两种蕨类植物重金属富集特征研究

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近年来,世界上受重金属污染的土壤面积不断增加,已成为全球关注的环境问题。重金属污染的土壤修复治理日趋紧迫,利用植物来清除土壤中污染物即植物修复技术正成为研究和开发的热点。植物修复的重点是寻找合适的超富集植物,迄今为止,所发现的超富集植物多集中在显花植物的个别科属内,而有关蕨类植物对重金属的富集研究较少,已发现的可富集重金属的蕨类植物主要集中在凤尾蕨科(Pteridaceae),而乌毛蕨(Blechnum orientale)和金毛狗(Cibotiumbarometz)对重金属富集特性的研究鲜见报道。  本研究选取广东省7个样点(南岭、南昆山、白云山、大岭山、小南山、梧桐山、西樵山)作为研究区域,采集乌毛蕨和金毛狗两种蕨类植物的地上部分、地下部分以及相应的根部土壤,利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)来测定9种重金属元素(Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb)的浓度,通过两种蕨类植物对重金属的转移系数(Translocation factor, TF)和富集系数(Bioconcentration factor,BCF)来探讨乌毛蕨和金毛狗的重金属富集特性,同时对广东省7个采样区域的土壤环境进行评估。研究结果期望为乌毛蕨和金毛狗在污染土壤的植物修复与其资源可持续利用提供科学依据。  主要研究结论如下:  (1)广东省7个样地土壤均呈现不同程度的重金属累积污染:7个地点土壤中Cd和Hg浓度均高于广东省土壤自然背景值,分别为背景值的1.1~5.4倍和3.0~11.4倍;南岭自然保护区和西樵山自然保护区土壤Cd元素含量最高,白云山Hg元素含量最高;除西樵山外,其余6个点土壤Pb浓度均高于背景值,南岭和小南山最高,约为背景值的3.4倍;南岭、梧桐山、西樵山的土壤中Mn含量均超过广东省背景值,梧桐山的最高,约为背景值的2.0倍;白云山、梧桐山、西樵山的土壤中Cu含量均在广东省背景值之上,西樵山的最高,约为背景值的1.7倍;小南山、梧桐山、西樵山的土壤中Zn含量均高于广东省背景值,西樵山的最高,约为背景值的2.1倍;As元素含量变化比较大,在南岭、白云山、梧桐山、西樵山均远远高于背景值,分别是背景值的2.8倍、8.9倍、5.2倍、4.8倍;Cr和Ni在7个区域土壤中的含量均未超过广东省背景值。梧桐山土壤中Mn、Cu、Zn、As、Cd、Pb均超过广东省背景值,西樵山与梧桐山相比,仅Pb含量未超标。  (2)9种元素中,乌毛蕨对Mn元素的转运系数(2.39)最高,其次是As(2.03)、Hg(1.43),对Cr和Pb元素的转运系数(分别为0.29,0.31)最小。乌毛蕨对Pb元素的富集系数(1.58)最高,其次是Cd、Cu(分别为1.49,1.00),对Hg的富集系数(0.17)最小。乌毛蕨对Mn、As、Hg的转运系数大于1,但对该3种重金属元素的富集系数均小于1,说明乌毛蕨对这3种重金属元素的提取效应明显,能够将其从地下部分转运到地上部分,但对这3种重金属的固定能力较弱。这也是乌毛蕨避免重金属毒害的适应方式。一旦乌毛蕨根部有这3种重金属元素,能很快转运到地上部分,通过地上部分的脱落等来避免重金属的毒害。乌毛蕨对其他6种重金属元素(Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb)的转运系数小于1,说明乌毛蕨对该6种重金属的转运能力较低,很难将其从地下部分转移到地上部分。但在不同地点,乌毛蕨对重金属元素的转运能力不同,这与植物所生长的环境中重金属元素的浓度有关。乌毛蕨对Cu、Cd、Pb的富集系数大于1,说明乌毛蕨对这3种重金属元素的固定能力较强,能够主动从土壤中吸收该元素并固定在根部。乌毛蕨对重金属而言为根部囤积型植物,是修复Cu、Cd、Pb污染的潜在植物。  (3)9种元素中,金毛狗对Hg的转运系数(4.57)最高,其次是Mn、Zn元素(分别为3.75,2.21);仅对元素Ni、Cr、As和Pb的转运系数(分别为0.89,0.48,0.51,0.58)小于1。金毛狗对Cd元素的富集系数(2.02)最大,其次是Cu(1.61);富集系数最小的是Hg元素(0.03),仅对Cd和Cu元素的富集系数表现为大于1。金毛狗对Mn、Cu、Zn、Cd、Hg的转运系数大于1,说明金毛狗对这5种重金属元素的提取效应明显,能够将其从地下部分转运到地上部分。金毛狗对其他4种重金属元素(Cr、Ni、As、Pb)的转运系数小于1,说明金毛狗对该4种重金属的转运能力较低,很难将其从地下部分转移到地上部分。金毛狗对Cu、Cd的富集系数大于1,说明金毛狗对这2种重金属元素的固定能力较强,能够主动从土壤中吸收该元素并固定在根部。金毛狗对Cu和Cd元素的转运系数和富集系数均大于1,属于低背景高富集,满足植物修复筛选的条件之一,可以用于Cu和Cd重金属污染土壤的修复。金毛狗对重金属元素的富集能力较弱而转运能力较强,这为人类食用或药用金毛狗的根状茎提供了安全保障。  
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