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四种不同植物种类对靶场污染土壤植物修复的比较评价
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巴基斯坦拉合尔女子大学拉合尔学院化学系
Saadia R. Tariq *, Azka Ashraf
2012年7月22日收到; 2013年9月14日通过
2013年9月21日在线提供
摘要
本文研究了向日葵，玉米，油菜和豌豆对选定金属（即Cd，Cu，Co，Ni，Cr和Pb）污染的靶场土壤的植物修复潜力。将在沙子和冲积土壤的混合物中发芽的选定植物的幼苗转移到含有靶场土壤的盆中，并使其生长至生殖生长阶段。随后它们被收获，然后使用原子吸收分析选定金属的含量。在所研究的植物中，豌豆表现出最高的去除率（即96.23％）和Pb的生物富积因子，从而证明它是对靶场土壤中Pb的超高压处理剂。玉米显着降低了土壤中所有选定金属的水平，但对Pb显示出最高的植物提取能力，即66.36％，在施用EDTA时增加至约74％。向日葵表示出对Cd的最高去除潜力，即56.03％，其在施用EDTA后进一步增加。因此它被证明是施用EDTA后Cd的收集器。因此得出的结论是，不同植物在一定条件下具有不同的植物修复潜力。
2013由Elsevier B.V.代表沙特国王大学进行生产和托管。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章。
（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）
关键词：射程;植物修复;EDTA;Pb;Cd
1.介绍
靶场主要用于武装部队的常规训练，包括小型武器和弹药，通常包括一系列金属目标，这些目标被放置在装备有子弹陷阱的的紧急护堤前。子弹穿过目标并撞击冲击护堤，穿透并涂抹它。Pb与其他金属如锑，砷和镍是子弹的主要组分。在燃烧过程中，这些重金属以细颗粒和粗颗粒的形式喷射出来，沉积在附近的土壤上，从而严重污染土壤。大多数情况下，这些金属集中在目标区域的附近，目标区域的con-tamination程度随着深度的增加而迅速降低（Der-matas等，2004)。
随着射击时间的增加，射击场土壤的污染程度也随之增加。因此，迫切需要从这些受污染的地区清除有毒金属，以控制由于对附近的农业土壤和地下水的浸出而产生的危险的影响。近年来，植物萃取技术已成为修复重金属污染土壤的一项有效的技术手段
用于植物提取的理想植物种类是具有在可收获的组织中积累和耐受高浓度金属的能力，并表现出快速生长速率（Brennan和Shellay，1999; Lee等人，2002）。植物的体内积累取决于它们的生长速度和将金属转移到地上组织的能力（Keller，2004; Selvam and Wong，2008）。各种各样的植物的植物提取能力都经过了测试，包括各种各样的金属，例如各种各样的芸苔属，三叶草(Trifolium pra-tense L.)、panikum (Panicum antidotal)、Salix populas和Nicotiana sp. (Abdel-Sabour和Al-Salama, 2007;Grispen等 .,2006;Purakayastha等,2008;Reinhard等,2008)。
农作物如南瓜，苋菜，萝卜和水稻玉米已成功用作金属收集器和转运蛋白（Aggarwal and Goyal，2007; Eleni等，2005）。在多种污染土壤上生长的甘蓝型油菜和紫花苜蓿已被证明能够更好地回收轻度污染的土壤（Marchiol等，2004）。芥菜（L.）Czern。表现出最强的在根中积累Pb的能力，然后将其转运到含有硫酸盐和磷酸盐作为肥料的土壤中（Kumar等，1995）。同样，在各种草类中，香根草被发现对铅污染土壤的耐受性最好（Annie 等，2007; Wilde等，2005）。
植物提取时间是植物提取的主要成本因素。通过确定土壤中吸附的重金属含量与植物芽中重金属含量之间的线性关系来估算特定重金属污染土壤的植物提取持续时间（Japenga等，2007）。在大多数情况下，修复植物对金属的有效吸收受到目标金属植物有效性低的限制。这就是为什么通过形成可溶性M-螯合物络合物，许多螯合剂如EDTA被用于提高土壤中金属的生物利用度高达100倍。但这些螯合剂也可能增加金属从土壤渗入地下水的风险（Blaylock，1997; Houston，2007）。
通过使用合适剂量的合适螯合物可以减少金属从土壤中浸出的风险（Komarek 等，2007; Sundar 等，2007; Turgut 等，2004）。对于高度被Pb污染的土壤，EDTA的最佳植物提取剂量为10 mM，持续7天（Hovsepyan and Greipsson，2004; Liu等，2008）。在贫瘠的土壤中，EDTA的两次应用比一次更有效（Lina 等，2009）。螯合剂在不同植物生长阶段的应用会产生不同的结果。种子萌发前的EDTA施用会显著降低向日葵幼苗出苗量和干重。随着EDTA浓度的增加，植物生物量中的土壤有效Pb和Pb浓度增加，但由于严重的生长抑制（Sinegani和Khalilikhah，2008），在高EDTA浓度下，植物提取的Pb的实际量减少。根据待修复Pb污染土壤的性质和类型，通过适当的螯合物，特别是在植物达到最大生物量(Miller 等，2008)后，通过对土壤进行适当的螯合，提高了对Pb的生物利用度和吸收量。
本研究旨在利用四种不同的植物种类，即向日葵、玉米、油菜和豌豆，来开发被污染的金属污染土壤的修复策略。同时研究了应用EDTA对这些植物的植物提取潜力的影响。
-
实验方法
- 土壤采样
土壤样品从0 - 3厘米深的土壤表层土壤中采集，在去除叶片、草等大型外
部物体后，用塑料铲子将其收集起来，并将其储存在冰箱中，以减少细菌的活动。为了避免金属分析的差异，避免使用金属容器进行收集、混合和储存。射击场已经运作了20年，并担任了拉合尔游骑兵总部的训练设施（Radojevic和Bashkin，1999年）。土壤样品的pH值是通过准备1:2的土壤-水溶液来确定的，结果发现是5.8。
2.2. 质量控制和质量保证
在本实验中使用的所有玻璃器皿都是高质量耐酸耐热玻璃。用于AAS分析的分析级试剂的纯度为99％，原料金属标准溶液（1000 ppm）购自E. Merck（德国）。工作标准通过用双份蒸馏水适当稀释储备标准溶液来制备。
本文采用日立AAS Z-5000系统，采用塞曼背景校正装置，对金属进行了最佳的分析。采用标准的标定方法，对二次硫化和三份样品进行量化，以保证定量结果的准确性。
2.3. 温室实验
四种不同植物即向日葵, 油菜, 玉米和豌豆的种子在沙和冲积土的混合物中萌发。3-4周后，将幼苗转移到含有从靶场收集来的土壤（1kg）的盆中。植物在两个盆中生长，即对照组和实验组。在植物达到最大生物量后，实验组用EDTA剂量施用，而对照组不施用EDTA。
在植物达到最大生物量之后，EDTA的钠盐以1.0g / kg的单一剂量的水溶液形式施用于植物。在螯合物修正后15天，通过切割土壤表面上方1cm的茎来收获上述地面组织。然后将这些收获的植物用去离子水洗涤并空气干燥至恒重。随后，将植物在球磨机中研磨。
2.4.重金属测定
为了通过AAS估计植物的金属含量，收获植物组织，用去离子水充分洗涤并随后空气干燥。精确称取0.5g干燥的细碎植物样品，在凯氏消化烧瓶中用
HClO 4，HNO 3和H 2 SO 4消化约15分钟。然后将内容物煮沸几分钟并过滤（Bell 等，1991）。将由此获得的溶液吸入AAS。
分析将幼苗种入盆中之前和收获之后的土壤样品。将空气干燥后的样品通过2mm的筛子，然后通过US-EPA开发的方法分析土壤中可检测金属的含量（Edgell，1988）。简言之，将2.0g空气干燥过的土壤用HNO 3和30％H 2 O 2的混合物消化30分钟，随后用浓盐酸加热15分钟而不沸腾。然后将内容物冷却，过滤并用蒸馏水稀释至50mL（Radojevic和Bashkin，1999）。
2.5。统计数据处理
为了解土壤中总金属含量与植物吸收之间的关系，对AAS获得的金属数据进行了统计分析。通过对基本统计参数的提取，确定测量数据的传播和分布，即均值、中值、标准差、峰态、偏度等，并利用相关系数矩阵建立了土壤和植物生物量中各种金属对的相关模型。
3. 结果与讨论
由于密集的射击活动，射击范围受到Pb等重金属的高度污染。这些重金属不仅会破坏附近的肥沃土地，而且还会渗入地下水，从而威胁地下水的质量。目前的调查研究不仅涉及到测定靶场土壤的污染状况，而且还利用四种不同的植物种类，即向日葵，玉米，油菜和豌豆对污染土壤进行植物修复。在最常用螯合剂之一的EDTA的存在下，植物修复效率的变化也很明显。
表1列出了靶场内土壤的总含量。土壤被发现有高度污染的Pb，其特征在于其最高水平，即1331毫克/千克。Cu是以84.5mg / kg的第二高浓度存在的金属。另一种有害重金属Cd的含量为7.25 mg / kg。其他金属，即Co，Ni和Cr分别以0.65,2.83和0.950mg / kg的平均水平存在。因此发现金属平均含量的顺序为：Pbgt; Cugt; Cdgt; Nigt; Crgt; Co。因此，靶场内的土壤表现出多金属通量，这是一种相当严重的情况。
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表1 靶场土壤中金属的浓度(mg/kg)。 |
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靶场 |
Cu |
Cd |
Pb |
Co |
Ni |
Cr |
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平均值 (n = 3) |
84.5 |
7.25 |
1331 |
0.65 |
2.83 |
0.95 |
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标准误差 |
0.462 |
0.04 |
20.785 |
0.133 |
0.087 |
0.075 |
3.1. 金属在各种盆栽土壤样品中的分布
表2代表对应于从不同的盆收集的土壤样品（即玉米，向日葵，豌豆和油菜）中的对应于金属含量的基本统计。收获后从玉米盆收集的土壤样品表现出Pb的最高平均浓度，为447.7mg/kg。记录的标准偏差为59.90。铜以69.58 mg/L的次高平均含量存在。Cd和Ni的平均含量分别为4.0和1.998 mg/kg，分别为第三名和第四名。发现Cr以平均含量0.907mg/kg存在，Co以0.375mg/kg的最低平均含量存在。
在收获一次玉米植株后，土壤中金属含量的降低表现出植物对各种金属的植物提取潜力的大小，各种金属含量分别为Pb：66.36％，Cu：17.65％，Cd：44.83％，Ni：29.33％，Cr：4.526％和Co：42.31％。因此，玉米表现出对Pb的最大植物提取能力。在应用EDTA时，Pb的修复率仅增加到68.43％。在EDTA施用之后，除了Cu之外，观察到玉米对几乎所有其他金属的去除效率显著增加。Pb拥有最高的去除潜力可能是由于Pb-EDTA配合物在酸性和潮湿土壤条件下比其他金属-EDTA配合物（Bucheli -Witschel和Egli，2001; Sommers和Lindsay，1979）具有更高的稳定常数（log Ks = 17.88）。
从向日葵盆中收集的土壤样品的基本统计参数也表明Pb以最高平均浓度680.7 mg / kg存在。与之前的情况类似，Cu被发现以第二高的浓度61.66 mg / kg存在。其他两种重金属，即Cd和Ni分别以3.188和2.083mg / kg的平均浓度存在。Cr的平均浓度为0.684mg / kg。Co为最低平均浓度0.348 mg / kg。向日葵表现出对Cd最高去除的潜力，即56.03％，虽然Pb含量也明显降低到48.86。 EDTA施用后，Pb去除效率提高至约74％。因此它是对用EDTA处理后的靶场土壤中的Pb的最好的超富集植物。施用EDTA后，向日葵对Cr的去除率显著降低。
与从豌豆盆中收集的土壤样品收集到的金属数据相对应的基本统计数据表明，Cu为最高的平均浓度68.25 mg / kg，而在先前两个案例中获得最高平均浓度的Pb，在这里获得第二高的浓度50.22mg / kg。这些土壤样品中的镉也被发现与以前的情况相当。这里观察到的平均Cd水平是3.550mg / kg。其余金属的平均含量依次为：Nigt; Crgt; Co.在所研究的植物中，豌豆表现出最高的Pb去除效率，为96.23％。在EDTA施用后，该效率降至80.13％。在Ni和Cr的情况下也观察到了类似的情况，由于Pb-EDTA复合物的高溶解度使其超过植物根毛吸收的范围，从而降低了植物的Pb摄取，因此在EDTA施用下植物提取潜力再次降低。而且
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