镉超富集植物商陆及其富集效应

摘要：超累积植物筛选是重金属污染土壤植物提取修复的基础和核心问题，同时也是污染环境植物修复的难点及前沿。对株
洲市铅锌冶炼厂生产区生长的 8 种不同的植物进行了采样和调查。通过生物量测定和植物体内镉质量分数分析，发现商陆
（Phytolacca acinosa）体内镉质量分数较高，生物量大，且呈现地上部的质量分数大于地下部的规律。通过室外盆栽模拟试
2 实验结果与讨论
2.1 超富集植物的选择 表 1 给出了 8 种草本植物及根部土壤镉质量分
数的测定结果。该表说明： （1）不同污染程度土壤中生长的不同植物对各
种重金属的富集能力各有差别。有的植物在高质量 分数重金属胁迫下有较大的富集量，接近超累积植
物的标准。对 Cd 吸收富集能力较强的主要有白苏 (65.7 mg·kg-1)，商陆(63.8 mg·kg-1)。
与其它植物类似的，在镉污染土壤中生长时间 的长短将影响其生物量的变化。3 个月时地上部干 重比空白降低，但降低量较 5 个月时的要小很多。 据此，对商陆也可采取一年收获两季的方法，一是 可将 Cd 毒害降低生物量程度大大缩小，二是一年 收获两次可获得更多的生物量。故确定 3 个月生长 期为商陆的最佳生长时间。 2.2.2 商陆各部对镉的富集特点
生态环境 2006, 15(2): 303-306 Ecology and Environment
http://www.jeesci.com E-mail: editor@jeesci.com
镉超富集植物商陆及其富集效应
聂发辉 1，2
1. 同济大学环境科学与工程学院，上海 200092；2. 华东交通大学土建学院，江西 南昌 330013
219.25
33.7
512.95
23.08
338.63
1.67
241.92
312.65
29.8
523.72
22.48
403.41
土壤中镉质量分数 /(mg·kg-1)
0 5 20 50 100 150 200
表 3 10 月商陆各部位的生物量和镉质量分数 Table 3 Biomass and Cd mass fraction of Different Organs of Phytolacca acinosa Roxb in October
在林学院校园内采集供试植物进行盆栽试验。 每天以生活污水灌溉，补充植物生长所需的 N、P 等营养元素。采用林学院教职工单身宿舍区生活污 水。其中 Cd、Zn、Pb 均未超标，且含有丰富的 N、
基金项目：中-挪合作《株洲环境工程项目》（国科外字（1996）第 339 号）；湖南省自然科学基金项目（02JJY4058）；华东交通大学科研基金资 助项目（304109）
商陆在 5 mg·kg-1 镉质量分数处理上的生长良
土壤中镉质量分数 /(mg·kg-1)
0 5 20 50 100 150 200
表 2 8 月商陆各部位的生物量和镉的质量分数 Table 2 Biomass and Cd mass fraction of Different Organs of Phytolacca acinosa Roxb in August
植物种类 商陆 Phytolacca acinosa 土荆芥 C.ambrosioides 乌蔹莓 C.japonica Gagnep 吉祥草 Reineckea carnea Kunth
表 1 植物体内 Cd 的质量分数 Table 1 The Cd mass fraction of Cd in plant
本文首先在开展野外调查基础上，研究了株洲 冶炼厂生产区分布较广、生物量较大的 8 种常见草 本植物，并分析土壤和植物体内重金属含量，然后 筛选出生物量大，生长良好且植物体内镉质量分数 大的商陆做进一步盆栽试验。在盆栽试验过程中， 通过分期测定在不同镉质量分数土壤中植物的生 物量和植物各部位的镉质量分数，最终明确商陆对
211.58
254.1
34.8
661.42
26.9
431.68
270.87
362.42
31.2
668.81
20.04
482.25
聂发辉：镉超富集植物商陆及其富集效应
好，其生物量较空白水平有一定量增加，因而实验 再次说明 5 mg·kg-1 镉是大多数植物能够积极接受 的一个质量分数。此后，随着土壤中镉质量分数的 增加，它的吸收系数和转运系数大体呈现一个下降 的趋势。这可能是由于根部积累重金属, 根部的代 谢和吸收机能受到抑制[8,9]。
吸收系数
18.92 7.49 4.55 2.86 2.26 2.02
根
茎
叶
地上部
转运系数 w(Cd)/(mg·kg-1) w(Cd)/(mg·kg-1) 干质量/(g·株-1) w(Cd)/(mg·kg-1) 干质量/(g·株-1) w(Cd)/(mg·kg-1)
1.55
6.21
7.63
41
12
33.59
11.73
12.46
42.5
43.08
35.86
26.47
41.69
55.17
43.4
223.41
29.85
123.73
78.59
82.8
40.9
365.44
28.71
199.37
104.22
127.67
38.7
482.51
27.84
276.13
158.04
189.82
37.5
620.36
27.5
371.97
验，进一步研究商陆对土壤中镉污染的忍耐、积累能力，以检验这种植物修复 Cd 污染土壤的可能性及其潜力。结果表明，
在 Cd 污染水平大于 50 mg·kg-1 条件下，商陆茎及叶的 Cd 含量分别超过了 100 mg·kg-1 这一公认 Cd 超积累植物应达到的临
界含量标准，其地上部 Cd 含量大于其根部 Cd 含量，且地上部 Cd 富集系数大于 1。与对照相比，植物的生长未受到抑制，
吸收系数
24.75 9.97 5.52 3.72 2.88 2.41
转运系数
2.26 2.97 2.54 2.65 2.35 2.04 1.78
根
茎
叶
地上部
w(Cd)/(mg·kg-1) w(Cd)/(mg·kg-1) 干质量/(g·株-1) w(Cd)/(mg·kg-1) 干质量/(g·株-1) w(CHale Waihona Puke Baidu)/(mg·kg-1)
（2）白苏、土荆芥、芋麻、野蒿和商陆的茎叶 中镉的质量分数较根要高出许多，这与地下器官富 集能力通常强于地上器官相悖。分析原因有两种可 能，一是这几种植物吸收重金属由地下部分向地上 部分转移率都较高；第二是由于这几种植物叶片均 较粗糙，这是冶炼厂附近空气中含有重金属被植物 叶片吸附所致。前四种植物叶片粗糙，表面可分泌 粘性物质，可归纳为第二种原因[7]。商陆的叶片较 光滑，叶片对镉的吸附量不可能太大，究其原因则 可能是镉在其体内的运输能力较高。这还需要通过 进一步实验来验证，在这里不作详细的讨论。因此， 实验筛选出的商陆是一种具有较高镉含量体裁衣 的植物。其根系发达，枝叶繁茂，高可达 1.3~1.5 m， 地上部分生物量大，根据植物生物量×重金属质量 分数即为去除的重金属总量，认为商陆去除总量较
商陆对 Cd 的富集符合 Cd 超积累植物的基本特征。同时，利用吸收量系数对商陆的镉去除能力和富集特征进行了评价判断，
证实商陆是一种 Cd 超积累植物，这为镉污染土壤的植物修复提供了一种新的种质资源。
关键词：商陆；植物修复；镉；超富集植物
中图分类号：X173
文献标识码：A
文章编号：1672-2175（2006）02-0303-04
重金属的吸收富集特点，探讨它在环境净化上的应 用潜力，以期了解将它们应用到污染环境的植物修 复可行性。
1 实验材料与方法
1.1 Cd 超富集植物选择 1.1.1 株洲冶炼厂概况
株洲冶炼厂始建于 1956 年 12 月，是全国最大 的冶炼厂之一。冶炼厂以 Cd、Pb、Zn 污染最为严 重。据 1974 年中国医科院卫生研究所调查，厂区 土壤 Cd 质量分数最高达 106.0 mg·kg-1（以湿土质 量计算），一般在 2 000 m 内污染较重。 1.1.2 野外调查与采样
作者简介：聂发辉（1977－），男，讲师，博士研究生，主要从事城市污水生化和生态处理方面的教学研究。Tel: +86-021-65987557；E-mail: wyynfh@yahoo.com.cn
收稿日期：2005-11-19
304
生态环境 第 15 卷第 2 期（2006 年 3 月）
P 营养元素，因此可作为灌溉用水。为避免农药对 植物及试验结果可能产生的不良影响，主要使用人 工方法杀虫。
商陆各部位镉质量分数与土壤中镉质量分数 关系见图 1 和图 2。
600
500
根
茎
400
叶
植植物物体体内内镉镉质质量量分分数数m/(g•mkgg-·1kg-1)
300
200
100
0 0 5 20 50 100 150 200
土壤中土镉壤质中量镉质分量数分/(m数g/·mkgg•-1k)g-1 图1 8月商陆中镉的质量分数曲线 图Fig1ure18M月as商s f陆rac中tio镉n p的rof质ile量of分Cd数ac曲cu线mulated Fig. 1 MasbsyfPrahcyttioolnacpcaroafciilneoosaf RCodxbacicnuAmuugulastted
植物修复（phytoremediation）是近年来国际上 兴起的一种治理重金属污染土壤的新技术。其基本 思想是将自然生长或遗传培育的超富集植物种植 于污染土壤上，吸收重金属，从而降低土壤重金属 含量，达到治理的目的[1]。由于该技术具有高效低 耗、保持水土、工程小、无二次污染、能减少土壤 侵蚀、美化景观等优点，在清除土壤重金属污染方 面有着广泛的应用前景，已经成为国际学术界的研 究热点，因此被誉为廉价的“绿色修复技术”[2]。尽 管国际上报道的超积累植物的总数已有几百种之 多，但大多是 Ni 超积累植物，其总数约 400 多种， 而超富集镉的植物仅两种[3,4]。我国地大物博，植物 资源丰富，为开展相关研究提供了良好基础。但遗 憾的是目前已知的这些超富集植物中绝大多数生 长缓慢，植株矮小，地上部生物量小，很难进行机 械收获作业，因此一些学者对植物修复技术提出了 质疑，认为这些已知的小型的超富集植物不适宜开 展大面积污染土壤的修复[5,6]。于是鉴于上述现状， 寻求生物量大且生长快的超富集镉的植物就成为 本课题的研究重点。
9.6
3.05
30.98
25.99
45.3
183.83
34.82
94.59
3.08
48.57
54.72
39.6
294.22
26.06
149.78
2.65
85.9
106.82
38.5
407.47
25.75
227.31
2.28
125.48
158.25
36.4
485.99
23.28
286.09
1.89
179.14
根 58.6 55.8 15.4 32.0
大，有很好的应用前景，因此可对其进行下一步盆 栽实验。 2.2 盆栽试验 2.2.1 不同质量分数镉对商陆生长的影响
表 2 和表 3 给出商陆各部位的干质量及所富集 镉的质量分数。
如表所示，商陆具有单株生物量很大的特点。在各 质量分数水平上，商陆的生物量会随镉质量分数增 大而减小，由于其本身生物量大的特点，即使生长 受阻后仍能保持较大生物量，这使得以往超富集植 物生物量太小的缺点得以解决。
植物生长时间从当年 5 月 15 日到 10 月 15 日。 1.2.3 处理水平
待植物成活后，在土壤表面直接淋加镉溶液， 溶液采用 Cd(NO3)2 配制。共有 7 个处理水平，施 Cd 质量分数分别为：5、20、50、100、150、200 mg·kg-1 （干土）以及一个空白试验。每个水平设 3 个重复 （即种植 3 株植物）。
2003 年 5 月，在冶炼厂生产区采集植物样品。 调查区域的面积约为 3 km2。调查时选取不同镉污 染程度的调查点（生产车间门口和厂区外花池）， 选择分布较多、生长良好的草本植物，分别采集植 物的不同部位（根、茎、叶）。 1.2 盆栽试验 1.2.1 供试植物
除商陆外还有其他几种植物，选择对象是湖南 省分布较广、生物量大、生长速度快，具有一定观 赏或经济价值的植物。 1.2.2 装盆与栽培
茎叶 41.4 46.6 29.3 20.5
根
植物种类
34.8
一年蓬 Phytolacca acinosa
43.8
白苏 Paraphlomis albida
30.0
荨麻 Urtica fissa
15.6
野艾蒿 A.lavandulaefolia
茎叶 62.1 65.7 17.6 51.2
mg·kg-1