab 3.179±0.237 ab
      E3.0 187.33±14.91 a 733.17±49.10 bc 0.743±0.027 bc 2.941±0.448 b
      S15 181.63±14.38 a 718.50±36.91 c 0.747±0.018 bc 2.973±0.273 bc
      S30 185.13±7.44 a 707.75±35.21 c 0.737±0.018 c 2.830±0.265 c
        说明:同列相同字母表示差异不显著(P>0.05),同列不同字母表示差异显著(P<0.05)
    • 图 1可以看出:添加EDTA后毛竹对3种重金属的吸收显著增加,且随着EDTA质量摩尔浓度增加而增加;添加有机酸后,毛竹对重金属的吸收无显著差异。毛竹从土壤吸收的重金属主要集中在根部,其次在茎,最少在叶,并且毛竹对镉的转运效率最高,对铜的转运效率最低。

      图  1  EDTA和有机酸对毛竹吸收重金属的影响

      Figure 1.  Effect of EDTA and organic acids on moso bamboo accumulated heavy metal

    • 图 2所示:在对照处理中,土壤溶液中铜质量分数随着采集时间的增加始终在低于0.1 mg·kg-1的范围内波动。在土壤中添加螯合剂后,土壤溶液中铜的质量分数显著增加。在EDTA处理中,3.0 mmol·kg-1EDTA对铜的活化作用较强,在添加EDTA后第1天各土层土壤溶液中铜质量分数显著上升,且5 cm土层处土壤溶液中铜质量分数变化最大,与对照相比分别增加了1 215和1 639倍。随着时间的推移,5 cm表层土层土壤溶液中铜质量分数先升高,在第3天的时候达到最大,然后再随时间的增加而降低;在20 cm及更深的土层中,土壤液中的铜不断累积。添加有机酸后,只有表层土壤表现出明显的活化作用。在5 cm土层中,15.0 mmol·kg-1有机酸处理后,土壤溶液中铜质量分数随着时间增加逐渐减少,15.0 mmol·kg-1有机酸处理后,土壤溶液中铜质量分数随着时间增加先增加后减少,在20 cm处,仅在添加有机酸的第1天铜质量分数显著增加。在整个土柱试验中,土壤溶液中铜主要集中在表层土壤。

      图  2  各土层土壤溶液中铜质量分数的变化

      Figure 2.  Change of Cu contents in soil solution of different soil layers

    • 图 3可知:对照土壤溶液中锌质量分数随着采集时间无显著变化,添加EDTA螯合剂后,土壤溶液中锌质量分数显著增加,且相比添加有机酸作用更加明显。在EDTA处理中,高质量浓度EDTA对锌的活化作用较强,在添加1.5和3.0 mmol·kg-1EDTA后第1天各土层土壤溶液中锌质量分数显著上升。随着时间的增加,5和60 cm土层处锌质量分数逐渐降低,在20和40 cm土层,土壤溶液中的锌质量分数随着时间的增加而增大。添加有机酸后,在5和20 cm土层土壤溶液中锌质量分数显著增加。

      图  3  各土层土壤溶液中锌质量分数的变化

      Figure 3.  Change of Zn contents in soil solution of different soil layers

    • 图 4可见:对照土壤溶液中镉质量分数始终在很低的范围内波动。在土壤中添加螯合剂EDTA后,各土层土壤溶液中镉质量分数显著增加,对镉的活化作用显著强于有机酸处理。在添加EDTA后第1天各土层土壤溶液中镉质量分数显著上升,且5 cm土层土壤溶液中镉质量分数变化最大,相比对照分别增加了353和1 012倍。随时间的增加,各土层土壤溶液中镉与锌的质量分数变化趋势一致。添加有机酸对各土层土壤镉都有活化作用,且表层土壤最显著,随时间的增加镉质量分数不断降低。在整个淋洗柱中,土壤溶液中镉质量分数随土壤深度的增加而减少。

      图  4  各土层土壤溶液中镉质量分数的变化

      Figure 4.  Change of Cd contents in soil solution of different soil layers

    • 图 5所知:添加1.5和3.0 mmol·kg-1EDTA后,土壤溶液中EDTA主要集中在5 cm土层。随着时间的增加,5 cm土层处EDTA质量浓度显著降低,5 d后达到稳定,分别为110.9~122.9 mg·L-1和257.8~263.3 mg·L-1;20 cm土层EDTA质量浓度为47.7~55.6 mg·L-1和84.4~124.5 mg·L-1,无显著变化;40 cm土层EDTA施加第1天达到最高,分别为22.3和50.7 mg·L-1,之后显著下降达到稳定;60 cm土层EDTA质量浓度相对较小,分别为2.9~6.2 mg·L-1和7.3~10.7 mg·L-1,差异不显著。

      图  5  各土层土壤溶液中EDTA质量浓度的变化

      Figure 5.  Change of EDTA contents in soil solution of different soil layers

    • 叶绿素荧光是反映植物光合生理的一个指标[21]。本研究中,添加3.0 mg·L-1EDTA和有机酸后毛竹叶片最大荧光Fm,PSⅡ最大光化学效率Fv /Fm和PSⅡ潜在光化学效率Fv /Fo显著降低,表明螯合剂的添加降低了植物的光合生物素,使植物的光合系统遭到破坏。EDTA处理后的毛竹叶片荧光参数降低,主要原因可能是EDTA活化了土壤中的重金属,提高了重金属的生物有效质量分数,高质量分数的重金属损害了毛竹的生长,对毛竹细胞内叶绿体、线粒体及细胞壁等结构产生了毒害作用[13, 22]。同样添加有机酸后也降低了毛竹叶片的叶绿素荧光参数,可能有机酸分解后改变了土壤的基本理化性质,从而改变了毛竹苗的生长状况。

      螯合剂可以活化土壤中难溶态重金属,改善其生物有效性[7, 27],提高植物对土壤中重金属的吸收效率[23-24]。EDTA是一种普遍使用的螯合剂,添加EDTA显著提高了毛竹对土壤中锌、铜和镉的吸收,作用效果显著高于有机酸。这与CAY等[25]研究EDTA强化蜀葵Althaea rosea修复重金属污染土壤得出的结果相似。添加有机酸并没有明显促进毛竹对重金属的吸收,可能是由于添加的有机酸分解后改变了土壤的基本理化性质,抑制了毛竹吸收重金属,这与吴龙华等[26]的研究结果类似。本研究中,EDTA淋洗显著增加了0~20 cm土层土壤中可溶性铜、锌和镉的质量分数,由于EDTA活化效果强,土壤溶液中铜、锌和镉的质量分数相对比较高。添加EDTA增强了重金属的迁移性,导致20和40 cm处土壤溶液中铜、锌和镉的质量分数随着时间的增加而增加。YLIVAINIO等[28]研究表明:在石灰性土壤中添加EDTA可持续提高镉、铅和镍在土壤中的溶解性。在本研究中,添加有机酸初期对土壤中铜和锌的活化效果比较明显,随着时间的推移,活化效果消失甚至产生了钝化效果。可能是由于有机酸在土壤中很快被土壤微生物分解,对重金属的活化效果消失,而且可能改变了土壤的pH值,从而产生钝化效果。吴龙华等[26]研究表明:施加3.0 mmol·kg-1,pH 6.3的草酸、柠檬酸或苹果酸对土壤铜含量及其形态分配无显著影响。添加有机酸后,土壤溶液中铜和锌质量分数在40和60 cm土层处变化不显著,说明添加有机酸后铜和锌在土壤中的纵向迁移能力弱;而有机酸处理对镉具有一定的活化和迁移能力。在整个土柱试验中,EDTA处理对重金属的活化和迁移效果始终强于有机酸。李艳丽等[29]采用土柱模拟淋洗试验,研究了EDTA,柠檬酸和草酸3种淋洗剂对污染土壤中镉纵向迁移的影响,结果表明:EDTA对镉的迁移能力强于柠檬酸和草酸。

      EDTA添加到土壤后会长时间残留,并迁移到更深的土壤中,从而对环境造成一定的风险[30-31]。有研究表明:可根据土壤类型,通过控制EDTA的施用量及施用时间来控制EDTA在强化修复重金属污染土壤中的残留和迁移[19]。相比EDTA,有机酸在自然界中很容易被生物降解,因此它的环境风险更小[32-33]。本研究中,EDTA主要集中在表层土壤,但第1天在40 cm土壤溶液中检测到相对较高的质量浓度,说明EDTA在土壤中迁移能力强。在第5天到第9天EDTA质量浓度相对稳定且相对较高,也说明EDTA很难被分解。

    • 乙二胺四乙酸(EDTA)和有机酸处理抑制了毛竹的叶绿素荧光特性,且30.0 mmol·kg-1有机酸处理的抑制程度最大,3.0 mmol·kg-1EDTA处理其次,15.0 mmol·kg-1有机酸处理最小。在整个土柱试验中,EDTA处理显著提高了土壤溶液中重金属质量分数,加重了重金属向下迁移的风险;有机酸处理对重金属的活化效果及在土壤中的迁移能力不明显。添加EDTA促进了毛竹对铜、锌、镉的吸收,而有机酸则无促进作用。添加1.5和3.0 mmol·kg-1EDTA后,土壤溶液中EDTA质量浓度主要集中在5 cm土层,且短期内很难被分解。

参考文献 (33)

目录

    /

    返回文章
    返回