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盐碱湿地常出现在陆海交汇区和内陆盐湖区，其生态功能对区域环境有重要影响。重金属经地表径流、吸收与吸附等迁移转化过程，在盐碱湿地发生沉积、释放等行为，容易造成重金属“二次污染”［1-2］。因此，河口区域重金属污染治理与修复有着十分重要的意义。
翅碱蓬（Suaeda heteroptera）是藜科一年生草本植物，其对盐碱和重金属污染环境具有较好的抗逆性［3-4］。翅碱蓬适应河口湿地盐渍土壤环境，是我国北方河口湿地和盐碱地的特殊优势种。朱鸣鹤等研究表明，翅碱蓬对常见重金属 Cu、Zn、Pb 和 Cd 具有累积作用，其体内重金属含量均高于潮滩背景值，其累积吸收主要取决于植物本身所特有的生理机制［5］。当前，翅碱蓬对重金属吸收研究较多，侧重毒理学方面研究，对于实际污染物消减作用方面研究较少［6-7］。特别是翅碱蓬对于不同重金属的消减能力与消减量等具体关键数据未见报道。
本文以文献调研与辽河口湿地现场监测数据为基础，利用实验室水培实验，研究翅碱蓬对重金属的吸收作用，并对翅碱蓬修复重金属污染土壤技术应用可行性进行分析，以期为河口湿地重金属污染修复提供理论依据。
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仪器设备：原子吸收分光光度计（岛津AA-6880，配ASC-6880自动进样器），微波消解仪（屹尧Cash Cow 4010）
试剂与耗材：硝酸、氨水、盐酸、氢氟酸、甲基异丁酮、吡咯烷基二硫代甲酸铵、二乙氨基二硫代甲酸钠、甲基异丁酮等试剂均为优级纯。
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辽宁辽河口湿地是我国北方典型的盐碱湿地，其中国家级自然保护区“红海滩”由绵延的翅碱蓬群落组成，遍布78 km海岸线，宽处近2000 m，窄处约600 m，群落总面积近40504 km2。本课题组先后进行实地考察，并对2020年11月份成熟的翅碱蓬植株进行重点采样。由于景区保护政策，对翅碱蓬植株的采样量较少，难以做到区域内均匀采样，但以往实验表明，不同采样点位翅碱蓬体内重金属差异不大。采样后，迅速将植株带回实验室，对植物的根、茎叶分别用自来水冲洗干净后，再用去离子水冲洗，烘干待用。每个采样点采集混合沉积物样品带回室内，采样深度为20 cm，每个样品1 次重复。
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本研究使用火焰原子吸收分光光度法测定海水、土壤及植株中铅、锌、铜重金属含量。
土壤及植株处理方法：称取样品于微波消解罐中，加入氢氟酸、硝酸、盐酸，按设定程序消解。消解完成后冷却，置于电热板上赶酸至近干，1%硝酸水溶液定容至后滤去不溶物待测。
海水处理方法：参考GB17378.4-2004《海洋监测规范 第4部分：海水分析》，使用盐酸及氨水将样品条件至弱酸性（pH=4—5），溶解态的铅、锌、铜与吡咯烷二硫代甲酸铵（APDC）及二乙氨基二硫代甲酸钠（DDTC-Na）形成螯合物，经甲基异丁酮（MIBK）萃取后待测。
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试验用翅碱蓬种子取自盘锦红海滩, 选择大小一致、饱满的翅碱蓬种子用0.05%高锰酸钾消毒后备用。试验用水为纯水、海水。根据实际监测数据，设置不同重金属浓度，锌分别为100、200、400、800、1000 µg·L−1，铜和铅离子浓度相同，分别为50、100、200、400、500 µg·L−1，锌∶铜∶铅=2∶1∶1，按5个实验组进行实验。
取5个塑料植物培养盒，向其中加入适量的土壤，洒满翅碱蓬种子进而再盖上一层土壤，浇水浸湿放在恒温培养箱中，每天浇水将翅碱蓬在土培条件下养成6 cm左右，改为水培。配置霍格兰氏营养液1 L×5瓶，向营养液中加入不同浓度的铜、锌和铅离子，为模拟海水再向营养液中加入海盐，使盐度调成10‰。每3 d向5个培养盒中加入等量的重金属营养液，且每3 d各取20根翅碱蓬苗，洗净后测量其苗长及苗重，接着放入烘干箱中烘干2 h，测量其烘干后的苗重。原子吸收分光光度法测定翅碱蓬植物吸收重金属铜、锌和铅的情况。
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将测得的数据中按式(1)计算翅碱蓬样品的重金属含量：ω= ρV/M 。式中，ω为翅碱蓬干样中重金属的含量(质量分数)；ρ为从标准曲线上查得的重金属的浓度，单位为 μg·mL−1；V为样品制备液的体积单位为 mL；M为样品称取量，单位为 g。本论文所有数据处理和画图均采用微软excel 2013软件进行。
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一般地，每年11月份，翅碱蓬已经完全成熟，翅碱蓬植株平均高度约45 cm（茎叶部分），每株重量约8.5 g。由于翅碱蓬成熟植株个体较大，采用根、茎、叶部分分别测定，也能反应翅碱蓬不同部位对重金属的富集情况。由测量结果可知，3种重金属在翅碱蓬体内均有富集，锌较多，铜和铅含量较少且二者大致相同。植株根部富集大于茎叶部位，与之前研究结果相似［8］。这与沉积物中不同重金属含量具有一致性。对数据分析可知，翅碱蓬对重金属铜、铅和锌的平均吸收量分别为8.01、8.67 、46.30 mg·kg−1。
由辽河口湿地沉积物中重金属含量监测数据可知，各站点重金属含量差异不明显，总体呈现锌含量高，是铜和铅含量的两倍左右，各站点铜和铅含量大致相等。辽河口湿地内沉积物中重金属平均含量分别为：铜26.48 mg·kg−1、铅 33.52 mg·kg−1和锌79.99 mg·kg−1。
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根据翅碱蓬体内铜离子变化情况可知，在低浓度下，翅碱蓬对重金属铜具有较好富集作用，最高体内含量达到100 mg·kg−1以上。但高浓度下，翅碱蓬对重金属铜的富集量较少，或许是因为高浓度重金属抑制了翅碱蓬的生长。随着时间延长，各浓度条件下，翅碱蓬体内重金属铜含量基本保持不变。
翅碱蓬对重金属锌具有吸收作用，且各浓度条件下吸收量均较高。低浓度范围内，翅碱蓬对重金属锌吸收量较高，随着重金属初始浓度的增加，重金属锌消减量递减。浓度在50 µg和100 µg 级别时，翅碱蓬对重金属锌吸收量较多，第3 d吸收量达到200 mg·kg−1以上。当重金属浓度升高时，吸收量反而下降。除去植物生长的稀释作用，可能是因为高浓度重金属抑制了植物正常吸收、代谢等生化过程导致［9］。随着培养时间延长，翅碱蓬体内重金属锌含量先升高后略有下降，随后基本保持不变。
翅碱蓬对铅的吸收趋势跟铜类似，但总体吸收量较低，体内最高不超过20 mg·kg−1。低浓度条件下翅碱蓬的吸收量大于高浓度，或是因为高浓度重金属抑制翅碱蓬生长导致。同一浓度条件下，翅碱蓬体内铅含量先升高后降低的趋势。除去植物生长的稀释作用，随着培养时间延长，翅碱蓬体内铅离子含量逐渐下降，推测可能是因为翅碱蓬对于铅离子具有排出机制。
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锌和铜是翅碱蓬生长的必需元素，低浓度条件下，翅碱蓬对锌吸收量较高。在锌离子浓度100 µg·L−1条件下，翅碱蓬体内重金属含量约163.8 mg·kg−1。对铜离子吸收量较少，约30.45 mg·kg−1。铅对于翅碱蓬属于有毒物质，各个浓度下吸收量均较少，平均低于10 mg·kg−1。
生物富集系数(BCF)是评价植物富集能力的重要指标之一，其数值越大，说明植物对该重金属的富集能力越强[10]。因此，翅碱蓬对重金属富集能力可用相应的生物富集系数来表示：BCF=植物体内重金属含量/根际土壤重金属含量。根据现场监测数据，翅碱蓬对重金属富集系数分别为翅碱蓬-锌（BCFSh-Zn=0.58）>翅碱蓬-铜（BCFSh-Cu=0.30）>翅碱蓬-铅（BCFSh-Pb=0.26）。由于翅碱蓬对3种重金属的生物富集系数均小于1，证明翅碱蓬对三类重金属富集能力较低，属于非超级累植物。但是，由于翅碱蓬对高盐环境的特殊适应性，其在高盐环境中对重金属污染仍具有一定的消减能力，适用于盐碱湿地生态修复。
以辽河口湿地为例，翅碱蓬对重金属锌吸收量为46.30 mg·kg−1，翅碱蓬平均株重约为8.5 g，种群密度为100—200株·m−2，则区域内翅碱蓬对重金属锌吸收总量=翅碱蓬对锌的吸收量×平均株重×种群密度×总面积。同样的，在高盐水培实验条件下，富集系数计算过程也可参照上述计算方法。将营养液中的重金属浓度作为环境值，进而计算富集系数。本次实验时长15 d，重金属在翅碱蓬体内含量逐步稳定。因此，选择第15 d取样数据以计算高盐水培条件下翅碱蓬对重金属的富集能力：BCF水培=植物体内重金属含量/营养液中重金属含量。
计算结果如表1所示，翅碱蓬对低浓度下的重金属污染富集系数较高，对锌的富集系数明显高于铜和铅。水培条件下富集系数与现场实际环境中的数值相差较大。分析原因主要有三个方面：（1）现场环境重金属活性离子态占比较低，影响翅碱蓬的吸收；（2）水培条件下，重金属离子自身扩散作用对翅碱蓬吸收重金属有促进作用；（3）水培条件设置重金属的浓度相对较高，有利于翅碱蓬对重金属的充分富集。
从富集系数可以明显看到，在低浓度范围里，翅碱蓬对3种重金属吸收富集作用均好于高浓度实验组。各实验组内翅碱蓬对锌和铜的富集能力均大于铅。因此，翅碱蓬对重金属铅的消减能力相对较弱，不适用于铅污染严重区域生态修复。可从两方面入手提高翅碱蓬对重金属污染盐碱湿地的修复能力：（1）翅碱蓬针对锌污染去除能力较强，锌污染严重的区域可优先使用翅碱蓬进行修复，其他种类重金属污染区域可配合其他植物共同修复；（2）通过添加重金属活化物质或微生物等手段，增加沉积物中重金属活化离子所占的比例，进而提高翅碱蓬的富集效率 [11-12]。
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翅碱蓬作为耐盐优势植物，其对于重金属污染不敏感，可用于盐碱地和河口湿地重金属污染消减及生态修复。翅碱蓬对重金属的消减能力与重金属种类、混合污染物等环境因子有关。翅碱蓬对于不同重金属存在不同的吸收机制，在铜、锌和铅混合污染条件下，其对于锌有良好的消减效果；对铜和铅的消减作用较小但二者差别不大。实际生产应用过程中，翅碱蓬可与微生物法或化学法配合，促进重金属活化，提高翅碱蓬对重金属的富集能力，但相关机制和技术参数有待进一步探索。
翅碱蓬对盐碱湿地重金属污染消减作用
Abatement of heavy metal pollution in saline-alkali wetland by Suaeda heteroptera
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摘要: 为探究翅碱蓬对盐碱湿地重金属污染的消减作用和生态修复能力，采用现场监测与高盐水培试验相结合的方法，测定不同浓度Zn2+、Cu2+和Pb2+混合污染下，翅碱蓬对重金属的吸收消减作用。结果表明，在高盐环境下，翅碱蓬对重金属锌、铜和铅均具有消减作用，生物富集系数BCFSh-Zn>BCFSh-Cu>BCFSh-Pb。当重金属离子浓度较高时，翅碱蓬仍可以存活，但吸收量较低，影响了翅碱蓬对重金属污染的修复能力。将研究数据与翅碱蓬种群密度相关联，可得到区域内翅碱蓬对重金属的去除总量，为翅碱蓬生态修复技术推广应用提供相关理论基础和技术支撑。Abstract: In order to explore the abatement effect and ecological restoration ability of Suaeda heteroptera on heavy metal pollution in salt-alkali wetland, the absorption and abatement effect of Suaeda heteroptera were determined under different Zn2+, Cu2+ and Pb2+ concentrations, via field monitoring and high-salt hydroponic experiment. The results showed that Suaeda heteroptera could reduce zinc, copper and lead under high salinity environment, and the bio-enrichment coefficient was BCFSh-Zn>BCFSh-Cu>BCFSh-Pb. When the concentration of heavy metal ions were high, Suaeda heteroptera could still survive, but its absorption was low. By associating the research data with the population density of Suaeda heteroptera, the total amount of heavy metals removed by Suaeda heteroptera in the region could be obtained, providing relevant theoretical basis and technical support for the application of Suaeda heteroptera ecological restoration technology.
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Key words:
- Suaeda heteroptera /
- Zn /
- Cu /
- Pb /
- ecological restoration
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表 1 高盐水培条件下翅碱蓬对不同重金属生物富集系数
Table 1. Bio-enrichment coefficient of different heavy metals in Suaeda heteroptera under high salinity hydroponics
生物富集系数 Cu∶Pb∶Zn
50∶50∶100Cu∶Pb∶Zn
100∶100∶200Cu∶Pb∶Zn
200∶200∶400Cu∶Pb∶Zn
400∶400∶800Cu∶Pb∶Zn
500∶500∶1000Cu 2121 444 116.52 63.97 31.26 Pb 115.36 68.45 6.81 9.59 2.74 Zn 2862 1238 563.7 292.06 160.9 
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