环境科学  2015, Vol. 36 Issue (5): 1864-1869   PDF    
引用本文
卫泽斌, 陈晓红, 吴启堂, 谭蒙. 可生物降解螯合剂GLDA诱导东南景天修复重金属污染土壤的研究[J]. 环境科学, 2015, 36(5): 1864-1869.
WEI Ze-bin, CHEN Xiao-hong, WU Qi-tang, TAN Meng. Enhanced Phytoextraction of Heavy Metals from Contaminated Soils Using Sedum alfredii Hance with Biodegradable Chelate GLDA[J]. Environmental Science, 2015, 36(5): 1864-1869.
可生物降解螯合剂GLDA诱导东南景天修复重金属污染土壤的研究
卫泽斌, 陈晓红, 吴启堂 , 谭蒙    
华南农业大学资源环境学院, 广东高校土壤环境与废物资源农业利用重点实验室, 广州 510642
收稿日期: 2014-11-12; 修订日期: 2014-12-19.
基金项目： 广东省科技计划项目(2012A030700003); 国家高技术研究发展计划(863)项目(2012AA06A202); 广东省自然科学基金团队项目(S2011030002882)
作者简介：卫泽斌(1980~),男,硕士,讲师,主要研究方向为污染土壤修复,E-mail:wezebin@scau.edu.cn
通讯联系人,吴启堂,E-mail:wuqitang@scau.edu.cn
摘要：化学强化的植物提取技术可以有效地去除污染土壤的重金属. 用盆栽试验的方法,研究了可生物降解螯合剂谷氨酸 N,N-二乙酸(GLDA)不同用量或者与乙二胺四乙酸(EDTA)、柠檬酸复配使用对超富集植物东南景天吸收土壤重金属Cd、Zn和Pb的影响. 结果表明,施用GLDA提高了东南景天对土壤Cd和Zn的提取效率,GLDA用量为2.5 mmol ·kg-1时东南景天对Cd和Zn的提取量最高,分别是对照的2.5倍和2.6倍. 螯合剂的总用量为5 mmol ·kg-1时,EDTA、柠檬酸分别与GLDA复配,未能进一步促进东南景天对土壤Cd和Zn的提取. 上述结果表明,可生物降解螯合剂GLDA在诱导植物修复重金属污染土壤特别是Cd和Zn 污染土壤具有明显潜力.
关键词： 植物提取     GLDA     东南景天     重金属     可生物降解    
Enhanced Phytoextraction of Heavy Metals from Contaminated Soils Using Sedum alfredii Hance with Biodegradable Chelate GLDA
WEI Ze-bin, CHEN Xiao-hong, WU Qi-tang , TAN Meng    
Key Laboratory of Soil Environment and Waste Reuse in Agriculture of Guangdong Higher Education Institutes, College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China
Abstract: Chemically enhanced phytoextraction by hyperaccumulator has been proposed as an effective approach to remove heavy metals from contaminated soil. Pot experiment was conducted to investigate the effect of application of the biodegradable chelate GLDA (L glutamic acid N, N-diacetic acid) at different doses or the combination of GLDA with EDTA (ethylenediamine tetraacetic acid) or CIT (citric acid) on the uptake of Cd, Zn and Pb by Sedum alfredii Hance (a Zn and Cd hyperaccumulator). Experimental results showed that GLDA addition to soil significantly increased the concentrations of Cd and Zn in Sedum alfredii Hance and its Cd and Zn phytoextraction compared to the control. Additionally, GLDA at 2.5 mmol ·kg-1 resulted in the highest phytoextraction, being 2.5 and 2.6 folds of the control for Cd and Zn, respectively. However, the combined application of GLDA+EDTA (1:1) and GLDA+CIT(1:1 and 1:3) at a total dose of 5 mmol ·kg-1 did not increase the phytoextraction of Zn and Cd, compared to the GLDA only treatment. Therefore, the biodegradable chelate GLDA could be regarded as a good chelate candidate for the phytoextraction of heavy metals of heavy metals from contaminated soils, particularly for Cd and Zn contaminated soils.
Key words: phytoextraction     GLDA     Sedum alfredii     heavy metal     biodegradable    

植物提取是重金属污染土壤修复技术中最具前途的方式之一. 螯合剂可增加土壤重金属的可溶性，促进植物对重金属的吸收和积累，从而进一步提高植物对重金属的提取效率. EDTA(乙二胺四乙酸)具有较强的络合能力，是目前研究较多的螯合剂，但EDTA在环境中不易被生物降解，施入土壤中残留期较长，存在潜在的生态风险. 目前，包括土壤修复在内的许多行业均在研究寻找可生物降解的螯合剂[1]. 其中，可生物降解的螯合剂EDDS(乙二胺二琥珀酸)成为EDTA的主要替代品[2, 3]，但是EDDS价格贵难以推广应用. 因此，寻找易生物降解的和环保安全的促进植物提取重金属的螯合剂或材料等成为必然.

近年来，一种可生物降解的环境友好螯合剂GLDA(谷氨酸 N，N-二乙酸，L-glutamic acid N,N-diacetic acid)引起人们注意[4]. GLDA主要由植物原料制成，容易生物降解，在螯合能力方面，GLDA与EDTA的效率相当[5, 6]. GLDA用于淋洗污染土壤的重金属已有研究报道[7, 8]. 初步研究发现可生物降解螯合剂GLDA在诱导超富集植物东南景天提取土壤重金属方面具有潜力[9]. 此外，对于螯合诱导植物修复的研究大多集中在某一种螯合剂对重金属土壤污染的治理上，螯合剂的联合使用的报道相对较少[3,10]. 可生物降解的GLDA溶于水后经测定呈碱性，降低pH为4、7时可以提高GLDA对土壤淋洗去除率[7]，EDTA和柠檬酸的溶液呈现酸性，本研究拟将EDTA和柠檬酸与GLDA复配后以期降低GLDA溶液的pH，研究复配后的GLDA能否促进超富集植物提取重金属. 鉴于上述，通过研究不同用量GLDA以及与EDTA、柠檬酸复配对东南景天吸收和提取重金属的影响，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 供试材料

供试土壤： 采自广东省乐昌市重金属污染水稻田的表层土，基本理化性质见表 1.

表 1 土壤基本理化性质 Table 1 Basic physico-chemical properties of the soils

供试植物： 东南景天，取自浙江衢州古老铅锌矿山，Zn/Cd 超富集植物[11, 12, 13]，剪取大小均匀枝条直接扦插.

供试试剂： 可生物降解螯合剂GLDA(谷氨酸,N,N-乙酰乙酸四钠，GLDA-Na4，47%水溶液，产品名-Dissolvine GL-47，购自阿克苏诺贝尔)、EDTA(乙二胺四乙酸二钠)(分析纯)、柠檬酸(分析纯).

1.2 试验设计

采用盆栽试验，土壤风干后过5 mm筛，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. 每盆装土5 kg，2013年12月11日种植东南景天，每盆3棵.

试验设置GLDA不同用量0(对照)、1.25、2.5、5、10 mmol ·kg-1 土，以及GLDA与EDTA、柠檬酸(CIT)复配： 螯合剂总用量选用5 mmol ·kg-1 土，设置GLDA ∶EDTA为1 ∶1(GLDA-EDTA，GLDA和EDTA的用量均为2.5 mmol ·kg-1)、 GLDA ∶CIT为1 ∶1 (GLDA-CIT，GLDA和CIT的用量均为2.5 mmol ·kg-1)、GLDA ∶CIT为1 ∶3(GLDA1-CIT3，GLDA的用量均为1.25 mmol ·kg-1； CIT的用量均为3.75 mmol ·kg-1)等，共8个处理，每个处理3次重复.

2014年5月20日，相应的螯合剂溶于800 mL水，各螯合剂溶液的pH值见表 2，小心浇灌到土壤表面，两周后收获东南景天. 采集土壤样品.

表 2 不同用量的GLDA溶液的pH值 Table 2 The pH values of solutions with different GLDA doses
1.3 样品的采集与分析

东南景天的采集和处理： 用剪刀剪取地上部，称取地上部即为每盆东南景天产量. 收获的东南景天用自来水冲洗干净，再用双蒸水漂洗3次，晾干，置于信封中烘干，粉碎贮存于封口袋中备测.

土壤和植物样品分析方法参照文献[14]进行，土壤样品重金属形态分析采用Tessier连续提取法[15]. 1.4 数据分析方法

所有数据用Excel软件处理，多重比较(Duncan)统计分析由SAS 8.1数据统计软件完成. 2 结果与分析 2.1 GLDA处理对东南景天生物量的影响

单独使用GLDA时，随着其用量的增加，东南景天的生物量呈先增加后降低的趋势(图 1)，其中GLDA-2.5(2.5 mmol ·kg-1，以干土计，下同)处理的东南景天地上部生物量最高. 高浓度的人工螯合剂对植物有毒害作用，GLDA用量的过高(10 mmol ·kg-1)时，抑制了东南景天的生长. Luo等[3]通过盆栽试验表明，EDTA(5mmol ·kg-1)处理显著降低玉米的生物量，EDTA施用量在12.5 mmol ·kg-1以上时，显著降低了烟草茎叶的干重[16]； 5 mmol ·kg-1 的EDDS显著降低了东南景天的地上部干重[17]. 在污染土壤上，施用适量(2.5 mmol ·kg-1)的GLDA有助于东南景天的生长.

图 1 不同用量GLDA处理东南景天的生物量 Fig. 1 Biomass of Sedum alfredii Hance treated with different doses of GLDA

GLDA-EDTA处理的东南景天生物量低于GLDA-5处理，低于GLDA-2.5处理. 可见，GLDA与EDTA复配没有增加东南景天的生物量. GLDA-CIT处理的东南景天生物量低于GLDA-2.5处理，GLDA1-CIT3处理低于GLDA-1.25处理，GLDA与柠檬酸复配处理也没有增加东南景天的生物量. 因此，需要进一步研究与GLDA复配的组合和比例等. 2.2 GLDA处理对东南景天重金属含量的影响

在东南景天生长旺盛的时候，施加GLDA有助于植物最大程度地吸收被活化的重金属. 施加GLDA提高了东南景天地上部Cd和Zn含量(表 3)，与对照处理相比，GLDA-2.5处理的东南景天地上部Cd和Zn含量分别是对照的1.9倍和2.0倍. 东南景天Cd和Zn含量并没有随着GLDA用量的增加而增加，主要是由于随着GLDA用量的增加东南景天的生长受到了影响，当每kg土使用2.5 mmol GLDA时东南景天地上部的Cd和Zn含量最高.

表 3 不同处理的东南景天重金属含量1)/mg ·kg-1 Table 3 Heavy metal concentrations in Sedum alfredii Hance after different treatments/mg ·kg-1

与GLDA-2.5处理相比，GLDA-EDTA和GLDA-CIT处理没有提高东南景天Cd和Zn含量； 与GLDA-1.25处理相比，GLDA1-3CIT处理没有提高东南景天天Cd和Zn含量. 因此，EDTA和CIT与GLDA复配不能进一步提高东南景天Cd和Zn含量.

除GLDA1-CIT3处理外，GLDA的施加提高了东南景天地上部Pb含量(表 3). 只有GLDA-EDTA处理显著高于其他处理，其他处理间无显著差异，GLDA-EDTA处理的东南景天Pb含量是对照处理的27倍. 主要是复配的EDTA的作用，单独EDTA处理的东南景天Pb含量和提取量高于GLDA处理[9]，众多研究表明，不同螯合剂中，对Pb的螯合诱导效果最强的是EDTA[18, 19, 20]. 在强化植物提取土壤Pb方面，目前还没有报道优于EDTA的螯合剂. 2.3 GLDA处理对东南景天提取重金属的影响

东南景天对重金属的提取量用地上部的生物量与重金属含量的乘积来表示，不同处理的东南景天对重金属的提取量见表 4. GLDA-2.5处理的东南景天对Cd和Zn的提取量最高(表 4)，分别是对照处理的2.5倍和2.6倍. 单独使用GLDA时，随着其用量的增加，东南景天提取Cd和Zn的量呈先增加后降低趋势，GLDA-2.5处理的最高. 综合考虑东南景天地上部的生物量、Cd和Zn含量及提取量，每kg土使用2.5 mmol GLDA的效果最佳. GLDA在土壤中的生物降解率缺乏数据，在密封瓶试验(OECD 301D)中，GLDA的28 d生物降解率超过60%； 在固有生物降解(Inherent biodegradability)试验中(OECD 302B)，GLDA的21 d生物降解率为98%. 可见，GLDA具有生物可降解性[5]； 同样可被生物降解螯合剂EDDS，在土壤中残留时间短、施用EDDS相对风险较小且可控[21, 22, 23].

GLDA-CIT和GLDA1-CIT3处理的东南景天提取Cd和Zn的量低于GLDA-12.5、GLDA-2.5、GLDA-5处理，说明柠檬酸的复配不能增加东南景天对Cd和Zn的提取. EDTA与GLDA复配，影响了东南景天的生物量(图 1)，GLDA-EDTA处理的东南景天地上部的Cd和Zn含量和提取量较低(表 3和表 4)，EDTA的复配未能提高GLDA促进东南景天提取Cd和Zn. GLDA-EDTA处理东南景天提取Pb量显著高于其他处理(表 4)，该处理东南景天地上部Pb含量是其他处理的27倍(表 3)，主要是EDTA螯合能力强的原因. 有研究报道多种螯合剂的适当复配可以起到协同或促进作用[10]，本研究中GLDA与EDTA、柠檬酸等设置的复配比例数量较少，未能发现促进植物生长和吸收Cd、Zn的组合，需要进一步研究.

表 4 不同用量GLDA处理东南景天对重金属的提取量/mg ·pot-1Table 4 Zn,Cd and Pb uptake by plants treated with different GLDA doses/mg ·pot-1
2.4 GLDA处理对土壤酸碱度及重金属含量和形态的影响

植物收获后，不同处理土壤pH见表 5，与对照相比施加GLDA后土壤pH值升高，其中GLDA用量最多的GLDA-10处理的pH最高，GLDA的碱性也会一定程度上提高土壤pH值(表 2)，但与其他处理无显著差异，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，有研究发现螯合剂强化植物提取重金属并不取决于土壤pH的变化[3].

表 5 不同处理土壤pH和重金属全量/mg ·kg-1Table 5 Heavy metal contents and pH of soil after different treatments/mg ·kg-1

不同处理土壤重金属全量见表 5. 不同处理重金属全量变化不大，与对照相比有的略有升高，这可能跟植物提取量占土壤起始重金属总量的比例小有关.

图 2~4显示不同处理土壤重金属形态分布，3种重金属其交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态所占的比例不同，交换态Cd所占比例最大.

图 2 不同处理土壤Cd形态分布特征 Fig. 2 Speciation distribution of Cd in soil after different treatments

由图 2可以看出，Cd各形态在不同处理所占比例相近. Cd主要以交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和残渣态为主，而有机结合态只占5%左右. GLDA-EDTA处理的交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态Cd所占比例高于对照和其他处理. 对土壤Zn，以铁锰氧化物结合态和残渣态为主，占80%以上(图 3). 土壤Pb以铁锰氧化物结合态和残渣态为主(图 4)，占71%. 3种重金属均是GLDA-EDTA处理的交换态比例高于其他处理，可能是残留EDTA的影响[20].

图 3 不同处理土壤Zn形态分布特征 Fig. 3 Speciation distribution characteristics of Zn in soil after different treatments

图 4 不同处理土壤Pb形态分布特征 Fig. 4 Speciation distribution characteristics of Pb in soil after different treatments
3 结论

(1)施加2.5 mmol ·kg-1的GLDA可以显著提高东南景天地上部的生物量和Cd、Zn浓度，进而提高了东南景天对土壤Cd和Zn的提取效率.

(2)EDTA、柠檬酸与GLDA 复配，未能进一步提高GLDA促进东南景天提取Cd和Zn； EDTA 与GLDA 复配使用，抑制了东南景天生长，但提高了东南景天地上部的Pb含量和总提取量.

(3)环境风险较小、可生物降解的螯合剂GLDA在强化植物修复重金属污染土壤特别是Cd、Zn污染土壤上具有明显的潜力.

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