土培条件下GO对重金属形态分布及植物吸收影响研究

上一章中介绍了GO凭借自身的亲水性提升土壤的含水量，并将水分快速传输给植物，从而促进植物的萌发和生长。GO的这种促进作用是间接的，本身不会在植物的表皮或体内富集。如前所述，GO在缓释化肥和增强农药效果等方面均表现出潜在的应用价值，GO在土培条件下促进植物生长且在植物体内无积累的实验结果为其在农业领域的应用奠定了基础。

在含有重金属的土壤中，GO对植物的影响很可能与重金属相伴而生。已有研究表明，GO对溶液中的重金属具有很强的吸附能力。当GO排放至土壤中时，其对重金属的吸附性能很可能影响植物对重金属的吸收。

Hongwei Zhu小组以水稻为研究对象，探究了在重金属Cd污染的土壤中，不同浓度的GO对植物生长及植物吸收Cd2+的影响；并采用连续提取法对土壤中的Cd进行分级萃取，探究GO对土壤中Cd存在形式的影响，结合GO对Cd2+的吸附机制揭示了其对植物吸收Cd2+的影响机制。

为探究土培条件下GO对植物吸收重金属的影响，在重金属Cd污染的土壤中，混入不同浓度的GO进行水稻种植，具体方法如下：将CdCl2·2.5H2O配成水溶液加入土壤中，使土壤中Cd2+的浓度为10mg/kg。搅拌土壤，使Cd2+在土壤中均匀分布。孕育土壤30d，其间持续浇水搅拌，保证水面高出土壤表面约2cm。再向Cd2+污染的土壤中加入GO水溶液，使GO含量分别为0g/kg、1g/kg和3g/kg（Cd10GO0、Cd10GO1、Cd10GO3）。继续搅拌，使GO在土壤中均匀分布。再孕育30d，其间仍持续浇水搅拌，保证水面高出土壤表面约2cm。

实验选用水稻作为研究对象，是因为水稻是亚洲人的重要主食，且易受到Cd的污染。采用一次浸提法对原始土壤中Cd含量进行ICP-MS检测，未检出Cd，说明土壤未被Cd污染。

采用原始土壤（无Cd无GO，Cd0GO0）和含有10mg/kg Cd和不同浓度（0g/kg、1g/kg、3g/kg）GO的土壤（Cd10GO0、Cd10GO1、Cd10GO3）种植水稻幼苗，结果如图5-31所示。图5-31（a）为收割后的水稻幼苗照片，四组幼苗的物理性状无明显差别。对幼苗的地上高度进行测量，结果如图5-31（b）所示，四组幼苗高度非常接近。鲜重测量结果如图5-31（c）所示，Cd10GO3组中的幼苗鲜重稍高于Cd0GO0组、Cd10GO0组和Cd10GO1三组。前面介绍过，GO本身是一种土壤改良剂，表面含氧官能团（羧基、羟基等）具有亲水的性质，可以提升土壤的水含量，为植物提供水分，促进植物萌发及生长。但实验结果未体现出其促进植物生长的显著作用，仅在高浓度Cd10GO3组中鲜重有一定的增加。这主要是因为GO的羧基团与Cd2+通过静电作用相结合，其亲水性被削弱。图5-31（d）为采用ICP-OES测量的不同组中水稻幼苗的Cd含量。Cd0GO0组水稻幼苗的Cd含量为0.75mg/kg。原始土壤中不含Cd，所以对浇灌的自来水进行了Cd2+含量测试，结果表明自来水中Cd2+的浓度为0.1445μg/L。为维持稻田土环境，每天需浇灌大量水，且Cd在盆栽环境中不会流失，所以自来水中的Cd2+进入土壤，最终在水稻幼苗中有少量积累。Cd10GO0组、Cd10GO1组、Cd10GO3组中因人为加入了10mg/kg的Cd2+，三组水稻幼苗的Cd含量较高。对这三组幼苗的Cd含量进行比较，可以明显看出幼苗的Cd含量随着GO浓度的增加而增加，这说明GO促进了水稻幼苗对Cd2+的吸收。其中，Cd10GO3组幼苗的Cd含量比Cd10GO0组幼苗高12.5％。

图5-31

（a）Cd0GO0组、Cd10GO0组、Cd10GO1组、Cd10GO3组中水稻幼苗照片；（b）幼苗高度；（c）幼苗鲜重；（d）幼苗Cd含量[结果为平均值±标准差，（b）（c）中样品数n=6，（d）中样品数n=3]

为了探究GO促进水稻幼苗吸收Cd2+的机制，采用连续提取法对土壤中的Cd进行分级萃取，测定土壤中Cd的存在形态分布。实验具体步骤如下。

（1）将土壤搅拌均匀，利用网格采样法进行土壤样品收集，搅拌均匀。

（2）将均匀土壤平铺于保鲜膜上，土壤厚度约2cm，通风干燥，用研钵研磨土壤，过孔径为0.15mm的尼龙筛。

（3）可交换态Cd提取：取2g土壤置于含有20mL浓度为0.05mol/L的Ca（NO3）2的锥形瓶中，在30℃下振荡24h，离心（3000r/min）分离10min，取上层清液。用ICP-OES检测上层清液中的Cd2+浓度。

（4）碳酸盐结合态Cd提取：将剩余残渣置于含有20mL 2.5％的CH3COOH的锥形瓶中，在30℃下振荡24h，离心（3500r/min）分离15min，取上层清液。用ICP-OES检测上层清液中的Cd2+浓度。(www.xing528.com)

（5）有机态Cd提取：在沸水浴中，用20mL 30％的H2O2消化剩余残渣，至H2O2完全分解。向残渣中加入20mL 2.5％的CH3COOH，在30℃下振荡24h，离心（3500r/min）分离20min，取上层清液。用ICP-OES检测上层清液中的Cd2+浓度。

（6）无定型氧化铁锰结合态Cd提取：将剩余残渣置于含有60mL酸性（NH4）2C2O4（0.1mol/L H2C2O4、0.236mol/L抗坏血酸和0.175mol/L（NH4）2C2O4）的锥形瓶中，在沸水浴中放置1h，离心（15000r/min）分离10min，取上层清液。用ICP-OES检测上层清液中的Cd2+浓度。

黏土或有机物颗粒表面会有一些带负电的吸附位点，通过静电吸附作用对Cd2+进行吸附，形成可交换态Cd。这部分Cd是最先被溶液提取出来的，同时也是最易被植物吸收的。根据提取的顺序，越靠后被提取出的Cd，越不易被植物所吸收。其次被提取出来的是与碳酸盐形成共沉淀的碳酸盐结合态Cd。与土壤中的有机质发生螯合作用的Cd被定义为有机态Cd，与氧化铁锰形成共沉淀的Cd被定义为无定型氧化铁锰结合态Cd。最后残渣中的Cd与土壤中的矿物质强结合，需要用混合强酸才能提取出来，这部分Cd几乎无法被植物吸收。

图5-32（a）为水稻种植前不同浓度GO处理的土壤中Cd存在形态分布的结果。Cd10GO1组和Cd10GO3组中可交换态Cd的含量分别为1.04mg/kg和1.19mg/kg，高于Cd10GO0组中可交换态Cd的含量（0.78mg/kg）。Cd10GO1组和Cd10GO3组中碳酸盐结合态Cd的含量分别为6.13mg/kg和5.91mg/kg，低于Cd10GO0组中碳酸盐结合态Cd的含量（6.50mg/kg）。各组中有机态Cd和无定型氧化铁锰结合态Cd含量无明显差别。以上结果说明GO可以将Cd从碳酸盐结合态向更易被植物吸收的可交换态进行转化。

图5-32　GO对土壤中Cd存在形态分布的影响（结果为平均值±标准差，样品数n=3）

对稻田土的pH进行监测，结果表明各组土壤的pH均约为6，不受GO浓度的影响。实验结果表明，当pH=6时，GO对Cd2+的吸附率高达97.2％。此外，GO对Cd2+的吸附仅需35min即可达到吸附平衡。接近中性时，水分充足的稻田土为GO对Cd2+的吸附提供了一个良好的环境。土壤中GO的大量含氧官能团通过静电作用吸附Cd2+。根据可交换态Cd的定义（通过静电吸附作用对Cd2+进行吸附），GO吸附的Cd2+即为可交换态Cd，这部分Cd较易被植物吸收。GO对Cd2+的吸附打破了Cd2+与碳酸盐反应的平衡，使反应反向进行，碳酸盐结合态Cd的含量降低。同时，GO的羧基赋予了GO有机酸的特性，可与碳酸盐反应，释放出更多的Cd2+。因此，在水稻种植过程中，GO将碳酸盐结合态Cd转化为可交换态Cd，促进水稻对Cd2+的吸收。

图5-32（b）为水稻收割后土壤中Cd存在形态分布的结果。各组中有机态Cd和无定型氧化铁锰结合态Cd含量无明显差别，且水稻种植前收割后，这两种形态的Cd含量也未发生明显变化。由此可知，GO的作用主要是将碳酸盐结合态Cd转化为可交换态Cd。收割后，各组土壤中Cd的总含量均降低，其中Cd10GO1组和Cd10GO3组的Cd含量下降更为明显，且GO的浓度越高，土壤中Cd的总含量越低。Cd10GO0组土壤中Cd的总含量为8.69mg/kg，而Cd10GO3组土壤中Cd的总含量仅为7.43mg/kg。

综上所述，在Cd富集的土壤中，GO会促进水稻对Cd2+的吸收，对水稻产生间接毒性。促进机制为GO凭借其吸附性能对Cd2+进行吸附，将土壤中的一部分碳酸盐结合态Cd转化为易被植物吸收的可交换态Cd，从而促进了水稻对Cd2+的吸收（图5-33）。

图5-33　GO促进水稻对Cd2+吸收的机制示意图

在重金属污染的土壤环境中，GO也表现出了对植物的间接毒性，GO对Cd2+的吸附作用促进了水稻对Cd2+的吸收。GO的这一间接作用也可应用于重金属污染的土壤修复中。可将GO与生物修复技术相结合，用于促进牺牲植物对重金属的吸收。GO促进并转化了Cd在土壤中的存在形态，使得其从无机态转变为可交换态。基于此，可结合土壤淋洗技术对土壤进行淋洗去除重金属，可交换态的金属更易溶于淋洗液被带走。同时，GO对土壤中微量元素的吸附性能很可能会促进植物对微量元素的吸收。