全 文 ：第一作者:李　硕 ,男 , 1981年生 ,硕士研究生 ,主要从事污染土壤的生态恢复机理研究。
*湖南省自然科学基金资助项目 (No. 04J J3013);国家发改委科学基金资助项目 (No. 2002BA516A15-12)。
水葱修复土壤镉污染潜力的研究*
李 硕 刘云国 李永丽 徐卫华 李 欣
(湖南大学环境科学与工程系 , 湖南 长沙 410082)
　　摘要　野外观察与研究发现水葱(S cirpus tabernaemon tani G.)可以耐受土壤中高浓度的重金属污染 ,并对镉(Cd)有很高的
生物富集量。实验室水培试验研究了两个主要因素 ,营养液 pH 与 Cd含量 ,对水葱生物量以及 Cd富集效果的影响。结果表明 , 它
可耐受高浓度 Cd (30 mg /L)和大范围 pH 变化(3. 7～ 7. 7)。当营养液 pH 为 4. 7 , Cd为 25 mg /L时 ,水葱富集的 Cd达到最大值:
地上部分 264. 71 mg /kg ,地下部分 234. 39 m g /kg ,平均转运系数 1. 13。这显示了它用于植物修复 Cd污染土壤的潜力。
　　关键词 植物修复 水葱 镉 超富集植物
The potential of Cd accumulator herb, Scirpus tabernaemontani G. for phytoremediation　Li Shuo , Liu Yunguo , Li Yong-
li , Xu Weihua , Li Xin. (Department of Environmental Science &Engineering , Hunan University ,Changsha Hunan 410082)
Abstract:　The Softstem Bulrush seedling s w ere collected from the Yong zhou lead-zinc mine tails so il in H unan
province. In this e xperiment , Sof tstem Bulrush(Scirp us tabernaemontani G.), a pe rennia l herb , w as used to demon-
st rate its capability of Cd-phy to remediation. The hydroponics experiments show ed that tw o facto rs , so lution pH and
medium Cd concentration , affected the plant biomass g row th and Cd-ex traction in 30 day s. The he rb could to ler ate
high lev er o f Cd (30 mg /L) and wide spread pH value shifting . The highest Cd-ex tr actions ar e 264. 71 mg /kg
(aboveg round pa rts) and 234. 39 mg /kg (underg round par ts), w ith the ave rage t ranslation coefficient 1. 13.
Keywords:　Phy to remediation　S cirpus tabernaemontani G. Cadmium Hype raccumulato r
　　有研究表明 ,所有重金属污染中镉(Cd),对于人
体的危害仅次于汞(Hg)和铅(Pb)。近年来 ,由于工
业“三废”的大量排放 ,磷肥的大量施用导致土壤中
Cd的含量急剧升高 。这一问题已经引起了人们的
普遍重视 。
　　治理重金属污染土壤的方法很多 ,目前比较普遍
的方法主要包括:排土客土法 、冲洗络和法 、化学修复
法 、电化学法 、农业有机肥法和生物修复法等。植物
修复法是生物修复法的一种 ,它是利用超富集植物的
特性 ,吸收 、聚集 、固定和降解环境中的污染物质 ,从
而减少或降低污染物质生物毒性的技术。同其他方
法比较 ,植物修复法具有投资低廉 、对环境影响小和
二次污染小等优点。它的技术关键在于超富集植物
的选取。理想的修复植物应该对重金属污染物有高
抗性 ,植物体内 (特别是地上部分)能高效地富集重金
属 ,生物量比较大易于收获 ,且不能引起生物侵害 。
目前 ,植物修复的研究在国外已经进入实验应用阶
段。例如 ,在英国有研究人员使用柳树(Salix spp.)
进行铅污染土壤的植物修复工作[ 1] 。
　　植物修复也存在一些问题 ,如已经发现的超富
集植物普遍存在植株矮小 、生长缓慢和修复效率较
低等缺陷 。因此 , 初步研究了大型挺水植物水葱
(Scirpus tabernaemontani G. )对 Cd 的富集特性以
及周围环境变化对吸收效果的影响 ,发掘其用于植
物修复的潜力 。
1 材料与方法
1. 1　采集与预处理
　　水葱幼苗于 2004年 9月采集自湖南永州铅锌
矿的尾沙坝中。该矿蕴藏 Pb 、Zn 、Cu和 Cd等多种
金属 ,开采历史已超过百年。矿区地处 N 111°63′,
E 26°22′, 年降水量 1 431. 4 mm ,蒸发量 1 321. 7
mm ,属于亚热带季风气候 。
　　将生物量比较一致的幼苗在自来水下冲洗 30
min ,然后使用 0. 2% HgCl2 溶液进行表面消毒 5
min ,接着用去离子水冲洗 3次 ,最后放入 50%强度
的 Hoagland营养液适应培养 ,等待进一步的处理。
1. 2　幼苗的水培
　　首先测定每一株经过预处理的幼苗水培前的鲜
重。将水葱幼苗分为两组 ,分别用于研究营养液 pH
及 Cd浓度对水葱生长和 Cd富集效果的影响。采
用 50%强度的 Hoagland营养液作为基础培养基对
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　环境污染与防治　第 28 卷　第 2 期　2006年 2月DOI牶牨牥牣牨牭牴牳牭牤j牣cnki牣牨牥牥牨牠牫牳牰牭牣牪牥牥牰牣牥牪牣牥牥牪
幼苗进行光照培养。
　　第一组:pH 的影响。向基础营养液中加入CdCl2 ,
使Cd2+达到 20 mg /L。将营养液的 pH 分别滴定为:
3. 7 、4. 7 、5. 7、6. 7和 7. 7 ,每个值 3容器(容量为 500
mL)。最后将水葱幼苗定植于容器内 ,每容器4株。
　　第二组:Cd浓度的影响 。向 pH 为 5. 6的基础
营养液中加入 CdCl2 ,配制 Cd2+浓度梯度分别为:5 、
10 、15 、20 、25和 30 mg /L 的营养液 ,每个值 3容器。
水葱幼苗定植于容器内 ,每个容器 4株 。
　　采用基础培养基不改变其 pH 也不添加任何浓
度 CdCl2 ,培养 10株幼苗作为对照组 。
　　光照培养箱中温度采用 25 ℃/20 ℃(日温/夜
温),每日光照 12 h ,每3 d更换营养液 ,连续培养30 d。
1. 3 植物的分析
　　分别称取经过水培后水葱的鲜重 。先用自来水
冲洗植物 5 min , 接着将它们在 0. 1 mmo l /L 的
CaCl2溶液中浸泡 5 min固定Cd2+ ,再用去离子水冲
洗 3遍 。将每株洗净的水葱分为地上部分和地下部
分 ,置于恒温干燥箱内在 80 ℃下杀青 24 h ,磨碎 ,
过 100目尼龙筛 ,接着称量粉末的干重。然后使用
HNO3 +HClO 4混合液将粉末消解 (10 mL 浓
HNO3 ,0. 5 mL 浓 HClO4), 将消解液定容至 50
mL ,使用火焰吸收原子分光光度计(A glient 3510)
测定溶液 Cd浓度 。最终可得到植物体内各个部分
所含的 Cd与其干重之比 ,即水葱的 Cd富集量。
2　结果与分析
2. 1 野生状态下水葱生长以及 Cd富集情况
野外取样调查表明 ,水葱可以较好地适应环境 ,
在渍水且贫瘠的土壤中生存。它的生物量比较大 ,
是尾沙坝内的优势物种。分析表明 ,它对 Cd有很强
的富集作用 , 其地上部分的 Cd 富集量可以达到
78. 97 mg /kg (干重),地下部分达 106. 45 mg /kg
(干重),生物转运系数达到 0. 72 。
2. 2 营养液 pH 变化的影响
　　营养液培养结果表明 , pH 对水葱的生长存在
显著影响(图 1)。幼苗在 pH 为 4. 7 时 ,其生物量
的增量最大(4. 62g /株);在pH为5. 7时 , 增量几
图 1　不同 pH含 Cd营养液对水葱鲜重增量的作用
乎下降了 50%;pH 达到 7. 7时 , 增量最小(1. 94
g /株),此时部分幼苗的叶片出现发蔫 、发黄的现
象。可能是较高的 pH 影响了水葱对 Cd的解毒机
制[ 2] 。因此 ,如使用水葱进行植物修复 ,污染地 pH
不应该高于 7. 7 。
　　营养液 pH 对水葱体内的 Cd富集量存在显著
影响 (图 2)。pH 为 4. 7时 ,无论是地上部分还是地
下部分 , Cd都达到最大值(地上 295. 23 mg /kg ,地
下 261. 76 mg /kg)。此后 ,Cd 富集量随 pH 的上升
而减少 。当 pH 为 7. 7时 ,Cd 富集量达最小值(地
上 179. 82 mg /kg ,地下 157. 92 mg /kg)。
图 2　不同 pH含 Cd营养液对 Cd含量的作用
　　这可能是由于水葱体内的 Cd转运蛋白在较高
的pH 下活性变弱 ,从而无法顺利与Cd2+结合[ 3] ,导
致重金属无法顺利进入植物体内 。同时 ,由于 Cd2+
在较高的 pH 下 , 容易形成 Cd(OH)+ 、Cd(OH)2
等 ,影响了离子的活性 ,也限制了植物对 Cd的吸收 。
2. 3 营养液 Cd含量的影响
　　使用 pH 为 5. 6的含不同浓度 Cd 的营养液水
培幼苗。相对而言 ,水葱生物量的改变较小 (图 3)。
Cd为 5 mg /L 时 ,鲜重的增量最少(3. 06 g /株),这
可能与植物突然由高 Cd浓度转移到低 Cd 环境不
适应有关;营养液 Cd为 25 mg /L 时 ,可以得到水葱
最大增量 (4. 97 g /株);但当 Cd达到 30 mg /L 时 ,
增量下降(3. 72 g /株),植物表现出一些中毒症状 ,
包括植株矮化 、叶面发黄等。
图 3　不同 Cd含量营养液对水葱鲜重增量的作用
　　水葱幼苗可以耐受高浓度的 Cd污染 ,这点在工
程应用有很大的意义 。营养液中 Cd 的含量对幼苗
Cd的富集量的影响显而易见(图 4)。在条件适合的
情况下 ,其地上部分 Cd富集量高达 289. 74 mg /kg ,
地下部分也达到 276. 67 mg /kg 。随着营养液内 Cd
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李 硕等　水葱修复土壤镉污染潜力的研究
浓度的增加 ,水葱体内的 Cd 富集量急剧升高 ,但当
营养液 Cd达到 25 mg /L 时 ,地上部分的 Cd富集量
达到最大值;地下部分的 Cd 富集量则不同 ,即使营
养液的 Cd达到 30 mg /L ,它依然保持增长态势。
　　影响植物吸收重金属的植物螯合素(PCs)最容
易受到 Cd2+的诱导而大量增加[ 4] 。随着 Cd2+的增
大 ,水葱在根部产生了更多的 PCs ,因此可以富集更
多的 Cd。
　　与此同时 ,对照组的 10株幼苗鲜重的平均增量
为3. 25 g /株 ,与野生状态相比Cd富集量有所下降。
分别为地上部分 57. 49 mg /kg (干重)和地下部分
64. 73 mg /kg (干重)。
图 4　不同浓度 Cd的营养液对水葱 Cd含量的作用
2. 4 转运系数的变化
　　转运系数是指地上部分与地下部分的 Cd富集
量的平均值之比 。显然富集植物的转运系数越高 ,
就能越有效地将环境中的重金属提取到容易收割的
地上部分 。因此 ,转运系数的高低将直接影响富集
植物能否投入重金属污染的修复应用。
　　野生水葱的转运系数为 0. 72。pH 对转运系数
的影响不大 (表 1)。随着 pH 的升高 ,转运系数的改
变不超过 13%,并在 pH 为 6. 7时达到最大值1. 24。
表 1　营养液 pH对水葱转运系数的作用
pH
地上部分
/(m g kg - 1)
地下部分
/(mg k g - 1) 转运系数
3. 7 273. 15 248. 27 1. 10
4. 7 295. 23 261. 76 1. 13
5. 7 264. 71 234. 39 1. 13
6. 7 211. 64 170. 53 1. 24
7. 7 179. 82 157. 92 1. 14
表 2　营养液 Cd对水葱转运系数的作用
Cd
地上部分
/(m g kg - 1)
地下部分
/(mg k g - 1) 转运系数
5 176. 43 142. 28 1. 24
10 200. 83 165. 98 1. 21
15 229. 31 195. 99 1. 17
20 267. 24 234. 42 1. 14
25 289. 74 253. 48 1. 14
30 273. 35 276. 67 0. 99
　　转运系数随着营养液中 Cd含量增加而下降(表
2),当 Cd超过 30 mg /L 时 ,转运系数将低于 1. 00 ,
即地下部分 Cd富集量超过地上部分 。
　　目前有观点认为 ,重金属由根系进入木质部至
少需要 3个过程:进入根细胞 ,由根细胞运输到中
柱 ,装载到木质部 。任何一个环节都对转运系数有
重要的影响。
　　在木质部存在大量的有机酸和氨基酸 ,它们能够
与金属离子结合 ,这种复合物是重金属离子在木质部
中运输的主要形式[ 5] 。同时 ,在内皮层由于凯氏带的
存在 ,使得共质体运输在重金属进入木质部的过程中
起到主导作用 。在共质体运输中起关键作用的是膜
转运蛋白。随着环境中重金属浓度的增加 ,究竟是其
中一个还是几个方面受到影响 ,从而导致转运系数的
改变  在今后的研究中应引起充分的重视。
3 结 论
　　通过本研究发现 ,水葱是一种潜在的 Cd污染修
复植物 ,对 Cd有很高的耐性 ,能适应较宽的 pH 变
化范围。同时 ,它还具有生物量大 ,适应能力强的特
点 ,尤其适于在渍水区或土壤贫瘠区生长 ,适合进行
矿渣及尾矿 Cd污染土壤的修复和治理。
　　通常认为 ,如果植物体内富集的 Cd 超过 200
mg /kg (干重),转运系数超过 1. 00 ,那么它就是一种
典型的 Cd超富集植物。野生的水葱 Cd富集量地上
部分为 78. 97 mg /kg(干重),地下部分达 106. 45
mg /kg(干重),生物转运系数达到 0. 72;对照组 Cd富
集量地上部分 57. 49 mg /kg(干重),地下部分 64. 73
mg /kg(干重);在实验室条件下 ,Cd富集量地上部分
达295. 23 mg /kg ,地下部分达 276. 67 mg /kg ,转运系
数达1. 24。此外水葱是多年生宿根挺水草本植物 ,生
物量大 ,株高 1 ～ 2 m 。它的生物量比典型的 Cd超富
集植物 ,如印度芥菜 ,要大得多。茎杆高大通直 ,有利
于进行机械化收割作业。这些对于解决植物修复过
程效率偏低的问题有重要意义。
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责任编辑:贺锋萍　(修改稿收到日期:2005-05-12)
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　环境污染与防治　第 28 卷　第 2 期　2006年 2月