Effect of Chelates and Biochar on CD Uptake by Castor(Ricinus Communis L.)in CD Polluted Soil and the Mechanisms

摘要

土壤污染是当今世界关注的热点问题。在中国，有近20％的耕地受到污染，尤其需要指出，在农田土壤中Cd的污染指数最高为5.28，是有毒、致病的一个重要元素。镉能通过改变植物主要的生理和代谢过程对植物造成损伤。因此，我们应该采取环境友好的策略，来缓解Cd对土壤的污染。然而，应用化学和机械的方法改良被金属污染的土壤，往往比较昂贵。因此，我们需要廉价和可持续的方法来提高土壤的健康，例如种植富集金属的植物，在污染的生态系统和环境中镉的毒性水平需要采取补救措施，以保持镉在作物中的浓度。蓖麻被认为是一种有潜力的修复重金属污染和耐Cd胁迫的植物。与此同时，螯合剂可以通过打破土壤液相和固相之间的平衡，降低植物毒性，从而降低土壤污染。生物炭就是这种可以改良重金属污染的良好有机材料。生物炭增加了土壤的pH以及对重金属的吸附，因此缓解了重金属对植物根系的毒害作用。
　　本实验的土样采自武汉市的耕地土壤。风干的土壤样品用0-400 mg kg-1的硝酸镉处理，并在25℃培养。3-15 mmol kg-1EDTA、3-10 mmol kg-1NTA、10-25 mmol kg-1柠檬酸铵及3％和6％的稻草秸秆生物炭应用到镉污染的土壤中，检测其改良效果。同时，在每个处理中种植蓖麻30-40天。结果表明:
　　(1)暴露于一定Cd浓度下的蓖麻，其生长和对重金属的提取效率有一定的变化。相比于空白处理，随着螯合剂浓度的增加蓖麻株高显著下降。例如，用3-15 mmolkg-1 EDTA蓖麻株高降低了29-41％，3-10 mmol kg-1NTA蓖麻株高降低了55-22％，10-25 mmol kg-1柠檬酸铵蓖麻株高降低了18-21％。此外，相比于空白(处)理的镉污染土壤在15 mmol kg-1 EDTA,10 mmol kg-1 NTA，25 mmol kg-1柠檬酸铵处理下，螯合剂和蓖麻干重也显著下降，分别下降了64-114％，25-51％和36-42％。在25 mmol kg-1柠檬酸盐(处)理下，不同螯合剂的应用随着土壤中镉浓度的增加而增加，例如3-15 mmol kg-1EDTA，3-10 mmol kg-1NTA，10-25 mmol kg-1柠檬酸铵。与对照相比，在25 mmol柠檬酸盐，10 mmol NTA，EDTA处理下土壤中镉浓度高达54％，53％和26％。同样在25 mmol柠檬酸盐(处)理下蓖麻的叶、茎和根组织中镉的摄入浓度高达2％，5％和3％。同时，与空白处理相比，在15mmol EDTA和25mmol柠檬酸盐(处)理下，蓖麻叶、茎和根中Cd的生物富集系数(BCF)的值分别显著增加(0.4，0.8，1.2)。而且相对于空白对照，在15 mmol EDTA处理下，在叶与土壤和叶与根的Cd浓度此达0.61％。红外光谱分析表明，螯合剂处理的镉污染土壤对金属有更强的吸附性，可能是由于螯合剂和金属通过官能团的配位作用与金属离子产生稳定的配合物。
　　(2)在污染的土壤中，综合螯合剂在增加金属溶解度微生物量碳和可溶性有机碳的含量，具有重要作用。和两个镉水平(-Cd and+Cd)相比，每个小区的5千克土壤用三种螯合剂处理（15 mmol EDTA、10 mmol NTA和25 mmol柠檬酸铵）3次。与空白相比，在施入柠檬酸盐和EDTA后土壤中提取的镉浓度分别增加了0.82mgkg-1和0.64 mg kg-1。在Cd污染土壤中经1.03 mg kg-1柠檬酸盐和EDTA0.61 mg kg-1处理后，蓖麻植物组织中Cd浓度有显著增加。在1032-1053 cm-1的红外光谱结构，柠檬酸铵螯合剂处理的土壤具有清晰的带，并且在污染和没有污染的土壤中差异明显。我们也发现与空白相比在镉污染土壤中分别用NTA和柠檬酸铵处理后，MBC分别增加了81.98和80.37 mg kg-1。与空白相比，柠檬酸盐和NTA的施入使DOC的浓度增加了1.96和1.90 mg kg-1。然而，在EDTA处理的土壤中植物提取潜力在镉污染的土壤中显著增加。由此可见，在污染土壤中DOC，MBC和有效态金属之间有密切的关系。然而，我们发现在无污染土壤中与MBC之间没有太大的联系。
　　(3)与空白对照相比，在25和50 mg kg-1 Cd胁迫下评估蓖麻的生长过程中就株高和生物量而言是降低的。我们的研究结果表明，在25-50 mg kg-1 Cd含量下蓖麻的生长和生物量显著下降，与空白相比蓖麻的茎、根和株高显著下降了71％-116％，166％-200％和48％-84％，而且蓖麻根，茎、叶中镉浓度随土壤中镉浓度的升高而增加。同时结果也表明在，在50 mg kg-1 Cd浓度胁迫下蓖麻植物组织中镉浓度显著增加，叶，茎，根中镉浓度分别增加了2倍，1.8倍和1.5倍相比于空白。本研究结果表明相对与空白实验过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)酶活性（215.30μg kg-1和53.20μg kg-1）在50 mg kg-1 Cd浓度胁迫下显著增加，在25和50 mg kg-1 Cd胁迫下丙二醛和叶绿素的含量（3.11％和0.48％）均显著降低。
　　(4)与空白相比，在实验过程中经水稻秸秆+6％的生物炭处理后，CaCl2提取显示土壤中Cd的浓度显著地下降了79％，经6％水稻秸秆生物炭单独处理后蓖麻茎和根中Cd的浓度分别降低了60％和74％。水稻秸秆生物炭(RSB)的应用能显著提高土壤pH值。通过提高土壤pH值和有机碳含量可以降低重金属的有效性。生物炭处理的土壤具有较高的Zeta电位，比未添加生物炭的土壤具有更好的吸附Cd的能力。
　　本研究的结果表明，蓖麻在螯合剂的辅助下对Cd污染土壤修复能取得令人满意的效果，其也可能是Cd胁迫下植物修复的最佳选择。