全 文 ：有机酸对 Pb、Cd的土壤化学行为和植株效应的影响*
林 琦* * 陈英旭 (浙江大学环境保护系, 杭州 310029)
陈怀满 郑春荣 (中国科学院南京土壤研究所, 南京 210008)
摘要 有机酸对 Pb、Cd 的络合作用将其对土壤吸附 Pb、Cd的影响和植株效应差异的研究表明,柠檬酸、草酸
与 Pb、Cd络合能力的大小与重金属本身的性质有关,络合作用影响土壤对 Pb、Cd 的吸附量, 柠檬酸降低土壤对
Pb、Cd的吸附, 草酸则增加土壤对 Pb、Cd的吸附.水培试验表明, 柠檬酸可减轻 Pb 对小麦、水稻幼苗的毒害. 柠
檬酸对 Cd 的植株外观毒性效应影响不显著,但能促使植株茎叶、根中 Cd含量下降. Pb 和 Cd 复合处理条件下,
Cd存在促使水稻植株对 Pb 吸收量增加, Pb 存在抑制水稻植株对 Cd 的吸收.
关键词 柠檬酸 草酸 Pb Cd 土壤化学行为
文章编号 1001- 9332( 2001) 06- 0619- 04 中图分类号 X53 文献标识码 A
Effect of organic acids on soil chemical behavior of lead and cadmium and their toxicity to plants. L IN Q i, CHEN
Yingxu ( Depart ment of Environmental Science, Zhej iang Univer sity , Hangzhou 310029) and CHEN Huaiman,
ZHENG Chunrong ( I nstitute of Soil Science, Chinese A cademy of Sciences , Nanj ing 210008) . Chin . J . A pp l .
Ecol . , 2001, 12( 6) : 619~ 622.
The interaction between organic acids ( citric and oxalic acids) and heavy metals was examined in this paper. Equilibri
um dialysis show ed that the ex tent org anic acids bound metals depended on the metal involved, and their binding pro
perties affected the adserption of Pb and Cd by soil, which was incr eased in the presence of ox alic acid, and decreased in
the presence of citric acid. The effect of citr ic acid on the behavior and tox icity of Pb and Cd to plants was also studied.
The presence of citric acid could reduce the toxicit y of Pb, and inhibit the uptake of Cd in shoots and roots. How ever ,
ther e w as no significant effect on the apparent tox icity of Cd. T he interaction between Pb and Cd w as found to be com
plicated. The Pb content in rice w as higher in the presence of Cd, while the content of Cd is lower in the pr esence of
Pb.
Key words Citr ic acid, Oxalic acid, Pb, Cd, Soil chemical behav ior.
* 国家自然科学基金( 29777020) 和浙江省自然科学基金( 297032 )
资助项目.
* * 通讯联系人.
1999- 06- 15收稿, 1999- 09- 21接受.
1 引 言
自Hiltner 于 1904年提出根际这个概念以来, 高
等植物的根分泌作用一直是引人注目的一种现象. 到
目前为止,至少有 22种氨基酸、11种糖类物质、12种
有机酸、9种生长素、5种脂肪酸、4种核苷酸、5种酶以
及大量其他物质从各种植物的根系分泌物中得到分离
和鉴定[ 2] .这些根系分泌物或多或少地影响土壤元素
的活性及对生物有效性, 特别是重金属在根际的化学
行为可能与其在一般土体中有较大差异, 同时重金属
也影响根系分泌物的组成和数量, 从而有可能改变根
际环境,进而影响其生态效应.我们曾采用高压液相色
谱测定根系分泌物中的有机酸成分,结果发现,根系在
受到重金属 Pb、Cd或 PbCd 共同作用下分泌能力发
生变化[ 1] .为探讨其在降低(增加)重金属毒害方面所
起的作用,本文研究了有机酸对 Pb、Cd的污染化学行
为的影响.
2 材料与方法
21 供试材料
211 供试植物 小麦(郑州 8329) , 水稻( 812922) .
212 供试土样 红壤, 采自江西鹰潭荒地, 属第四纪红色粘
土母质所发育,基本性状见表 1.
表 1 供试土壤的理化性质
Table 1 Some physical and chemical properties of experimental soil
土壤类型
S oil type
有机质
OM
( g!kg- 1)
pH
(H 2O)
CEC
( cmol( + )!kg- 1)
Cd
(mg!
kg- 1)
Pb
( mg!
kg- 1)
红壤Red soil 057 463 837 004 248
22 研究方法
221 有机酸对重金属的络合行为 采用平衡透析方法[ 3, 5, 6] ,
将有机酸置玻璃纸制成的透析袋内,重金属离子在玻璃纸外能
自由出入透析袋,一旦与有机酸络合, 形成有机重金属化合物
就截留于玻璃纸内,不易扩散出去. 将 20ml有机酸装在透析袋
应 用 生 态 学 报 2001 年 8 月 第 12 卷 第 4 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Aug . 2001, 12( 4)∀619~ 622
内,浸泡在 200ml 300mol!L- 1 Cd( NO 3) 2 或/和 300mol!L- 1
Pb( NO3 ) 2 的盐溶液中, 离子强度用 KNO3 调节至= 0 01, 24h
后提起透析袋, 浸在去离子水中 3 次以除游离的重金属, 然后
将透析袋内的悬液倒出,加浓 HNO 3( 10l!ml- 1) ,定容至 50ml,
用原子吸收火焰光谱法测定透析袋内外 Pb、Cd浓度. 每个处理
设 3 个重复.
222 有机酸对土壤吸附 Pb、Cd 的影响 15ml 0003! L- 1
KCl,含柠檬酸 1mmol!L - 1, 3mmol!L- 1 ;草酸 3mmol!L- 1 ,以及
500mol!L - 1 PbCl2或/和 CdCl2(空白不含有机酸) ,加入 3g 红
壤(过 20目)悬液振荡 17h, 2000 # g 离心 15min,过滤, 测定溶
液的 Pb、Cd 浓度. 每个处理设 3 个重复.
223 有机酸对 Pb、Cd 的植株毒害作用的影响 1)水培营养
液的配制: 400mol!L - 1 CaCl2 , 750mol! L- 1 KNO 3, 100mol!
L - 1 MgCl2 ,不同浓度重金属处理( Pb、Cd 均以 PbCl2、CdCl2 形
态施入) .柠檬酸柠檬酸钠溶液( pH6) : 柠檬酸 9 5 # 10- 5mol!
L - 1 ,柠檬酸钠 405# 10- 4mo l!L- 1 . 2)试验处理: 小麦、水稻种
子经消毒,于培养箱中催芽,播入尼龙网上( 200ml左右溶液的
小杯)培养, 每杯 5 粒,培养 12d, 测根长、苗、植株 Pb、Cd 分析,
照片观察. 每个处理设置 3 个重复. 3) 植株测定: 用 HNO3
HClO4 消化,原子吸收火焰光谱法测 Pb、Cd 含量.
3 结果与讨论
31 有机酸的络合作用
Zunine等[ 7]采取透析袋平衡透析, Porath 等[ 4]采
取凝胶色谱研究有机物对重金属的络合行为.本试验
采用前者.透析袋经 24h透析平衡后, 将重金属离子分
成两部分,外部只含自由离子,内部含有机金属络合物
和自由离子. 图 1a是有机酸与 Pb、Cd 络合试验中透
析袋外自由离子浓度的变化, Pb处理溶液中,空白(去
离子水)与加檬酸处理时, 经透析袋包 24h后,外部溶
液Pb的浓度分别为 312 和 280mol!L- 1; Cd处理溶
液中, 空白(去离子水)与加柠檬酸处理在透析袋浸泡
24h后,外部溶液 Cd 的浓度分别为 306 和 285mol!
L- 1.图 1b是草酸与 Pb、Cd络合试验中透析袋外自由
离子浓度的变化. Pb处理溶液中,空白与草酸处理在
透析袋内浸泡 24h 后, 外部溶液 Pb 的浓度分别为
25479和 12345mol!L- 1; Cd 处理溶液中, 空白与
草酸处理在透析袋内浸泡 24h 后, 外部溶液 Cd的浓
度分别为 2451和 2398mol!L- 1. 显然, 与空白(未
加有机酸)对照, 添加有机酸降低了外部 Pb、Cd自由
离子的浓度,表明一部分 Pb、Cd自由离子进入透析袋
与有机酸发生络合作用. 其中, 加柠檬酸处理,透析袋
外溶液 Pb浓度只有对照的 89. 7%和 93. 1% ;加草酸
处理, 透析袋外溶液 Pb 浓度只有对照的 48. 5% , Cd
浓度则与对照相近. 这说明有机金属络合能力与金属
离子本身性质有关, 柠檬酸、草酸的络合能力为 Pb>
Cd.物理化学手册有机配位络合物的形成常数也说明
了这一问题, 25 ∃ ,离子强度为 0时,草酸与 Cd的 lg1
为3. 52,与 Cd、Pb的 lg2分别为 5. 77和 6. 54;柠檬酸
与 Cd、Pb( HL 2- 离子的络合物)的 lg1 分别为 3. 98和
6. 50,有机配位络合常数越大,说明形成络合物的能力
越强.
图 1 有机酸与 Pb、Cd的络合作用
Fig. 1 Ef fect of organic acid on the concent rat ion of f ree metal in a dialysis
experiment .
a)柠檬酸Cit ric acid, b)草酸 Oxalic acid, CK:对照 Cont rol.下同 The same
below .
32 有机酸对土壤吸附 Pb、Cd的影响
有机酸与重金属存在络合作用, 而络合作用对重
金属在土壤中的吸附的影响是一个复杂过程,往往受
到配位体种类、配位体浓度、重金属浓度和介质 pH 的
影响.图 2结果表明,柠檬酸的存在降低了土壤对 Pb、
Cd的吸附, 随着溶液中柠檬酸浓度增加, 土壤对 Pb、
Cd吸附量降低, 在土壤Pb或 Cd溶液体系中, 对照,
加 1mmol!L- 1和 3mmol!L - 1柠檬酸时, 土壤对 Pb的
吸附量分别为 2059. 6、2021 和 1970mol!kg- 1;对 Cd
的分别为 785. 6、587. 2和 4408mol!kg- 1. 在土壤
Pb和 Cd溶液体系中, 对照,加 1mmol!L- 1和 3mmol!
L- 1柠檬酸时,对 Pb 的分别为 1997. 6、1992和1929. 5
mol!kg- 1; 对 Cd 的分别为 513. 3、364. 3 和314. 5
mol!kg- 1.比较有机酸对 Pb、Cd吸附的影响, 单元素
时,加 1mmol!L- 1和 3mmol!L - 1柠檬酸, 土壤对 Pb的
分别下降 1. 87%和 4. 35%;对 Cd分别下降25. 25%和
43. 89%, 说明柠檬酸对土壤吸附 Cd的影响较 Pb大.
两元素共存时,加 1mmol!L - 1和 3mmol!L- 1柠檬酸,
620 应 用 生 态 学 报 12卷
土壤对 Pb的吸附分别下降0. 28%和 3. 4% ; 对 Cd分
别下降 29%和 38. 7%. 同样也是柠檬酸对土壤吸附
Cd的影响较大.
图 2 有机酸对土壤吸附 Pb、Cd的影响
Fig. 2 Ef fect of organic acid on adsorption of Pb and Cd in red soil.
%1mmol! L- 1柠檬酸 1mmol! L- 1 cit ric acid, &3mmol! L- 1柠檬酸
3mmol!L- 1 cit ric acid, ∋3mmol!L- 1草酸 3mmol!L- 1 oxalic acid.
草酸存在则增加土壤对 Pb、Cd 的吸附, 在土壤
Pb或 Cd溶液体系中, 对照, 加 3mmol!L- 1草酸时,土
壤对 Pb 的吸附量分别为 2077. 7 和 2146. 5mol!
kg- 1;土壤对 Cd的吸附量分别为 790. 5和 870. 1mol
!kg- 1. 在土壤Pb 和 Cd 共存溶液体系中, 对照,
3mmol!L- 1草酸时,土壤对 Pb的吸附量分别为2015. 2
和 20953mol!kg - 1土;对 Cd 分别为 520. 9和568. 1
mol!kg- 1.即单元素处理时,加入草酸后,土壤对 Pb、
Cd的吸附量分别较对照增加了 68. 8 和 79. 6mol!
kg- 1土,说明尽管土壤对 Pb的吸附大于 Cd,但草酸对
土壤吸附 Pb、Cd的绝对值的影响还是 Cd> Pb, 而两
元素共存时,加入草酸后, 土壤对 Pb、Cd 的吸附量分
别较对照增加了 80. 1和 47. 19mol!kg- 1土, 即草酸
对土壤吸附 Pb、Cd绝对值的影响发生了改变, Pb>
Cd. 但草酸加入对土壤吸附 Pb、Cd相对量的改变始终
都是 Cd> Pb.
33 植株效应
331小麦 表 2是柠檬酸及对照处理下麦苗受 Pb、
Cd毒害的情况, 从中可以看出, 柠檬酸对 Pb的毒害有
明显的保护作用,当 Pb浓度为 20mg!L- 1时, 对照已
出现显著的抑制现象, 麦苗平均长度由 6. 3cm 降至
4cm,麦根最大长由 12cm降至 1. 5cm.而加柠檬酸后,
20mg!L - 1处理与对照麦苗、麦根长度没有什么差别,
即使是浓度高达 50mg!L - 1, 其麦苗平均长度也只是
由6. 3cm 降至 5. 8cm, 麦根最大长由 12cm 降至 8cm,
抑制程度不如对照 20mg!L - 1时大,至于 Cd毒害, 柠
檬酸则没有明显的作用, 在 Cd浓度 1和 2mg!L - 1条
件下,柠檬酸处理与否,苗长、根长几乎没变. 但是当与
Pb复合处理时,柠檬酸对 Cd毒害的保护作用也较明
显.对应 Cd浓度 0、1、2mg!L - 1, 柠檬酸加 Pb 20mg!
L- 1处理的麦苗平均长度为 6. 2、5. 1 和 5. 5cm, 对照
(未加 Pb 和柠檬酸)则为 6. 3、4. 8、4. 5cm, 柠檬酸加
Pb20mg!L- 1处理的麦根最大长为 11. 5、8和 6. 5cm,
对照(未加 Pb 和柠檬酸)则为 12、5 和 5cm. 说明在
Pb、Cd复合体系, Pb 与柠檬酸的存在反而使 Cd对植
株的毒害作用减轻.
表 2 柠檬酸及对照处理麦苗生长受 Pb、Cd毒害的反应
Table 2 Response of wheat growth to Pb and Cd after treatment with or
without citric acid( cm)
重金属处理
Treatment of
Pb and Cd
( mg!L- 1)
麦苗平均长度
Average height of shoots
对照
CK
柠檬酸
C it ric acid
麦根最大长
M ax. length of roots
对照
CK
柠檬酸
Cit ric acid
0+ 0 6. 3 6. 3 12. 0 12. 0
1+ 0 5. 6 4. 8 5. 0 5. 0
2+ 0 4. 5 4. 5 5. 0 5. 0
0+ 20 6. 2 4. 0 11. 5 1. 5
1+ 20 5. 1 4. 2 8. 0 1. 5
2+ 20 5. 5 3. 9 6. 5 1. 5
0+ 50 5. 8 3. 8 8. 0 1. 5
1+ 50 4. 8 3. 4 6. 5 1. 5
2+ 50 5. 2 3. 7 5. 0 1. 5
332水稻 从图 3可看出,柠檬酸的存在,使 Pb、Cd
对水稻的影响与小麦基本一致, 同样也使 Pb 对水稻
的毒害作用减弱,对 Cd则无显著影响. 水稻植株吸收
结果表明(表 3) ,加入柠檬酸, 使根系 Pb含量由对照
的 20115. 2mg!kg - 1降至 888298mg!kg - 1, 茎叶 Pb
含量由 782. 44mg!kg - 1增加到 1013. 73mg!kg- 1, 即
柠檬酸促使 Pb从根部向地上部转移, 因此它对 Pb的
解毒一部分可能归功于其分散解毒作用. 而柠檬酸在
Cd吸收上的作用则不然, 对照的茎叶、根 Cd含量分别
为 375. 29, 1966. 20mg!kg- 1、柠檬酸处理后, 则分别
为297. 42, 1927. 36mg!kg - 1, 即柠檬酸处理使茎叶、
根系含 Cd量均下降.
Pb、Cd 复合处理中, 对照由于 Cd 的加入, 使茎
叶、根系含 Pb 量较单元素时显著增加, 单元素时茎
叶、根含 Pb量分别为 782. 44和 20115. 2mg!kg - 1,而
复合处理分别为 2619. 8和 22645. 2mg!kg- 1, 说明 Cd
的存在促使水稻植株对 Pb 的吸收量的增加. 而柠檬
酸处理使茎叶、根系含Pb量下降,单元素处理分别为
6216 期 林 琦等:有机酸对 Pb、Cd 的土壤化学行为和植株效应的影响
表 3 水稻植株重金属含量
Table 3 Contents of heavy metal in rice( mg!kg- 1)
处理
T reatment
Pb含量 Pb content
茎叶 Shoots
对照 CK 柠檬酸Cit ric acid
根 Roots
对照 CK 柠檬酸 Citric acid
Cd含量 Cd content
茎叶 Shoots
对照CK 柠檬酸 Cit ric acid
根 Roots
对照 CK 柠檬酸C it ric acid
0 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 76 0. 67 1. 49 0. 43
Pb 782. 44 1013. 73 20111. 20 8882. 98 - - - -
Cd - - - - 375. 29 297. 42 1966. 20 1927. 36
Pb+ Cd 2619. 80 512. 75 22645. 20 5196. 65 332. 74 272. 27 787. 90 2077. 51
图 3 重金属 Pb、Cd处理稻苗生长情况
Fig. 3 Grow th of rice st ressed by Pb and Cd.
a)未加柠檬酸 No cit ric acid, b)加柠檬酸 With cit ric acid.
1013. 73 和 8882. 98mg!kg- 1, 复合处理则为 512. 75
和 519665mg!kg- 1, 即柠檬酸 Cd可能抑制植株对 Pb
的吸收.在 Pb、Cd复合处理中, 对照组中, 茎叶、根系
含 Cd量都较单元素有所下降, 单元素 Cd处理,茎叶、
根系含 Cd量分别为 375. 29和 1966. 20mg!kg- 1, 下
降到 Cd+ Pb复合处理的 332. 74 和 787. 90mg!kg- 1,
说明 Pb的存在抑制水稻植株对 Cd的吸收. 柠檬酸处
理组,茎叶中 Cd 含量的变化和对照一致, 但根中 Cd
含量在复合处理比单元素 Cd处理时略高.
4 结 论
41 柠檬酸、草酸与 Pb、Cd存在络合作用, 络合能力
的大小与金属离子本身有关, 柠檬酸、草酸的络合能力
均为 Pb> Cd.
42 柠檬酸、草酸的存在影响土壤对 Pb、Cd 的吸附
作用,柠檬酸降低土壤对 Pb、Cd的吸附量, 草酸则增
加土壤对 Pb、Cd的吸附量;柠檬酸、草酸对土壤吸附
Pb、Cd量的影响程度是 Cd> Pb.
43 柠檬酸可减轻 Pb 对植株的毒害, 并能促使 Pb
从根部向地上部转移. 柠檬酸对 Cd 的植株外观毒性
效应的影响不显著, 但促使植株茎叶、根中 Cd含量下
降. Pb、Cd复合处理条件下, Cd存在促进水稻植株对
Pb吸收量增加, 柠檬酸处理使茎叶、根系含 Pb 量下
降,柠檬酸 Cd可能抑制植株对 Pb的吸收. Pb的存在
抑制水稻植株对 Cd的吸收.
参考文献
1 Chen HM, Lin Q, Zheng CR. 1998. Interaction of Pb and Cd in soilw a
t erplant system and its mechanism: II. PbCd interaction in rhizo
sphere. Pedosp here, 8: 237~ 244
2 Curl EA and T ruelove B. 1986. T he Rh izosphere. New York: Springer
Verlag.
3 Mench M, Morel JL and Guckert A. 1987. M etal bin ding properties of
high molecular w eight soluble exudates from maize ( Zea mays L. )
roots. Biol Fert il S oi ls, 3: 165~ 169
4 Porath I and Flodin P. 1959. Gel f iltration: A method for desalt ing and
group separat ion. Nature , 183( 4676) : 1657~ 1659
5 T rutt RE and Weber JH. 1981. Determinat ion of complexing capacity of
fulvic acid for copper( II) and cadmium ( II ) by dialysis t itrat ion. Anal
Chem , 53: 337~ 342
6 Wu QT(吴启堂) . 1993. Ef fect of root exudates on cadmium bioavai labilit y. S oil (土壤) , 25( 5) : 257~ 259 ( in Chines e)
7 Zunine H andM artin JP. 1977. Metalbinding organic macromolecules in
soil: 2. Characterizat ion of the maximum binding ability of the macro
molecules . S oil S ci , 123( 3) : 188~ 201
作者简介 林 琦,女, 1971 年生,讲师, 在职博士生,主要从事
环境污染模拟与控制的研究, 发表论文 10 篇. Email: linqi @
zju. edu. cn
622 应 用 生 态 学 报 12卷