全 文 ：小飞蓬对Cd的吸收特性及其 EDTA效应研究
杨　帆1 , 2 , 刘　雷1 , 黄精明2 , 刘足根2 , 杨国华2 , 方红亚2
(1.南昌大学环境科学与工程学院 , 江西　南昌　330031;
2.江西省环境保护科学研究院 , 江西　南昌　330029)
摘　要:采用水培试验方法 , 研究了生长在赣南钨矿区尾矿上的优势植物小飞蓬 (Conyza Canadensis L.)对 Cd
的吸收特性及 EDTA 对其吸收和转运 Cd 的影响。结果表明 , 在中低 Cd 浓度处理下小飞蓬保持良好长势 , 并能将
更多重金属积累在地上部。 小飞蓬地上部和根系的 Cd 含量随营养液 Cd 浓度的增加而增加 , 在 Cd 浓度为 75
μmol/L时 , 植物地上部 Cd吸收总量达到最高 , 为 118.87 mg。综合分析小飞蓬的生长 、 生理及吸收 Cd的能力 ,
在低浓度 Cd污染的赣南钨矿区 , 选取小飞蓬作为 Cd的富集植物进行修复具有良好的应用前景。 EDTA 的加入增
加了小飞蓬体内的 Cd 含量 , 但植物的生物量受到了影响。
关键词:小飞蓬;Cd;吸收;EDTA;植物修复
中图分类号:S143.7　　　文献标识码:A　　　文章编号:1673-6257 (2008)05-0057-04
收稿日期:2007-11-08
基金项目:本课题得到江西省环保局项目 (200602)资助。
作者简介:杨帆 (1983-), 男 , 江西吉安人 , 硕士研究生 , 主
要从事环境修复研究。通讯作者为刘雷。
　　在所有的重金属污染元素中 , Cd 以毒性高 、
滞留时间长 、通过食物链的富集危害人类健康 , 成
为最为关注的元素之一[ 1 ,2] 。除采用常规工程措施
或化学方法治理重金属污染土壤外 , 近年来颇受关
注的植物修复 (Phytoremediation)技术具有技术 、
经济上的双重优势 , 已成为国际学术界研究的热点
问题[ 3-6] 。植物修复的基础是超富集植物[ 7] , 国际
上目前虽已发现近 500种超富集植物 , 但公认的
Cd超富集植物只有 2 种 , 即印度芥菜 (Brassica
juncea)[ 8] 和十字花科的天蓝遏蓝菜 (Thlaspi-
caerulesens)[ 9] 。然而这些植物的生长具有很强的地
域性。近几年 , 我国已有研究者陆续报道了 Cd 超
富集植物油菜 、 龙葵 、 商陆和宝山堇菜[ 10-13] , 可
这些超富集植物一般生长缓慢 、植株矮小和地上部
生物量小 , 因而限制了它们在净化重金属污染土壤
上的应用 。解决这个问题的方法一般有两种 , 一是
寻找生长快 、生物量大的超富集植物;二是采用生
物量大的中等富集植物 , 通过一些调控措施来增加
富集浓度 , 如利用螯合剂来提高植物对 Cd的富集
研究[ 14 ,15] 。
通过野外调查发现 , 赣南钨矿区尾矿的优势植
物小飞蓬 (Conyza Canadensis L.)在含大量 Cd 、
Mo 、 W等的胁迫环境下保持了很强的生长优势 ,
该植物生长迅速且生物量大 。因此 , 本文通过水培
实验研究小飞蓬对 Cd的吸收特性 , 并研究不同浓
度 EDTA对其吸收效果的影响 。
1　材料与方法
1.1　试验材料
小飞蓬种子采集自江西大余县漂塘钨矿 (E
113°50′09″, N 25°10′16″)的尾砂库区 , 当地年平均
温度 18.5℃, 年降雨量 1563 mm , 属中亚热带季风
湿润气候区 , 库区面积有 0.34 km2。
1.2　试验方法
植物培养实验在光照培养箱中进行 , 培养箱条
件如下:温度 25℃/20℃(昼/夜), 相对湿度 65%
～ 70%, 每天光照 12 h , 光强 1.5×104 lux 。将小
飞蓬种子播种于珍珠岩和蛭石1∶1 (v/v)混合的育
苗盘中 , 每天喷洒蒸馏水维持基质的湿润 。种子出
芽 10 d后 , 喷洒 25%的 Hoagland 营养液以供生长
所需养分。30 d后将大小一致 、 长势良好的幼苗移
栽到含 1 L Hoagland营养液的培养盆中预培养。完
全营养液的组成为 (μmol/L):Ca (NO3)2 1000;
MgSO4 500;KCl 100;K2HPO4 50;H3BO3 10;ZnSO4
5;MnSO4 1.8;CdSO4 0.31;Na2MoO4 0.2;NiSO4
0.5;Fe-EDTA 50。每 3 d更换一次营养液 , 每天
用 0.1 mol/L NaOH 或 0.1 mol/L HCl调节 pH至 5.8
左右 , 保持 24 h通气。预培养 18 d后进行不同 Cd
浓度的处理 , 设定 Cd 浓度分别为 0 (CK)、 25 、
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50 、 75 、 100 μmol/L 的 5个处理 , 以 CdCl2 的形态
加入 , 同时配制含有 0.5或 1 mmol/L EDTA 的 50 、
75 μmol/L 的含 Cd 营养液。每个处理设 3次重复 ,
连续培养 40 d后收获 。
1.3　测定方法
植物收获前采用丙酮提取 、分光光度法测定功
能叶叶绿素的含量[ 16] 。植物收获后记录植物株高 、
根长 , 分别用自来水和去离子水洗净 , 于 105℃杀
青30 min , 80℃下烘干 2 h , 称其重量 , 将植物分
为地上部和根系两部分 , 粉碎后过 0.180 mm 筛 ,
采用 HNO3∶HClO4 (8∶2)消解 , ICP -AES 法 (美
国Perkin Elmer公司 , optima2100DV)测定重金属含
量。
1.4　数据分析统计
耐性指数[ 17] TI (%) =重金属处理中植物的
生物量/对照的生物量×100;转移系数[ 18] =地上
部分重金属含量/地下部重金属含量 。试验数据采
用SPSS13.0进行方差分析 (ANOVA)。文中数据均
为3次重复的平均值 。
2　结果与分析
2.1　小飞蓬生长状况
如表 1所示 , 小飞蓬的株高和地上部生物量在
不同处理下反应一致。在低 (25 μmol/L)、 中 (50
μmol/L)浓度处理下有小幅度上升 , 然后随营养液
Cd浓度的增加而逐渐下降 。较高浓度处理 (75
μmol/L , 100μmol/L)下小飞蓬的株高和地上部生
物量低于 CK处理 , 达到显著性差异 (p <0.05),
表明小飞蓬受 Cd毒害作用影响显著。小飞蓬的根
长和根系干重随 Cd浓度的增加反而呈下降的趋势 ,
在低 、中浓度中根长和根系干重略低于对照 , 但差
异不显著 , 而在高浓度处理下根长和根系干重差异
达到显著 (p<0.05)。另外 , 小飞蓬在高浓度处理
下总干重明显减少 , 达到差异显著 (p<0.05)。这
可能是随着Cd浓度的增加 , 毒害作用逐渐增强的
缘故。Cd 是植物的非必需元素 , 对植物生长 、 发
育和繁殖会产生一定的抑制作用 , 当 Cd进入植物
体并积累到一定程度时 , 会使植物呈现发育迟缓 、
叶片变小 、 卷曲 、叶颜色萎黄等不良生长状态[ 19] 。
但不同植物对Cd的耐性不同 , 出现中毒时Cd的临
界浓度也不同。耐性指数能较好地反映植物对重金
属的耐性 , 指数值越高 , 表明该植物的生物量所受
影响越小 , 对重金属的耐性越强[ 20] 。从表中数据
来看 , 小飞蓬耐性指数较高 , 尤其在低 、 中浓度处
理下并没有受到明显的毒害 。
表 1　不同 Cd 处理浓度对小飞蓬生长的影响
Cd处理浓度
(μmol/ L)
株高
(cm)
最长根长
(cm)
地上部干重
(g)
根系干重
(g)
总干重
(g)
耐性指数
TI(%)
0 68.30b 12.60a 3.48b 2.66a 6.14a —
25 70.50a 12.46a 3.61a 2.34abc 5.94a 96.87
50 70.90a 12.23a 3.62a 2.11b 5.72a 93.29
75 63.50c 11.00b 3.17c 1.92b 5.09b 82.88
100 61.00d 10.23c 2.86d 1.64c 3.27c 53.35
注:不同字母间表示差异显著 (p<0.05)。
2.2　小飞蓬叶绿素含量变化
图 1　不同 Cd处理浓度对小飞蓬叶绿素含量的影响
植物叶片叶绿素的含量是植物生长和生理代谢
的重要标志 , 叶绿素含量高低在一定程度上反映了
光合作用的水平。Cd 对叶绿体的破坏可能是由于
Cd沉积在内囊体上并与膜上蛋白体结合进而破坏
叶绿体酶系统 , 阻碍叶绿素合成[ 21] 。从图 1可以
看出 , 随着 Cd浓度的增加 , 叶绿素 a、 b含量均逐
渐降低 , 但变化不明显。因此 , 小飞蓬在含 Cd介
质下生长可降低其叶绿素含量 , 但毒害的临界浓度
可能较普通植物高 。
2.3　小飞蓬富集 Cd的特征
如表 2所示 , 小飞蓬地上部和根系的 Cd含量
随Cd浓度的增加而增加。地上部Cd含量在浓度为
75μmol/L 和 100 μmol/L 时 , 增幅较大 , 分别增加
了 80.98%和 67.82%。当外源 Cd 浓度达到 75
μmol/L时 , 地上部 Cd浓度含量与低 、中浓度处理
相比差异达到了显著水平 (p<0.05);外源 Cd浓
度继续增加至 100 μmol/L 时 , 小飞蓬地上部和根
系中 Cd含量达到最高 , 分别为对照的 209.7倍和
168.6倍。从表中转移系数可以看出 , 小飞蓬对 Cd
的吸收有很强的分异特征 , 其吸收的 Cd 主要富集
于地上部。
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表 2　不同 Cd 处理浓度下小飞蓬的富集情况
Cd处理浓度
(μmol/ L)
地上部 Cd含量
(mg/ kg)
根系Cd含量
(mg/kg) 转移系数
地上部吸收总量
(mg)
根系吸收总量
(mg)
总吸收量
(mg)
0 0.30 d 0.20 c 1.49 1.05 d 0.53 b 1.58 d
25 18.85c 20.60 ac 0.92 68.02 c 48.29 ab 116.31 c
50 20.71 c 16.59 bc 1.27 74.90 c 35.08 ab 109.98 c
75 37.48 b 26.04 ab 1.70 118.87 a 49.90 a 190.71 a
100 62.90 a 33.71 a 1.88 102.97 b 55.17 a 158.14 b
注:不同字母间表示差异显著 (p<0.05)。
　　Baker指出[ 22] , 植物对重金属的耐性具有两条
基本途径 , 一是重金属排斥性 , 即重金属被植物吸
收后又被排出体外 , 或者重金属在植物体内的运输
受到阻碍;另一途径是重金属积累性 , 但可自身解
毒 , 即重金属在植物体内以不具生物活性的解毒形
式存在 , 如结合到细胞壁上 、 离子主动运输进入液
泡 、 与有机酸或某些蛋白质的络合等。正常植物中
Cd通常低于 3 mg/kg , 但生长在富 Cd 土壤上的植
物群落含 Cd量会大于 20 mg/kg[ 23] 。从赣南钨矿区
尾矿采集的小飞蓬地上部含 Cd量 26.81 mg/kg , 地
下部含 Cd 量 14.05 mg/kg , 地上部富集系数为
1.89 , 水培实验生长的小飞蓬在较高浓度 Cd (75
μmol/L和 100 μmol/L)胁迫下地上部含量分别为
37.48 mg/kg 和 62.90 mg/kg 。综合以上现象来看 ,
小飞蓬地上部Cd含量均高于一般植物 , 属于 Cd积
累型植物 , 其生物量大弥补了地上部重金属浓度稍
低于超富集植物临界值的缺陷 , 小飞蓬地上部的
Cd吸收总量较高 , 具备了修复 Cd污染土壤的潜
力。研究还发现在试验 5 个处理中 , 当营养液 Cd
浓度在 75 μmol/L 左右时 , 小飞蓬地上部 Cd 吸收
总量达到最大 (118.87 mg), 这与小飞蓬在高浓度
Cd营养液生长下生物量的减少有关 , 小飞蓬可能
更适合在中 、低浓度的 Cd污染土壤中达到最佳的
修复效果 , 经过笔者调查和前人报道[ 24] , 赣南钨
矿区Cd污染的特点是污染浓度较低 , 但面积很广 ,
所以小飞蓬对赣南钨矿区治理 Cd污染的应用具有
良好的前景 。
2.4　EDTA对小飞蓬富集Cd的影响
在实际工程应用中可将土壤改良技术与植物修
复结合起来 , 使其在植物修复中发挥更好的作用。
例如 , 可以通过施加一些螯合剂 (如 EDTA等)来
提高 Cd的溶解度 , 从而增加植株的吸收 , 提高植
物修复效率 。
从表3可以看出 , 在50 μmol/L Cd处理中加入
0.5和1mmol/L EDTA后 , 小飞蓬地上部Cd含量分
别增加了 90.80%和 63.62%。在 Cd 处理为 75
μmol/L时 , 加入 EDTA处理后 , 植株地上部 Cd含
量分别增加了 46.58%和 10.72%。加入 EDTA 后 ,
植株体内 Cd的转移系数提高了 (表 3)。EDTA的
存在对小飞蓬生物量产生了负面影响 。所得数据表
明 , 加入 EDTA处理后 , 植株的耐性指数均有所下
降 , 因此 , 植物地上部吸收总量的变化并没有与地
上部 Cd 含量的变化一致。加入 0.5 mmol/L EDTA
后 , 植物地上部吸收总量分别上升了 91.91%和
27.58%, 但加入 1 mmol/L EDTA 后植物地上部吸
收总量却分别增加了 23.51%和减少了 12.42%。
表 3　EDTA对小飞蓬吸收和转运 Cd的影响
EDTA 处理 地上部Cd含量(mg/kg) 转移系数
地上部吸收总量
(mg)
耐性指数 TI
(%)
50μmol/L CdCl2 20.71 1.27 74.90 93.29
50μmol/ L CdCl2+0.5 mmol/L EDTA 39.51 1.25 143.74 91.90
50μmol/ L CdCl2+1 mmol/ L EDTA 33.89 1.30 92.51 86.70
75μmol/L CdCl2 37.48 1.70 118.87 82.88
75μmol/ L CdCl2+0.5 mmol/L EDTA 54.94 1.72 151.66 83.55
75μmol/ L CdCl2+1 mmol/ L EDTA 41.50 1.71 104.11 79.77
3　结论
低 、中 Cd浓度下小飞蓬能保持良好生长 , 植
物对 Cd的吸收有很强的分异特征 , 能将更多重金
属积累在地上部 。小飞蓬地上部和根系的 Cd 含量
随营养液 Cd浓度的增加而增加 , 在 Cd 浓度为 75
μmol/L时 , 植物地上部 Cd吸收总量达到最高 , 为
118.87 mg 。在低浓度 Cd污染的赣南钨矿区 , 选取
小飞蓬作为 Cd的富集植物进行修复具有良好的应
用前景 。
施用 EDTA不仅增加了小飞蓬对 Cd的富集量 ,
而且增加了 Cd向地上部分的转移效率 , 但植株的
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生物量受到了影响。综合来看 , 50 μmol/L CdCl2 +
0.5 mmol/L EDTA是一个最佳的强化修复模式 。另
外 , 在实际应用螯合剂提高植物修复效率时要进行
严格的风险评估 , 尽可能使产生二次污染的几率降
到最小。
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Effect of EDTA and uptake characteristic of cadmium by Conyza canadensis L.
YANG Fan
1 , 2 , LIU Lei1 , HUANG Jing-ming2 , LIU Zu-gen2 , YANG Guo-hua2 , FANG Hong-ya2 (1.School of Environmental
Science &Engineering , Nanchang University , Nanchang 330031;2.Jiangxi Provincial Institute of Environmental Protection Sci-
ences , Nanchang 330029)
Abstract:Conyza canadensis L.was a dominant plant growing in wolfram mine areas of Gannan , and its tolerance and uptake
characteristic were examined by a hydroponics experiment with five treatments.The results showed that Conyza canadensis L.grew
well when the cadmium concentration was 25μmol/ L and 50μmol/L in nutrient solution , and has shown a strong ability transfer-
ring cadmium from root to shoot.Addtionally , the Conyza canadensis L.has a strong uptake to cadmium , and the cadmium con-
tent in different parts of plant increased with increasing of cadmium concentration in nutrient solution , and the maximum value of
total cadmium contents uptake in shoots of Conyza canadensis L.was 118.87 mg when cadmium concentration was 75 μmol/ L in
nutrient solution.Comprehensive analysis of the growth physiology and uptake characteristic of cadmium by the species , Conyza
canadensis L.could be suitable for phytoremediation of soil with medium and low concentrations of cadmium.Adding more EDTA
in the medium increased the content of cadmium taken up by plants , but has caused certain negative influence on the total cadmi-
um contents uptake in shoots of plant.
Key words:Conyza canadensis L.;cadmium;uptake;EDTA;phytoremediation
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