1、1丹江流域商州城区段重金属富集植物筛选秦王山矿区菊科重金属富集植物筛选背景:土壤是人类赖以生存发展的生产资料，也是人类社会最基本、最重要的自然资源之一。随着我国工业化的不断深入，多种含重金属的污染物通过各种途径进入土壤，造成土壤中相应的重金属富集，从而导致土壤肥力降低，农作物产量和品质下降，并通过食物链危及人类健康和生命。商洛市矿产资源丰富，在开发这些资源获取经济效益的同时,也会带来不可避免的重金属污染问题。近年来,人们致力于研究一种对环境无污染且成本较低的 “绿色生态技术” (即植物修复技术) ,以治理重金属污染土壤与矿业废弃地。在利用植物修复技术之前,需要筛选和培育出重金属超富集植物。目前
2、,国内植物修复技术研究也有一些进展。利用植物修复对商洛市矿产开发带来的污染进行治理能有效防止传统治理方式所带来的“二次污染” 。然而，其他地方的具有修复作用植物不一定在商洛地区发挥应有作用。商洛市作为“南水北调”工程的水源涵养区，治理污染问题已不仅只关乎本市人民的生产生活，也关乎首都及“南水北调”工程中下游地区的人民生产生活。目的：通过实验初步筛选出丹江湿地商州城区段重金属富集植物，用于日后大面积推广种植进而提高土壤质量，改善丹江流域水源，为人民提供一个绿色安全的生活环境，为农业生产提供安全保障。1.实验材料与仪器1.1 实验试剂 硝酸（优级纯） 、盐酸（优级纯） 、乙醇、去离子水、乙炔气、氩
3、气、铜单元素标准溶液、铅单元素标准溶液、砷单元素标准溶液、纯净水等。1.2 主要实验仪器原子吸收光谱仪、压力自控密闭微波消解仪、聚四氟乙烯消解罐、电子天平。2.实验方法:2.1 土壤样品采集和室内前处理在秦王山采集植物根系所带土壤，采样深度 020cm ,每个采样点采集土壤 1.52.0kg。通风处风干。研磨过 2mm 筛 ,存于塑料瓶中调匀 ,作为保存样品。取保存样品研磨至全部过 0. 149mm 筛。混匀保存作为供试样品。采用微波消解。22.2 植物样品采集和室内前处理收获的植物样分为地上部分和地下部分，分别用自来水充分冲洗以去除粘附于植物样品上的泥土和污物，然后再用去离子水冲洗，沥去水分
4、，之后在烘干前先在 105下杀青 30min，然后在 70下于烘箱中烘至恒重。烘干后的植物样，即供试样品。采用微波消解。2.3 样品前处理用电子天平精密称取定量供试样品放入聚四氟乙烯消解罐内，加入定量浓硝酸静置过夜，采用微波消解仪消化后定容成供试溶液。样品采集结果本实验所用材料采集自南秦水库上游秦家沟口及四沟附近，且主要采集了菊科植物。表 1 秦王山重金属污染区优势草本植物物种采样地点 植物名称 采样地点 植物名称茵陈 白毛蒿野菊花 豨莶草密毛白莲蒿样地 1假艾蒿样地 23.实验方法3.1 学习重金属含量测定方法根据实验室现有的设备条件(原子吸收光谱仪) ,参照土壤环境质量标准中推荐的方法，选
5、择最佳的检测方法。 Cu 的测定参照：火焰法;Pb 的测定参照：石墨法;As 的测定参照：氢化物。3.2 学习植物对环境修复能力的判定方法通过植物根茎叶中重金属含量获得优势植物的富集系数并判断出富集植物。植物地上部分对某一种重金属富集系数大于 1 的植物称为高积累植物，低于 1 的植物称为低积累植物。根据参试植物对重金属地上部富集系数的大小可将植物分为以下几种类型：a.对重金属 （Pb,Cu,As） 高积累的植物（植物地上部富集系数大于 1）b.对重金属低积累的植物（植物3地上部富集系数小于 1）.预期结果：筛选出适宜生长在商洛的有利于富集重金属的优势植物。3.3 标准曲线及线性回归方程采用原
6、子吸收光谱仪工作站进行试样重金属浓度分析。用不同浓度梯度的铜、铅、砷的标准液制作标准曲线，获得线性回归方程及线性相关系数。其中相关系数应大于 0.999。1.1.1. 铅标准曲线分别精密量取铅单元素标准液适量，用 2%硝酸溶液制成每 1mL 分别含铅 0ng、50ng、100ng、150ng、200ng、300ng 的溶液。测定吸光度，以吸光度为纵坐标，浓度为横坐标，绘制标准曲线（图 1） 。获得的线性回归方程为：y=0.0013x+0.1069 其线性相关系数为 0.99909，符合分析要求。用于原子吸收光谱仪工作站进行试样的铅浓度分析。1.1.2. 砷标准曲线分别精密量取砷单元素标准液适量
7、，用 2%硝酸溶液制成每 1mL 分别含砷 0ng、20ng、40ng、60ng、80ng、100ng 的溶液。测定吸光度，以吸光度为纵坐标，浓度为横坐标，绘制标准曲线（图 2） 。获得的线性回归方程为：y=0.000949x+0.037990 其线性相关系数为 0.999628，符合分析要求。图 1 铅元素标准曲线Fig. 1 Pb of the standard curve图 2 砷元素标准曲线Fig. 2 As of the standard curve4用于原子吸收光谱仪工作站进行试样的砷浓度分析。1.1.3. 铜标准曲线分别精密量取铜单元素标准液适量，用 2%硝酸溶液制成每 1mL
8、分别含铜 0ng、400ng、800ng、1200ng、1600ng、2400ng 的溶液。测定吸光度，以吸光度为纵坐标，浓度为横坐标，绘制标准曲线（图 3） 。获得的线性回归方程为：y=0.0001x+0.0345 其线性相关系数为 0.99951，符合分析要求。用于原子吸收光谱仪工作站进行试样的铜浓度分析。4.结果分析4.1 土壤样品结果及分析对采样点土壤样品采集后测定其重金属含有量，测定结果（表 2）中可观测到，各采样地点土壤样品均不同程度的受到铜、铅和砷的污染。一号样地土壤中 Cu 的污染比较严重。所采集的两块样地土壤均受到砷元素的严重污染，分别达到 86 mg/kg、58 mg/kg
9、，均超过国家土壤环境质量三级标准 40mg/kg。一号样地土壤铅污染也比较突出。虽未超过国家土壤环境质量二级标准，但其浓度都达到 156mg/kg，污染比较严重。综上所述，一号样地土壤重金属污染比二号样地污染更严重，植物生长更加不利。图 3 铜元素标准曲线Fig. 3 Cu of the standard curve5表 2 秦王山重金属污染区土壤中重金属的含量（mgkg-1）编号 Cu As Pb土样 1 139.8 86.51233 156.2047土样 2 nd 58.09926 43.08007二级标准 100 25 250三级标准 400 30 500注：nd，未检出。not det
10、ected.4.2 植物样品结果及分析秦王山重金属污染区植物中重金属的富集量采集植物分为地上部分茎叶和地下部分根 Cu、As 和 Pb 浓度的测定分析。测定的重金属含量见表 3。从表 3 中可看出，大部分植物中铜元素主要富集在植物的地下部分地上部分几乎检测不到铜的富集，说明可能在这些植物根部存在某种规避机制来阻止铜元素向地上部分转移，减少铜元素植物的伤害。也有植物地上部分铜元素含量较高如密毛白莲蒿可分别达到64mg/kg。砷元素富集量高的植物有茵陈、野菊花豨莶草分别高达53mg/kg、51mg/kg 和 93mg/kg。同时，也有几种植物种 As 元素在地下部分富集量远大于地上部分富集量，如密
11、毛白莲蒿、白毛蒿等。铅元素富集量高的植物有密毛白莲蒿、豨莶草等分别高达 232mg/kg、368mg/kg。Pb元素在地下部分富集量远大于地上部分富集量的植物有野菊花、假艾蒿等。这种规避机制利于植物在中技术污染区生长，对重金属污染地适应性强可用于对重金属污染区的重金属进行植物固定。表 3 秦王山重金属污染区植物中重金属的含量（ mg/L）植物名称 测定部位 铜含量 砷含量 铅含量6地下部分 19.398 51.72066 39.28155茵陈地上部分 nd 53.12916 22.01108地下部分 224.9994 51.43017 89.39361野菊花地上部分 nd 40.12337 4
12、2.73559地上部分 64.056 38.45079 232.8157密毛白莲蒿地下部分 56.8 9.140184 152.0119地上部分 nd 33.81875 57.0027假艾蒿地下部分 89.3 1.600443 111.8679地上部分 16.09 23.70888 91.79167白毛蒿地下部分 263.9 54.59587 104.7303豨莶草 地上部分 71.6 93.2536 368.0236注：nd，未检出。not detected.植物的富集系数和转移系数富集系数是指植物体内某种重金属含量与土壤中该种重金属原素含量的比值，它反映了植物对某种重金属元素的富集能力。富
13、集系数越大，其富集能力越强。转移系数为植物地上部分重金属的量与植物根中该重金属的量之比它反映该植物将重金属从根部向茎、叶转移的能力。其计算公式分别为：富集系数=植物地上部含量土壤含量；转移系数=植物地上部含量地下部分含量。南秦水库上游重金属污染区优势植物的富集系数与转移系数见表 4。从表 4 可看出，豨莶草对 As 元素和铅元素的富集能力较强富集系数分别可高达 1.6 和 8.54。对铅富集来说，富集系数大于 1 的植物有 8 种分别为密毛白莲蒿和豨莶草。因而，这些植物对铜铅砷污染地可起到修复作用。表 4 几种植物的富集系数和转移系数7重金属 植物 富集系数（BF） 转移系数（TF） Cu 密
14、毛白莲蒿 0.458197 1.127746茵陈 0.614122 1.027233野菊花 0.463788 0.780152密毛白莲蒿 0.444454 4.206785假艾蒿 0.390912 21.13087As豨莶草 1.605074茵陈 0.140912 0.560341密毛白莲蒿 1.490453 1.531562白毛蒿 0.587637 0.876458Pb豨莶草 8.54278184.5 结论不同采样地点所受到的重金属污染程度有很大差异，在四沟样地检测到铜砷铅污染，砷铅污染相当严重，超过国家土壤环境质量三级标准。秦家沟样地砷含量超过国家三级标准，但未检测到铜污染。所以，不同地区
15、的污染应该有不同的富集植物进行植物修复。筛选适宜当地污染区植物是利于植物修复重金属污染的前提和关键点。本研究发现南秦水库上游重金属污染区存在多种草本植物有富集铜、铅、砷重金属的能力。豨莶草对 As 元素和铅元素的富集能力较强富集系数分别可高达 1.6 和 8.54。对铅富集来说，富集系数大于 1 的植物有 2 种分别为密毛白莲蒿和豨莶草。也有植物地上部分铜元素含量较高如密毛白莲蒿可达到 64mg/kg。砷元素富集量高的植物有茵陈、野菊花和豨莶草分别高达 53mg/kg、51mg/kg、和 93mg/kg。铅元素富集量高的植物有密毛白莲蒿和豨莶草，分别高达 232mg/kg、和 368mg/kg
16、。因而，这些植物对铜铅砷污染地可起到修复作用。大部分植物中铜元素主要富集在植物的地下部分地上部分几乎检测不到铜的富集，说明可能在这些植物根部存在某种规避机制来阻止铜元素向地上部分转移，减少铜元素植物的伤害。同时，也有几种植物种 As 元素在地下部分富集量远大于地上部分富集量，如密毛白莲蒿和白毛蒿。Pb 元素在地下部分富集量远大于地上部分富集量的植物有野菊花和假艾蒿。这种规避机制利于植物在中技术污染区生长，对重金属污染地适应性强可用于对重金属污染区的重金属进行植物稳定。5.展望本研究的超积累植物是从重金属污染区通过采样分析的方法发现的，因而通常认为超积累植物是重金属污染区植物对重金属污染长期适应和进化的结果。超积累植物只分布在较狭窄的污染区域，这也是超积累植物筛选的重要理论基础之一。以后还应该进一步加深对当地超富集植物筛选调查并深入研究，以提高植物修复的应用范围和效率。9丹江流域商州城区段重金属富集植物筛选秦王山矿区菊科重金属富集植物筛选10学员：石茹钰学科领域：生物商洛中学指导老师：王秀芳 杜建芬商洛学院指导老师： 李筱玲
