EDDS与EDTA植物提取土壤重金属及潜在环境风险评

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1、EDDS 与 EDTA 植物提取土壤重金属及潜在环境风险评价金属污染是主要的环境问题之一，危害着生态环境和人类健康1。作为一项高效、低廉、 非破坏的土壤净化技术，植物修复越来越受到人们的关注。植物修复的效益取决于植物地上 部分金属含量及其生物量。虽然连续种植植物提取的第一次田间试验取得了成功，但目前已 知绝大多数超累积植物生长慢，生物量小，且大多数为莲座生长，很难进行机械操作 2， 而生物和非生物螯合剂能提高金属在土壤中的迁移活性，增强土壤溶液中有效态重金属浓度 从而提高植物对重金属的吸收和富集能力2。利用生长速度快、生物量大的普通植物借助 螯合剂辅助的联合植物修复便成了有效可行的替代途径。通

2、过添加化学试剂，运用大生物量 植物螯合受污染土壤中重金属被认为是有效的方法1。技术的基本原理是通过螯合剂或移动剂的媒介作用打破重金属等污染物在土壤液相和 固相之间的分配平衡，使污染物更多的以液相的形式存在2、3。螯合剂的主要作用体现在 增加土壤中重金属的溶解度，提高重金属根际散能力和促进重金属自根系向地上部转运, 增 加了植物修复效率3。乙二胺四乙酸(EDTA)是目前被广泛应用的一种螯合剂。EDTA能够 活化 Pb、Zn、Cd 、Cu、Co、Ni 等多种重金属离子，促进植物对这些离子的吸收，其中对 Pb的活化效果最好。但是，EDTA对环境残留效应明显，很容易造成二次污染4。乙二胺二 琥珀酸(E

3、DDS )是一种最近发现的易生物降解且低毒的螯合剂，半衰期短，对环境残留效 应少，是目前推荐的能够大量使用的螯合剂。EDDS对Cu的活化效果最好，对其他重金属活 化能力欠佳3。本文拟对非生物螯合剂乙二胺四乙酸EDTA和生物螯合剂乙二胺二琥珀酸EDDS优点进行 整合，低剂量复合式施用EDTA、EDDS螯合剂，进行螯合剂不同配比设计与潜在环境风险研 究，为合理利用螯合剂植物螯合修复土壤重金属污染提供科学依据。1 材料和方法1.1 实验材料1.1.1 实验植物选择生长快，生物量大且能同时富集几种重金属的单子叶植物玉米(Zea mays L)、双子叶植物 油菜 (Brassica junica)。1.

4、2.1 土壤培养：试验取渝涪高速公路两旁受汽车尾气污染严重的 Cu、 Pb、 Cd 三种重金属污染表层 0-30cm 菜地土壤，自然风干后研磨，过4mm筛备用。每盆称量2kg公路旁菜地土壤，混合0.5kg 腐殖土，以及速效肥尿素(100g)和磷酸二氢钾(50g)以提供植物充分营养元素，土壤反 复混匀后，自然条件下静置平衡15天后播种。1.2 实验方法1.2.1 盆栽培养盆栽试验在室内进行。每盆装2kg 土壤重金属平衡好后，播撒20颗种子，待种子出苗2 周后，每盆保留生长程度一致的幼苗 10 株，植物生长期间定期称重，定量补充蒸发水分 100-150mL，保证植物生长。同时室温控制在20C-25

5、C湿度控制在50%-70%。出苗后6周 后，按如下处理分别添加EDTA和EDDS： a.对照组(CK)：加去离子水 b: EDTA：施入 3mmolkg-1EDTAc. 配比 1 (EDTA/EDDS=1:1)：施入 0.5mmolkg-1 (EDTA) +0.5 mmolkg-1 (EDDS)d. 配比 2 (EDTA/EDDS=2:1)：施入 1mmolkg-1 (EDTA) +0.5 mmolkg-1 (EDDS)e. 配比 3 (EDTA/EDDS=1:2)：施入 0.5mmolkg-1 (EDTA) + 1mmolkg-1 (EDDS)f. EDDS:施入 3mmolkg-1 (ED

6、DS)在添加螯合剂EDTA和EDDS两周以后对植株进行收割。1.2.2 土壤淋滤实验 实验中进行人工纯水模拟雨水淋滤。第一次淋滤在盆栽实验添加螯合剂一周以后进行， 第二次淋滤在盆栽实验添加螯合剂两周以后进行。每次根据重庆市年平均雨量添加纯水量 350mL,在1小时内均匀添加入盆。实验过程中采用较大雨量，历时较短，因此忽略了植被 截留和雨期蒸发。淋滤液经慢速滤纸过滤后用500mL玻璃瓶收集待测TN、TP以及重金属 Pb、Cu、Cd 含量。1.3 测定方法采集完整植株样品以及模拟雨水淋滤液。植株经自来水和超纯水清洗，80C烘箱烘干，研碎过100目筛，待测。植物样品的消解采用Durali Mendi

7、l等的方法。即在Teflon消化罐中加入0.5 g植物样品，依次加入6 mL硝酸(65%) 和2 mL双氧水(30%)，在微波炉中加压加热消解。消解完全后定容至25 mL。在原子吸收分光光度计(岛津AA6800)测定土壤、植物样品消解液和土壤淋滤液中重金属Cu、 Pb、Cd 含量。整个测定过程中植物样则用灌木枝叶GBW07602作质量控制参考物质。 测试过程中每批样品分析均作2 个全程序空白,借以检查和控制样品在处理和测试过程中可 能带来的污染。采用平行样控制样品测试的精密度,平行样品数不少于测试样品的10 %，同 时对样品采用加标回收，回收率在85%-112%。淋滤液中总氮(TN)采用半微量

8、凯氏法进行测定。总磷(TP )采用硫酸-高氯酸消解，钼锑抗比色法 分析。2 结果与讨论(Results and discuss)2.1 重金属富集0.0CK配比 1 配比 2 配比 3 EDDSEDTA/EDDS 配比数系集富転金重物植EDTAEDTA/EDDS 配比76543210数系集富陰金重部根物植配比 3 EDDS4-2q-84-2q 111100000 数系集富金重部根物植图 1 不同 EDTA/EDDS 配比对植物的重金属 Pb 、 Cu 、 Cd 富集系数影响Figure 1. Enrichment factors of heavy metals in different EDT

9、A/EDDS ratio plant roots螯合剂具有多齿状的配位基，能与单一金属离子形成化学复合物。对于利用添加螯合剂 到土壤中，利用植物提取土壤中重金属，诱导产生超累积效应。螯合剂与土壤中重金属结合， 扰动了金属在土壤固相与液相只见到平衡，减弱金属与土壤的结合常数，把金属从土壤固相 结合位点上竞争下来，以金属螯合物的形式增加了土壤溶液中重金属的浓度，这一过程持续 直到螯合剂与金属的结合达到饱和3-7，从而促进重金属自根系向地上部转运。从图 1 可以看出，加入螯合剂的植物重金属富集系数均高于相应对照组植物富集系数玉米重金属Pb富集系数值在添加单一螯合剂EDTA时达到最高0.87；重金属C

10、u富集系数 值在添加螯合剂配比2 (EDTA/EDDS=2:1)达最高4.6；重金属Cd富集系数值在添加螯合剂 配比1 (EDTA/EDDS=1:1)达最高为1.01。对于作物油菜而言，重金属Pb富集系数在添加螯 合剂配比3 (EDTA/EDDS=1:2)时，达到最高1.26；重金属Cu富集系数在添加螯合剂配比2 (EDTA/EDDS=2:1)时，达到最高7.3；重金属Cd富集系数在添加单一螯合剂EDTA时，达 到最高 0.95。当部分金属离子穿过细胞壁和细胞膜进入细胞以后，能和细胞质中的蛋白质形 成复杂的稳定螯合物。从而能使重金属的毒性降低。螯合剂作用下重金属是通过非选择性的 质外体途径进入

11、植物根部，在蒸腾流的驱动下向植物地上部转移，其情形可能涉及重金属的单一 被吸收，以及金属-螯合剂络合物的共同被吸收8-9。2.2EDTA/EDDS 联合施用配比对环境风险性分析2.2.1 土壤淋滤液重金属浓度004433度浓加滤淋壤土第一周第二周EDTA/ED DSo O5022000I g-度浓矗滤淋壤土OOOOOOOOOOO 00000000000 2 0 8 6 4 2 0 8 6 4 2 2211111CK EDTA 配比 1 配比 2 配比3 EDDSEDTA配DDS0 Jt b度浓矗滤淋壤土图2 EDTA/EDDS配比处理对玉米组土壤淋滤液中Pb、Cu、Cd浓度影响Figure 2

12、 The effects of different ratio of EDTA/EDDS applicationon the concentration of leaching Pb、Cu、Cd solution in corn soil从图2 可知，螯合剂的加入大大增加了土壤淋滤液中重金属的浓度。对于玉米组第一周 淋滤液 Pb 浓度而言，螯合剂的投加增加了 Pb 的首次淋滤风险，其度最高值出现在单一添 加EDTA组，是对照组的37倍。Pb浓度最低值出现在添加配比2组(EDTA/EDDS=2:1),为 221mg-L-!0淋滤液中Pb浓度高低依次为EDTAEDDS配比1( EDTA/EDDS=

13、1:1)配比3 (EDTA/EDDS=1:2) 配比2 (EDTA/EDDS=2:1)o第二周土壤淋滤液Pb浓度发生一定改变。 单一添加EDTA螯合剂组的土壤淋滤液Pb浓度比首次淋滤液增加3%。而单一添加EDDS螯 合剂组的土壤淋滤液Pb浓度比首次淋滤液减少16%,说明EDDS的生物可降解性比EDTA要 好,在环境中停留时间短。第二周土壤淋滤液Pb浓度最低值出现在配比3(EDTA/EDDS=1:2), 为 241 mgL-1。对于玉米组首次淋滤液Cu浓度而言，其度最高值出现在单一添加EDTA组，是对照组 的27倍。Cu浓度最低值出现在添加配比1组(EDTA/EDDS=1:1),为812 mg-

14、L-i。淋滤液中 Pb 浓度高低依次为 EDTAEDDS配比 2 (EDTA/EDDS=2:1) 配比 3 (EDTA/EDDS=1:2) 配比 1 (EDTA/EDDS=1:1)。第二周土壤淋滤液Cu浓度发生一定程度改变。单一添加EDTA螯合剂 组的土壤淋滤液 Cu 浓度比首次淋滤液增加 8%。单一添加 EDDS 螯合剂组的土壤淋滤液 Cu 浓度比首次淋滤液减少3%。第二周土壤淋滤液Cu浓度最低值出现在配比1(EDTA/EDDS=1:1), 为 899 mg-L-1。对于玉米组首次土壤淋滤液 Cd 浓度而言，其浓 度最高值出现添加配比 1 组 (EDTA/EDDS=1:1),为20.1 mg

15、-L-1，是对照组的2.1倍。Cd浓度最低值出现在添加配比2组 (EDTA/EDDS=2:1)， 为 15.5 mg-L-1。 首次土壤淋滤液中 Cd 浓度高低依次 为配比 1 (EDTA/EDDS=1:1) EDDS EDTA配比 3 (EDTA/EDDS=1:2) 配比 2 (EDTA/EDDS=2:1)。第二 周土壤淋滤液Cd浓度发生一定改变。单一添加EDTA螯合剂组的土壤淋滤液Cd浓度比首次 淋滤液增加17%。单一添加EDDS螯合剂组的土壤淋滤液Cd浓度比首次淋滤液减少32%o 与Satroutdinov等如】(2000)研究结果一致。EDTA与高稳定常数的金属(Cu、Fe、Pb、Zn

16、)形成 的螯合物在土壤中的降解速度远远小于其余低稳定常数金属(Ca、Mg、Mn)所形成的螯合物 的降解速度辺。EDTA能够螯合主族及过渡金属，与金属离子形成46个杂环，化学稳定性较 好不容易被土壤微生物降解。在水体各形态EDTA 中, Fe(lll). EDTA和Cu(ll)_EDTA可被光降解， 其他形态的EDTA均具有光稳定性而不能发生光降解8-10】。施用EDTA很长一段时间都将影响土 壤中的重金属的活性和迁移性辺。铜污染土壤中加入EDTA，7d以后Cu开始向下淋滤迁移， 16d达到最大，Cu向下迁移的距离达到700cm12。Greman【12 (2001)在其土柱实验中发现， 加入10

17、mmol -kg-1的EDTA以后，Pb、Zn和Cd发生渗滤，并建议严格控制螯合剂的使用剂 量，避免在雨季施用。生物螯合剂 EDDS 在环境中容易被降解，但是对于不同金属与 EDDS 螯合物降解程度有所不同，当作为唯一碳源和氮源情况下， Pb-EDDS、 Cd-EDDS 已经降解， 但是Cu-EDDS、Hg-EDDS却长时间不能降解问。修复后的土壤中各金属元素由于螯合剂的存在而保持相对较高的酸溶可交换态含量， 从而增加潜在生态风险，必需采取相应措施如同时结合其它修复措施来防止这些活性较高的 形式在土壤介质的迁移，尤其是向水体的迁移8-13。I耳度浓舉滤淋壤土第一周OOOOOOOO5050505

18、 332211CK EDTA 配比 1 配比 2 配比 3 EDDSedta/EDDsOOOOOOOOO0000000064208642 I即度浓矗滤淋壤土图3 EDTA/EDDS配比处理对油采组土壤淋滤液中Pb、Cu、Cd浓度影响Figure 3 The effects of different ratio of EDTA/EDDS applicationon the concentration of leaching Pb、Cu、Cd solution in rape soil油菜组土壤淋滤液Pb在第一周中浓度最高值为添加EDDS,是对照组的28倍。淋滤液 Pb浓度最低值出现在添加EDTA

19、/EDDS配比1组，为185 mg丄-1。油菜组淋滤液中Pb浓度依 次为EDDS EDTA配比2 配比3 配比1。其中单一添加EDTA螯合剂的土壤淋滤液Pb浓度 在第二周中出现最高，比首次淋滤液增加12%。油菜组土壤淋滤液Cu在添加螯合剂处理后第一周中浓度最高值为单一添加EDTA，为 1310 mg-L-1是对照组的28倍。淋滤液Cu浓度最低值出现在添加EDTA/EDDS配比3组 (EDTA/EDDS=2:1),为753 mg-L-10 土壤淋滤液Cu在第二周中浓度最低值为配比3组 (EDTA/EDDS=2:1),为 954 mg- L-1,比首次配比 3 组(EDTA/EDDS=2:1)淋滤

20、液增加 26%。油菜组土壤淋滤液Cd在螯合剂添加后第一周中浓度最高值为添加EDTA,为24.5 mg- L-1, 是对照组的2.8倍。淋滤液Cd浓度最低值出现在添加EDTA/EDDS配比2 (EDTA/EDDS=2:1) 组，为15.1 mg- L-1。土壤淋滤液Cd在第二周中浓度最低值为配比3组(EDTA/EDDS=2:1), 为13.4 mg- L-1,比首次配比3组(EDTA/EDDS=2:1)淋滤液降低28%。土壤重金属淋滤液浓度在添加EDTA/EDDS配比时比单一施用螯合剂要低，与螯合剂添 加的总量以及生物和非生物螯合剂的环境停留时间有关。EDDS对不同重金属离子的螯合效 果也有差异

21、卫】。Hauser等网(2005)研究也表明，金属与螯合剂的比例对EDDS对金属的提 取效率有很大影响。而在螯合剂诱导植物修复中螯合剂浓度以及金属与螯合剂的比例对活化 效率也有很大影响，但在何种用量或比例条件下活化效果最好各文献报道并不一致，主要受 制于具体应用条件。3 结论1)加入螯合剂的植物重金属富集系数均高于相应对照组植物富集系数。其中，重金属Pb富 集系数在添加复合螯合剂配比3 (EDTA/EDDS=1:2)时，达到最高1.26；重金属Cu富集系数 在添加复合螯合剂配比2 (EDTA/EDDS=2:1)时，达到最高7.3；重金属Cd富集系数在添加 单一螯合剂EDTA时，达到最高0.95

22、。2) 土壤重金属淋滤液浓度在添加复合螯合剂时比单一施用螯合剂要低。Pb浓度最低值出现 在添加复合螯合剂配比2组(EDTA/EDDS=2:1)。第二周土壤淋滤液Pb浓度最低值出现在复 合螯合剂配比 3 (EDTA/EDDS=1:2)。 Pb 浓度最低值出现在添加复合螯合剂配比 1 组(EDTA/EDDS=1:1),为812 mg -1。第二周土壤淋滤液Cu浓度最低值出现在复合螯合剂配比1 (EDTA/EDDS=1:1),为8跚怖g -1。Cd浓度最低值出现在添加复合螯合剂配比2组 (EDTA/EDDS=2:1)。第二周土壤淋滤液Cd浓度发生一定改变。单一添加EDTA螯合剂组的 土壤淋滤液Cd浓

23、度比首次淋滤液增加17%。单一添加EDDS螯合剂组的土壤淋滤液Cd浓度 比首次淋滤液减少 32%。3) 玉米组淋滤液中TN平均浓度高低依次为EDTAEDDS配比3配比1配比2。油菜组淋滤 液中TN平均浓度高低依次为EDTAEDDS配比1配比2配比3。玉米组TP平均流失浓度高 于空白对照组TP平均流失浓度72%，油菜组TP平均流失浓度高于空白对照组TP平均流失 浓度 54%。参考文献1 Alkorta J， Hemndez J M， Becerril I， et alChelate enhanced phytore mediation of soils polluted with heavy m

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