Selection of appropriate organic additives for enhancing Zn and Cd phytoextraction by hyperaccumulators

Chelant-enhanced phytoextraction is one of the most promising technologies to remove heavy metals from soil. The key of the technology is to choose suitable additives in combination with a suitable plant. In the present study, laboratory batch experiment of metal solubilization, cress seeds germination were undertaken to investigate the metal-mobilizing capability and the phytotoxicity of organic additives, including ethylene diamine triacetic acid （EDTA）, citric acid, acetic acid, oxalic acid, glutamine and monosodium glutamate waste liquid （MGWL） from food industry. Experiments in pots were carried out to study the effects of the additives on Zn and Cd phytoextraction. Furthermore, a leaching experiment with lysimeter was performed to evaluate the environmental risks of additive-induced leaching to underground water. The results showed that EDTA had a strong mobilizing ability for Zn and Cd, followed by mixed reagent （MR） and MGWL. MGWL and acetic acid at 5 mmol equivalent per liter resulted in seed germination index less than 2%. Experiments in pots verified the phytotoxicity of acetic acid and MGWL. Addition of the mixed reagent at 6--10 mmol/kg significantly increased Zn phytoextraction by Thlaspi caerulescens. The same for EDTA and the mixed reagent at 10 mmol/kg by Sedum dfredii. But only mixed reagents could significantly increase Cd phytoextraction by the studied hyperaccumulators. This suggested that the strong chelant was not always the good agent to enhance phytoextraction. S. alfredii combined with 2--10 mmol/kg soil MR was preferred for phytoremediation of Cd/Zn contaminated soils in southern China, this could result in high phytoextraction of Cd/Zn and reduce the leaching risk to underground water than EDTA assisted phytoextration.     

超积累植物和化学改良剂联合修复锌镉污染土壤后的微生物特征

通过盆栽试验,观察分析不同的土壤改良配方对重金属超积累植物东南景天盆栽土壤中细菌、真菌和放线菌数量、Cmic及Nmic的影响,以此来筛选出最优的促进东南景天修复锌镉污染土壤的改良剂配方。结果显示:细菌、真菌和放线菌数量,与土壤Zn、Cd的去除率、东南景天植株干质量、Cmic及Cmic/Nmic两两之间都呈现极显著正相关关系(但Cmic/Nmic与真菌数量仅呈显著相关)。添加了土壤改良剂后,细菌、放线菌、真菌的数量都有不同程度的增加,其中以细菌数量的增加最为显著,放线菌次之,真菌则对各种土壤处理相对较不敏感;在各种土壤配方中,添加了6 g赤泥、15 g污泥和15 g沸石的T7处理最有利于各类土壤微生物的生长,微生物量碳达到345.64 mg.kg-1,与其它处理之间都达到显著差异。因此,可以利用土壤微生物作为污染土壤改良情况的生物指标。该研究为下阶段研究化学改良剂-植物-微生物修复技术奠定了基础。     

东南景天与不同植物混作对土壤重金属吸收的影响

将超富集东南景天(Sedum alfredii)与具有不同根系特征的玉米、黑麦草、大豆混作在受Zn、Cd、Pb污染的土壤中,研究不同组别的混作对重金属吸收的效果.结果表明,在本试验条件下,与玉米和大豆的混作显著地提高了东南景天地上部分对Zn的吸收,由单种的15345mg/kg分别增至18673,17266mg/kg;与黑麦草的混作没有显著影响东南景天对3种重金属的吸收.混作后显著地降低了玉米和黑麦草对Cd和Zn的吸收.结合生物量的增加,与玉米和大豆混作处理中东南景天地上部3种重金属的吸收总量(按半盆计)分别约为单种的1.68~1.87倍,说明通过混作可提高超富集植物对重金属的吸收.     

不同土壤处理对东南景天吸取土壤中锌和镉效率的影响

通过盆栽试验，观察分析东南景天植物在未处理及若干用土壤添加剂处理的土壤介质上生长和累积锌、镉的状况。结果显示：除单独使用沸石粉外，所有土壤处理均有利于土壤改良和东南景天的生长。与对照处理相比，赤泥和城市污泥对东南景天累积锌起促进作用，而施用熟石灰却无助或甚至不利于东南景天累积锌。不过，尽管赤泥和城市污泥对东南景天累积镉的效果比熟石灰好，无论施用赤泥、城市污泥或熟石灰，东南景天植物干物质所含的镉均比对照处理高得多。总的来说，赤泥和城市污泥均为改良土壤、促使东南景天生长和超累积锌、镉的良好添加剂；而熟石灰或沸石粉单独使用则对东南景天超累积锌、镉的作用较小。在试验中，将15g污泥、15g沸石和6g赤泥与1000g土壤混和的T7处理对促使东南景天生长和超累积锌、镉最为有效。研究结果表明，在利用东南景天修复酸性锌、镉污染土壤时，通过加入合适的改良剂，调控土壤pH值和营养供给，可大大提高植物修复重金属污染的效果。     

Zn在两种生态型东南景天体内的分布和对亚显微结构的影响

运用营养液培养和透射电镜观察方法比较研究了Zn在两种生态型东南景天的根系、茎和叶片中的分布特点和亚显微结构的变化.结果表明,在Zn500μmolL-1浓度下,超积累生态型东南景天的上部叶与下部叶Zn含量的比值在1.47~1.67之间,上部茎与下部茎Zn含量的比值范围为1.81~2.11;非超积累生态型则刚好相反,Zn100μmolL-1处理后,其下部叶和下部茎中Zn含量均高于上部叶和上部茎.电镜观察显示,超积累生态型东南景天的叶、茎细胞的液泡中,和叶细胞的细胞壁上均发现一些颗粒物质,因此推断液泡将Zn区室化或沉积在细胞壁是超积累生态型东南景天耐高Zn胁迫和超积累Zn的重要生理机制.图2表2参19     

微塑料和镉及其复合对超富集植物生长和富集镉的影响

在生态系统中,微塑料与重金属的共同暴露已然不可避免,目前关于二者复合污染的研究多集中于农作物,而对超富集植物的研究仍比较缺乏.基于此,本文探究了微塑料、重金属镉和二者复合效应对超积累植物东南景天和叶芽鼠耳芥生长特性和镉富集的影响.选取东南景天和叶芽鼠耳芥为试验对象,通过水培试验揭示聚苯乙烯微塑料(mPS,0、100、500 mg·L^-1)与重金属镉(Cd,0、50、200、500、1000μmol·L^-1)单一及其复合污染对两种植物生长（生物量、根长、株高）和镉富集的影响.结果表明,单一微塑料处理下,微塑料对东南景天和叶芽鼠耳芥的生长起促进作用,当微塑料浓度为500 mg·L^-1时,东南景天地上部和根部、叶芽鼠耳芥地上部和根部鲜重较对照组分别增长了25.4%、143.1%、160.6%和127.1%,东南景天和叶芽鼠耳芥的根长较对照组分别显著增加了21.6%和42.3%;单一镉胁迫下,东南景天和叶芽鼠耳芥的生长被抑制,且随着培养液中镉浓度的增加,植株体内的镉含量不断增加;微塑料-镉复合试验(镉浓度200μmol·L     

磷对超积累植物--东南景天生长和积累锌的影响

通过溶液培养试验,探讨了东南景天植株体内磷锌相互关系.结果表明,在一定范围内供磷(0.5-2.0mmol·L-1)能明显促进东南景天的生长,显著提高叶片、茎和根的生物量适当的增磷(0.5-1.0mmol·L-1)极显著提高东南景天叶片、茎的锌含量和地上部的锌积累量;高磷(2.0mmol·L-1)则降低地上部的锌含量和积累量.无论在何种磷锌水平处理下S(地上部的锌积累量)/R(根系的锌积累量)比值始终大于1,表明在东南景天植株体内可能存在明显的"增磷诱导锌需求(Phosphorusinduced zinc requirement)"现象.从植物修复角度来说,利用增磷手段提高超积累植物东南景天的生物量和地上部锌的积累能力具有重要的应用价值.     

Reactive oxygen species metabolism during the cadmium hyperaccumulation of a new hyperaccumulator Sedum alfredii （Crassulaceae）

Sedum alfredii Hance, a newly discovered hyperaccumulator, could serve as a good material for phytoremediation Cd polluted sites. Malondialdehyde (MDA), reactive oxygen species (ROS) and antioxidases (catalase (CAT); superoxide dismutase (SOD); peroxidase (POD)) in the leaf were determined when S. alfredii was treated for 15 d with various CdCl2 concentrations ranging from 0 to 800 μmol/L. The results showed that the production rate of 2′,7′-dichlorofluorescein (DCF), which is an indicator of ROS level, reached up to the maximum at 400 μmol/L CdCl2 and then declined with the increase of CdCl2 concentration, while MDA accumulation tended to increase. CAT activity was significantly inhibited at all tested CdCl2 concentrations and SOD activity was sharply suppressed at 800 μmol/L CdCl2. However, the enhancement of POD activity was observed when CdCl2 concentration was higher than 400 μmol/L. In addition, its activity increased when treated with 600 μmol/L CdCl2 for more than 5 d. When sodium benzoate, a free radical scavenger, was added, S. alfredii was a little more sensitive to Cd toxicity than that exposed to Cd alone, and the Cd accumulation tended to decline with the increase of sodium benzoate concentration. It came to the conclusions that POD played an important role during Cd hyperaccumulation, and the accumulation of ROS induced by Cd treatment might be involved in Cd hyperaccumulation.     

土壤改良剂联合间套种技术修复重金属污染土壤:田间试验

在田间条件下,验证通过盆栽试验初步筛选出的几种改良剂在玉米和东南景天间套种修复重金属污染土壤的大田实际应用效果.研究结果表明,施用改良剂蘑菇渣肥、云母和沸石能有效降低玉米籽粒和茎叶中的Cd和Pb,玉米籽粒Cd和Pb含量均达到食用标准.蘑菇渣肥显著增加了东南景天对Cd的提取量,腐植酸显著促进了东南景天对Pb的吸收,因此,蘑菇渣和腐植酸可以应用于玉米和东南景天套种系统.施用云母和沸石可以显著提高土壤pH值,降低土壤可交换态Cd/Pb含量,从而降低二种植物对Cd/Pb的吸收;然而,施用蘑菇渣肥和腐植酸却增加土壤可交换/吸附态Cd/Pb含量.植物根系吸收Cd的稳定常数显示该有机吸附态Cd难于被玉米根系吸收.     

植物套种及化学强化对重金属污染土壤的持续修复效果研究

为了研究植物套种和螯合剂施用对重金属污染土壤的长期修复效果以及对地下水可能的环境风险,采集广东省乐昌市铅锌矿开采造成的重金属污染土壤,通过渗滤池(0.9 m×0.9 m×0.9 m)进行了7次植物种植试验(约2.5 a),共设置了单种超富集植物东南景天(Sedum alfredii)、单种低累积玉米(Zea mays,cv.Yunshi-5)、东南景天和玉米套种、以及套种+MC(混合螯合剂,柠檬酸∶味精废液∶EDTA∶KCl摩尔比=10∶1∶2∶3,5 mmol·kg-1)4个处理,连续监测植物、土壤和渗滤液的重金属含量变化.结果表明,东南景天和玉米套种只适合在春夏季进行,套种显著提高植物对Zn和Cd的提取效率;在秋冬季,套种或混合螯合剂均影响东南景天生长,降低了东南景天对Zn和Cd的提取;总体上单种东南景天处理对污染土壤的Zn和Cd的总提取量最大.然而,土壤Zn、Cd和Pb含量降低幅度最大的为套种+MC处理,与初始值相比降低幅度分别为28%、50%和22%,该处理土壤重金属含量的降低,主要归于混合螯合剂作用下重金属向下层土壤迁移.渗滤水监测结果表明,在试验期内,施加混合螯合剂提高渗滤水重金属浓度,但未明显超过地下水Ⅲ级标准.