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可生物降解螯合剂GLDA强化三叶草修复镉污染土壤

来源：花匠小妙招时间：2024-12-26 03:00

摘要: 螯合剂可增加重金属的生物可利用性，强化植物的富集作用.以三叶草为研究对象，通过盆栽试验考察不同浓度可生物降解螯合剂谷氨酸N，N-二乙酸（GLDA）对三叶草修复重金属Cd污染土壤的影响机制.结果表明，低剂量GLDA能显著促进三叶草的生长，其中以2.5 mmol·kg-1的处理浓度三叶草生物量最高，达到对照组的1.30倍；不同浓度GLDA均能提高三叶草各部分的Cd含量，总体而言，5 mmol·kg-1 GLDA的处理效果最为理想，根部、地上部分和整株Cd含量分别为对照组的3.57、4.69和4.67倍；GLDA能显著增加土壤有效态Cd含量，促进三叶草根部对其直接吸收，并较好地转运至地上部分；通过拟合土壤理化性质、GLDA与三叶草Cd含量的线性关系得出的预测模型，可为今后土壤-三叶草富集效果的研究提供参考.研究表明，在强化植物修复重金属Cd污染土壤方面，生物可降解螯合剂GLDA具有潜在应用前景.

Enhanced Phytoextraction of Cadmium Contaminated Soil by Trifolium Repens with Biodegradable Chelate GLDA

HE Yu-long1,2,YU Jiang1,2,XIE Shi-qian1,2,LI Pei-rou1,2,ZHOU Kuan1,2,HE Huan1,2

Abstract: Chelating agents can increase the bioavailability of heavy metals and enhance their enrichment in plants. The effects of different concentrations of biodegradable chelating agent L-glutamic acid N, N-diacetic acid (GLDA) on the remediation of heavy metal-contaminated soil by super-enriched plant Trifolium repens were investigated by pot experiments with Cd-contaminated soil. Results show that low-dose GLDA could significantly promote the growth of Trifolium repens, and the biomass of Trifolium repens was the highest at 2.5 mmol·kg-1-GLDA, which was 1.30 times that of the control group. Different concentrations of GLDA can increase Cd content of various parts of Trifolium repens. In general, the treatment effect of 5 mmol·kg-1 GLDA was ideal. In this scenario, the root, aerial parts, and whole Cd content were 3.57, 4.69, and 4.67 times of the control group, respectively. GLDA can significantly increase the available Cd content in soil, promote direct absorption at the Trifolium repens roots, and provide better transport to the aerial parts. The prediction model obtained by fitting the linear relationship between physical and chemical properties of soil indicates that GLDA and Trifolium repens Cd content can provide references for the future research of soil-Trifolium repens enrichment. Studies have shown that the biodegradable chelating agent GLDA has potential applications for enhancing phytoremediation of heavy metal Cd contaminated soil.

Key words:phytoremediation heavy metals cadmium L-glutamic acid N, N-diacetic acid (GLDA) Trifolium repens degradable chelating agent

工农业的快速发展造成土壤重金属污染日趋严重, 给人类的生存环境带来巨大威胁.植物修复技术以其环境友好、易于接受和价格低廉等优点而成为重金属污染土壤修复的研究热点之一[1].螯合剂能与土壤重金属发生键合/螯合作用, 使重金属从不溶态转变成可溶态, 形成水溶性的金属-螯合剂络合物, 从而提高植物对重金属的修复效率.EDTA(乙二胺四乙酸)是应用最为广泛, 同时也是效果较好的一种螯合剂, 但EDTA及其复合物在土壤中生物毒性大、持续时间长、降解能力差, 存在潜在的生态风险[2].也有研究发现可降解螯合剂EDDS(乙二胺二琥珀酸)对重金属具有较强的螯合能力, 但由于人工合成成本高, 难以推广应用[3].

近年来, GLDA(L-glutamic acid N, N-diacetic acid, 谷氨酸N, N-二乙酸)被认为是更绿色环保的新一代螯合剂, 受到广泛关注[4].GLDA由可再生植物原料制成, 易生物降解, 并且在螯合能力上与EDTA相当.GLDA能活化土壤中的重金属离子, 提高其生物有效性；与重金属离子结合形成螯合物, 降低重金属对植物的毒性；促进植物对重金属的直接吸收和由根部向地上部转运能力[5].在实际应用方面, GLDA用于修复土壤中重金属已有报道, 但主要运用于淋洗重金属污染土壤上[6].初步研究发现GLDA在诱导超富集植物东南景天提取土壤重金属方面具有巨大潜力[7].筛选试验表明三叶草对重金属Cd具有较强的富集能力, 且在Cd含量为25 mg·kg-1的土壤中富集效果良好.因此, 本试验通过探究不同浓度GLDA对三叶草生长状况及重金属Cd富集效果的影响, 并揭示三叶草各部分Cd含量与土壤理化性质等因素的响应关系, 以期为植物修复效率的提高提供强化措施和科学依据.

1 材料与方法1.1 试供材料

供试土壤取自成都市双流区某农田表层土(0~20 cm), 其基本理化性质见表 1.供试植物为三叶草(购自双流区牧马山种子公司).供试试剂为可生物降解螯合剂GLDA(谷氨酸, N, N-乙酰乙酸四钠, 购自阿克苏诺贝尔公司)[8], 分子结构如图 1所示.CdCl2·2.5H2O化学纯(购自成都市科隆化学品有限公司).

表 1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of test soil

图 1 GLDA-Na4分子结构Fig. 1 Molecular structure of GLDA-Na4

1.2 材料筛选

以CdCl2·2.5H2O作为土壤Cd的添加试剂, 设置A、B和C这3个Cd添加梯度, 分别为0、25和50 mg·kg-1, 在四川大学江安校区(103°59′N, 30°33′E)进行土壤种子库-金属法筛选试验[9].让土壤中的杂草种子在不同梯度的Cd污染条件下自然生长, 成熟后测定其干重以及Cd含量, 以期筛选出Cd超富集植物, 为高浓度镉污染土壤的植物修复提供材料.

从表 2可知, 在收获的6种杂草中, 除三叶草和繁缕Cd含量分别达到92.52 mg·kg-1和99.68 mg·kg-1外, 其余的Cd含量都较低.三叶草和繁缕Cd含量接近Cd超富集植物的临界值(100 mg·kg-1)[10], 在添加螯合剂条件下可能达到Cd超富集植物的临界值.此外, 三叶草和繁缕富集系数均远大于1.由此可见, 三叶草和繁缕都可能是Cd富集植物, 但由于繁缕生物量总体偏少, Cd的累积量有限.因此, 综合考虑植物生物量以及对Cd的富集特性, 将三叶草作为本试验进一步研究的供试植物.

表 2 植物筛选试验植物与土壤基本特征Table 2 Basic characteristics of both plant and soil in plant screening test

1.3 浓度梯度试验

称取30 kg过5 mm筛的风干土壤, 按照25 mg·kg-1 Cd投加量进行染毒, 分别采用尿素和KH2PO4(均为分析纯)用作基肥与土壤混匀, 其用量分别为N：100 mg·kg-1, P：80 mg·kg-1, K：100 mg·kg-1, 每盆(高17 cm, 内径20 cm)装土2 kg, 陈化一周.

本试验设置不同GLDA浓度梯度：0、2.5、5、7.5和10 mmol·kg-1, 共5个处理, 每个处理3次重复, 共计15盆.为保证添加的均匀性, GLDA以溶液形式添加, 并添加磷酸二氢钾调节溶液pH值为6.5左右, 以消除溶液pH对处理的影响.

每盆播种籽粒饱满、大小均匀的三叶草种子7~10颗, 10 d后定苗5株, 期间以称重法保持田间持水量60%左右, 植株在温室内18~30℃自然光照条件下生长.种子发芽45 d后, 三叶草进入营养生长旺盛期, 将不同梯度的GLDA一次性缓慢施入土壤, 添加处理14 d后收获三叶草, 采集根际土壤样品.

1.4 样品的采集与分析

三叶草成熟后采集植株样品, 用超纯水洗净, 将地上部、根系放入烘箱在105℃杀青30 min, 70℃烘干24 h, 称取干重, 粉碎保存待测.同时采集三叶草根系0~5 cm处根际土壤(后文所述土壤均指根际土壤), 自然风干, 研钵磨碎后分别过0.149 mm和2 mm尼龙筛, 若干次四分后装袋备用.

土壤基本理化性质测定参照文献[11]；土壤重金属全量混酸(HNO3/HClO4/HF)消解, 有效态含量用混酸(DTPA/TEA/CaCl2)浸提, 植物重金属全量采样混酸(HNO3/HClO4)消解；用ICP-MS测定重金属Cd含量, 检出限为1 μg·kg-1.以国家标准物质四川盆地土壤GBW07428(GSS-14)进行质量控制, 同时做空白试验, Cd的回收率为90.1%~105.3%.

相关系数[12, 13]计算公式如下.

1.5 数据处理与分析

所有数据采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0统计软件进行统计分析, 采用OriginPro 9.1制图.

2 结果与讨论2.1 GLDA处理对三叶草生物量的影响

添加GLDA处理时, 随着其用量的增加, 三叶草的株高和根长均呈现先增后降的趋势(表 3).当GLDA为2.5 mmol·kg-1时, 株高和根长最大分别达到11.67 cm和27.16 cm, 比对照组分别高出25.4%和22.2%, 表明低浓度GLDA能显著促进三叶草的生长.而高浓度的螯合剂对植物有毒害作用[14], GLDA浓度过高时, 明显抑制了三叶草茎叶生长和根系伸长(表 3).在不同浓度GLDA处理下, 三叶草根长和株高的最大与最小值之比均为1.37, 表明GLDA对三叶草两部分的生长影响大体一致.

表 3 GLDA对三叶草生长的影响1)Table 3 Effects of GLDA on Trifolium repens growth

超富集植物的生物量是反映植物修复能力的一个重要指标[15].由表 2可知, 各处理的地上部分生物量明显高于地下部分, 并均随GLDA浓度的增加先增后减, 其中2.5 mmol·kg-1处理条件下三叶草生物量最高, 达到对照组的1.30倍.而当GLDA浓度大于5 mmol·kg-1时生物量开始下降, 到达10 mmol·kg-1时出现茎秆变细、叶片发黄, 表现出明显的毒害作用.卫泽斌等[16]的盆栽试验也出现了类似结果, 过高浓度的GLDA(10 mmol·kg-1)会使富集植物东南景天的生长受到抑制.随GLDA浓度的增加, 三叶草的冠根比(地上与地下部分质量比)呈“降升降”的变化规律(最大值为3.46), 而抗性系数呈先增后减的趋势(最大值为1.30, 表 3).综上可见, 施用低浓度(2.5 mmol·kg-1)的GLDA最有助于三叶草生物量的增加.

2.2 GLDA处理对三叶草富集转移重金属的影响

由表 4可知, 随GLDA浓度的增加, 三叶草根部Cd含量呈上升趋势, 在10 mmol·kg-1处理浓度时达到最大值560.85 mg·kg-1.从低到高各梯度浓度处理三叶草根部Cd含量分别是对照组的2.77、3.57、4.15和4.49倍, 差异均达显著水平(P＜0.05)；三叶草地上部分Cd含量随着GLDA浓度的增大而先增后减, 在5 mmol·kg-1时达到最大(435.15 mg·kg-1).随着浓度继续增加地上部分Cd含量逐渐减少, 说明GLDA浓度过高反而影响了茎叶对Cd的吸收.本试验结果表明, 虽然过高浓度螯合剂会对三叶草生长产生毒害, 但依然能显著增加三叶草植株对Cd的吸收.GLDA的密封瓶试验(OECD 301D)表明, GLDA的28d生物降解率超过60%[17].可见, GLDA具有良好的生物可降解性, 故在三叶草营养生长旺盛期(45d)施加GLDA, 能获取最好的富集效果和最小的环境风险.总体而言, 5 mmol·kg-1 GLDA的处理效果最为理想, 根部和地上部分Cd含量分别为445.15 mg·kg-1和435.15 mg·kg-1, 远超富集植物100 mg·kg-1的临界值；三叶草对Cd的提取量也达到1.54 mg·pot-1.

表 4 GLDA对三叶草中Cd含量及转运与富集系数的影响Table 4 Effect of GLDA on cadmium content and transshipment andenrichment coefficients in Trifolium repens

转移系数被用来评价植物将重金属从地下部分转移到地上部分的转运能力[18].由表 4可知, 三叶草的转移系数变化范围在0.74~1.14之间, 且随着GLDA浓度的增大转移系数先增后减, 在2.5 mmol·kg-1处理时达到最大, 比对照增加了54%.表明Cd污染土壤环境中, 三叶草能将Cd从根部较好地转运至地上部分, 且GLDA可以提高三叶草对Cd的转运能力.生物富集系数大于1是重金属超富集植物区别于普通植物的一个重要特征[19].由表 4可知, 地下(根部)和地上两部分富集系数均远大于1, 根部富集系数随GLDA浓度增加, 从4.90提高到25.25(P＜0.05)；地上部分富集系数先增后减, 变化范围在3.65~18.65之间, 在5mmol·kg-1处理时到达最大.地下和地上两部分富集系数的最大与最小值之比分别为5.15和5.11, 由此可见, 地下部分的富集系数高于地上部分, GLDA处理后三叶草地下部分对Cd富集能力好于地上部分.

2.3 GLDA处理对土壤基本理化性质及全量和有效态Cd的影响

土壤pH值能直接影响各种离子在固相中的吸附水平, 从而决定重金属的赋存形式和生物有效性[20].通过研究GLDA对土壤pH值的影响, 可以了解其对土壤环境的潜在影响.由于GLDA呈碱性, 在GLDA处理后土壤pH略微升高, 但无显著差异, 变化范围在7.47~7.92之间, 呈中性(图 2).可能与土壤具有较强的缓冲能力, 螯合剂溶液的pH对土壤的pH影响不大有关.由图 2可知, 施加GLDA后土壤电导率显著升高, 10 mmol·kg-1处理时电导率达到664.3 μS·cm-1.各浓度处理电导率分别是对照组的1.19、1.35、1.64和1.87倍, 由此可见电导率与GLDA浓度呈显著正相关.可能的原因是GLDA活化了土壤中的金属与非金属离子, 使得土壤溶液导电性增强从而引起电导率升高[21].但由于GLDA是一种可降解的螯合剂, 随着时间自身分解, 活化能力降低, 土壤电导率也会随之下降.

图 2 GLDA的施用对土壤pH和电导率的影响Fig. 2 Effect of GLDA application on soil pH and conductivity

土壤中Cd的存在形态直接关系其生物有效性的差异, 其中有效态Cd可被植物根部直接吸收[22].由图 3可知, GLDA能显著增加有效态Cd含量, 5 mmol·kg-1处理下相比对照增加了80.7%, 而当施加浓度继续增加, 有效态Cd含量变化不大, 这与王洪等[23]研究EDTA的施用对叶用红菾菜Cd富集的影响得出的结论一致.对照组土壤中总Cd为25.43 mg·kg-1, 高于25.00 mg·kg-1的Cd染毒浓度, 可能原因是土壤中本身含有Cd元素.随GLDA添加浓度增加, 各处理土壤中的总Cd含量呈显著下降趋势, 在10 mmol·kg-1处理时降至最低22.21mg·kg-1.有研究表明[24], 螯合剂的施入能够增加Cd在土壤中的迁移性, 促使重金属向深处迁移, 造成表层土壤重金属含量的减少以及地下水的污染.与对照组34.2%的生物有效性系数相比, GLDA的施加显著增加了Cd的生物有效性系数, 且在5 mmol·kg-1的施加浓度下增幅最大, 随后逐渐趋于稳定.因此, 在利用螯合剂促进植物对重金属吸收的同时要把握螯合剂的使用量, 实现螯合剂的高效、安全利用.综上可见, 中等浓度的GLDA即可对重金属产生较明显的活化作用, 促进三叶草对Cd的吸收, 提高修复效率, 其中以5 mmol·kg-1的施加量活化效果最好.

图 3 GLDA处理下土壤中全量及有效态Cd含量变化Fig. 3 Changes of total Cd and available Cd content in soil under GLDA treatment

2.4 三叶草对Cd富集的相关性分析及预测模型

土壤的理化性质是影响重金属富集的关键因素.pH值不仅决定了土壤中各种重金属的溶解度, 而且影响着重金属形态以及生物有效性[25].电导率(EC)是仅次于土壤pH的另一重要因素, 是判定土壤水溶性盐是否限制植物生长的重要指标.谭海燕等[26]发现土壤溶液电导率与水溶性盐含量之间呈显著正相关关系.土壤有机质(OM)含有丰富的羟基、羧基、羰基和氨基等官能团, 能够与金属离子发生金属-有机配合作用, 从而影响土壤中重金属的形态及其生物有效性[27].表 5的相关性分析表明, 土壤理化性质和螯合剂浓度与三叶草重金属含量具有正相关关系, 反映了土壤理化性质和GLDA浓度对三叶草各部分Cd的富集特性存在内在关联性, 即随着pH值、EC、OM以及GLDA浓度升高, 三叶草各部分对重金属Cd的富集效率越高, Cd进入植物后由根部转移至地上部分的迁移性越好.其中, 随着GLDA施加浓度增加, 土壤OM含量呈增加趋势, 但与三叶草的富集量的相关性不显著(P＞0.05).

表 5 土壤理化性质、GLDA浓度与三叶草各部分富集量双变量相关性分析1)Table 5 Analysis of variability of soil physical and chemical properties, GLDA concentration, and enrichment in various parts of Trifolium repens

预测模型可以很好地体现土壤理化性质和螯合剂的施加对三叶草富集重金属的影响, 为今后土壤-三叶草重金属富集效果的研究提供参考.利用SPSS 22.0线性回归, 拟合pH值、EC、GLDA浓度与三叶草富集量之间的线性关系, 结果分根部Cd含量、地上部分Cd含量、整株Cd提取量三部分.如表 6所示, 拟合曲线相关系数R2达0.965~0.994, 表明模型能够解释绝大部分试验数据和现象.螯合剂GLDA的施加改善了土壤理化环境, 提高了土壤pH值和EC, 分别促进了Cd在土壤溶液中的溶解度以及三叶草的生长, 并与Cd形成有机配合物结合态, 强化了三叶草对Cd的富集和转移.总体而言, 整株三叶草Cd提取量的线性回归拟合效果最好, 相关系数R2最高, 能更好的预测三叶草对Cd的富集效果, 故选作最终预测模型, 即: