纳米材料改良土壤对小白菜吸收和富集重金属的影响

李朝阳，杨胜香，陈 玲，李 鹂

（吉首大学植物资源保护与利用湖南省高校重点实验室，湖南 吉首 416000）

随人类活动加剧，重金属污染问题越来越严重，对污染土壤的治理日显重要。其中改良剂的使用是治理重金属污染的重要措施之一。一系列研究表明，无机材料中石灰[1-3]、磷酸盐[4-5]、天然沸石[6-7]、天然改性和人工合成矿物[8]等可有效降低重金属在植物中的积累，对污染土壤有明显的改良作用。

纳米材料是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米颗粒所组成的新一代材料，具有大的比表面积和较强的吸附能力，近年来被应用于污染土壤的治理。如Hada等[9]和Gao等[10]在20世纪末利用纳米ZnO、TiO2颗粒开展了Ag＋污染土壤修复的研究。Rajesh-war等[11]发现铜（Cu）包裹的纳米TiO2对铬（Cr）污染土壤的修复治理有一定效果。将改性纳米碳黑用于重金属污染土壤改良，可降低土壤中有效态Cu和铅（Pb）的含量，促进黑麦草的生长[12]；在污染土壤中添加介孔分子筛（MCM-41）可有效抑制镉（Cd）、Pb和Cu在小白菜体内的积累[13-14]。但不同的纳米材料吸附能力不一样，因此对土壤的改良效果也会有差异。为此，选用4种纳米材料为土壤改良剂，监测4个品种小白菜生长及重金属元素吸收的情况，研究这4种纳米材料对铅锌矿区污染土壤的改良作用，以期为合理使用纳米材料作土壤改良剂提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采自广东韶关铅锌矿区，基本理化性质如下：土壤有机质为（4.9±0.15）%，总氮为1.83 g/kg，Cd、Pb、Cu、锌（Zn）含量分别为 1.2±0.31、968±47、50±3.7、747±58 mg/kg。4 种纳米材料分别为：纳米SiO2和TiO2购于广东华力森公司；碳纳米管（CNT）购于深圳纳米港；MCM-41购于河南南召分子筛厂。4个品种小白菜：极早三十日（JZ）、早熟五号（ZS）、青江白（QJB）、黄叶白（HYB），均购于广州蔬菜种子公司。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计 将采集的矿区污染土壤风干，过5 mm 筛。设置5个处理：（1）对照（CK）：不加任何改良剂；（2） 碳纳米管处理（CNT）；（3）MCM-41 处理（MCM）；（4）纳米 SiO2处理（SiO2）；（5）纳米 TiO2处理（TiO2）。每处理4个重复。将纳米材料按0.45%（质量比）的比例掺入，充分混匀，装盆，每盆混合物的总重量为1 kg。然后每盆加水250 mL（水:土=25%，最大田间持水量），平衡14 d，播种，播种量为10粒/盆，待苗出齐后间苗，每盆留4株，45 d后采收。盆栽试验在温室中进行，温室白天22～30°C，夜间10～16°C。为避免位置效应的影响，按随机区组排列，每7 d调整一次位置，每3 d浇水一次。

1.2.2 样品处理及分析 小白菜收获后，分为地上部和地下部，用自来水冲洗，将根放入0.02 mol/L EDTANa2溶液中浸泡15 min，除去表面吸附的重金属，然后用去离子水冲洗3次，吸水纸吸干，于70℃烘箱中烘至恒重，称重。盆栽土壤风干，碾碎，过2 mm筛，待测。

植物样品用浓HNO3加热消解，土壤样品用王水（体积比 HNO3∶HCl＝1∶3）消解，ICP-AES 法测定重金属Pb、Cu、Cd、Zn含量。数据分析用SPSS 15.0和Excel进行。

2 结果与分析

2.1 纳米材料处理对不同品种小白菜生物量的影响

4种纳米材料处理对不同品种小白菜的生物量影响见表1。与对照相比，添加4种纳米材料均使早熟和黄叶白的生物量明显下降，而不同纳米材料处理对极早和青江白的生物量影响不明显。添加MCM-41和纳米SiO2处理的极早生物量有所增加，添加CNT和TiO2的处理使极早生物量明显下降。总体来看，添加纳米材料后小白菜的生物量有所下降，这与林大松[13]提出的添加纳米材料（无机分子筛）可明显增加小白菜产量，提高小白菜品质相矛盾。该试验结果与王震宇等[15]提出的纳米材料对植物生长的产生抑制作用一致，其原因可能是纳米材料比表面积大，具有很强的吸附能力和很高的化学活性，容易造成有机体细胞或组织损伤，故导致生物量降低。

表1 纳米材料改良土壤对小白菜生物量的影响 （g/盆）

2.2 纳米材料处理对不同品种小白菜吸收重金属的影响

2.2.1 小白菜地上部分 4种纳米材料处理下小白菜地上部分对重金属Pb、Cd、Cu和Zn的吸收情况见图1。添加不同的纳米材料对不同品种的小白菜地上部分重金属的吸收情况影响是不同的。由图1可知，与对照相比，添加4种不同的纳米材料处理，极早对Pb、Cu、Zn的吸收没有明显的变化，但添加SiO2和TiO2显著减少了极早对Cd的吸收，减少量分别为50%和57%；添加CNT降低了早熟对Cd的吸收，但提高了对Zn的吸收。添加CNT、MCM和TiO2显著降低了黄叶白对Cd的吸收，而添加TiO2显著提高了黄叶白对Pb和Cu的吸收。添加TiO2显著降低了青江白对Pb的吸收，添加4种纳米材料均显著提高了青江白对Cd的吸收，其中添加SiO2的处理Cd的增加量为对照处理的4.3倍。据研究报道，MCM能够一致降低小白菜对Cd、Pb、Cu的吸收分别高达 44.2%～53.2%、30.2%～42.7%和16.9%～22.1%[13]。从本试验结果来看，添加4种纳米材料仅使极早品种对四种重金属吸收情况有所减少外，对另外3个品种的小白菜的影响则是因重金属种类而异。因此，我们认为纳米材料用于污染土壤的治理效果不是很理想。青江白和黄叶白两个小白菜品种因地上部分出现不同程度高的Pb、Cd累积现象，会使重金属经食物链进入生物体或人体造成机体伤害，因此，不宜用作污染土壤小白菜种植的优选蔬菜物种。

图1 纳米材料改良土壤对小白菜地上部累积重金属的影响

2.2.2 小白菜根部 4种纳米材料处理下小白菜地下部分对重金属Pb、Cd、Cu和Zn的吸收情况见图2。由图2可知，与对照相比，除添加TiO2使早熟对Pb的吸收显著增加外，4种纳米材料处理对4种小白菜根部对Pb的吸收均没有显著影响。添加TiO2显著增加了黄叶白对Cu的吸收，添加CNT、SiO2和TiO2显著降低了青江白对Cu的吸收。添加4种纳米材料使极早对Cd的吸收有所降低，但未达到显著水平（p>0.05）。添加MCM显著增加了青江白对Cd的吸收。添加SiO2和TiO2显著提高了黄叶白对Zn的吸收。尽管添加不同的纳米材料使不同品种小白菜根部对重金属的吸收情况不同，总体来看，添加4种纳米材料对4个品种的小白菜根部吸收重金属Pb、Cd、Cu和Zn的影响不大。

图2 纳米材料改良土壤对小白菜根累积重金属的影响

3 结 论

（1）添加纳米材料MCM-41和SiO2使极早生物量有所增加外，4种纳米材料对小白菜生物量影响不大或有所下降。

（2）添加不同的纳米材料对不同品种的小白菜地上部分重金属的吸收情况影响是不同的。添加SiO2和TiO2显著降低极早对Cd的吸收，添加CNT、MCM和TiO2显著降低了黄叶白对Cd的吸收，添加4种纳米材料均显著提高了青江白对Cd的吸收。

（3）添加4种纳米材料对不同品种的小白菜地下部分重金属Pb、Cd、Cu和Zn的累积影响不大。相比较而言，MCM-41表现出了一定的土壤修复能力，但总体来看，本试验选用的纳米材料不是污染土壤治理的理想材料。

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