探秘意大利废弃矿区：潜在有毒元素的土壤 - 植物交互奥秘

研究人员针对意大利废弃矿区，研究潜在有毒元素（PTEs）在土壤 - 植物间的行为，发现土壤特性、植物对 PTEs 的吸收规律，为矿区治理提供依据。

　　# 意大利废弃矿区土壤 - 植物中潜在有毒元素的研究探秘
在意大利的蒙特卡蒂尼瓦尔迪塞西纳附近，有一处曾经辉煌的铜矿区 —— 卡波西亚诺（Caporciano）矿区。它的开采历史可追溯到伊特鲁里亚时代，那时开采的铜被运往意大利半岛各地，甚至通过港口远销希腊。在罗马时期，这里的开采活动也十分活跃，一直持续到公元 476 年，因西哥特人的入侵才被迫中断。后来，1433 年采矿活动重新开启，并在 19 世纪达到开采巅峰，为当时的世界贡献了大量的铜。但到了 1903 年，这座矿山还是关闭了。

如今，卡波西亚诺矿区早已没了往昔的热闹，只剩下废弃的矿堆。这里没有了持续的植被覆盖，部分区域只有松树（Pinus sylvestris）和偶尔可见的岩栎（Quercus petraea (Matt.) Liebl.）生长。而且，矿堆正遭受着极其强烈的侵蚀。更糟糕的是，矿堆中含有大量潜在有毒元素（Potentially Toxic Elements，PTEs），如 Cr_tot.、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd 和 Pb 等。这些元素就像隐藏在暗处的 “杀手”，不仅会污染土壤、水和空气，还可能悄无声息地进入食物链，危害周边的生物。在矿堆周围，有大片的葡萄园、果园和花园，人们担心这些潜在有毒元素会对周围的生态环境和农作物造成严重影响。为了弄清楚这些潜在有毒元素在土壤和植物间的 “行踪”，以及它们是否会影响植物的生长，来自斯洛伐克马泰?贝尔大学、捷克生命科学大学、埃及苏伊士大学等机构的研究人员展开了一项研究，相关成果发表在《Plant and Soil》杂志上。

研究人员采用了多种技术方法来进行研究。首先是土壤采样与处理，他们从矿堆均匀采集了 20 个土壤样本，将其混合、干燥、粉碎，以便后续分析。接着，使用特定的仪器和方法测定土壤的酸碱度（pH）和氧化还原电位（Eh），这能帮助了解土壤的基本性质。为了确定土壤中潜在有毒元素的总浓度，研究人员用王水消解土壤样本，并通过微波加热，再利用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）进行测定。对于潜在植物可利用的金属含量，则采用顺序提取法，分六个步骤逐步提取不同形态的金属元素。同时，采集松树和岩栎的样本，测定其中潜在有毒元素的含量，并计算生物富集因子（Bioconcentration Factor，BCF）和转运因子（Translocation Factor，TF），以此判断植物对这些元素的吸收和转运能力。此外，还使用叶绿素仪测定岩栎叶片的叶绿素含量，评估植物的生长状况。

研究结果

1. 土壤基本性质：卡波西亚诺矿堆土壤的 pH_H?O平均值为 6.56，接近中性；pH_KCl平均值为 5.99，略呈酸性。氧化还原电位 Eh 表明土壤处于中等酸性和氧化条件。
2. 潜在有毒元素含量：土壤中潜在有毒元素含量从高到低依次为 Cu > Zn > Cr_tot. > Ni > Pb > Co > As > Cd。在松树中，含量较高的是 Cu、Pb、Cd 和 Cr_tot.；在岩栎中，含量较高的是 Cu、Zn、Ni 和 Cr_tot.。
3. 植物对潜在有毒元素的吸收与转运：岩栎的 BCF 值均小于 1.0，表明它是所研究潜在有毒元素的排除者。松树除了 Cd 和 Pb（树枝中的 BCF 值在 1.13 - 2.46 之间，树叶中的 Pb 的 BCF 值在 3.11 - 4.54 之间）外，也是排除者。大多数松树根 / 枝的 TF 值大于 1.0，说明潜在有毒元素会进入树枝组织，其中 Zn、Ni、Cd 的 TF 值较高。岩栎中，Cr_tot.、Co 和 Zn 的 TF 值表明这些金属（除 Cu 外）会从根部积累到树枝和树叶中。
4. 潜在有毒元素的生物有效性：通过顺序提取分析发现，在第一步（1M 醋酸铵，pH7）中，Cd 的溶解性和生物有效性最好，部分 Ni、Co、Cu、Zn 和 Pb 也有一定溶解，大部分 Cr_tot.、Co、Ni 等留在不溶性残渣中。在第二步（醋酸铵，pH5）和第三步（10ml H?O?在醋酸铵缓冲溶液中）中，PTEs 从可氧化物质中释放，释放顺序为 Cd > Cu > Zn > Co > Ni > Pb。第四步（酸性 0.2M 草酸铵，pH3.2）中，As、Pb、Cr_tot.、Zn 从无定形 Fe - Al - 和 Mn 氧化物中释放。第五步（0.2M 草酸铵和 0.1M 抗坏血酸混合物）中，只有少量 As、Cr_tot.和 Ni 从结晶 Fe 和 Al - 氧化物中被 mobilized。第六步（0.5M 醋酸铵，pH6）中，Cr_tot.、As 等从粘土成分中释放，Pb、As、Cr_tot.释放较有效。
5. 叶绿素含量：岩栎在矿堆处的叶绿素含量（8.56 CCI）显著低于参考区域（17.71 CCI），表明矿堆环境会损害植物的光合作用和叶绿素生成。

研究结论与讨论

研究表明，卡波西亚诺矿堆土壤的 pH 接近中性，氧化还原电位显示为弱酸性和氧化条件。土壤中 Cu、Zn、Cd、Co、Cr_tot.和 Ni 的含量超过了意大利立法令规定的公共绿地、私人和住宅用地的严格限值，只有 Cu 超过了工业 / 商业用地的限值。松树和岩栎是潜在有毒元素的排除者（松树中 Cd 和 Pb 除外），它们不适合用于植物修复，但根系能稳定土壤、减少侵蚀。顺序提取分析前四步释放到溶液中的潜在有毒元素可视为生物可利用的，其中前三步主要是 Cd、Cu 和 Zn，第四步是 As 和 Pb，而 Cr_tot.、Co 和 Ni 的生物有效性较低。矿堆环境中丰富的潜在有毒元素、缺乏的养分和水分，对植被生长产生了负面影响，导致岩栎叶绿素含量显著降低。

这项研究的意义重大。它详细揭示了废弃矿区土壤 - 植物系统中潜在有毒元素的分布、迁移和生物有效性，为评估矿区环境风险提供了重要依据。研究结果有助于制定针对性的矿区生态修复策略，例如可以通过种植合适的植物来减少侵蚀，降低潜在有毒元素的扩散风险。同时，研究中使用的方法和得出的数据，也能为其他类似矿区的研究和治理提供参考，推动全球范围内矿区生态环境的改善。