赵芮芮,徐秀月*,王宁宁,赵满满,陈浩

(1.贵州师范学院 地理与资源学院,贵州 贵阳 550018;2.外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室(重庆地质矿产研究院),重庆 401120)

工业革命以来,人类活动特别是对化石燃料的需求量也随之增加,导致对煤炭的开采量也随之加大,与此同时煤矸石的排放量也随之增大。相关数据显示,煤矸石的产量约占煤炭产量的10%,我国2020年煤矸石的总积累量已达70多亿 t,煤矸石已经成为我国积累量和年增长量最大、占用土地最多的工业废弃物[1]。针对矿区煤矸石造成的严重环境污染,特别是对周边土壤造成的重金属污染,国内外专家和学者都给予高度重视,并采取了相应的控制措施,但是传统的煤矸石污染处理大多为末端治理技术,由于煤矸石长年累月的释放,导致处理成本的逐年上涨,采用的末端处理方式多为物理法、化学法和生物法等[2],其修复过程容易造成二次污染,且对煤矸石及周围的环境的生物多样性造成不可逆转的损害,因此积极研究煤矸石源头控制技术是当前严峻形势下的迫切要求[3]。

植物修复以其价格低廉、对环境影响小、使用广泛、操作简便、安全可靠、可美化环境、并可在生长过程中减少土壤污染物等优点,从诞生的那刻起,就很快被各国学者所重视,并逐渐进行深入研究[4-5]。尽管国内外研究学者对植物修复进行了大量的研究,但绝大多数的植物具有植株矮小、生长速度较为缓慢且地域性强的特点,造成了修得效率低、修复时间漫长等缺点,均成为制约植物修复技术的瓶颈问题。豆科植物紫花苜蓿具有生长快、生物量大、根系发达且适应性强等特点[6],被应用于Cd[7-8]、Mo[9]污染土壤的修复,根瘤菌与豆科植物共生不仅可为豆科植物提供氮素,而且还可以通过合成铁载体和植物激素、溶解无机磷、降低乙烯水平与抑制植物病害等多种方式来促进豆科植物的生长,增加其生物量[10]。根瘤菌可与豆科植物形成共生体系参与污染土壤 Hg[11]、Ni、Zn、Cu、Cd[12]的修复,而对煤矸石污染土壤的修复却未见报道。基于此,本研究采用温室盆栽的试验方法,以煤矸石污染土壤为研究对象,探讨不同比例根瘤菌的添加对煤矸石污染土壤中紫花苜蓿富集和转移特征金属能力进行分析与评价,以期为煤炭开采和洗选地区煤矸石污染土壤的原位控制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤采自贵州师范学院周边田间土壤,采集0～20 cm的表层土样,经自然风干,去除杂草、砂石等杂质后研磨过2 mm的尼龙筛,装袋备用;煤矸石来自贵州省清镇市某矸石堆场,土壤及煤矸石的理化性质见表1。紫花苜蓿( Medicago sativa L.) 种子购于网上农资专卖店,根瘤菌购于上海瑞楚生物科技有限公司。

表1 土壤及煤矸石理化性质

1.2 试验设计

试验于2022年3～7月在贵州师范学院温室大棚开展,本试验共设4个处理组:CK:不添加根瘤菌的植物组;MR1:按质量比添加0.5%根瘤菌的植物组;MR2:按质量比添加1.5%根瘤菌的植物组;MR3:按质量比添加3%根瘤菌的植物组,本试验每个处理组分别设置3个重复。

供试土样2 000 g与煤矸石500 g充分混合后置入塑料花盆中来模拟煤矸石污染土壤,并于室内静置一周,将不同比例的根瘤菌置入相应处理组中,拌匀后加水至50%田间持水量,静置过夜;紫花苜蓿种子经75%的酒精浸泡30 s杀菌处理,并用去离子水冲洗干净后,选取颗粒饱满的种子播种于相应花盆中,15 d以后进行间苗,整个实验过程中随机交换花盆位置,并定期浇水,植物种植90 d后收获。

1.3 样品采集与分析

试验结束后将紫花苜蓿地上部分、地下部分分别用不锈钢剪刀截取后用自来水洗净,并用去离子水冲洗后,将植物放入烘箱中,105 ℃下杀青30 min后,75 ℃烘干至恒重。然后将植物粉碎后过100目(孔径0.15 mm)筛,并装入自封袋中备用,根际土壤样品自然风干后过100目(孔径0.15 mm)筛备用。

煤矸石污染土壤的pH值按固液比1∶5(g∶mL)(干样计)加入纯净水后,pH计(PHSJ-3F型,上海雷克斯)进行测定;有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法进行测定;采用硝酸-氢氟酸-高氯酸高温溶解土壤及植物样品进行消解,使用电感耦合等离子体质谱仪(iCAP RQ,赛默飞世)测定土壤中Mn、Cu、Zn、Pb和Cd,Fe采用(WFX-110,北京瑞利)进行测定。

富集系数(BCF)= 紫花苜蓿地上部分特征金属含量/土壤特征金属含量

(1)

转运系数(TF)= 紫花苜蓿地上部分特征金属含量/紫花苜蓿根部重金属含量

(2)

1.4 数据处理与分析

使用IBM SPSS statistics 19进行数据统计与分析,采用Origin 2023作图。采用富集系数、转运系数对紫花苜蓿的富集能力及转运能力进行分析与评价。

2 结果与分析

2.1 煤矸石污染土壤pH值与有机质的变化

各处理组中煤矸石污染土壤的pH值及有机质变化如图1所示,90 d实验结束后,接种根瘤菌的各处理组中土壤pH值略有上升,CK处理组的pH值为6.47,MP1、MP2和MP3各处理组中土壤pH值分别为6.42,6.49和6.64,有研究表明[13],接种根瘤菌可以使营养液pH值从4.8升至7.5左右,接种根瘤菌可以有效地缓减酸对植物的伤害,本研究中pH值增幅较小,可能是与根瘤菌在代谢过程中分泌有机酸等多种代谢产物有关[10],根瘤菌在代谢过程中通过分泌有机酸、氨基酸等来改变土壤的理化性质,并促进植物的生长[14]。本试验中污染土壤中有机质量随根瘤菌的接种量增加而升高,CK处理组中有机质含量为12.4 mg·kg-1,MP3处理组中有机质含量达到16.3 mg·kg-1,接种根瘤菌对土壤有机质的增长有一定的作用,且随着接种量的增加,根际土壤中有机质的含量有稳步上升的趋势,这与前人的结果相似[15-16]。

图1 土壤中pH值、有机质的变化

2.2 根瘤菌对紫花苜蓿富集、迁移特征金属的影响

2.2.1 根瘤菌对紫花苜蓿体内特征金属含量的影响

植物对重金属的富集能力是生态修复的重要内容,是评价植物富集各类重金属能力的重要指标。植物对重金属的富集量与根际土壤的理化特征[17]、植物种类[18]及根际土壤重金属含量有关[19]。该实验中各处理组紫花苜蓿对煤矸石污染土壤中特征金属的富集量如图2所示,接种根瘤菌会对紫花苜蓿体内特征金属的含量产生一定的影响。接种根瘤菌使紫花苜蓿地上部分和地下部分Fe的含量有一定量的增加,CK处理组中地下部分Fe含量为177.4 mg·kg-1,与CK处理组相比,MP1、MP2和MP3地上部分Fe含量分别提高6.6,10.1,38.4 mg·kg-1,地下部分Fe含量分别增加了3.9%,5.6%和21.9%,这可能是由于根瘤菌代谢过程中产生的一系列有机酸促进了根际有效态Fe含量的增加,增强了根际土壤中Fe的活性,进而使植物对Fe的富集量增加;紫花苜蓿地下Mn含量略有增加,与CK相比,MP3组中地下部分Mn含量增加17.1%,根瘤菌接种量为0.5%和1.5%时对紫花苜蓿地上部分Mn含量影响不明显,当根瘤菌接种量达到3%时,植物地上部分Mn的含量有一定幅度的增加;各处理组中紫花苜蓿地上及地下部分Cu含量变化均有一定量的增加,当根瘤菌接种量小于1.5%时,紫花苜蓿地上部分Cu含量变化不明显,当根瘤菌接种量为3%时,与CK相比,紫花苜蓿地上部分Cu的增加率达18.6%,地下部分Cu含量增加71.7%;根瘤菌与豆科植物共生可以迅速繁殖,有研究表明,一个根瘤菌不仅可以繁殖108细菌后代,其为植物提供一定的氮素,可以通过其分泌物促进植物的生物以及对重金属的积累[10]。MP3处理组中,紫花苜蓿地上部分及地下部分Zn、Cd、Pb含量明显高于其他处理组,说明只有根瘤菌的添加量达到一定比例时,才会促进紫花苜蓿体内Zn、Cd、Pb含量的增加,这可能是由于接种一定量的根瘤菌可提高植物的生物量[6,20],使植物根系表面积增大,加大了植物根系与污染土壤的接触范围,同时根瘤菌也容易结合环境中的活性金属阳离子到其根系表面,进一步促进植物地下部分对重金属的吸收和富集[21]。根瘤菌与紫花苜蓿共生能够形成稳定的互惠关系,紫花苜蓿为根瘤菌提供了必要的碳源及其他营养元素,根瘤菌可以通过分泌物来促进植物生长物质,进而使污染土壤的特征重金属在植物体内有不同幅度的增加。以上结果表明,接种根瘤菌会影响紫花苜蓿对污染土壤特征金属的富集,但其富集量与根瘤菌接种量及重金属的种类不同而不同。

图2 不同处理组紫花苜蓿体内特征金属的含量

2.2.2 根瘤菌对紫花苜蓿富集、迁移重金属的影响

植物对重金属的富集系数是用来反映重金属元素从土壤向植物体内迁移的难易程度,转运系数是植物地上部分或者植物茎叶部分重金属含量与植物根系重金属含量的比值,说明植物地上部分或茎叶部分对重金属元素的吸收能力的差异。根据上述公式(1) (2),将不同处理组中紫花苜蓿及污染土壤中特征金属含量进行计算,分别得到不同处理组中特征金属在植物地上部分、地下部分的生物富集系数及转运系数,计算结果如表2所示。根瘤菌对紫花苜蓿富集特征金属的富集系数有一定影响,不同处理组中紫花苜蓿对于污染土壤中6 种特征金属的生物富集系数差异比较大,大小顺序是Cd>Mn>Pb>Zn>Cu>Fe,其中Cd 的生物富集系数最大,MP2处理组中,植物地上部分对Cd的富集系数为0.509 1,其次为Mn,其余4种重金属的生物富集系数均小于0.1,其中最小的为Fe,各处理组中紫花苜蓿地上及地下对Fe的富集系数均小于0.01,可能是紫花苜蓿会通过自身排斥机制来抑制其对各特征金属的富集和迁移[18],由此可知,紫花苜蓿对Cd富集能力较强。根瘤菌对紫花苜蓿转运特征金属具有一定的影响,紫花苜蓿体内,6种重金属元素转运系数的差异性较大,不同处理组中紫花苜蓿对Cd的转运系数均大于1,说明紫花苜蓿能较容易地将Cd从地下部分向地上部分进行转移,紫花苜蓿对Cd具有较强的植物提取能力。

3 结论

(1)根瘤菌的添加使煤矸石污染土壤的pH值及有机质含量升高,根瘤菌促进紫花苜蓿地上及地下部分Fe含量的增加,根瘤菌添加量小于1.5%时,根瘤菌对紫花苜蓿体内Mn、Cu、Zn、Pb和Cd的含量无显著影响,当添加量达到3%时,紫花苜蓿体内Mn、Cu、Zn、Pb和Cd均有一定幅度的增加。

(2)根瘤菌对紫花苜蓿的生物富集系数产生一定的影响,紫花苜蓿体内Fe、Mn、Cu、Zn、Pb、Cd等6种特征金属的生物富集系数整体趋势与紫花苜蓿体内地上、地下两部分的变化趋势基本一致。各处理组中紫花苜蓿对Cd的富集能力较强,其次为Mn。各处理组中紫花苜蓿对Fe、Mn、Cu、Zn和Pb的转运系数差异性较小,不同处理组对Cd的转运系数大于其他特征金属,说明根瘤菌与紫花苜蓿共生在煤矸石污染土壤的修复中具有较大潜力,特别是对Cd具有较强的植物提取能力。