气雾栽培系统中饲草物种从酸性矿山废水中积累重金属和稀土元素

《South African Journal of Botany》：Forage species accumulate heavy metals and rare earth elements from acid mine drainage in aeroponic systems

　　

酸性矿山废水（AMD）是采煤工业的一种工业副产品，可能对环境产生负面影响。本研究旨在探索所选饲草禾本科（Poaceae）和豆科（Fabaceae）物种进行气雾栽培的可行性，以从AMD中回收资源并改善水质以进行环境修复。研究人员将选定物种发芽并移植到气雾栽培塔中。研究人员确定，并非所有物种都能通过气雾栽培繁殖。然而，非洲虎尾草（Chloris gayana）、紫花苜蓿（Medicago sativa）和臂形草（Urochloa brizantha）可以在气雾栽培条件下生长，并从AMD中积累重金属（HMs）和稀土元素（REEs）。在化学中，HMs被定义为元素周期表中第三至十六族、第四周期及以上的金属块。因此，重金属包括但不限于植物必需的元素。研究人员对选定物种进一步在气雾栽培条件下繁殖，用100% AMD、50% AMD（用营养液稀释）和营养液（阳性对照）灌溉，并通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）定量金属吸收。研究人员发现，所研究物种根部沉积的HMs和REEs浓度显著高于其地上部生物量。非洲虎尾草在其地上部可收获生物量中积累了最高总浓度的HMs（11.344 g?kg^-1）和REEs（70.587 mg?kg^-1），因此可被推荐用于气雾栽培植物采矿。臂形草在其根部积累了单一HM（铁，38.4 g?kg^-1）和REE（铈，58.4 mg?kg^-1）的最高浓度。研究人员进一步建议将灌溉用AMD用营养液稀释，以促进植物健康并减轻未经处理AMD的有害影响。所研究的禾本科物种在AMD灌溉的气雾栽培生长条件下被结论为可行的植物采矿和植物修复物种。

论文解读：气雾栽培系统中饲草物种对酸性矿山废水金属的积累研究

酸性矿山废水（AMD）是煤炭开采工业产生的废液，含有高浓度重金属（HMs）和稀土元素（REEs），若直接排放会严重污染土壤和水体。传统处理依赖化学中和与沉淀，成本较高且可能产生二次残渣。植物修复因其绿色环保而受到关注，但以往多用于土壤中金属的稳定化，利用植物从AMD中回收有价金属（即植物采矿）的研究尚不充分。气雾栽培是一种无基质、垂直化、闭路循环的栽培方式，可避免AMD渗漏污染外部环境，同时提高空间利用效率。本研究由南非研究人员开展，旨在筛选适合气雾栽培的饲草禾本科（Poaceae）和豆科（Fabaceae）物种，并验证其能否在AMD灌溉下高效积累HMs和REEs，从而为AMD资源回收和水质改善提供新途径。论文发表于《South African Journal of Botany》。

研究人员首先在比勒陀利亚大学哈特菲尔德校区的温室中，利用气雾栽培塔对12种饲草植物进行初筛。这些植物包括禾本科的苏丹草、多年生黑麦草、臂形草、非洲虎尾草等，以及豆科的紫花苜蓿等。种子经育苗后移植入气雾塔，采用雾化营养液灌溉4个月，以植株是否形成茂密、色泽正常、大小可观的地上部与根系生物量作为适应标准。结果仅非洲虎尾草（Chloris gayana）、紫花苜蓿（Medicago sativa）、臂形草（Urochloa brizantha）和多年生黑麦草（Pennisetum clandestinum）能正常生长，其中黑麦草生物量最低，故不进入后续试验。其余8个物种均无法在气雾体系中存活，说明气雾栽培的适生性不能简单依据物种在土壤中的水分偏好来预测。随后，研究人员用0% AMD（纯营养液）、50% AMD（营养液与AMD等体积混合）和100% AMD原液分别灌溉三种入选植物，生长7个月后收获，将地上部和根部样品分别消解，采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）定量13种HMs和REEs。AMD水样取自南非Mpumalanga省eMalahleni水回用厂的储存设施，其pH为2.34，主要金属为铁（Fe），主要REEs为铈（Ce）、钇（Y）和钕（Nd）。统计采用完全随机设计下的双因素方差分析及Fisher保护最小显著差数法，显著性水平设为5%。

结果部分显示：
**试验1：物种选择**
在12种植物中，仅有4种能产生令人满意的生物量，其中非洲虎尾草产量最高（1.30 kg），随后是臂形草（1.21 kg）、紫花苜蓿（0.67 kg）和多年生黑麦草（0.43 kg）。其余物种在移栽后完全死亡，表明它们不适应气雾环境。该结果说明气雾栽培对根系通气性要求较高，物种在土壤中的耐涝性或耐旱性并不能直接转化为对气雾条件的适应能力。
**试验2：所选物种在气雾栽培条件下从AMD中积累HMs和REEs**
随灌溉AMD浓度增加，三种植物均倾向于减少地上部生物量分配而增加根系生物量比例，这是一种典型的胁迫响应。统计显示AMD浓度对生物量分配有显著影响（p=0.0015）。金属定量分析表明，根部HMs平均浓度（26.463 g·kg^-1）显著高于地上部（9.087 g·kg^-1），差异达极显著水平（p<0.0001）。其中臂形草根部HMs平均浓度最高（28.172 g·kg^-1），且单一Fe浓度高达38.4 g·kg^-1；非洲虎尾草的地上部总HM浓度最高（11.344 g·kg^-1）。REEs方面，根部与地上部平均浓度差异未达显著（p=0.3061），但紫花苜蓿地上部REE浓度（24.053 mg·kg^-1）显著低于其它物种的器官；非洲虎尾草地上部REE浓度最高（70.587 mg·kg^-1），臂形草根部Ce浓度高达58.4 mg·kg^-1。综合来看，AMD溶液浓度和植物器官对金属积累均有显著影响，而物种间整体积累量差异不显著。

讨论部分指出，非洲虎尾草在气雾条件下生物量最高，与文献报道一致；紫花苜蓿和臂形草也能适应不良环境。气雾栽培生产受根区通气、温度、自毒作用及根系形态等多因素影响，因此必须通过预试验确定适生物种。AMD灌溉会降低植物生物量，但50%稀释液能减轻胁迫，使植株生长更接近正常状态，故推荐使用50% AMD灌溉。重金属在根部大量富集，说明植物主要将金属截留在根部，具有植物稳定化潜力；而REEs向地上部转运的程度因物种而异，可能与REE离子半径较大、结合几何受限有关。紫花苜蓿对100% AMD极为敏感，可能导致死亡。

研究结论可翻译为：所选三种物种中，非洲虎尾草、紫花苜蓿和臂形草均能在气雾栽培下形成健康的根系和茂密的地上部。AMD无论是否营养强化，都能作为积累HMs和REEs的资源。植物体内金属含量因灌溉AMD浓度不同而存在显著差异。由于50% AMD灌溉下植株健康程度更好，推荐使用该浓度以减少100% AMD对植物的伤害。三种植物累积浓度相近，根部积累大量金属，显示出较强的植物稳定化潜力。非洲虎尾草能在地上部高效富集REEs，便于收获，具有植物采矿应用前景；臂形草根部HM浓度最高。总体而言，本研究的禾本科物种在AMD灌溉的气雾栽培条件下是可行的植物采矿和植物稳定化物种。未来需进一步阐明积累机制，并评估技术与经济上的放大可行性。