缓释微胶囊玉米土壤中铅铜研究

植物修复技术以其有效、非破坏、经济等特点，正成为重金属污染土壤修复的主要手段之一，螯合诱导植物提取技术是其中的有效方法[1-3]。但将络合剂配成一定含量溶液后再施入土壤，在极短的时间内通过络合作用使土壤中重金属的活性迅速增加，而在一定时间内植物只能吸收土壤中很少一部分的重金属，其它未被植物吸收的大量活化了的重金属仍残留在土壤中，并且由于重金属的移动性，也导致了这些残留重金属随时间逐渐下移，污染地表水或地下水，对环境、生态和人体健康构成严重的潜在危害。此外，高含量的重金属离子以及螯合剂/金属螯合物对植物的胁迫作用，抑制植物的生长发育，严重影响植物的生物量，导致植物提取效率往往并不理想，由此解决络合剂施用过程中的环境风险以及植物毒害问题是关系到螯合诱导植物修复技术发展的迫在眉睫的问题[4-5]。土壤中螯合剂的含量突增是导致环境风险与植物毒性的关键所在。为了解决环境风险和植物毒害问题，很多科研工作者做了大量的工作。比如，改变螯合剂的实施时间(收获前实施)及实施方式(少量多次施加)能明显减少施加螯合剂带来的副作用[6]。近年来利用肥料造粒机制造的硅酸盐包裹EDTA[7]和烯烃聚合物包裹EDTA[8]进行强化玉米修复铅污染的土壤，研究表明能有效降低渗滤液中的EDTA及Pb-EDTA，但包裹EDTA促溶土壤中铅的时间较短。为此，本文将EDTA转化成具有缓释性能的Cap-EDTA作为螯合剂，采用大宝山矿区周边重金属复合污染的农田土壤进行重金属连续批浸提及盆栽试验，研究实施Ncap-EDTA和Cap-EDTA后土壤溶液中pH、铅和铜含量的动态变化，并分析不同EDTA对玉米生物量及其对玉米提取土壤中铅铜效率的影响，为重金属污染土壤修复提供科学依据。

1材料与方法

1.1材料化学试剂购自广州化学试剂厂，所有化学药品和试剂未作进一步的纯化处理，直接使用。Cap-EDTA[9]，去离子水和超纯水(电阻率≥18.25M?*cm)均为实验室自制。供试土壤采自广东省韶关市某铅锌矿废水污染流域农田土壤(24°28’27”N，113°48’03”E)。取0~20cm表层土壤，风干，过2mm尼龙筛，备用。土壤基本性质测定采用常规分析方法[10]，其基本理化性质见表1。玉米(ZeamaysL.cv.LvBaChaotianNo.15)，购自广东省农业科学学院，绿霸超甜15号。

1.2微胶囊EDTA对土壤铅铜的活化实验本实验设置5个处理，分别为：①Control(noEDTA)，②Ncap3，施加Ncap-EDTA3mmol•kg-1，③Ncap6，施加Ncap-EDTA6mmol•kg-1，④Cap3，施加Cap-EDTA3mmol•kg-1，⑤Cap6，施加Cap-EDTA6mmol•kg-1。每个处理设置3次重复。每个处理均称取400g风干、过筛(≤2mm)的土壤，均匀拌入上述对应的Ncap-或Cap-EDTA，装入500mL的磨口玻璃瓶。每瓶加入240mL超纯水，使其含水量为60%，拧紧瓶盖。分别在加水后0.5、2、5、10、20、30、40、60d用根际取样器抽提20mL土壤溶液，放入冰箱，备用。每次抽取土壤溶液后，再注入20mL新鲜超纯水，保持其含水量。

1.3盆栽试验盆栽试验设置5个处理，分别为：①Control(noEDTA)，②Ncap3，施加Ncap-EDTA3mmol•kg-1，③Ncap6，施加Ncap-EDTA6mmol•kg-1，④Cap3，施加Cap-EDTA3mmol•kg-1，⑤Cap6，施加Cap-EDTA6mmol•kg-1。每个处理设置3次重复。土样风干后过2mm筛，每盆土质量为5kg，基肥添加量为(以土干计)：w(N)=200mg•kg-1、w(P2O5)=100mg和w(K2O)=100mg。幼苗在长出4~5片真叶后移栽到供试污染土壤中，每盆2株，在自然光照条件下进行室内盆栽，保持土壤持水量为最大持水量的30%。植株生长30d后进行试验处理，分别加入3，6mmol•kg-1Ncap-EDTA或者Cap-EDTA。植株生长70d后，收获，用剪刀沿植株基部切取，分为根和地上部。

1.4样品处理及测定土壤风干后过2mm尼龙筛后，分析以下指标：pH，CEC，TOC，土壤粒径分布。继续过0.149mm尼龙筛后，用V(HNO3)∶V(HCIO4)=3∶2消解，分析Fe、Mn、Cu、Zn、Pb、Cd全量。其中Pb、Cd采用石墨炉原子吸收光谱仪(Zeenit60，ANALYLIKJENA，Japan)测试，其他的金属采用火焰原子吸收光谱仪(Vario6，ANALYLIKJENA，Japan)测试。抽提的土壤溶液采取上述方法测试pH、Fe、Cu、Pb等质量分数。玉米地上部用自来水、去离子水各洗涤2~3次；根先用超声波清洗器清洗，20mmol•L-1EDTA溶液交换15min去除根部吸附离子，再用去离子水漂洗和洗涤2~3次，吸干表面水分。称取其生物量，粉碎，消煮后，用石墨炉原子吸收分光光度计分别测定植株地上部和地下部Pb、Cu的质量分数。

1.5生物提取效率计算生物重金属提取效率(PP)是指单位面积内一茬植物总共提取重金属的总量[11]。公式如下：PP=Mplant×Bplant其中，Mplant是植物干样中的重金属质量分数(mgkg-1)，Bplant是植物干物质生物量(gpot-1)。

1.6数据处理与统计实验结果采用Excel和SPSS软件进行统计分析。采用ORIGIN和Excel软件作图。

2结果与分析

2.1微胶囊EDTA对土壤溶液中铅铜动态变化的影响图1是5个不同处理下土壤溶液中Pb、Cu随时间变化的曲线图。大量的研究证明，EDTA是土壤Pb、Cu活化最有效的螯合剂之一[12-13]。由图1可知，对照处理土壤溶液中Pb、Cu的质量分数一直保持在较低水平，且都不足土壤总Pb、Cu质量分数的1%。添加EDTA后，土壤溶液中Pb、Cu的质量分数产生较大变化。添加Ncap-EDTA土壤溶液中铅铜质量分数急剧升高，在当天即达到最高值，此后逐渐下降。在实施6mmol•kg-1Ncap-EDTA的第一天，土壤溶液中Pb质量分数是对照的53倍，Cu质量分数是对照的134倍；此时土壤溶液中Pb、Cu的质量分数分别占土壤铅铜总量的31%和20%。显然，实施Ncap-EDTA后，土壤溶液中重金属质量分数的突增易导致植物毒害及地下水污染。而Cap-EDTA(6mmol•kg-1)施加处理，土壤溶液中的Pb初始质量分数只是对照处理的9倍，只有Ncap6处理的1/6。因此，Cap-EDTA的缓释作用能控制土壤溶液中重金属的突增，这不仅可以减少因直接实施EDTA而带来的污染地下水风险和植物毒害，而且延长了EDTA对土壤中Pb、Cu的促溶时间，使修复植物在低重金属含量下能连续提取土壤中的Pb、Cu。施加Nap-EDTA后土壤溶液中Pb、Cu突增，然后逐渐下降这一现象与Wu等[13]及Neugschwandtner等[14]的结果一致。Wu等[13]认为，导致土壤溶液中Pb、Cu质量分数慢慢下降的原因是由于土壤中有机质、EDTA的降解导致二氧化碳的从土壤中释放量增加，从而导致土壤pH升高所引起的。而Neugschwandtner等[14]认为土壤溶液中的Pb、Cu质量分数下降的原因是土壤中铁氧化物或者铁氧水合物溶解出铁离子，溶解出来的铁离子与Pb、Cu离子竞争络合而产生的。我们的实验表明，前10d土壤溶液中的亚铁或铁离子慢慢增加，10d之后慢慢减少(图2a)。同时土壤溶液的pH在前5d下降，5~20d慢慢上升，20d后几乎保持不变(图2b)。因此，不难看出在前面10d土壤溶液中的Pb、Cu下降的原因是由于土壤溶液中的亚铁或铁离子增加，10d之后由于铁氧化物溶解、有机质及EDTA降解引起的pH上升。因此在实施螯合剂的前期，铁离子是EDTA活化土壤中Pb、Cu的主要竞争离子，因为铁离子与EDTA的络合常数(logKFe(III)-EDTA=26.5)比较大，而Pb、Cu离子与EDTA的络合常数分别为logKPb-EDTA=19.0和logKCu-EDTA=19.7[15-17]。从图2a中可知，Cap-EDTA能抵制土壤溶液中亚铁或铁离子的溶解速度。同时我们将土壤溶液中Pb的质量分数随时间变化进行曲线方程拟合，发现Pb质量分数(Ct)与时间(t)符合LnCt=LnC0－Kt方程，t1/2＝0.6932/K(t1/2为Pb离子质量分数半衰期)。且当EDTA质量分数相同时，C0和K大小次序为：Cap-EDTA<Ncap-EDTA;EDTA形式相同时，C0和K大小次序为：C0(3mmolkg-1)<K(6mmolkg-1)。因此，相对于Ncap-EDTA，Cap-EDTA促溶土壤中的Pb时具有较低初始促溶质量分数，且使土壤溶液中的Pb、Cu持续保持在一定质量分数内的时间更长。

2.2微胶囊EDTA对玉米生物量的影响图3是玉米在实施Ncap-EDTA和Cap-EDTA3d后的生长情况。实施EDTA后，大部分玉米受到不同程度的损害(发焉，发黄、卷叶)。实施高剂量的Ncap6(6mmolkg-1)，玉米叶片发黄、发黑，奄奄一息；实施低剂量的Ncap3(3mmolkg-1)，玉米最上面2片嫩叶大部分发焉；实施高剂量的Cap6(6mmolkg-1)，玉米仅嫩叶尖有点卷；实施低剂量Cap3和对照处理，玉米无明显损害。表明EDTA的施用对玉米有很大的毒害作用[18-19]，而实施Cap-EDTA的处理能明显降低EDTA在施用过程中对玉米的毒害作用。Barocsi等[19]认为植物长时间处于低含量的EDTA中，能刺激植物产生应激性，从而保护植物的根部免受EDTA及其络合物等毒害作用。而在螯合诱导植物提取土壤中重金属的植物毒害主要就来自于EDTA及其活化的螯合金属。图4是5个不同处理玉米地上部分与地下部分干物质的量。由图4可知，与对照相比，实施EDTA的处理中根部生物量均显著降低，其中Ncap6处理中根部生物量不足对照的1/3，降低极显著。但是Cap3，Ncap3，Cap6处理之间根部生物量无显著1000(a)ControlNcap37(b)差异。对于地上部的生物量来说，Cap3处理与对照无显著差异，Cap3和Ncap3处理间也无显著差异，但Ncap3地上部生物量比对照减少了22%(从25.95g•pot-1降到20.28g•pot-1)，达到显著水平。实施高剂量EDTA的处理地上部生物量显著低于实施低剂量处理的地上部生物量。尤其是实施Ncap6(6mmol•kg-1)地上部生物量只有5.67g•pot-1，不足实施EDTA当量的Cap-EDTA处理地上部生物量的1/3，只有对照地上部生物量的1/5。EDTA的实施会降低玉米的生物量和很多研究结果一致[14,20]，但是实施EDTA当量的Cap-EDTA明显减少玉米地上部生物量的降低。其原因是，Cap-EDTA具有缓释性，降低了EDTA的初始含量和EDTA引起的重金属突增，从而能缓解重金属以及螯合剂/金属螯合物的植物毒性。

2.3微胶囊EDTA对玉米地上部铅铜质量分数的影响大量的科学研究表明，EDTA能显著提高植物内重金属的质量分数[13,21-22]。从表2也可以看出，施加EDTA的4个处理玉米地上部分Pb、Cu的质量分数显著高于对照处理，而且随着EDTA的含量增加，玉米地上部Pb、Cu的质量分数也随之增加。然而实施低剂量Ncap-EDTA和Cap-EDTA(3mmolkg-1)玉米地上部Pb、Cu质量分数没有显著差异，Pb的质量分数分别为53.2、44.6mg•kg-1，而Cu的质量分数分别为30.2、32.0mg•kg-1。实施高剂量的Ncap-EDTA和Cap-EDTA(6mmolkg-1)的处理间玉米地上部Pb、Cu质量分数存在显著差异，尤其是Cu，从Cap-EDTA处理的49.7mgkg-1增加到EDTA处理的119mgkg-1，增加2.4倍之多。其原因是不同含量EDTA强化植物吸收重金属的机制不同，低剂量的EDTA及其引起的增溶重金属含量较低，对植物毒害较小，不会损害植物的根表皮和根细胞，其吸取重金属的方式是随着植物的蒸腾作用主动吸收[23]；而在较高含量的EDTA实施情况下，高含量的EDTA及其增溶的高含量Me-EDTA对植物的根部有很大的损害作用，导致根表皮破损，由于植株内外的EDTA及Me-EDTA含量差，迫使EDTA及Me-EDTA从破损的根皮或者气孔导度进入[24]。Vassil等[24]也证明，当有较高含量的EDTA存在时，重金属主要是以Me-EDTA的形式通过胁迫作用进入到植株内。因此，在植物受到损害的情况下，植株损害越严重，EDTA的含量越高，Me-EDTA越易进入植物体内[25]。所以实施Cap-EDTA的处理提供持续的低含量EDTA，其对玉米的损害很小，导致其主要吸收机制是主动吸收，从而使玉米地上部重金属的含量低于Ncap-EDTA的处理。

2.4微胶囊EDTA对玉米提取土壤铅铜效率的影响由表2可知，对照的玉米地上部Pb、Cu的累积量分别为0.67，0.57mg•pot-1。实施Cap-EDTA处理的玉米地上部Pb累积量显著高于对照处理。Cap3和Cap6玉米地上部Pb积累量分别为1.26，1.18mg•pot-1，是对照的1.9，1.8倍，分别是同EDTA当量Ncap-EDTA处理的1.4，2.3倍。这些结果表明，实施Cap-EDTA的处理相对于对照，尤其是Ncap-EDTA的处理，显著提高了玉米对重金属Pb、Cu的累积量。尽管施加Ncap-EDTA玉米地上部重金属Pb、Cu的含量要高于对照和Cap-EDTA处理。但添加Ncap-EDTA造成土壤溶液中EDTA及Me-EDTA突增，在增加玉米地上部重金属质量分数的同时，对玉米的损害很大，严重影响了玉米的生长，大大减少了玉米的生物量，从而导致其修复效果并不是很理想。而施加Cap-EDTA的能显著提高玉米提取Pb的效率。相对于Pb来说，不同形式EDTA对土壤中Cu的提取效率更低些。其中Cap3，Ncap3和Ncap6处理，玉米提取Cu的效率和对照处理比较，无显著差异。其原因是Pb更易比Cu从土壤中络合出来，也就是说络合速度PbEDTA>CuEDTA[15]。有趣的是在持续适当高的含量EDTA下，玉米对Cu的提取效率也会显著提高，比如实施6mmolkg-1的Cap-EDTA处理。

3结论

（1）Ncap-EDTA对玉米有较大毒害作用，而实施当量Cap-EDTA显著降低其对玉米的损害。实施高剂量Cap-EDTA处理玉米生物量比对照降低了1.5倍，却是实施当量Ncap-EDTA处理的3倍，而实施低剂量Cap-EDTA处理玉米生物量和对照无显著差异。（2）施加EDTA的4个处理玉米地上部分Pb、Cu的质量分数显著高于对照处理，而且随着EDTA的含量增加而增加。实施低剂量Ncap-EDTA和Cap-EDTA(3mmolkg-1)之间玉米地上部Pb、Cu质量分数没有显著差异。实施高剂量Ncap-EDTA的处理玉米地上部Pb，Cu含量显著高于Cap-EDTA处理，尤其是Cu，高达2.4倍。（3）Cap3和Cap6使玉米地上部Pb的积累分别达到1.26，1.18mg•pot-1，是对照处理的1.9，1.8倍，分别是同EDTA当量Ncap-EDTA处理的1.4，2.3倍。Cap-EDTA处理玉米对Cu的提取效率也高于Ncap-EDTA处理。