中低汞污染下2种汞富集植物的发现

樊政 王新伟 喻小刚 杨晓霞 王欢欢 王一鸣 桂玉茹 郑步云

摘要[目的]通过实地调研及实验室模拟法筛选汞的富集植物。[方法]采用冷原子荧光光谱法测定万山汞矿植物汞含量，在此基础上，通过实验室模拟法，研究更高土壤汞浓度下，优势植物的汞富集能力。[结果]在土壤汞浓度较低（0.141 mg/kg）时，苣荬菜（Sonchus brachyotus DC.）和野艾蒿（Artemisia lavandulaefolia）具有很高的转运系数，分别为5.95和5.28。根据实验室模拟结果，在土壤汞浓度为4.54和2.76 mg/kg时，苣荬菜和野艾蒿的转运系数分别为1.92和1.26。[结论]在中低土壤汞污染水平下，综合比较9种植物的富集系数、转运系数、生物量及生长繁殖速率等指标，苣荬菜和野艾蒿可作为2 种新型汞富集植物。

关键词汞富集植物；万山汞矿；转运系数；富集系数

中图分类号S181；X53文献标识码

A文章编号0517-6611（2017）19-0062-04

The Discovery of 2 Kinds of Mercury Enrichment Plants Under Low and Middle Mercury Pollution

FAN Zheng ，WANG Xinwei*，YU Xiaogang et al

（China University of Petroleum （Beijing）， State Key Laboratory of Oil and Gas Resources and Exploration， Beijing 102200）

Abstract[Objective]Screening out Hg enrichment plants through field investigation and laboratory simulation method.[Method]Determining Wanshan mercury mine plants Hg content by cold atomic fluorescence spectrometry， on this basis， explore the enrichment ability of Hg in dominant plants under higher soil pollution through laboratory simulation method.[Result]When mercury concentration in soil was low （0.141 mg/kg）， Sonchus brachyotus DC.and Artemisia lavandulaefolia still has a high transfer coefficient，were 5.95 and 5.28， respectively.According to the simulation results，the transfer coefficient of Sonchus brachyotus DC.and Artemisia lavandulaefolia were 1.92 and 1.26 at soil Hg concentrations of 4.54 and 2.76 mg/kg.[Conclusion]As the enrichment coefficient， transfer coefficient， biomass and growth rate were compared，Sonchus brachyotus DC.and Artemisia lavandulaefolia can be regarded as 2 new mercury enrichment plants under the low and middle level of soil mercury pollution.

Key wordsMercury enrichment plants；Wanshan mercury mine；Transfer coefficient；Enrichment coefficient

汞具有長程跨界污染的属性，是除了温室气体以外唯一一种对全球范围产生影响的化学物质，由于其持久性、生物蓄积性和毒性，已被联合国环境规划署列为全球性污染物[1]。随着1953年日本水俣湾汞污染以来，全球汞污染事件不断升级，很多国家开始重视防治汞污染。研究表明，约95%的人为排放汞驻留在土壤[2]，因此，各国学者对土壤汞的关注尤为密切。

植物修复技术和化学修复、物理修复、微生物修复等技术手段相比，具有成本低、不破坏土壤、不引起二次污染、效率高且保护生态环境等优点。因此，自1983年植物修复技术被美国科学家Chaney等首次提出以来，得到了广大学者的重视[3]。在所有的重金属中，对砷、锌、铅、锰及镉等的富集植物研究较多[4-10]，相比之下，对汞富集植物的研究并不多[11]。王明勇等[12]研究发现，大戟科乳浆大戟（Euphorbia esula Linn）具有较强的汞富集能力，但其富集系数和转运系数不高。Liu等[13]发现了截至目前报道的汞富集能力最强的植物──三叶草（Trifolium repens），但该结果只是在实验室的含汞溶液中得出的，尚未证实在受汞污染土壤中的修复效果。可见，日益增长的土壤汞修复需求和相对滞后的土壤汞研究进展形成了矛盾。由于自然选择作用，在矿区内往往存在某些重金属的超富集植物或富集植物，这些植物的发现与培养成为植物修复的重要保证[14]。笔者对贵州万山汞矿区的植物进行了采集检测，筛选后进行实验室模拟，以期找到一种汞的富集植物或超富集植物，为进一步探索植物的汞富集机理奠定理论基础。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1研究对象。万山汞矿的

苣荬菜（Sonchus brachyotus DC.）、抱茎苦荬菜（Xeris sonchifolia Hance.）、

野艾蒿（Artemisia lavandulaefolia）、牛膝（Achyranthes bidentata）、千里光（Senecio scandens Buch.Ham.）、

贯众（Cyrtomium fortunei J.Sm.）、求米草（Oplismenus undulatifolius）、凤尾蕨（Spider brake）、铁角蕨（Asplenium trichomanes L.Sp.）

9种植物、土壤及实验室收获的2种植物（苣荬菜、野艾蒿）及土壤。

1.1.2主要试剂。HgCl2晶体、新鲜王水、超纯水、BrCl溶液、NH2OH·HCl溶液、纯氮、营养土、植物营养液。

1.1.3主要仪器。冷原子荧光光谱仪（北京吉天仪器有限公司，AFS-920）、微波消解炉、粉碎机、恒温箱、植物培养箱、全光谱植物灯。

1.2方法

1.2.1样品采集。2015年8月在我国汞都──贵州万山进行实地调研，并系统地采集万山汞矿矿山地质环境一坑（黑洞子）的植株样及土样。同时采集万山汞矿六坑（张家湾）的土样作为对照。植株样按地上部、地下部分装，土样以0～5 cm表土采集。采样点分布见图1。

1.2.2样品前处理。

1.2.2.1土壤样品前处理。把土壤样品均匀混合，使用四分法缩分去除土样中的小石子等异物，放在阴凉处风干，用研钵研磨。过100目尼龙筛，称重，装于玻璃瓶中，用锡纸封装，贴上标签，备用。

1.2.2.2植物样品前处理。先用自来水彻底冲洗植株，再使用去离子水淋洗，把洗净的植株分为地下部（根）和地上部（茎、叶），风干6 h，置于恒温箱中于50 ℃烘干，用粉碎机粉碎，过100 目尼龙筛，称重，分装于玻璃瓶中，用锡纸封装，贴上标签，备用。

1.2.3汞含量的测定。采用《中华人民共和国国家标准GB/T 17136—1997》方法进行土样和植株样中汞含量的测定（委托北京市农林科学院植物营养与资源研究所进行测定）。

1.3实验室培育及模拟

通过Hg含量检测，综合比较9种

植物的生物量、富集系数、转运系数、繁殖速度、根系长度及

环境适应性等因素，确定苣荬菜和野艾蒿2种植物为汞富集植物。通过实验室模拟法，探究更高土壤汞浓度下植物的富集系数及转运系数。苣荬菜和野艾蒿的种子均在贵州市场购买，分别播种到8个花盆中，每种植物各4个，花盆随机摆放于植物培养箱中，光照10～14 h/d，保持空气温度为25～35 ℃，土壤湿度为60%～80%。植物发芽2 d后，将花盆转移到花盆架上，覆盖上透明大棚膜，使用全光谱植物灯照射8～12 h/d。植物生长57 d时，每7 d添加1次HgCl2溶液，浓度分别为10、50、250和500 mg/L，收获植物前7 d停止添加。85 d时，收获所有植物和土壤，再次测定汞含量。

2结果与分析

2.1植物汞污染水平

由于万山汞矿区特殊的地理位置及地形，在长期的自然选择下，矿区中大多数是野生的草本植物，乔灌木相对较少。对万山一坑生长良好、生物量较大的植物进行了采集，植株地上、地下部分的汞含量见表1。由表1可知，苣荬菜、抱莖苦荬菜、野艾蒿、牛膝、千里光、贯众、求米草、凤尾蕨及铁角蕨9种植物对汞的富集系数均大于100，对汞均具有较强的耐性和富集能力，其中苣荬菜、抱茎苦荬菜、野艾蒿、牛膝、千里光、贯众的富集系数均大于5.00，可见菊科植物植株中汞含量及富集系数均排在前列。菊科是比较年青且进化程度较高的一个大科，该科植物在形态结构及繁殖方式上先进，环境适应性较强，生长速度快，广泛分布在世界各地，具有作为修复植物的基本条件，也为汞富集植物的寻找与筛选提供了一定的指导方向。

因此，在较低的土壤汞胁迫下，万山以菊科植物为主的富集植物比例达到444%，占最大比例，这不同于王明勇等[12]报道的大戟科乳浆大戟。

安徽农业科学2017年

2.2土壤汞污染水平

万山汞矿一坑的土壤平均汞浓度为0.141 mg/kg，汞矿六坑的土壤平均汞浓度为0.165 mg/kg。通过与以往研究对比分析可知，贵州万山一坑和贵州万山六坑土壤汞含量均高于国家11种土壤汞平均含量（0.071 mg/kg），也高于世界土壤汞的平均值 0.030～0.100 mg/kg[15]，但低于2005和2010年万山汞矿的污染水平（表2），这说明矿区土壤汞污染得到了一定的治理，但汞污染依然存在。由表2可知，万山汞矿区的汞污染在世界各地区中较为严重，迫切需要进行土壤汞修复。

2.3优势植物的富集特征

为筛选可修复土壤汞污染的优势植物，对9种植物的富集系数、转运系数等因素进行对比分析。目前，对于重金属富集系数的计算方法存在一些争议，该研究采用韦朝阳等[18]和吴浩等[19]提出的计算方法。转运系数的计算方法目前不存在争议，为地上部与地下部重金属含量之比。

富集系数=地上部重金属含量/土壤重金属含量

转运系数=地上部重金属含量/根部重金属含量

由表1可知，在万山汞矿一坑 9种常见的植物中，苣荬菜、抱茎苦荬菜、野艾蒿、牛膝地上部汞含量均超过0.900 mg/kg，为一般植物体内（以辣椒为例）汞含量的45倍以上[20]。

苣荬菜和野艾蒿的富集系数分别为7.09和6.74，说明这2种植物在土壤汞含量较低时（0.141 mg/kg）能够有效吸收土壤中的汞。苣荬菜和野艾蒿的转运系数分别为5.95和5.28，说明这2种植物可有效地将植物地下部的汞转移到地上部。在汞矿区，2种植物均生长良好，生物量较高。野艾蒿分布极广，适应性很强，对土壤无特殊要求，生长、繁殖速度快且根系发达，可以富集较深的含汞土壤。苣荬菜分布广泛，不择土壤，可生长于荒山和砾石滩，耐盐碱、耐干旱且栽培技术成熟。因此，确定苣荬菜和野艾蒿作为优势植物进行实验室模拟。

2.4优势植物的实验室模拟通过对苣荬菜和野艾蒿的种植、培育、加汞、检测，得出花盆中植物及土壤的汞含量见表3。

研究表明，汞主要累积在植物根部，故植物的转运系数一般较低[21]。但根据表1、3实测结果，在土壤汞浓度较低（0.141 mg/kg）时，苣荬菜和野艾蒿仍具有很高的转运系数，分别为5.95和5.28。根据实验室模拟结果，在土壤汞浓度为4.54和2.76 mg/kg时，苣荬菜和野艾蒿的转运系数分别为1.92和1.26。当土壤汞浓度增加时，苣荬菜和野艾蒿的富集系数均降低，但地上部、地下部汞浓度均较大提升，再次证明苣荬菜和野艾蒿为汞的富集植物。

3讨论

3.1汞超富集植物的判定

超富集植物的概念首先是由 Brooks 等[20]提出，对于汞的超富集植物的定义至今尚无明确定论。一般情况下，重金属超富集植物的认定要考虑以下3个条件[22]：①植物地上部富集重金属的量需要达到一定临界标准，在较低污染水平下也要有较高的吸收速率；

②S/R>1（S和R分别代表植物地上部与地下部的重金属含量），即植物要有较强的转运能力，而一般植物的S/R≤0.1；

③与一般植物相比较，超富集植物能够忍耐较高浓度的重金属毒害，而一般植物则会发生毒害甚至死亡。

通过赵庆令等[23]的评价指标可以看出，在土壤汞含量为0.141 mg/kg时，苣荬菜和野艾蒿的富集程度均为显著富集，作为汞的富集植物，这种富集程度很少见。赵甲亭等[24]在万山汞矿区同样证实了野艾蒿属于汞富集植物，这与该研究结论一致。土壤汞含量大于50 mg/kg时，根部汞含量为13.6 mg/kg，地上部汞含量为5.2 mg/kg，说明在重度汞污染（大于50 mg/kg）情况下，野艾蒿富集系数和转运系数均降低且小于1.00，但地上部、地下部汞含量均得到显著提升。当土壤汞含量在重度污染（大于50 mg/kg）水平时，苣荬菜的富集系数、转运系数将如何变化还有待后续的试验研究。

3.2汞富集植物的选育

该研究表明，野艾蒿和苣荬菜均为汞富集植物。其中，野艾蒿并不满足汞超富集植物的严格定义，苣荬菜是否满足汞超富集植物的严格定义还有待后续研究。以往研究中，植物的富集系数、转运系数得到了充分重视，但富集植物和超富集植物的筛选、引种培育和综合试验工作，也应该重点放在一些生物量大、根系发达、生长繁殖速度快、適应性广或栽培技术成熟的植物上。苣荬菜和野艾蒿的一系列特征正好满足这一期望，在汞污染土壤的治理方面，尤其是在中低浓度的汞污染条件下具有较好的应用前景，适合大面积推广。

4结论

在万山汞矿区一坑长势较好的9种常见植物中，菊科植物的比例为44.4%，菊科植物在汞的修复中具有较大潜力。在中低土壤汞污染水平下，综合比较9种植物的生物量、富集系数、转运系数等指标可知，苣荬菜和野艾蒿可作为2种新型汞富集植物。

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