鎘、鉛和鉻脅迫在甘蔗伸長期的積累特征

刀靜梅 ，王思媱 ，鄧軍 ，高欣欣 ，李復(fù)琴 ，張躍彬 ，馬娟 ，樊仙 ，李如丹 ，楊紹林

（1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所/云南省甘蔗遺傳改良重點實驗室，云南開遠(yuǎn) 661699；2.紅河學(xué)院，云南蒙自 661100）

0 引言

目前由于工業(yè)“三廢”和機(jī)動車尾氣的排放，污水灌溉和農(nóng)藥、除草劑、化肥等的使用以及礦業(yè)的發(fā)展，使土壤、水質(zhì)和大氣造成了不同程度的污染。其中重金屬具有富集性，很難在環(huán)境中降解，特別在重金屬的開采、冶煉、加工過程中，不少重金屬如鉛、汞、鎘等進(jìn)入大氣、水和土壤，造成環(huán)境污染。陳俊任等[1]研究發(fā)現(xiàn)毛竹林對重金屬具有很強(qiáng)的耐性，這些對重金屬耐性高的植物可用來修復(fù)被重金屬污染的土壤。

甘蔗是我國南部地區(qū)重要的糖料作物，其單位面積的生物產(chǎn)量顯著高于其他經(jīng)濟(jì)作物，具有潛力開發(fā)成能源物質(zhì)[2]。高生物量能源植物是世界公認(rèn)可再生的生物能源，利用能源甘蔗可生產(chǎn)綠色能源燃料乙醇[3]。研究發(fā)現(xiàn)，甘蔗耐銅（Cu）、鎘（Cd）、硒（Se）等脅迫的能力強(qiáng)，是一種修復(fù)土壤很有潛力的作物[4]。利用甘蔗對重金屬的耐性，在污染的土地上種植能源甘蔗，收獲的甘蔗生產(chǎn)燃料乙醇，為高效利用污染土壤探索新模式。為了解甘蔗對重金屬鉛（Pb）、鎘（Cd）、鉻（Cr）的積累特征和耐性，通過盆栽分別進(jìn)行重金屬不同濃度的脅迫試驗，研究不同濃度重金屬在甘蔗內(nèi)的富集程度，對治理污染土壤和開發(fā)能源甘蔗具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

甘蔗品種為新臺糖22號，試驗在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所第一科研基地進(jìn)行，土壤為云南山地紅壤，種植時取土壤檢測重金屬鎘（Cd）、鉛（Pb）、鉻（Cr）含量分別為 0.21 mg/kg、20 mg/kg、493 mg/kg。

1.2 試驗方法

2017年1月20日進(jìn)行盆栽，每盆裝風(fēng)干土壤7 kg，種2個甘蔗單芽，澆透水后蓋膜。5月進(jìn)行重金屬脅迫。鉛（Pb）采用Pb(NO3)2添加，鎘 （Cd）采用Cd(Cl)2·2H2O添加，鉻 （Cr）采用Na2Cr2O7·2H2O添加；3種重金屬都設(shè)為4個處理，4次重復(fù) （詳見表1）。分別將所需濃度的Pb(NO3)2、Cd(Cl)2·2H2O和Na2Cr2O7·2H2O溶解在水中，1 L等量澆于每盆中為一次脅迫澆灌，為防止污染物淋溶滲漏損失，在盆下放置塑料托盤并將滲漏液倒回盆中。表1中，Cd與Pb濃度設(shè)計參考曾巧英等[5]、程文偉[6]的研究：甘蔗能在Cd、Pb濃度高達(dá)1 000 mg/kg中的土壤中存活；而Cr濃度設(shè)計未找到相應(yīng)的文獻(xiàn)，故在開始濃度設(shè)計時其濃度設(shè)計與鉛、鎘的濃度設(shè)計一致（即0、250、500、1 000 mg/kg），但在進(jìn)行甘蔗盆栽種植試驗時，鉻濃度處理過的盆栽均未成活，這可能是由于鉻的澆灌濃度超過甘蔗的耐受范圍，因此重新進(jìn)行濃度試驗設(shè)計，故表1中Cr濃度梯度設(shè)計是經(jīng)盆栽試驗得到的。

表1 土壤重金屬處理濃度(mg/kg)Table 1 Soil heavy metal concentration

1.3 樣品處理與檢測

甘蔗在伸長期（8月和9月）采樣，分地上部和地下部取回，樣品在105℃條件下殺青1 h，85℃烘干至恒重、粉碎待檢測。樣品前處理用濕法消解，準(zhǔn)確地稱取樣品0.2 g（精確到0.01 mg）于聚乙烯消化管中，加入9 mL進(jìn)口硝酸和1 mL高氯酸，在可調(diào)式電熱爐上消解，80℃加熱保持1 h，升溫至120℃，待消化液呈棕黑色，再繼續(xù)加4.5 mL分析純硝酸和0.5 mL高氯酸，消解冒白煙，直至消化液呈無色透明或略帶黃色為止，取出消化管冷卻后用水洗至25 mL比色管中定容至刻度，同時做試劑空白試驗，待測液用美國熱電原子吸收光譜儀（型號：ICE-3500）石墨爐法測定重金屬含量，所用試劑均為優(yōu)級純[7-11]。

數(shù)據(jù)整理采用Excel 2010，數(shù)據(jù)分析采用SPSS 19.0的單因素方差分析和獨立樣本T檢驗。

2 結(jié)果分析

2.1 甘蔗中鎘（Cd)的積累情況

通過對盆栽甘蔗添加不同濃度鎘（Cd）0、250、500、1 000 mg/kg水溶液進(jìn)行澆灌，試驗結(jié)果表明（表2），在甘蔗伸長期，地上部和地下部的Cd積累量會隨濃度增加而增加，但不同濃度間并不是都有顯著差異的。同時，地下部富集比地上部更多，且這種差異隨著濃度的增加而增大。當(dāng)試驗澆灌溶液最高濃度達(dá)1 000 mg/kg時，8月份甘蔗的地上部Cd含量為44.750 mg/kg，地下部分為299.250 mg/kg；9月份甘蔗地上部鎘含量為94.000 mg/kg，地下部的為803.500 mg/kg，由此可看出，在伸長期一定時間段內(nèi)重金屬Cd富集量還會隨著時間延長而增加，但這樣的增加當(dāng)達(dá)到植物耐受量時，可能就會出現(xiàn)增加趨勢減緩的現(xiàn)象。另外在相同濃度下地上部與地下部的差異，除對照組沒有顯著差異，其余處理均表現(xiàn)出甘蔗地下部Cd累積量顯著（P≤0.05）或極顯著（P≤0.01）高于地上部的積累量。

表2 不同的鎘濃度處理甘蔗不同部位的鎘累積情況Table 2 Cadmium accumulation in different parts of sugarcane treated with different exogenous cadmium concentrations

2.2 甘蔗中鉛（Pb）的積累情況

通過對盆栽甘蔗添加不同濃度的鉛（Pb）0、250、500、1 000 mg/kg進(jìn)行澆灌，試驗結(jié)果表明（表3），甘蔗在伸長期時甘蔗地上部和地下部Pb含量都是隨澆灌濃度增加而增加，且地下部比地上部富集重金屬量大。隨著濃度的升高，地上部與地下部的Pb積累量差異在不斷的增大，但Pb在地上和地下部的積累量濃度在250 mg/kg和500 mg/kg間多數(shù)差異不明顯。除對照外，當(dāng)Pb濃度相同時，甘蔗地下部的Pb積累量顯著 （P≤0.05）或極顯著（P≤0.01）高于地上部的。而且與Cd相似，在甘蔗伸長期內(nèi)，Pb的積累量會隨著甘蔗的生長而增加。

表3 不同的鉛濃度處理甘蔗不同部位的鉛累積情況Table 3 Lead accumulation in different parts of sugarcane treated with different exogenous lead concentrations

2.3 甘蔗中鉻（Cr）的積累情況

通過對盆栽甘蔗添加不同濃度的鉻（Cr）0、50、100、150 mg/kg進(jìn)行澆灌，試驗結(jié)果表明（表4），甘蔗在伸長期時甘蔗地上部和地下部Cr含量都是隨澆灌濃度增加而增加，且地下部比地上部富集重金屬量大。隨著濃度的增加地上部與地下部Cr積累量差異越明顯，當(dāng)達(dá)到最高澆灌濃度時，甘蔗中鉻Cr的累積量，地上部積累量，8月份的為94.325 mg/kg，9月份的為138.625 mg/kg；地下部積累量，8月份為4 148.750 mg/kg，9月份為10 282.750 mg/kg，由此可知Cr積累量與Pd、Cd相似，在甘蔗的伸長期內(nèi)，均會隨著甘蔗的生長而增加。Cr積累量對照組與其他組均表現(xiàn)出地下部顯著（P≤0.05）或極顯著（P≤0.01）高于地上部。

表4 不同的鉻濃度處理甘蔗不同部位的鉻累積情況Table 4 Chromium accumulation in different parts of sugarcane treated with different exogenous chromium concentrations

3 討論

經(jīng)過甘蔗盆栽試驗，在最高澆灌濃度時（9月），甘蔗地下部的重金屬積累量，Cd的為803.500 mg/kg，Pb的為686.500 mg/kg，而Cr含量高達(dá)10 282.750 mg/kg。此外，Cd、Pb、Cr的轉(zhuǎn)運系數(shù)（地上部重金屬含量/地下部重金屬含量）分別為0.117、0.291、0.013，可看出甘蔗對Cr的耐受能力最強(qiáng)，向地上轉(zhuǎn)移能力最弱。在甘蔗生長期內(nèi)，重金屬的積累量會隨著甘蔗的伸長而增加，這種增加趨勢不是線性的，它可能會在甘蔗伸長的中后期表現(xiàn)出緩慢增長趨勢，這可能與甘蔗的一些自我保護(hù)機(jī)制或生理反應(yīng)有關(guān)（這只是推理，沒有數(shù)據(jù)支撐，不過在后期可能會設(shè)計一個關(guān)于重金屬積累量與甘蔗生長、發(fā)育變化之間影響的相關(guān)研究）。

甘蔗在重金屬脅迫下地上、地下部重金屬累積分布存在較大差異，甘蔗伸長期地上、地下部的重金屬積累量隨著重金屬澆灌濃度的增加而增大，也會隨著甘蔗的生長而增大，同時甘蔗重金屬積累量地下部顯著高于地上部。由此可以看出甘蔗重金屬大部累積于根部，少數(shù)部分累積于甘蔗的莖、葉，其轉(zhuǎn)運系數(shù)＜1[12]，據(jù)學(xué)者們認(rèn)為“作物地上部分的重金屬積累量較低是低積累作物品種最重要的特征”[13]，可推斷出甘蔗屬于重金屬低積累作物。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土壤重金屬污染嚴(yán)重，使可用耕地面積減少，糧食作物減產(chǎn)[13]，不僅如此，食物重金屬超標(biāo)嚴(yán)重威脅人類的健康。因此尋找對重金屬耐性高，且為低積累作物對中輕度重金屬污染的土壤重新利用具有重要的意義。近年，人們關(guān)于低積累的作物，如豆科、水稻[14]、蔬菜[15-16]的品種篩選研究目的，也是為了增加食品的安全性和提高我國因重金屬污染而荒廢土地的利用率。