环境科学学报  2018, Vol. 38 Issue (4): 1621-1627
能源作物甜高粱对镉污染农田的修复潜力研究     [PDF全文]
薛忠财1 , 李纪红1 , 李十中1 , 杜瑞恒2 , 吕芃2 , 籍贵苏2 , 刘永兵3     
1. 清华大学核能与新能源技术研究院, 北京 100084;
2. 河北省农林科学院谷子研究所, 石家庄 050035;
3. 轻工业环境保护研究所, 北京 100089
摘要: 通过田间控制试验,研究在不同镉污染条件下甜高粱对镉的吸收和积累规律,并采用先进固态发酵(ASSF)技术对甜高粱进行能源化利用,阐明能源植物甜高粱对镉污染农田的修复潜力.结果表明:甜高粱对镉具有较强的吸收能力和耐性,在不同浓度的镉处理条件下,均可以完成正常生育期(167 d),但当土壤镉含量达到33 mg·kg-1时其生长受到显著抑制.在甜高粱植株内,根部的镉浓度最高,呈现根>茎>叶>籽粒的分布特点,单株镉的积累量最高可达到0.84 mg(土壤镉含量为18 mg·kg-1).甜高粱对镉的吸收与土壤中的镉含量具有显著的线性关系(P < 0.05),随着土壤中镉含量的增加显著增加,但是镉处理对甜高粱茎秆的糖和水分含量,以及发酵过程中糖利用率和乙醇转化率均没有影响.因此,在镉污染农田上种植甜高粱,可以确保生产的产品不进入食物链而进入能源产业链,既可以生产生物乙醇的原材料,产生经济效益,又可以吸收土壤中镉,实现对镉污染农田的边生产边修复.
关键词:      能源作物     甜高粱     植物修复     富集特征    
Study on the phytoremediation potential of energy crop sweet sorghum to Cd-contaminated agriculture soil
XUE Zhongcai1 , LI Jihong1, LI Shizhong1 , DU Ruiheng2, LÜ Peng2, JI Guisu2, LIU Yongbing3    
1. Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University, Beijing 100084;
2. Millet Research Institute, Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Shijiazhuang 050035;
3. Environmental Protection Research Institute of Light Industry, Beijing 100089
Received 5 September 2017; received in revised from 21 October 2017; accepted 23 October 2017
Supported by the Science and Technology Program for Public Wellbeing (No.2013GS460202-3)
Biography: XUE Zhongcai(1985—), male, Ph.D., E-mail: zhongcaix2008@163.com
*Corresponding author: LI Shizhong, E-mail: szli@mail.tsinghua.edu.cn
Abstract: In order to study on the phytoremediation potential of energy crop sweet sorghum to Cd-contaminated agriculture soil, Cd uptake and accumulation of sweet sorghum under different Cd concentrations, and the energy utilization of stalk by advanced solid state fermentation (ASSF) technology, were investigated by a field control experiment. The results showed that sweet sorghum had strong ability to absorb and tolerate Cd, and can complete the whole growth period (167 days) under different Cd concentrations. However, the growth of sweet sorghum was inhibited when the Cd concentrations in soil were 33 mg·kg-1. The Cd was mainly accumulated in the roots of sweet sorghum, meanwhile, the Cd concentration in the sweet sorghum plants showed as the order of "root > sti > leaf > grain". The accumulation of Cd in the sweet sorghum plant can reach up to 0.84 mg·plant-1, when the Cd concentration in the soil was 18 mg·kg-1. The Cd concentration in the root, stem, leaf and seed of the sweet sorghum increased significantly with the increasing Cd concentration in the soil, and had a significant linear relationship between them (P < 0.05). Meanwhile, Cd treatment had no effect on sugar and water content in sweet sorghum stalks, and sugar utilization rate and ethanol conversion rate during fermentation. Therefore, the cultivation of sweet sorghum on Cd-contaminated arable land can be used to produce raw materials of bio-ethanol and extract the Cd in the soil, which ensure that the products produced do not enter the food chain and enter the energy industry chain.
Key words: cadmium     energy crop     sweet sorghum     phytoremediation     accumulation    
1 引言(Introduction)

土壤是人类赖以生存的物质基础.然而,近年来经济社会的快速发展造成我国土壤镉污染问题十分严重(环境保护部和国土资源部2014),其主要来源是:工业“三废”的排放以及农业上污水灌溉、污泥和磷肥的施用等.研究表明我国农田耕层土壤(0~20 cm)镉的年平均增量达到4 μg·kg-1 ( Luo et al., 2009).由于土壤中的镉很容易被植物吸收,从而进入食物链,这导致“镉大米”、“镉麦”等食品安全问题的频繁发生,对人民群众的生命安全造成了严重的威胁,因此如何利用或修复镉污染农田,实现对镉污染农田的可持续利用是我们当前急需解决的问题.虽然研究人员提出不同的物理法、化学法、生物法和多种技术联合法等对镉污染农田进行修复和利用,但是由于物理法和化学法往往具有修复成本较高、对土壤植被破坏性较大、二次污染严重等问题,制约了其在大面积镉污染农田中的应用.因此,具有修复成本低、环境友好、无二次污染、对土壤结构不产生破坏等优点的植物修复技术受到了越来越多的重视.

甜高粱(Sorghum bicolor (Linn.) Moench)作为重要的能源植物和粮食作物( Mullet et al., 2014; Regassa and Wortmann 2014),属于C4植物,具有光合效率高、生物量大、抗逆性强、适应性广等特点,每亩可生产含糖10%~16%的茎秆5~6 t,可以作为生产生物乙醇的原材料( Calviño and Messing, 2012).研究表明甜高粱对镉、铅等重金属具有较强的吸收能力和耐性.在重金属污染的农田(铅938 mg·kg-1、镉4.9 mg·kg-1、锌834 mg·kg-1)上种植甜高粱,每公顷可吸收铅0.35 kg、镉0.052 kg和锌1.44 kg ( Zhuang et al., 2009). Tian et al (2015)通过盆栽试验证明在镉污染土壤上种植的甜高粱可以作为生产乙醇的原料. Jia et al (2016)研究在镉胁迫条件下甜高粱(M-81E)细胞结构、金属离子分布等的变化,从植物生理角度证明甜高粱作为镉污染土壤植物修复材料的潜力,并指出可以通过基因编辑技术提高甜高粱的修复潜力.

现在利用甜高粱茎秆生产乙醇主要采用固态和液态2种发酵方式,然而与液体发酵相比,固态发酵技术提高了糖利用率,简化了工艺流程,降低了生产成本,避免了大量废水的产生.在此基础上,本课题组通过对菌株的选育、转鼓式固态发酵罐系统的开发、原料贮存技术的开发和集成,形成了一套以甜高粱茎秆为原料生产乙醇的先进固态发酵(Advanced Solid State Fermentation, ASSF)技术,其发酵周期少于30 h,乙醇产率可高达92%( 韩冰等, 2010),并在山东东营已成功建立了采用先进固态发酵技术利用甜高粱茎秆生产乙醇的工业化示范项目(Φ3.6 m×55 m连续固体发酵罐、Φ2.4 m×12 m连续固体蒸馏塔).

虽然甜高粱可以作为镉污染农田的植物修复材料,但是现在的研究重点集中在甜高粱对镉吸收能力和耐性机制研究( Jia et al., 2016),而关于甜高粱对镉的富集特征与土壤中镉含量的关系、以及修复后甜高粱能源化利用的研究仍未见报道.因此本文通过田间控制试验,进行了甜高粱全生长周期的考察,研究在不同镉污染条件下,甜高粱对镉的吸收和积累规律,分析其与土壤镉含量的关系,并以ASSF技术为基础对甜高粱进行能源化利用,阐明甜高粱对镉污染农田的修复潜力.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 供试材料

试验于2016年5月至11月在河北省农林科学院谷子研究所实验站进行.供试土壤类型为壤土,基本理化性质见 表 1.供试甜高粱品种为M64,由河北省农林科学院谷子研究所提供.

表 1 供试土壤的基本理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil
2.2 试验设计

试验土壤于2013年4月配制,土壤取自河北省农林科学院谷子研究所实验站大田,经自然风干、去杂质、磨碎过6 mm筛后,按照3、6、12、24、48 mg·kg-1的浓度, 通过添加CdNO3·2.5H2O溶液配置5个水平的镉污染土壤(文中以T1、T2、T3、T4、T5代表),并以空白土壤作为对照(CK),共设置6个处理浓度.在农田中,挖长3 m、宽0.4 m、深0.4 m的池子12个,每个处理重复2次,用厚塑料布覆盖池子底部和四周,以避免土壤中的重金属因灌溉而流失,随后把配置好的土壤分别装入池子中,加水平衡30 d后种植甜高粱,经过连续3年(2013—2015年)的种植,土壤中的镉含量明显降低,如 表 2所示.

表 2 供试土壤中全量和HCl提取有效态镉含量 Table 2 The total and HCl-extractable Cd concentration in the tested soil

本次试验于2016年5月26日播种,连续第4年种植甜高粱,种植甜高粱品种M64,每个小区施用50 g尿素作为底肥,种植甜高粱1行,定苗后每行有甜高粱12株,生育期内通过浇水维持田间正常的水分含量,并在拔节期进行追肥,施用尿素50 g/小区,待完成生育期后于11月8日进行收获.

2.3 样品采集与测定 2.3.1 株高和生物量的测定

每个小区选择长势一致的甜高粱5株,测定地上部高度,并用铁锹将根取出,用自来水冲洗去除根表面的土壤后,分为根、茎、叶和籽粒4个部分,称量茎秆鲜重(FWs),将根、茎、叶用20 mmol·L-1乙二胺四乙酸二钠(Na2-EDTA)浸泡1 h以除去根表面粘附的金属离子,然后用蒸馏水冲洗,随后在105 ℃杀青30 min后,在80 ℃下烘干至恒重,分别称取各部分干物质重(DW).根据公式:WC= [(FWs-DWs)/ FWs]×100%,计算茎秆含水量(WC).

另外每个小区选取长势一致的甜高粱3株,去除根、叶、穗后,将茎秆粉碎并混合均匀(直径1~5 mm,长度小于50 mm,并于-20 ℃条件下保存待用.

2.3.2 甜高粱茎秆的发酵

采用先进固态发酵技术进行发酵,称取100 g粉碎料,按照10%的接种量接入已培养好的种子液,菌种为酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae Hansen) TSH2(菌种保藏编号为CGMCC 14223,保藏单位为:中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,保藏日期为2017年06月06日),装入500 mL三角瓶内,封口后,放入30 ℃条件下的培养箱中,发酵20 h后,取样测定发酵后糖含量和乙醇含量.

2.3.3 糖和乙醇含量的测定

采用高效液相色谱仪LC-20A(shimadzu,Japan)进行测定.取30 g粉碎后的甜高粱茎秆渣和发酵后的残渣,加入300 mL水提取,取10 mL提取液加入硫酸调节pH=3后,在5000 r·min条件下离心5 min,取上清液用0.25 μm膜过滤,然后以过滤液为测定样品.测定条件为:流动相50 mmol硫酸,柱温60 ℃,流速0.5 mL·min-1,进样量20 μL,色谱柱: Bio-Rad AminexHPX-87H.每个处理重复测定3次.

2.3.4 镉含量的测定

土壤样品风干、粉碎,过100目筛,全量镉含量采用HNO3:HCl:HF (1:3:1)的消解体系进行消解,有效态镉含量采用0.1 mol·L-1 HCl提取的方法,称取土壤样品10 g,按照1:5的比例加入提取液,在25 ℃条件下震荡提取1.5 h,过滤后离心(5000 r·min-1,10 min).取烘干后的植株样品,粉碎后过60目筛,取一定量样品加入浓HNO3进行消解.利用iCAP7400(Thermo fisher,USA)进行测定.

2.4 数据处理

乙醇转化率为:单位原料的实际乙醇产量与理论转化量的比值,根据公式(梅晓岩, 2011)计算:

(1)

式中,Y为乙醇转化率%;Yi为发酵后残渣中的乙醇质量分数,%;S0为茎秆中总糖质量分数;0.511为乙醇理论转化率.

使用Microsoft Office Excel 2016软件进行数据处理,用SPSS 22.0软件进行方差分析,用SigmaPlot 12.5作图.

3 结果(Results) 3.1 甜高粱的生长状况

在不同浓度的镉处理条件下,甜高粱均可以完成整个生育期(167 d),当土壤中镉浓度达到33 mg·kg-1时,甜高粱株高以及各部分生物量均发生显著下降,与对照相比株高下降5.4%,而根、茎、叶和籽粒的生物量分别下降了57.1%、39.1%、44.7%和39.7% ( 表 3).

表 3 不同浓度镉处理对甜高粱生长的影响 Table 3 Effects of different Cd concentration treatments on the growth of sweet sorghum
3.2 甜高粱对镉的富集特征

表 4可以看出,甜高粱植株不同器官中的镉浓度均随着处理浓度的增加而显著增加,且根中的镉浓度显著高于其它部位,籽粒中的镉浓度最低,籽粒中的镉含量均符合《饲料卫生标准》(GB13078-2001),并且当土壤中的镉浓度低于7.19 mg·kg-1时,籽粒中的镉含量低于食用标准0.1 mg·kg-1(GB-2762-2012).

表 4 甜高粱不同器官中的镉浓度 Table 4 The Cd concentration in different organs of sweet sorghum

积累量是不同器官生物量与其对应浓度的乘积,可以反映出甜高粱对于镉的吸收能力,由 图 1a可知,随着处理浓度的增加,甜高粱对于镉的吸收量逐渐增加,然而在土壤镉含量为33 mg·kg-1时,其积累量显著降低,这主要是由于甜高粱的生物量降低所导致,虽然其各部分镉浓度均为最高,但是其生物量的降低,从而造成了积累量的降低.然而,从镉在甜高粱植株内的归一化分布上看( 图 1b),镉主要分布在茎中,占全部总量的42.0%~58.4%,平均值为50.7%,其次在根中的分布占总量的26.0%~33.7%,而在叶中的分布则为14.8%~26.5%,在籽粒中的积累量最低(0.03%~0.2%).

图 1 甜高粱不同器官的镉积累量(a)及归一化镉分布(b) Fig. 1 The Cd accumulation (a) and distribution (b) in the different organs of sweet sorghum
3.3 甜高粱对镉的富集特征与土壤中镉含量的关系

由于土壤中的HCl提取有效态镉含量与全量镉含量具有线性关系( 图 2),随着土壤中镉浓度的增加,土壤中有效态镉含量也不断增加.由 图 3可知,甜高粱根、茎、叶、籽粒中的镉含量均与土壤镉含量均有显著正相关(P<0.05),这说明甜高粱不同器官中的镉含量随着处理浓度的增加而增加,并且土壤中有效态镉含量与甜高粱不同器官内的镉含量也存在显著的关系(数据未显示).

图 2 供试土壤中全量镉含量与HCl提取有效态镉含量的相关性 Fig. 2 The correlation between the total and HCl-extractable Cd concentration in the tested soil

图 3 甜高粱不同器官中的镉含量与土壤中镉含量的相关性 Fig. 3 The correlation between the total Cd concentration in the tested soil and the Cd concentration in the different organs of sweet sorghum
3.4 甜高粱茎秆发酵生产乙醇

不同浓度镉处理条件下,甜高粱茎秆的水分含量在72.43%~75.51%范围内变化,平均值为74.34%,糖含量则在9.15%~10.84%范围内变化,平均值为9.96%.从发酵结果上可以看出,采用ASSF技术对甜高粱茎秆进行发酵,茎秆中糖的利用率平均值为96.72%,乙醇转化率可以达到93.23%,可见镉处理对于甜高粱茎秆的发酵并没有产生影响( 表 5).

表 5 甜高粱茎秆发酵结果 Table 5 Fermentation results of sweet sorghum stalk
4 讨论(Discussion)

甜高粱作为重要的粮食作物和能源作物,在我国大面积地区均可种植( 张彩霞等. 2010).在本研究中,在重度镉污染土壤中(镉含量达到33 mg·kg-1),甜高粱的生物量显著降低( 表 3),这与前人的研究结果一致. Tian et al (2015)研究结果也表明当土壤镉含量达到10 mg·kg-1时,甜高粱的地上部生物量下降17.29%;当镉含量达到30 mg·kg-1时,甜高粱地上部生物量下降29.33%.在镉处理条件下植物生物量的降低,主要是由于土壤中的镉被吸收和转运到植物体内后,对植物正常生理代谢(光合作用、养分吸收等)造成了一定的影响( Bashir et al., 2015; Jia et al., 2016; Xue et al., 2014),因此甜高粱生物量的降低与镉离子在植株体内的富集和分配有重要关系.本研究结果表明,甜高粱植株体内的镉积累量随着土壤中镉含量的增加而增加,且各部分镉含量均与土壤镉含量有显著正相关关系(P<0.05),这与 吐尔逊·吐尔洪等(2013)的研究结果一致.在玉米中也观察到同样的现象,玉米对镉的吸收与土壤中可交换态镉含量有一定的正相关关系( 辛艳卫等. 2017).而在植株体内甜高粱根部的镉浓度最高,且呈现根>茎>叶>籽粒的分布特点,但是从镉积累量上看,由于茎部生物量较高( 图 1),因此其积累总量最高.土壤中的镉被吸收和转运到植株地上部,可以被收获,从而达到植物修复的目的.在本实验中,随着土壤中镉浓度的增加,甜高粱地上部镉积累量不断增加( 图 1a),单株地上部的镉积累量最高可达到0.84 mg(土壤镉含量为18 mg·kg-1),按照每公顷种植9万株计算,每公顷可吸收镉0.076 kg.前人的研究表明,在土壤镉含量为11.86 mg·kg-1的桂阳种植甜高粱,单株吸收镉总量最高可达2.8 mg,每亩甜高粱可吸收镉约18 g(以6667株/亩计)( 贾伟涛等. 2015). Zhuang et al (2009)通过田间试验(土壤镉含量为4.9 mg·kg-1)种植甜高粱每公顷可吸收镉0.052 kg. 祁剑英等(2017)在不同镉浓度下的盆栽试验(1、3、5、7 mg·kg-1)表明,甜高粱适合修复镉污染土壤,单株地上部的积累量为6.28~59.71 μg. Marchiol et al (2007)在重金属复合污染农田(土壤镉含量为4.29 mg·kg-1)上种植甜高粱,每公顷可生产22.1 t的干物质,镉浓度为0.26 mg·kg-1,每公顷可吸收镉0.006 kg.现在的研究认为植物对于镉吸收量上的差异主要是由于外界生长环境和自身的遗传差异造成的( Clemens and Ma, 2016; 刘克等,2015).因此,甜高粱对镉吸收量的不同主要是由于不同试验条件和不同的遗传背景所造成的. 籍贵苏等(2014)研究表明不同甜高粱品种对镉的吸收、转运差异较大,镉的富集系数和转移系数差异也较大,并且不同玉米、水稻、小麦等作物品种对于镉的积累也存在显著的种间差异( 杜彩艳等,2017; 季书勤等,2006; 唐非等,2013; 辛艳卫等,2017).综上所述,甜高粱对镉具有较强的吸收能力和耐性,可以作为植物修复的材料.

虽然甜高粱可以在重金属污染农田上进行种植,但是大量富含镉等重金属的甜高粱茎秆如不能尽快、合理地加以处置,将可能重新回到土壤,且由于生物体中的重金属具有更高的活性而增大其危害性从而造成二次污染.本研究结果表明,在不同浓度镉处理条件下,甜高粱茎秆的含水量和含糖量并没有发生显著的变化( 表 5),这与前人的研究结果一致( 余海波等,2011).在经石灰和磷矿粉改良后的重金属污染农田上种植甜高粱,其总糖和还原糖的含量并没有明显变化( 余海波等,2011).采用ASSF技术对甜高粱茎秆进行发酵处理,结果表明甜高粱茎秆糖利用率可以达到96.72%,乙醇转化率可达到93.23%.虽然镉处理对甜高粱茎秆中的糖含量、发酵过程中的糖利用率和乙醇转化率都没有影响,但是在土壤镉含量较高时由于茎秆产量的降低,导致其生产乙醇的潜力将明显降低. Tian et al (2015)通过盆栽试验对在镉污染农田种植甜高粱的乙醇产量进行了估算,结果认为在不同镉处理条件下其乙醇产量随着土壤镉含量的增加而降低,在30 mg·kg-1时乙醇产量为2.69 t·a-1·hm-2.经过发酵后的甜高粱发酵渣可以采用焚烧法对其进行处理,以实现减量化、无害化和资源化处理的目的.

经过多年的发展,虽然我国在土壤修复技术上已经取得了显著的进展,但是对于污染面积大、修复成本高的镉污染农田,缺少切实可行的技术,并且关于镉污染农田的农民利益与食品安全的矛盾也没有合理的解决办法.通过本研究我们可以看出,甜高粱对于镉具有较强的耐性和吸收能力,因此针对重度镉污染农田,通过改变农业结构种植能源植物甜高粱,一方面扩大了甜高粱的种植面积,保障了生物乙醇原料的供应,避免农产品进入食物链,既满足广大农民的利益需求,又保证了食品安全,另一方面可以吸收土壤中的镉,可以实现对镉污染农田的边生产边修复.

5 结论(Conclusions)

1) 甜高粱对镉具有较强的吸收能力和耐性,镉主要积累在甜高粱的根部,并呈现根>茎>叶>籽粒的分布特点,但是随着土壤中镉含量的增加,会对甜高粱的生长产生抑制.甜高粱对镉的吸收与土壤镉含量具有显著的关系,随着土壤中镉含量的增加显著增加.

2) 在镉污染农田上种植甜高粱,用于生产燃料乙醇,既可以确保生产的产品不进入食物链而进入能源产业链,产生经济效益,又可以吸收土壤中镉铅等重金属,带来显著的环境效益,从而实现对镉污染农田的边生产边修复.

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