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有机酸对铬超富集植物李氏禾吸收Cu的影响



全 文 :生态环境 2008, 17(2): 641-645 http://www.jeesci.com
Ecology and Environment E-mail: editor@jeesci.com
基金项目:国家自然科学基金项目(40663002;20665003);广西科学研究与技术研发计划(桂科攻项目 0719005-2-2);广西新世纪十百千人才
工程项目(桂政发[2006] 62号);广西科学基金项目(桂科青 0728095;0542006);广西环境工程与保护评价重点实验室资助项目
作者简介:王敦球(1969-),男,教授,博士,主要从事污水处理和固体废弃物的资源化利用研究。E-mail: sunjiajunjaky@sina.com
收稿日期:2007-11-22
有机酸对铬超富集植物李氏禾吸收Cu的影响
刘杰,孙家君,王敦球*,张学洪,魏彩春,
胡澄,陶笈汛,邓深亨,肖彬彬
桂林工学院资源与环境工程系,广西 桂林 541004

摘要:许多研究表明有机酸的施加对植物吸收重金属的量具有不同的影响。文章采用盆栽试验研究了 EDTA、柠檬酸、草酸
和酒石酸对土壤中 Cu的活化和李氏禾(Leersia hexandra Swartz)吸收 Cu的影响。结果表明,当向土壤中施加质量摩尔浓度
为 2 mmol·kg-1的 EDTA时,土壤中 Cu质量分数为 220.16 mg·kg-1与空白土壤中 500.31 mg·kg-1相比明显减少,说明 EDTA
可以极显著的降低土壤中的铜质量分数,使其转化成水提取态的 Cu浮于土壤表面,并大部分聚集在根部周围,同时向土壤
中施加 EDTA不但促进了对 Cu的活化而且显著提高了李氏禾对 Cu的吸收,叶中最高质量分数达到 336.54 mg·kg-1是对照中
80.34 mg·kg-1的四倍;而柠檬酸、草酸和酒石酸则抑制了 Cu 的活化,但对李氏禾地上部分的 Cu 质量分数影响不大。有机
酸对 Cu的影响相对较弱,除 EDTA显著降低了土壤中 Cu质量分数外,其他有机酸对 Cu的活化和李氏禾吸收 Cu的影响与
对照均没有明显差异。
关键词:Cu;有机酸;李氏禾 (Leersia hexandra Swartz);超富集植物
中图分类号:X173 文献标识码:A 文章编号:1672-2175(2008)02-0641-05
随着工业和农业的发展,土壤重金属污染日益
严重。由于长期生活在高浓度的重金属离子环境
中,一些植物不仅产生了抵抗重金属毒害的防御机
制,而且能够在其体内积累比其他植物高百倍以上
的重金属,这些植物被称为超积累植物[1],这类植
物将应用于植物提取技术,植物提取技术是指利用
重金属超积累植物从土壤中吸取一种或几种重金
属。并将重金属转移、贮存到植物地上部,随后收
割地上部并集中处理,连续种植这种植物,可使土
壤中重金属含量降低到可接受水平[2-3]。该技术以其
成本低、原位修复、环境友好等特点成为环境学和
生态学中的研究热点,并在治理土壤重金属污染方
面有着广泛的发展前景。植物提取技术的提取效益
取决于超积累植物地上部分生物量及其重金属含
量。一方面,通过施肥提高超积累植物的生物量[4]。
另一方面,采用在重金属污染土壤中加入鳌合剂来
提取植物中的重金属含量[5-9],这种措施在盆栽和野
外均取得满意的结果,但是目前人们还未找到一种
比较满意的鳌合剂。
李氏禾 (Leersia hexandra Swartz) 是中国境内
首次发现的铬超富集植物[11],该植物繁殖非常迅
速,且可高密度生长,单位面积生物量大,适合生
长于潮湿和水生环境中,为重金属污染土壤和水体
的植物修复提供了优良的种质资源。前期通过野外
调查和水培试验,研究了李氏禾对铜的富集特征。
野外调查结果表明,李氏禾对铜有很强的富集能
力,叶中铜平均质量分数为 1 717.85 mg·kg-1,根和
茎中铜平均质量分数为 533.42 mg·kg-1,叶中铜质量
分数与水和淤泥中铜质量分数之比分别为 291.88
和 14.01。营养液培养条件下,李氏禾对铜也有较
强的富集能力。当培养液中铜质量浓度为 40 mg·L-1
时,叶中铜质量分数最高达到 2 357.26 mg·kg-1。叶
对铜的最高生物富集系数达到 91.96。李氏禾能够
在含铜质量浓度低于 40 mg·L-1的营养液中存活,但
铜的加入对李氏禾的生长产生明显的抑制作用,含
铜质量浓度为 5~40 mg·L-1的培养液中生长的李氏
禾生物量均显著低于对照(p<0.05)。这些结果表明
李氏禾为铜、铬污染水体和土壤的植物修复提供了
一种新的具有潜力的物种资源。本研究以桂林市农
科所未受污染的水稻土为供试土壤,研究多种有机
酸对李氏禾吸收重金属 Cu 的影响,以找到一种适
合植物修复技术的有机酸来提高李氏禾对 Cu 的吸
收量。
1 材料和方法
1.1 供试材料
本研究供试土壤为水稻土,采自桂林农科所试
验田。测定其基本理化性质:pH 6.9、有机质 2.8%、
阳离子交换量 11.9 cmol· kg-1、速效 K 97.8 mg·kg-1、
碱解 N 150 mg·kg-1、速效 P 9.5 mg·kg-1。为了研究
在室内生长条件下李氏禾对铜的吸收和富集特征,
642 生态环境 第 17卷第 2期(2008年 3月)
从未受重金属污染的桂林市农科所育种基地采集
植物样本。将取回的样本用自来水冲洗干净,然后
用 1/2 Hoagland溶液预培养 15 d,控制植物生长环
境(14 h光照,白天 25 ℃,晚上 20 ℃,相对湿度
70%~80%),待植物根部生长状况良好时,用于此
试验研究。
1.2 盆栽试验
土壤自然风干后,过 5 mm筛。把土壤装入塑
料盆中,每盆装上 10 kg,然后加入去离子水,充
分拌匀,进行土壤预培养。在培养过程中保持土壤
的一定湿度。土壤培养 l 周后,开始盆栽试验。把
培养的土壤分装入塑料小盆中,每盆装上 0.5 kg(按
干土计),Cu添加量为:2 000 mg·kg-1,土壤中的
Cu 以 CuSO4的形态加入。并将 EDTA、柠檬酸、
草酸和酒石酸以:0、2、5、10 mmol·kg-1的浓度梯
度分别加到培养好的土壤中。每盆各施 10 mL 1/2
Honglang溶液,与土壤充分拌匀,预培养 1周后分
别取一定量土样,进行土壤吸收 Cu 质量分数的测
定与收获后土壤含铜量进行比较(见表 1),之后每
盆移栽 15株左右的李氏禾,重复 3次。
1.3 样品测试及分析方法
淤泥样品自然风干、研磨,过 100目筛后供分
析使用。植物样品先用自来水冲洗几遍,洗净附着
在表面的尘土,土壤培养的植物根部需先自来水冲
洗干净,再用 0.1 mmol·L-1的 CaCl2浸泡 30 min,
用去离子水冲洗 3次,再用吸水纸把表面水吸干。
将样品分为根、茎、叶 3部分称鲜质量用于生物量
的测定。将新鲜样品放在烘箱内 105 ℃杀青 30 min,
然后低温 80 ℃左右烘干 24 h,磨碎,再测定样品
各部分干质量。土壤样品用 HCl+HNO3+HClO4消解
(2∶2∶1,体积比);植物样品用 HNO3+HClO4消
解(4∶1,体积比)。消解液定容后用火焰原子吸收
分光光度计(PEAA-700)测定铜的质量分数[12]。
2 结果与讨论
2.1 有机酸对盆栽土壤中Cu质量分数的影响
由表 1可知,EDTA可以极显著的降低土壤中
的铜质量分数,使其转化成水提取态的 Cu浮于土
壤表面,并大部分聚集在根部周围,说明 EDTA
与 Cu 有着非常强的亲合力,与李氏禾的对照相
比,EDTA使土壤中提取出的 Cu质量分数显著增
加(移栽前土壤平均质量分数 526.48±0.36
mg·kg-1),但随着 EDTA浓度的增加,土壤中的水
提取态 Cu 质量分数却逐渐下降,说明低浓度的
EDTA可以大大加强李氏禾对土壤中 Cu的吸收。
其它有机酸处理后转化成的水提取态 Cu 质量分
数与对照相比无显著差异(见图 1)。随水提取态
的 Cu质量分数的增高有利于植物吸收,同时也增
加了淋溶对水体的污染,如果植物吸收量相同,
则以水提取态 Cu 低的为好。该结果表明,虽然
EDTA可以有效的提高土壤中水提取态 Cu质量分
数,但其对地下水污染的风险要明显高于其它几
种有机酸。
















图 1 有机酸对土壤 Cu质量分数的影响
Fig. 1 The effect of organic acid on Cu concentration in the soil
表 1 供试土壤中 Cu的质量分数
Table 1 Cu content in the feeding soil mg·kg-1
b(有机酸)/(mmol·kg-1) CK EDTA 柠檬酸 草酸 酒石酸
2 500.32±0.26a 220.16±0.02b 292.96±0.11c 500.47±0.01a 500.31±0.05a
5 500.32±0.14a 292.96±0.11c 500.28±0.31a 499.61±1.33a 500.30±0.02a
10 500.31±0.02a 387.76±0.23b 500.28±0.06a 500.30±0.05a 499.99±0.81a

0.00
100.00
200.00
300.00
400.00
500.00
600.00
EDTA 柠檬酸 草酸 酒石酸
有机酸种类








(m
g/
kg
)
0mmol/kg
2mmol/kg
5mmol/kg
10mmol/kg
刘杰等:有机酸对铬超富集植物李氏禾吸收 Cu的影响 643
2.2 有机酸对盆栽李氏禾吸收Cu质量分数的影响
有机酸对盆栽李氏禾吸收 Cu 均有显著影响,
但地上部均小于根系,地上部对 Cu 的富集系数都
小于 1,表 2表明,投加 EDTA的李氏禾地上部 Cu
质量分数/根系 Cu质量分数的值较高为 0.45~0.68,
并且李氏禾地上部对 Cu 的富集系数(地上部 Cu
质量分数与土壤全量 Cu 质量分数的比值)在
0.04~0.67 范围内。有机酸的添加对李氏禾吸收 Cu
产生显著影响。从表 2可以看出,EDTA、柠檬酸、
和草酸对李氏禾根系中 Cu 的吸收,促进不大,反
而与对照相比,有机酸处理的根系 Cu 质量分数均
有所降低,唯有 EDTA根系对 Cu的吸收与对照相
比很相似,并且其对地上部分 Cu 质量分数有明显
提高最高可达 336.54 mg·kg-1。
2.3 有机酸对李氏禾积累Cu的影响
添加有机酸的李氏禾与对照相比地上部分对
Cu的积累显著提高,除草酸和酒石酸外,其余试剂
的加入均使李氏禾地上部 Cu 积累量增加,尤其是
EDTA,随着 EDTA质量摩尔浓度的增加,Cu的累
积量也从 227.35±0.26 mg·kg-1 增加到 336.54±1.23
mg·kg-1,与对照相比积累量升高282.98%~418.89%。
提取效率为植物地上部质量分数与土壤总金属标
准差值的比。在本研究中个别有机酸的添加对李氏
禾提取土壤中 Cu的效率影响显著(表 3),有机酸
对 Cu的提取效率为 0.16%~0.89%,其中 EDTA的
加入显著提高李氏禾对 Cu 的提取效率,并且以
EDTA 的提取效率最高为 0.89%,若以李氏禾在我
国南方一季度收割 1次,每年 4次进行计算,则每
年李氏禾提取 Cu的效率可达 3.56%。
2.4 有机酸促进重金属Cu从根系到地上部的转运
重金属一旦进入根系,可贮存在根系或运输到
地上部,试验研究表明,EDTA、柠檬酸可提高李
氏禾叶中 Cu 的质量分数,并且与对照相比柠檬酸
可以明显将根部的 Cu 转运到地上部分。当对照样
品根部 Cu 质量分数为 500.3 mg·kg-1时,叶中 Cu
质量分数为 80.34 mg·kg-1,柠檬酸浓度为 10
mmol·kg-1 的土壤中李氏禾根部 Cu 质量分数为
100.29 mg·kg-1,明显低于对照;而叶中 Cu质量分
数增加到 141.77 mg·kg-1,明显高于对照的 80.34
mg·kg-1,说明 EDTA、柠檬酸的添加可以促进重金
属 Cu 从根系到地上的部的转运。造成这种结果可
能是:①根部吸收的 Cu 首先与有机酸结合,然后
以有机酸 Cu 盐形态转移入液泡后发生解离,解离
的 Cu 离子再与另一种物质结合,形成一种比有机
酸 Cu 盐更稳定的化合物而贮存于液泡中,解离的
有机酸返回液泡外重新与其他 Cu 离子结合。②以
植物络合肽(PC)作为载体将重金属从细胞运至液
泡中,并在液泡中发生解离,再与有机酸结合,以
表 2 有机酸对李氏禾各部位在土壤中吸收 Cu的影响
Table 2 The infection of organic acid to Cu in the every part of Leersia hexandra Swartz in the soil
有机酸种类 b(有机酸)(mmol·kg-1) w(Cu,根) /(mg·kg-1) w(Cu, 茎) /(mg·kg-1) w(Cu,叶) /(mg·kg-1) 富集系数
对照 0 500.3±0.12a 120.17±0.02c 80.34±0.26de 0.20
EDTA 2
5
10
500.3±0.02a
500.27±0.06a
496.82±0.21a
500.20±0.56c
500.30±0.06a
500.28±0.04a
227.35±1.65b
300.30±1.15b
336.54±1.23b
0.73
0.80
0.84
柠檬酸 2
5
10
241.85±0.35b
100.31±1.26c
100.29±0.25c
100.29±0.56c
354.33±1.36b
66.37±0.05d
132.03±0.02c
105.05±1.21c
141.77±0.58c
0.23
0.46
0.21
草酸 2
5
10
419.41±0.26ab
360.13±0.05b
500.29±0.12a
50.52±0.32d
100.30±0.85c
100.26±0.06c
106.12±0.05c
50.71±0.06d
78.57±0.12cd
0.16
0.15
0.18
酒石酸 2
5
10
436.92±0.56ab
500.31±0.05a
500.29±0.07a
187.37±0.65bc
141.00±0.05c
128.95±0.08c
49.11±1.36d
25.04±0.58e
17.72±0.02e
0.24
0.17
0.15

表 3 李氏禾对土壤 Cu的提取效率
Table 3 The extraction of Leersia hexandra Swartz to Cu in the soil
%
有机酸
种类
b(有机酸)
/(mmol·kg-1)
茎 叶 地上部分
对照 0 0.25±0.31bc 0.17±0.61c 0.21±0.26bc
EDTA 2
5
10
1.06±0.22a
1.06±0.15a
1.06±0.08a
0.48±1.05b
0.63±1.32ab
0.71±1.11ab
0.77±0.56ab
0.85±0.18a
0.89±0.61a
柠檬酸 2
5
10
0.21±0.58bc
0.75±1.26ab
0.14±0.06c
0.28±0.05bc
0.22±1.45bc
0.30±0.61bc
0.25±0.15bc
0.49±1.26b
0.22±0.18bc
草酸 2
5
10
0.11±0.51c
0.21±0.77bc
0.21±0.04bc
0.22±0.08bc
0.11±0.06c
0.17±0.05c
0.17±0.36c
0.16±0.49c
0.19±0.05c
酒石酸 2
5
10
0.40±0.54b
0.30±0.02bc
0.27±0.12bc
0.10±1.01c
0.05±0.25d
0.04±0.03d
0.25±0.84bc
0.18±0.11c
0.16±0.07c

644 生态环境 第 17卷第 2期(2008年 3月)
重金属-有机酸络合物的形态贮存于液泡中。确切原
因有待进一步证明。
2.5 有机酸参与重金属的积累与贮存
进入植物体内的重金属通过与细胞壁结合而
区隔于液泡中,或分别与有机物质和无机物质结合
形成络合物等方式,降低了其在植物体内的浓度,
从而降低了其毒性,有机酸可能是某些特定植物耐
重金属毒害的一个重要机制。邓金川等[13],证实了
各种有机酸均提高土壤中的水提取态 Zn 的质量分
数;Blaylock 等[14]、Huang 等[15-16]、Wu 等[17]分别
证实了柠檬酸可以增加印度荠菜、玉米、豌豆等植
物的重金属含量,促进 Pb 从根系向地上部运输。
本实验研究也得到证明通过向土培李氏禾中添加
EDTA 也可以增加其吸收重金属的质量分数,当对
照样品根部 Cu质量分数为 500.3 mg·kg-1时,叶中
Cu质量分数为 80.34 mg·kg-1,柠檬酸质量摩尔浓度
为 10 mmol·kg-1的土壤中李氏禾根部 Cu 质量分数
为 100.29 mg·kg-1,明显低于对照;而叶中 Cu质量
分数增加到 141.77 mg·kg-1,明显高于对照的 80.34
mg·kg-1。
3 结论
除草酸外其它几种有机酸的施用均提高了土
壤中 Cu 的活性,尤其是 EDTA 能使土壤中的 Cu
的活性增加几倍,几种有机酸对 Cu 的活化能力的
大小顺序是:EDTA>柠檬酸>酒石酸>对照>草
酸,有机酸对 Cu 的活化能力可能主要来自有机酸
与 Cu的结合能力。虽然土壤中 Cu浓度大量增加,
却没有抑制李氏禾的生长甚至有增产的效果,这可
能在土壤中大量增加有机酸与 Cu 形成毒性小的结
合物质,而毒性强的游离态的 Cu变化较小。
土壤中 Cu 质量分数的增高相应导致植物体内
Cu质量分数的上升。在 100~2 000 mg·kg-1 Cu范围
内,李氏禾地上部质量分数随土壤中有机酸的质量
摩尔浓度的增加而增加(除柠檬酸、草酸、酒石酸)。
在本次研究中,柠檬酸能使李氏禾根部金属 Cu 显
著向地上部转移,使根部 Cu 质量分数逐渐下降,
而 EDTA则显著提高了李氏禾地上部的 Cu 质量分
数,但是李氏禾的 Cu 质量分数增加的比例很小,
远低于土壤中 Cu 增加的比例,说明李氏禾对 Cu
的吸收并不是很明显。
本研究中的李氏禾是中国境内首次发现的铬
超富集植物[6],对铜有一定的抗性,该植物繁殖非
常迅速,且可高密度生长,单位面积生物量大,适
合生长于潮湿和水生环境中,为重金属污染土壤和
水体的植物修复提供了优良的种质资源。而且与浓
度为 10 mmol·kg-1的 EDTA的添加剂配合使用效果
较明显。
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Effect of organic acids on the Cu uptake by Cr-hyperaccumulator:
Leersia hexandra Swartz

Liu Jie, Sun Jiajun, Wang Dunqiu, Zhang Xuehong, Wei Caichun,
Hu Cheng, Tao Jixun, Deng Shenheng, Xiao Binbin
Department of Resources and Environmental Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China

Abstract: Many research indicated that application of organic acids has the different influence to heavy metal uptake. The pot ex-
periment was carried out to study the effect of different organic acids, EDTA, citric acid, oxalic acid and malic acid, on mobilization
of Cu in soil and Cu uptake by Leersia hexandra Swartz. The results indicated that the concentration of Cu in the soil is 220.16
mg·kg-1 contrast to the CK 500.31 mg·kg-1 significantly decrease when the concentration of EDTA in the soil is 2 mmol·kg-1 that
explains EDTA treatment significantly decreased soluble Cu content in soil because of translating into Cu of water distill floating on
the surface of soil and most accumulating around root.Contemporary, application of EDTA to the soil significantly enhanced mobili-
zation of Cu in soil and increased Cu uptake in shoot of Leersia hexandra Swartz.,the highest concentration in the leaves 336.54
mg·kg-1 is 4 times higher compared with the ck 80.34 mg·kg-1. However, citric acid, oxalic acid and malic acid inhibited mobilization
of Cu and less significantly affected shoot Cu accumulation. For organic acid, only EDTA treatment significantly decreased soluble
Cu content in soil. Other organic acids treatment had little effect on soluble Cu and shoot Cu content compared with the control.
Key words: Cu; organic acids; Leersia hexandra Swartz; phytoremediation