求环境工程英语文献及其翻译，非常感谢，复试用的

小分子有机酸对烟草吸收土壤中铅和镉的影响评估
MichaelW.H.Evangelou,MathiasEbel,Andreas Schaeffer

Institut fu¨ r Biologie V, RWTH Aachen, Worringerweg 1, 52056 Aachen, Germany

Received 1 February 2005; received in revised form 23 August 2005; accepted 24 August 2005 Available online 6 December 2005

摘要：
植物修复就是运用植物提取土壤和地下水中的污染物，是净化重金属污染土壤很有前景的方法。然而它的用途被许多因素限制，如植物生长所需时间、养分供应，此外，还有金属摄取量的限制。合成螯合剂已经表现出对重金属提取有促进作用，但同时也暴露出一些负面影响。这个研究的目的在于探讨三种天然低分子量有机酸（NLMWOA）（柠檬酸、草酸、酒石酸）作为合成螯合剂的替代物的作用。实验包括：泥浆实验、毒性实验和列实验。在植物提取实验中，将三种低分子量有机酸分别添加到铜和铅污染土壤中。与EDTA处理组（42 mgkg-1）相比，铜的摄取量有显著增加的仅在柠檬酸处理组表现明显。低分子量有机酸没有显示出对铅的植物提取有促进作用。对这种结果的可能解释可能是低分子量有机酸的降解率。对于像铅这种有着低流动性和生物利用度的重金属，这个比率可能过高。添加到土壤中的低分子量有机酸含量非常高（62.5 mmol. kg -1土壤）但作用很小。在这方面，用量很少(0.125 mmol .kg -1)的EDTA效果更好。由此得出，低分子量有机酸不适用于加强土壤中重金属的植物提取。

关键词：植物修复 重金属 有机酸 螯合剂 烟草

引言
植物修复被定义为运用绿色植物清除环境中的污染物，或使其无害化(Raskin et al., 1997)。植物修复不仅可用于清除有机污染物还可用于清除无机污染物。比起其他治理技术，如填土、固定和淋失，它是经济合算的，而且不会对土壤基质造成不良影响。把对环境的干扰降到最小。这些sites通常是美观的，因此更容易被公众接受。例如，德国人在莱比锡的植物修复基地已经很好地被附近居民接受。
尽管所有植物都有从土壤中提取金属物质的潜力，但一些植物已表现出对高水平重金属的提取、积累和耐受能力。按植物界中广泛分类方法，这种植物被称为超富集植物。金属超富积是植物对金属土壤生理生态的适应结果。超积累植物的潜力在生物修复中的应用是有限的，即他们是生长缓慢，生物量小。这些特征恰好和（Robinson et al. (2000)）的提议相反，即用于植物修复的植物应是生长迅速、扎根深、容易和积累目标金属的。根据（Ro¨ mkens et al. (2002)）的观点，这种植物还应有高生物量。综合这些因素，来自南美洲和拉丁美洲地区叫做Nicotiana tabacum的这种烟草适于植物修复。
螯合剂已经显示出对植物修复重金属污染土壤有促进作用的能力，一种可平衡高富集植物的能力。尽管像EDTA这种合成螯合剂表现出对重金属污染土壤的植物修复有积极影响，但它的运用也有一些缺点。EDTA在提取金属物质时没有选择性(Barona et al., 2001)，并且biodegradability低(Wasay et al., 1998)。它甚至在非常低浓度情况下还严重影响植物生长（Chen and Cutright.2001）。在自然发生螯合的系统中找到的合成螯合剂的替代品，我们把它叫做生物螯合剂。像胡敏酸这种生物螯合剂已经显示对重金属污染土壤的植物修复有积极作用（Evangelou et al.2004）。另一种可能选择是被植物渗出到土壤中的低分子量有机酸（NLMWOA）。
我们知道，植物根渗出的有机化合物可能间接或直接影响原本的溶解度和有毒离子。间接影响，是通过影响微生物活动、根际土壤的物理性质和根的生长动态来实现的。而直接影响是通过在根际土的酸化、螯合、沉淀和氧化还原反应实现的（Uren and Reisenauer 1998;Marschner et al.1995）。在这些化合物中，NLMWOA因它们的综合性能而显得特别重要，在重金属溶解性中扮演重要角色（Mench and Martin,1991;Krishnamurti et al,1997;Nigam et al,2000）。并且矿物营养（Zhang et al，1989；Jones et al，1996）的加入，甚至显得比土壤PH更重要（Huang et al,1998）。
本次研究的目的是，在实验室条件下运用烟草，探讨低分子量有机酸有关增强铜、铅污染土壤的植物提取能力。我们用低分子量有机酸替代EDTA或其他合成螯合剂等化合物作为植物修复重金属污染土壤的促进剂，并对其潜能进行评估。
2. 材料和方法
2.1 土壤描述
这是一种粉质，壤质砂土农业土壤，美国农业部（Soil Survey Manual,1995），取自于德国亚琛Melaten农田0到30cm的表层土。把土样在室温下风干，研磨过2mm筛并做如下定性。用比重计测定土样中的沙、粘土和淤泥分数（Bouyoucous,1952）。用沃克利黑法测定有机质含量（Nelson and Sommers,1996）。用氯化钙方法测定PH（Lewandowski et al,1997）。土壤中初始总铅和总铜含量，用王水消煮，过滤后用火焰原子吸收光谱法测定土壤中铅、铜含量。原子吸收光谱法校准标准是通过在萃取液中分别适当增加铜和铅的量来实现的。土壤的理化性质见表1。
2.2 盆栽试验
2.2.1 土样制备
盆栽实验于3月至4月间在温室中进行。400克过筛的土样装入0..5L桶底带有六个小孔塑料桶中。塑料桶预先用稀硝酸洗去任何可能吸附于上面的金属。每个盆下放置一个盆碟。每个盆中加入如下剂量的化肥：674.4 mg Ca(NO3)2. 4H2O, 175.6 mg KH2PO4, 使它们浓度分别在200 到100 mg. kg-1 之间。
表1 所用土壤的重金属浓度和其它一些性质

Parameters Content
PH 6.8
Organic matter(%) 3.5
Soil fractions Sand(%) 49.4
Clay(%) 42.1
Silt(%) 8.5
Copper(mg.kg-1) 21.8
Lead(mg.kg-1) 48.7
2.2.2 育苗准备和植物生长
用于盆栽实验的植物是烟草。这个选择是基于这种植物能在很短时间能产出相对大的生物量来考虑的。种子在泥炭和沙的混合物中发芽。3个星期后，有相似生物量的幼苗用于盆栽实验。全部的烟草生长在控制的环境条件下，每天16小时光照时间，光照和黑暗时的温度分别为25℃和20℃，和60%的相对湿度（WalchLiu et al,2000）。
2.2.3. 毒性盆栽试验
该试验包括控制处理组（无螯合剂），低分子量有机酸含量为62.5,125, and 250 mmol kg -1的 实验组，和浓度为250 mmol kg -1的EDTA。在添加螯合剂当天，将生物量相似的幼苗移栽到含有这种金属和低分子量有机酸混合土壤的盆钵中。每盆植入一颗种子，此后，实验真正开始了。该试验分三组同时进行。毒性影响由植株干重显示。
2.2.4. 植物提取盆栽实验
实验包括控制组（无重金属）和实验组。实验组分别添加CuCl2和Pb（NO3）2使铜的含量分别为225和450mg.kg-1,铅的含量分别为300和600mg.kg-1。每种处理一式三份。再同一天添加铜、铅、化肥、62.5mmolkg-1NLMWOA和0.125mmol.kg-1EDTA，随后每盆移入一棵幼苗，此后，实验开始。所有移入的幼苗生物量要求相似。为了避免铜和铅从土壤中禽畜，用于浇灌的蒸馏水不能直接淋在土壤表面，必须浇在盆下的盘子里。
2..2.5. 植物收割和分析
实验中的植物大约生长3周后收割。在收割期间，植物地上部分切成短节，茎和叶分开。接下来的步骤按照Jones and Case(1990)中所述的做。植物样品（茎和叶）用去离子水简要冲洗一下，用吸水纸吸干以去除表面污物，然后在70C下烘干至恒重。称重并将样品在接地球磨机里磨成均质粒径的颗粒。
在碾磨后，称取200mg左右干植物组织，放入规格为15ml的瓷坩埚中。在马弗炉中500下灰化5h并冷却。在60C下，加2ml盐酸并蒸发。在室温下，再次加入2ml15%的盐酸，灰分用玻璃棒引流，随后通过定量滤纸过滤（595,Schleicher and Schuell Filters,pore size4lm）。滤液用去离子水定容到20ml，用AAS测定铜和铅含量。
2.3. 泥浆实验
向聚丙烯离心管中加入1g农用土壤，离心管事先用稀硝酸洗净，以去除任何吸附的金属。土壤用15ml浓度为62.5mM的溶液制成悬浮液，即用柠檬酸，草酸，酒石酸或者0.125mM的EDTA。每种悬浮液用1M的氢氧化钠调到不同的PH值：9、7和5。离心管在70rpm的转速下摇动18小时随后离心10min到14g。每个样品通过定量滤纸过滤（595, Schleicher and Schuell Filters,pore size 4lm）。为保存样品，向每个样品中加入100ml 65%的硝酸。铜和铅的含量用AAS测定。每种处理一式三份。
2.4.列实验
在这项研究中所用玻璃管内径为24mm，长140mm。玻璃管事先用稀硝酸洗净，以防止留有任何吸附的金属物质。装土，在玻璃管中装入25g含有浓度为450mgkg-1形式为氯化铜的铜和600mgkg-1形式为硝酸铅的铅的土壤。在实验之前，土壤已经沉化3个月，并且加入了大量低浓度的溶解的氯化铜和硝酸铅以使它们能在土壤中均匀分配。玻璃管的孔容测量后得知为56%，相当于14ml。积水保持土壤以上6cm，并在禽出过程中维持这个水平。出水流量保持在平均一个孔容每小时（14+-1mlh-1）。每个玻璃管分别用60-100ml62.5mM的柠檬酸、酒石酸、草酸、0.125MmEDTA或10mM氯化钙溶液洗脱。溶液水平根据渗滤液流的不同略有差异。在玻璃管的底部，渗滤液以14等分收集，并在同一天测定。为避免pH依耐效应，螯合剂溶液的pH值用1M氢氧化钠溶液调至6.8即土壤pH值。10mM的氯化钙相比于自然土壤有可比性的离子强度（Shuman,1990）。氯化钙作为控制并作为植物提取实验的对照。每个方案列实验一式五份。铜和铅的含量用AAS测定。
2.5. 统计分析
除列实验设五个平行外，每种铜和铅的浓度及每种螯合剂浓度都设三个平行。具体方法之间的差异用T检验法确定（P<0.05）。用Excel XP(Microsoft)进行数据分析。
3. 结果
3.1.毒性盆栽实验
地上部分干物质的产量（叶和茎的总和），见图1。添加的低分子量有机酸在浓度为62.5mmol.kg-1时，不会对植物干重造成负面影响，但当螯合剂浓度更高时，像干重小、萎黄这些中毒症状就表现得很明显。柠檬酸在浓度为125mmolkg-1是已显著(P<0.05)表现出毒性影响。酒石酸和草酸在这个浓度仅表现出轻微毒性。EDTA在浓度为0.125mmolkg-1以下没有显示出任何负面影响。EDTA用量为1.25mmolkg-1时（见表1b），就发现叶子表现出坏死病变并且干重小的可怜。EDTA浓度为0.25mmolkg-1时，干重仅略有减少，但相比于浓度为0.125mmolkg-1的标准偏差更高。
3.2. 植物提取盆栽实验
图2说明了随着土壤中铜和铅的浓度增大，芽中铜和铅的浓度相应增大。芽对铜和铅的吸收被柠檬酸加强。用62.5mmolkg-1柠檬酸处理的组，芽中铜的浓度比控制组和其他低分子量有机酸及EDTA处理组中浓度显然更高。在这种柠檬酸添加量情况下，芽中铜的浓度达到67mgkg-1。草酸和EDTA对植物吸收铜的影响不是那么突出，但是不过比控制组和酒石酸组有所增加。酒石酸对植物吸收铜显示无加强作用。对于铅，仅EDTA表现出有增强效果，并且芽中铅的含量大约为63mgkg-1；低分子量有机酸没有显著（P<0.05）影响，摄取铅的平均量和控制组数量级相同。
3.3. pH 的改变
在植物提取实验的初终的PH值见表二。在实验开始时，对照组土壤的pH值比原本的pH值低0.3，可能是由于添加肥料的缘故。铜和铅的添加进一步降低了pH。在实验结束时，对照组土壤回到了原来的pH值。添加EDTA的组的pH改变与控制组相似。在实验开始阶段，低分子量有机酸的添加使PH降低到平均为5.6，在实验末尾pH值达到平均为7.7左右，比土壤原始pH值高0.9
3.4.泥浆实验
表一显示了自然污染土壤中铜和铅的百分含量，铜和铅含量分别为21.8和48.7.7mgkg-1。在低分子量有机酸影响下的铜含量明显高于EDTA。被不同低分子量有机酸影响的含量数量级顺序相同。相比于初始浓度，低分子量有机酸调动大约为20%到25%的铜和约8%的铅。虽然低分子量有机酸和EDTA在调动铜的能力方面差异很大，对铅的调动量有相同顺序的数量级。仅在pH值为5的柠檬酸调动能力突出，为36%。被孔隙水（对照组）调动的1%的铜和0.5%的铅已扣除。
3.5.列实验
表四表明了在列实验中从经450mgkg-1铜和600mgkg-1的铅处理的土壤调动的铅和铜在土壤中含量的百分比。被低分子量有机酸调动的铜明显比EDTA的高。EDTA比氯化钙调动的多约0.4%，但两者的评均水平数量级相同。比起低分子量有机酸，用氯化钙作为控制组和EDTA对铜的调动量微不足道。柠檬酸在第一部分调动得最多，约25%。调动的量随着孔容数量减少。草酸和酒石酸在第四孔容调动量达到最大。但分别仅约为9%和3%。被低分子量有机酸、EDTA和氯化钙调动的量为相同数量级，在0.5%和2%之间。在比较草酸，酒石酸，柠檬酸显示，铅和铜萃取提取曲线不同。在铅的提取曲线的第二个孔隙体积达到最大。
4.讨论
植物毒性实验表明了，低分子量有机酸和EDTA对植物的毒性有所差异。Chen and Cutright (2001)报道，EDTA表现出高毒性（图一b），并且在EDTA在土壤中浓度为1.25mmolkg-1时表现出降低植物生长。EDTA浓度为0.125mmolkg-1时，植物没有中毒迹象，平行之间之间只有很小的差异。浓度为0.25mmolkg-1时，植物干重和对照相似。但标准偏差很高，因此选择更低浓度的添加量用于植物提取实验（如表一b）。添加量为62.5mmolkg-1的低分子量有机酸对植物芽的干重产量没有产生不利影响，甚至芽的产量有轻微增加（见表一a）。因此这个浓度选作植物提取实验。更高浓度的低分子量有机酸导致生物量减少，可能是由于控制溶质吸收的生理系统被损坏造成的（Vassil et al., 1998）。低分子量有机酸可能破坏了通常情况下被Ca2+和Zn2+离子稳定的等离子膜(Pasternak, 1987; Kaszuba and Hunt, 1990)，并可以授予土壤溶液随机金属配合物通过蒸腾流到达根的木质部和芽(Vassil et al., 1998)。铜和铅的毒性试验在有机酸毒性试验之前进行。在含铜450mgkg-1和含铅600mgkg-1的土壤中，这些对植物中的铜和铅没有表现出明显有害
影响（数据没有列出）。通过植物材料的分析显示，62.5mmolkg-1的柠檬酸和0.125mmolkg-1的EDTA处理过的土壤芽中铜的含量比对照组分别明显（P<0.05）增加2.3倍和1.1倍（见图2）。照Schmidt (2003) and Gramss et al. (2004)所述，铜和铅的增加都没这么多。尽管草酸表现出的调动潜能和柠檬酸一样，但在所有的pH值中（见图三），它并没使芽中的铜浓度增加（见图二）。草酸使铜浓度在芽中的增加量和EDTA的数量级相同。通过植物分析表明，低分子量有机酸对植物吸收铅没有促进作用。尽管低分子量有机酸实验组在泥浆（见图3b）和列实验（见图4b）中比EDTA表现出更高的调动量。EDTA处理组显示在植物芽中铅浓度约增加了三倍（见图二）。但仍然比Grcman et al. (2001)所述的要低。关于在植物提取实验中土壤中低分子量有机酸浓度比EDTA高出250倍，但效果是最小的，哪怕在加铜的土壤中。在植物提取实验中，EDTA在这个剂量仍然没有效果。EDTA仅在毒性影响明显并且淋溶损失超过植物吸收时有效。
在泥浆实验中，62.5mM的低分子量有机酸比0.125mM的EDTA表现出更强的调动能力。然而，低分子量有机酸相比于EDTA对铅表现出很小的调动能力（见图3b）。仅柠檬酸（图3b）在pH为5时比EDTA、草酸和酒石酸调动多得多的铅。其中一个原因可能是低pH值和盐的转移的结合，导致pH值调整，而这将导致更高的重金属调动量。铜的溶解度随PH降低而增加(Schmidt, 2003)。这个独立实验被重复了多次，并且结果都一样。列实验强调了低分子量有机酸对两种金属铜和铅浸提能力的巨大差异，以及低分子量有机酸络合能力的差异。被低分子量有机酸调动的铅的量很小（见图4）。这佐证了对于铅的植物提取仅EDTA能增加它的吸收量。低分子量有机酸对铜的调动能力特别是柠檬酸比EDTA明显（P<0.05）高出许多（见图4a）。
关于在列实验中低分子量有机酸的潜能，结合植物提取实验中加标土壤没有经过一个普通的干湿循环（两个月）这一事实 ，吸收肯定被加强更多。这表明，这项技术将可能在野外条件下失败。这种方法高效率的缺乏可能是由于低分子量有机酸的生物降解。这会因pH增加而受到影响，具体情况是，消耗羧酸中的H+，并释放出OH-1和CO2(Gramss et al.,2004)。这导致了络合剂的损失和pH的升高，进而降低铜和铅的生物利用度。铜在土壤中比铅更容易迁移，因此在有机酸降解之前从植物中提取。为解释该技术的无效性，先排除无法进入植物的可能。因为在EDTA的情况下(Grcman et al.,2001)，它们的复合物通过木质部从根到芽转运(Senden et al., 1990; Guo,1995)。如果低分子量有机酸在植物收割前几天添加，这项技术的效率会提高。但考虑到每个盆钵添加约6g柠檬酸使得该方法相当昂贵的事实，也打消了这个念头。另外，生物对金属的利用度与土壤pH值(Schmidt,2003)有关，并且添加低分子量有机酸后土壤的最终pH至约为7.7，这将降低铜和铅的生物利用度。因此连续添加低分子量有机酸会带来长达几年的清理，这是不可取的。但作为低分子量有机酸的替代，可用其他可生物降解的螯合剂，如nitrilo-triacetic acid(NTA)和[S,S]-ethvlenedia-mine-disuccinic acid(EDDS)。相比于低分子量有机酸，NTA是一种非常强的螯合剂。(Elliot and Denneny, 1982)，不过仅比控制组增加2.5倍，是不足以进行植物修复的(Kulli et al., 1999)。EDDS是种从东方侧柏中提取的天然物质(Nishikiori et al., 1984)。它已显示出运用于植物提取的潜能，但能实现的浓度Grcman et al. (2003)仍然与高效植物修复所需浓度相差甚远。
5.结论
低分子量有机酸，尤其是柠檬酸，对铜的生物利用度有积极影响并且对铜的吸收加强了2.3倍。另外，EDTA的药害不会产生负面影响。如低浓度土壤下芽的生物量严重减少。然而，不仅低分子量有机酸在对铅的植物修复中效率低下，而且在任何影响出现之前添加低分子量有机酸的量很大。在这方面EDTA更高效。低效率可能是由于低分子量有机酸的生物降解引起的。他们能是因为降解得太快而没有取得预期效果。因此低分子量有机酸不适用于植物修复的加强。并且不是作为螯合剂的替代物的一种经济选择。我们将寻找其它天然螯合剂替代合成螯合剂以达到我们的研究目的。

致谢
我们要感谢技术助理，因为他们在研究期间给予的技术帮助，也感谢Ingolf SchupHan, Rong Ji, PHilippe Corvini, Shelley Obermann给予的大力支持。