4種植物缺鐵條件下對土壤鎘的積累特征

鮑 桐，孫鐵珩，孫麗娜，趙 達(dá)

（沈陽大學(xué) 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110044）

土壤重金屬污染以及與此相關(guān)的生態(tài)安全問題已經(jīng)成為國際上關(guān)注的焦點(diǎn)［1］.植物修復(fù)作為新興的成本低廉、環(huán)境友好的原位修復(fù)技術(shù)，已成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn).目前，由于超富集植物生物量小、生長地理環(huán)境局限、只富集一種金屬和大生物量植物金屬的耐性差、累積能力低、在高濃度污染環(huán)境下不易成活，導(dǎo)致的重金屬污染土壤植物修復(fù)周期長已經(jīng)成為該技術(shù)廣泛應(yīng)用的限制性因素［2］.成功的植物修復(fù)取決于較大的植物生物量和較高的植物吸收、累積重金屬的能力，而根際環(huán)境下土壤重金屬的存在形式和遷移轉(zhuǎn)化過程決定了修復(fù)植物吸收金屬能力，與土壤組成、植物生理特性、根－微生物－金屬相互作用等因素有關(guān)［3］.鐵（Fe）作為植物生長與人類食品必需的營養(yǎng)元素和地殼中含量最為豐富的常量元素（第四位），在土壤中的地球化學(xué)行為不但影響植物的生長，同時也影響著地球化學(xué)性質(zhì)相似的重金屬的地球化學(xué)行為，但通常情況下土壤中鐵的生物有效性極低［4］.運(yùn)用強(qiáng)化的礦物營養(yǎng)吸收和積累的植物戰(zhàn)略，一方面可以通過平衡植物礦物營養(yǎng)，改進(jìn)人類健康，另一方面通過植物礦物營養(yǎng)元素的吸收，促進(jìn)植物的重金屬積累，達(dá)到修復(fù)污染土壤的目的.

植物通過釋放與Fe（Ⅲ）強(qiáng)親和的螯合劑（植物鐵載體）進(jìn)入根際環(huán)境，通過與Fe（Ⅲ）絡(luò)合和專性遷移達(dá)到植物對土壤鐵的吸收［5］.同時，元素的競爭作用可以改變土壤其他重金屬的活化性與植物有效性.植物鐵載體強(qiáng)化了土壤Cd、Cu、Ni、Zn的植物吸收已有報道.植物根際是受根吸收、代謝分泌影響的，組成十分復(fù)雜的非平衡的環(huán)境空間，是重要的水－土－根環(huán)境界面，是控制能量交換和物質(zhì)循環(huán)的重要場所.根際中土壤組成、性質(zhì)和根系分泌物、根際微生物特征及其相互作用直接／間接的影響土壤中鐵和其他重金屬的遷移轉(zhuǎn)化與植物有效性.目前，有關(guān)根際下土壤的鐵化學(xué)與植物吸收、土壤其他重金屬的遷移轉(zhuǎn)化、植物有效性及其相互關(guān)系研究的很少.因此，系統(tǒng)研究根際下土壤鐵與其他重金屬的遷移轉(zhuǎn)化、植物有效性及其相互關(guān)系，不僅對優(yōu)化植物生長，降低食品生態(tài)風(fēng)險，而且對修復(fù)重金屬污染土壤和豐富植物修復(fù)技術(shù)的內(nèi)涵具有重要意義.

1 材料方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤：草甸棕壤，采自中國科學(xué)院沈陽生態(tài)實(shí)驗(yàn)站，此地塊為休耕地，未使用農(nóng)業(yè)化學(xué)品已10年，屬清潔土壤，采樣的深度為0～20cm（表層土壤），其基本理化性質(zhì)見表1.

種子來源于沈陽大學(xué)區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，分別為龍葵（Solanum nigrum L.），西紅柿（Solanum Lycopersicon），玉米（Zea Mays L.），小 麥（Triticum aestivum L.）.種子表面用75%酒精浸泡20min，然后用自來水沖洗5次，并放入無菌蒸餾水中用搖床振蕩清洗6h，轉(zhuǎn)速144r·min－1.將4種植物的種子均勻散布在不銹鋼托盤上并覆上無菌紗布，將托盤放入培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，溫度控制在28 ℃，濕度60%.當(dāng)幼苗達(dá)到2cm的時候，將幼芽移栽到Hoagland－Arnon培養(yǎng)液中進(jìn)行培養(yǎng).

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)及重金屬含量Table 1 Basic physical and chemical properties and contents of heavy metals in test soil

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個組，每個組重復(fù)3次，各組投加的Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、1、5和10mg·kg－1，投加的Cd（Ⅱ）以CdCl2·2.5H2O的形式固態(tài)加入到土壤中并充分混勻，平衡14d后一次性施入可裝2.5kg土的盆中，每盆土2.0kg.

將4種植物的幼苗放置在穿孔的紗布上并置于450mL瓶中，其中含有400mL 營養(yǎng)液，使植物的根浸沒在溶液中.配制好的營養(yǎng)液經(jīng)過高壓滅菌處理，并進(jìn)行了無菌檢驗(yàn).將選好的幼苗第一周在1／4強(qiáng)度的Hoagland－Arnon營養(yǎng)液中培養(yǎng)，第二周將苗子移到1／2強(qiáng)度的營養(yǎng)液中.在接下來的兩周中將苗子移到完全營養(yǎng)液中.第五周將一部分苗子轉(zhuǎn)移到缺鐵的營養(yǎng)液中進(jìn)行缺鐵適應(yīng)（－Fe），另一部分苗子繼續(xù)在完全營養(yǎng)液中（＋Fe）.每天向營養(yǎng)液中充入空氣，營養(yǎng)液1 周更換2次，隨時補(bǔ)充去離子水以使所有的處理保持在400mL.所有的溶液的pH 值被調(diào)節(jié)在6.8～7.0.每一組重復(fù)3次.生長五周后，取整齊度一致的幼苗移栽到各處理的盆中.培養(yǎng)期間溫度為28℃，以去離子水澆灌，土壤濕度保持在60% 田間持水量.生長一周后收獲.

1.3 Cd測定

用蒸餾水洗凈葉片表面，將烘干的植物樣品磨碎后，分別用電子天平測定生物量，采用HNO3－HClO4法（V（HNO3）∶V（HClO4）＝87∶13）消化，原子吸收分光光度計(jì)法測定其中的Cd（Ⅱ）含量［6］.原子吸收分光光度計(jì)法（瓦里安AA－220）測定其含量.

1.4 富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)

富集系數(shù)（Bioconcentration factors，BCF）是指植物地上部重金屬含量與土壤中該種重金屬原有含量的比值，是評價植物富集重金屬能力的重要指標(biāo)之一，它反映了植物對某種重金屬元素的富集能力，富集系數(shù)越大，其富集能力越強(qiáng)［7］.轉(zhuǎn)移系數(shù)（Translocation factors，TF）是植物地上部和根部重金屬含量的比值，可以體現(xiàn)植物從根部向地上部運(yùn)輸重金屬的能力［8］.

1.5 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Excel 2000及SPSS 11.5進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.利用One－way ANOVA 對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 缺鐵對植物生物量的影響

4種植物加鐵和缺鐵的生物量變化見圖1.4種植物加鐵處理的生物量均高于相應(yīng)的缺鐵處理（p＜0.05）.總體上看，4種植物無論加鐵處理還是缺鐵處理，生物量的變化呈現(xiàn)隨著Cd（Ⅱ）質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高而逐漸降低的趨勢.由圖2和圖3可知，隨著Cd（Ⅱ）質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，4種植物的地上部和根部生物量呈現(xiàn)降低的趨勢，而且重金屬對根部的抑制效應(yīng)要大于對地上部，這主要是根部直接接觸于重金屬，對根部產(chǎn)生的傷害較大，所以根部生物量隨著Cd（Ⅱ）質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高而降低的趨勢更為明顯.4種缺鐵處理地上部和根部植物生物量低于相應(yīng)的加鐵處理，這主要是因?yàn)殍F作為植物生長的必需微量元素，輕度缺鐵會導(dǎo)致葉綠素合成減少，光合速率降低，嚴(yán)重缺鐵時，葉綠素合成停止，新葉變黃，生物量大幅度下降.其中，生物量最大值出現(xiàn)在C＋Fe，當(dāng)w（Cd）為0mg／kg時，達(dá)到了2.36g（P＜0.05），最小值出現(xiàn)在W－Fe，當(dāng)w（Cd）為10mg／kg時，僅為0.62g（P＜0.05）.植物地上部生物量最大值出現(xiàn)在C＋Fe，當(dāng)w（Cd）為0 mg／kg 時，為1.85g（P ＜0.05）；最低值為0.57g，出現(xiàn)在W－Fe，當(dāng)w（Cd）為10mg／kg時.根部生物量最大值也出現(xiàn)在C＋Fe，當(dāng)w（Cd）為0mg／kg時，達(dá)到了0.51g（P＜0.05）；而最低值出現(xiàn)在W－Fe，M－Fe，當(dāng)w（Cd）為10mg／kg時，僅為0.05g（P＜0.05）.

圖1 加鐵和缺鐵植物在不同Cd（Ⅱ）質(zhì)量分?jǐn)?shù)時的生物干重（m）Fig.1 The biological dry weight of Fe－efficient and Fe－deficient plants in different Cd（Ⅱ）mass fraction（m）

圖2 加鐵和缺鐵植物在不同Cd（Ⅱ）質(zhì)量分?jǐn)?shù)時地上部的生物干重（m）Fig.2 The shoot biological dry weight of Fe－efficient and Fe－deficient plants in different Cd（Ⅱ）mass fraction（m）

圖3 加鐵和缺鐵植物在不同Cd（Ⅱ）質(zhì)量分?jǐn)?shù)時根部的生物干重（m）Fig.3 The root biological dry weight of Fe－efficient and Fe－deficient plants in different Cd（Ⅱ）mass fraction（m）

2.2 缺鐵對植物吸收Cd（Ⅱ）的影響

圖4 表示的是4種植物在加鐵和缺鐵條件下、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cd中對Cd（Ⅱ）的吸收.經(jīng)過5周的液體培養(yǎng)，可以看出小麥、玉米、番茄及龍葵對Cd（Ⅱ）均有不同程度的富集.在不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cd中，這4種植物對Cd（Ⅱ）的富集量基本都是隨著Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而增加，其中，富集量最大值出現(xiàn)在M－Fe，當(dāng)w（Cd）為10mg／kg時，達(dá)到了145.3mg／kg（P＜0.05）；最低值出現(xiàn)在W＋Fe，w（Cd）為0mg／kg時，僅為3.6mg／kg（P＜0.05）.4種植物在Cd不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下缺鐵處理富集Cd（Ⅱ）的含量均高于相應(yīng)的加鐵處理（P＜0.05）.

圖4 加鐵和缺鐵植物在不同Cd（Ⅱ）質(zhì)量分?jǐn)?shù)中對Cd（Ⅱ）的吸收量Fig.4 The contents of Cd（Ⅱ）accumulated by Fe－efficient and Fe－deficient plants in different Cd（Ⅱ）mass fraction

4種植物地上及地下部分對Cd（Ⅱ）的富集見圖5，圖6.可以看出這4種植物的地上及地下部分中Cd（Ⅱ）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)各不相同.無論是地上還是地下部分對Cd（Ⅱ）的吸收都有隨著Cd（Ⅱ）質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而升高的趨勢.4種植物缺鐵處理地上部富集的Cd（Ⅱ）顯著高于相應(yīng)的加鐵處理（P＜0.05）.對與根部積累的Cd（Ⅱ）來說，變化較為復(fù)雜.缺鐵處理的4種植物在w（Cd（Ⅱ））為0mg／kg，w（Cd（Ⅱ））為1mg／kg 時，富集的Cd（Ⅱ）顯著高于加鐵處理（P ＜0.05）.在w（Cd（Ⅱ））為5mg／kg 時，缺鐵處理龍葵、番茄、玉米富集的Cd（Ⅱ）高于加鐵處理，但是差異不顯著，而缺鐵處理的小麥富集的Cd（Ⅱ）低于相應(yīng)的加鐵處理.在w（Cd（Ⅱ））為10mg／kg時，缺鐵處理龍葵、番茄、小麥富集的Cd（Ⅱ）顯著低于加鐵處理（P＜0.05），缺鐵處理玉米富集的Cd（Ⅱ）顯著高于加鐵處理（P＜0.05）.其中M－Fe地上部在w（Cd（Ⅱ））為10mg／kg時，富集Cd（Ⅱ）最高（143.76mg／kg），最低出現(xiàn)在W＋Fe，當(dāng)w（Cd（Ⅱ））為0mg／kg時（1.56mg／kg）（P＜0.05）；W＋Fe地下部在w（Cd（Ⅱ））為10mg／kg時，富集Cd（Ⅱ）最高（190.75mg／kg）（P＜0.05），W＋Fe地下部在w（Cd（Ⅱ））為0mg／kg時，富集Cd（Ⅱ）最低，僅為10.38mg／kg（P＜0.05）.

圖5 加鐵和缺鐵植物地上部對Cd（Ⅱ）的吸收量Fig.5 The contents of Cd（Ⅱ）accumulated by shoots of Fe－efficient and Fe－deficient plants

圖6 加鐵和缺鐵植物根部對Cd（Ⅱ）的吸收量Fig.6 The contents of Cd（Ⅱ）accumulated by roots of Fe－efficient and Fe－deficient plants

2.3 缺鐵對富集系數(shù)與轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響

圖7描述的是4種植物在加鐵和缺鐵條件下Cd富集系數(shù)（BCF）的變化.從富集系數(shù)上看，小麥、玉米、番茄及龍葵對Cd（Ⅱ）的富集能力有很大差異，而且隨著w（Cd（Ⅱ））的升高，4種植物的變化沒有一致的趨勢，4種植物的缺鐵處理BCF值均顯著高于相應(yīng)的加鐵處理（P＜0.05）.缺鐵處理龍葵與番茄隨著w（Cd（Ⅱ））的升高而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢（P＜0.05），而在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cd中加鐵處理的幾乎沒有變化.加鐵與缺鐵處理的玉米和小麥在w（Cd）為5mg／kg處理中，BCF達(dá)到最大值，而且加鐵與缺鐵處理的玉米和小麥隨著w（Cd（Ⅱ））升高變化較為復(fù)雜.M－Fe在w（Cd（Ⅱ））為0 mg／kg 時，BCF值最高（34.59）（P ＜0.05），W ＋Fe 在w（Cd（Ⅱ））為0mg／kg時，BCF值最低（6.48）.

圖7 加鐵和缺鐵植物對Cd（Ⅱ）的富集系數(shù)（BDF）Fig.7 The BCF values of Cd（Ⅱ）in Fe－efficient and Fe－deficient plants

圖8描述的是4種植物在加鐵處理和缺鐵處理?xiàng)l件下Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）的變化.無論是加鐵處理和缺鐵處理，4種植物TF的變化趨勢是一樣的，均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，在w（Cd）為5mg／kg處理4種加鐵和缺鐵處理的植物分別達(dá)到最大值，然后降低.4種植物的缺鐵處理TF值均顯著高于相應(yīng)的加鐵處理（P＜0.05）.MFe在w（Cd）為5mg／kg時，TF 值最高為1.13（P＜0.05），W－Fe在w（Cd）為0mg／kg時，TF值最低為0.15（P＜0.05）.

圖8 加鐵和缺鐵植物對Cd（Ⅱ）的轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）Fig.8 The TF values of Cd（Ⅱ）in Fe－efficient and Fe－deficient plants

3 討 論

4種植物缺鐵處理低于加鐵處理是由于鎘的毒性和缺鐵處理的共同結(jié)果.鎘是光合作用的一種有效抑制劑，Cd（Ⅱ）進(jìn)入植物體內(nèi)，首先影響光合色素，使葉綠素總含量下降，進(jìn)而影響光合功能.Cd（Ⅱ）污染對水稻不同發(fā)育時期的光合作用影響非常明顯，并且光合強(qiáng)度隨著Cd（Ⅱ）增高而降低［9］.鐵是最早發(fā)現(xiàn)的植物必需營養(yǎng)元素，位居植物必需微量元素的首位.輕度缺鐵會導(dǎo)致葉綠素合成減少，光合速率降低；嚴(yán)重缺鐵時，葉綠素合成停止，新葉變黃，生物量大幅度下降.因此，缺鐵處理的地上部和根部的生物量均低于相應(yīng)的加鐵處理.

鐵的營養(yǎng)狀況對植物吸收鎘有一定的影響［10］.在金屬轉(zhuǎn)移到植物根系的過程中土壤溶液起了重要的作用.通過配合陽離子，可溶性根分泌物可能會促進(jìn)根附近的金屬的可溶性.由于它們的相對分子質(zhì)量低，分泌物可以在土壤中移動，在它們釋放之后，可以通過擴(kuò)散作用從根表移至根際某一小的范圍，可能會作為金屬載體.禾本科植物缺鐵時，根系可分泌麥根酸類植物鐵載體［11］，這類物質(zhì)對難溶性鐵有極好的配合能力，能與Fe3＋形成穩(wěn)定性很高的配合物，從而增加植物對鐵的吸收［12］.然而這種活化機(jī)制并不具備元素專一性，缺鐵條件，難溶性錳化合物例如MnO2也能被溶解［13］.其他元素如Cd也可能被溶解使其有效性增強(qiáng)，因而也促進(jìn)了對Cd（Ⅱ）的吸收.因此，作為禾本科植物的小麥和玉米，在缺鐵條件下富集Cd（Ⅱ）的量高于加鐵處理.

在缺鐵脅迫條件下，耐缺鐵植物的根系分泌物在種類和數(shù)量上都會有所增加，并形成一些特異性的根系分泌物.對于雙子葉和非禾本科單子葉的龍葵與番茄來說，根系細(xì)胞原生質(zhì)膜上的H＋－ATPase因缺鐵而誘導(dǎo)激活，大量H＋被釋放到根際，導(dǎo)致根際pH 值下降［14］.此外，缺鐵條件下大量的根系分泌物，也可以改變土壤的氧化還原狀況，進(jìn)而降低重金屬的毒性，促進(jìn)植株對重金屬的大量吸收.因此，土壤中溶液的Cd（Ⅱ）可交換態(tài)會隨pH的降低而增加，所以缺鐵處理的龍葵與番茄富集的Cd（Ⅱ）量高于加鐵處理.

缺鐵條件下培養(yǎng)的4種植株地上部Cd（Ⅱ）含量均高于正常供鐵的植株，這可能是缺鐵活化了根際污染元素Cd的緣故.例如，在供鐵充足時，由于水稻根分泌的植物鐵載體很少甚至沒有，根際可溶性微量元素如Mn、Zn 和污染元素Cd的數(shù)量較低，僅靠緩慢的擴(kuò)散作用進(jìn)入植物根細(xì)胞膜表面，故吸收量較少.Mench 用鐵高效的Coker 227和鐵低效的TAM0－312燕麥品種進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果表明，植物鐵載體能夠使Coker 227根際中Zn、Cd和Ni的水平升高，并且植物地上部重金屬元素的含量也相應(yīng)升高，而鐵低效的TAM0－312沒有激活這種機(jī)制，所以植株地上部的金屬含量也沒有升高［15］.

從轉(zhuǎn)移系數(shù)來看，缺鐵處理的TF 高于相應(yīng)的加鐵處理，這主要是由于根際環(huán)境的變化促進(jìn)了植物對重金屬的吸收.例如，根系分泌的有機(jī)酸可以促使土壤pH 和Eh的變化，有效態(tài)Cd的含量分別隨著pH的降低和Eh的增高而增高［16］.但是，隨著在w（Cd）為10mg／kg處理時，加鐵和缺鐵處理的TF 低于w（Cd）為5mg／kg，這主要是高濃度的Cd對植株造成了嚴(yán)重傷害所致，降低了植株對重金屬吸收與積累.富集系數(shù)的變化較為復(fù)雜，這可能是BCF 值也隨重金屬種類和濃度，植物生理特性及環(huán)境因素的變化而不同.但是，缺鐵處理的BCF 高于加鐵處理，這主要?dú)w因于缺鐵處理，使植株的根系分泌物及其根際環(huán)境的變化，有利于根際環(huán)境中的重金屬Cd的遷移轉(zhuǎn)化.

4 結(jié) 論

4種植物的生物量及其地上部和根部生物量隨著Cd（Ⅱ）升高呈現(xiàn)降低的趨勢，并且缺鐵處理的生物量低于相應(yīng)的加鐵處理；4種植物對Cd（Ⅱ）的富集量基本都是隨著w（Cd（Ⅱ））的升高而增加，并且缺鐵處理富集的Cd（Ⅱ）顯著高于相應(yīng)的加鐵處理，重金屬Cd（Ⅱ）主要富集在根部；由富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)可以看出，富集系數(shù)基本隨重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小.缺鐵處理轉(zhuǎn)移系數(shù)與富集系數(shù)高于加鐵處理，轉(zhuǎn)移系數(shù)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢.

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