向日葵對(duì)重金屬?gòu)?fù)合污染土壤中Cd、Zn、Pb、Cr 的吸收 和轉(zhuǎn)運(yùn)特性研究

吳運(yùn)東，郭旭麗，李朋朋，王煒瑋，栗 萍，白雪峰

（1.邯鄲學(xué)院生命科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056006；2.河北工程大學(xué)醫(yī)學(xué)院， 河北 邯鄲 056038；3. 河北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河北 邯鄲 056001）

向日葵是一種生物量大、生長(zhǎng)迅速的一年生草本植物[12]，也是一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，具有較高的食用、藥用和觀賞價(jià)值，其在土壤重金屬污染修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力較大。Cd、Zn、Pb、Cr 是土壤中常見(jiàn)的4 種重金屬，在過(guò)量的情況下均對(duì)植物有較強(qiáng)的毒害作用[13-17]。已有研究發(fā)現(xiàn)，在Cd 脅迫下向日葵成熟葉片和幼葉的生長(zhǎng)參數(shù)和葉面積均有所降低[18]，土壤中Zn 過(guò)量時(shí)會(huì)抑制向日葵生長(zhǎng)，其生物量、種子數(shù)和種子重量均有所下降[19]。向日葵吸收的Pb 主要集中在莖和葉片的維管束區(qū)域，且葉片中含量較高[20]。Aslam 等[21]研究了向日葵對(duì)Cr 的吸收規(guī)律，發(fā)現(xiàn)根、莖和果實(shí)中Cr 含量變化顯著，而葉片的Cr 含量變化不顯著，Groppa[22]研究了Cd 和Cu 對(duì)向日葵種子萌發(fā)和初始根發(fā)育的影響，結(jié)果顯示2 種重金屬存在時(shí)，向日葵幼苗的根生長(zhǎng)受到顯著抑制，且Cd 的抑制作用更強(qiáng)。在Pb 和Cd 含量均為200 mg/kg 的土壤中，向日葵莖和根的鮮重下降，且株高變短，Cd 的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨土壤中Cd 含量的增加而增加；Pb 的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)則隨土壤中Pb 含量的增加而降低[23]。目前，已經(jīng)報(bào)道的利用向日葵修復(fù)Cd、Zn、Pb、Cr 單一或2 種重金屬污染土壤的研究較多，而對(duì)于Cd、Zn、Pb 和Cr 4 種重金屬?gòu)?fù)合污染土壤中向日葵的生長(zhǎng)情況及其對(duì)重金屬的富集效果的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。

在多種重金屬污染同時(shí)存在的條件下，植物對(duì)重金屬污染的響應(yīng)和富集情況可能與單一重金屬污染時(shí)有較大差異。土壤重金屬污染往往是多種重金屬綜合作用的結(jié)果，植物富集單一重金屬的機(jī)理難以適用多種重金屬共同存在的復(fù)雜污染情況，因此十分有必要開(kāi)展多種重金屬?gòu)?fù)合污染條件下植物富集不同重金屬元素的機(jī)理研究，以期為多種重金屬?gòu)?fù)合污染土壤的修復(fù)提供參考。

筆者以向日葵為模式植物，采用盆栽試驗(yàn)研究了Cd-Zn-Pb-Cr 復(fù)合污染脅迫下向日葵的生長(zhǎng)情況及其對(duì)各重金屬的富集能力，為利用向日葵治理多種重金屬?gòu)?fù)合污染的土壤提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤取自邯鄲學(xué)院校園內(nèi)，為褐土，土層深度為10～20 cm，土壤基本性質(zhì)如下：pH 值7.44（土與水的質(zhì)量比1 ∶5），有機(jī)質(zhì)41.35 g/kg，全N 1.52 g/kg，全P 0.82 g/kg，全K 12.63 g/kg，全Cd 0.72 mg/kg，全Zn 12.83 mg/kg，全Pb 23.54 mg/kg，全Cr 24.89 mg/kg。供試向日葵品種為金色莫妮卡。

1.2 試驗(yàn)方法

土壤風(fēng)干、破碎后，過(guò)60 目篩，分別添加外源Cd、Zn、Pb 和Cr（ 添 加CdCl2、ZnCl2、PbSO4、K2Cr2O7），試驗(yàn)設(shè)6 個(gè)處理，如表1 所示?；旌狭酥亟饘俚耐寥姥b入塑料花盆（上口徑25 cm、底內(nèi)徑20 cm、深20 cm）中，每盆裝土2 kg，混合均勻后備用。每盆種植大小形態(tài)類似的3 株向日葵，每個(gè)處理4 次重復(fù)。

移栽65 d 后，測(cè)量向日葵的株高、莖粗、真葉數(shù)，并將植株取出，按根、莖、葉、花分開(kāi)，用蒸餾水洗凈后將樣品放在烘箱中105℃殺青30 min，之后80℃烘干至恒重，粉碎后過(guò)100 目篩，使用硝酸-高氯酸體系消解后待測(cè)。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) （mg/kg）

1.3 分析方法

采用原子吸收分光光度法（普析通用TAS990）分析植株和土壤中Cd、Zn、Pb、Cr 含量。采用試劑空白和內(nèi)標(biāo)以保證樣品分析的準(zhǔn)確度和精密度。

通過(guò)生物富集系數(shù)（BCF）和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）評(píng)估向日葵對(duì)重金屬的富集能力。BCF和TF的計(jì)算見(jiàn)公 式（1）和（2），式中，含量和濃度單位均為mg/kg。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel、SPSS 24.0 和Origin 9.0 等軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差（S.D.）表示。通過(guò)ANOVA 分析與Duncan 多重比較對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

田朵心里沒(méi)了底，哭哭啼啼地到處打電話，小寧早就關(guān)機(jī)了，她又給父母、公婆打過(guò)去，父母趕來(lái)訓(xùn)斥女兒魯莽，公婆擔(dān)心兒子的傷情，急忙去了市醫(yī)院。還好，小寧只是受了輕傷，縫幾針，打兩天消炎藥就沒(méi)事了?？墒?，他的心涼透了，這次堅(jiān)決要跟田朵離婚。

2 結(jié)果與分析

2.1 各處理向日葵的生長(zhǎng)情況

從圖1 中可以看出，與對(duì)照相比，T1 處理向日葵株高、莖粗和莖、葉、花的干重均有所提高，表明Cd-Zn-Pb-Cr 低濃度脅迫對(duì)向日葵的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，隨著重金屬含量的繼續(xù)增加，向日葵各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)均呈下降趨勢(shì)，表明Cd-Zn-Pb-Cr 高濃度脅迫對(duì)向日葵的生長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生抑制作用。T6 處理向日葵的平均株高最矮，為44.1 cm，顯著低于對(duì)照處理（P＜0.05）；隨著Cd-Zn-Pb-Cr 濃度的升高，向日葵莖粗呈變細(xì)的趨勢(shì)，T6 處理向日葵的平均莖粗最細(xì)，為4.80 mm；T5 和T6 處理向日葵的真葉數(shù)為4 對(duì)，比其他處理少1 對(duì)；向日葵的干重隨著Cd-Zn-Pb-Cr 濃度的升高呈先微弱升高后下降的趨勢(shì)，T6處理單株向日葵植株根、莖、葉、花的平均干重分別降至0.94、4.44、2.14、0.69 g。

圖1 Cd-Zn-Pb-Cr 復(fù)合污染下各處理向日葵的生長(zhǎng)情況

2.2 各處理向日葵植株不同部位的重金屬含量

2.2.1 Cd 含量如圖2 所示，當(dāng)復(fù)合污染土壤中Cd添加量為0～300 mg/kg（CK、T1、T2、T3）時(shí)，植株各部位富集的Cd 含量由高到低表現(xiàn)為葉＞根＞莖＞花；當(dāng)土壤中Cd 添加量為400～600 mg/kg（T4、T5、T6）時(shí)，植株各部位富集的Cd 含量由高到低表現(xiàn)為根＞葉＞莖＞花，當(dāng)土壤中Cd 含量為600 mg/kg，根、葉、莖、花對(duì)Cd 的富集量分別為362.43、324.80、195.21、113.24 mg/kg。

2.2.2 Zn 含量由圖3 可知，向日葵植株對(duì)Zn 富集效果較好的部位是根和葉，當(dāng)土壤中Zn 添加量為1 200 mg/kg（T6）時(shí)，根和葉對(duì)Zn 的富集量分別為259.21 和227.32 mg/kg；莖和花對(duì)Zn 的富集量分別為154.32 和87.12 mg/kg。當(dāng)Zn 添加量＜900 mg/kg 時(shí)，葉的富集效果優(yōu)于根、莖、花，而Zn 添加量≥900

圖3 Cd-Zn-Pb-Cr 復(fù)合污染土壤中向日葵植株中Zn 含量變化

mg/kg 時(shí)，根的富集效果優(yōu)于葉、莖和花。

2.2.3 Pb 含量由圖4 可知，向日葵不同部位富集的Pb 含量差異較大，向日葵植株對(duì)Pb 富集效果較好的部位是根和葉，當(dāng)土壤中Pb 添加量為1 200 mg/kg （T6）時(shí)，根和葉中的Pb 含量分別為177.54 和144.45 mg/kg，莖和花對(duì)Pb 的富集效果較差，其Pb 含量分別為67.88 和44.98 mg/kg。當(dāng)Pb 添加量＜800 mg/kg時(shí)，葉富集效果優(yōu)于根，而當(dāng)Pb添加量≥800 mg/kg時(shí)，根的富集效果優(yōu)于葉。

2.2.4 Cr 含量如圖5 所示，向日葵植株對(duì)Cr 富集效果較好的部位也是根和葉，與其他3 種重金屬富集效果不同的是，向日葵根和葉中的Cr 含量隨土壤中Cr含量的增加而增加，但花和莖中Cr 的含量基本保持不變。當(dāng)土壤中Cr 添加量為100 mg/kg（T6）時(shí)，向 日葵根、葉、莖和花中的Cr 含量分別為113.76、59.66、10.43 和6.15 mg/kg。在同一處理水平下，向日葵植株各部位對(duì)Cr 的吸收效果均表現(xiàn)為根＞葉＞莖＞花；且隨著Cr 添加量的增加，向日葵根部富集Cr所占比例上升，而地上各部位富集的Cr所占比例下降，表明向日葵植株對(duì)Cr 的轉(zhuǎn)運(yùn)效果較差，根部吸收的Cr 不易轉(zhuǎn)移到莖、葉、花等地上部位。

圖4 Cd-Zn-Pb-Cr 復(fù)合污染下向日葵植株中Pb 含量變化

圖5 Cd-Zn-Pb-Cr 復(fù)合污染下向日葵植株中Cr 含量變化

2.3 向日葵對(duì)4 種重金屬的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力

BCF 是評(píng)價(jià)植物吸收積累重金屬能力的重要指標(biāo)，數(shù)值越大，說(shuō)明該植物富集效率越高[24]。由圖6A 可知，4 種重金屬中向日葵植株對(duì)Cd 的富集能力最強(qiáng)，其次是Cr，而對(duì)Zn 的富集能力排第三，對(duì)Pb的富集能力最差。隨著土壤中重金屬含量的增加，向日葵植株對(duì)Cd 的BCF 迅速下降，對(duì)Cr 的BCF 先升高后下降最后維持在0.2 左右，對(duì)Zn 的BCF 持續(xù)下降最后維持在0.1左右，對(duì)Pb的BCF則始終維持在0.06左右。

TF 反映了植物地上部轉(zhuǎn)運(yùn)根部重金屬吸收量的能力，是衡量植物修復(fù)重金屬污染的重要指標(biāo)，TF值越大，說(shuō)明植物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)效果越好[25]。由圖6B 可知，向日葵對(duì)4 種重金屬的TF 值均小于1，表明向日葵根系中的重金屬含量均高于地上部分的重金屬含量；隨著土壤中重金屬含量的增加，向日葵植株對(duì)Cd 的TF 持續(xù)減小，最終維持在0.6 左右，對(duì)Cr的TF 也呈持續(xù)下降趨勢(shì)，但對(duì)Zn 和Pb 的TF 則持續(xù)升高。

圖6 Cd-Zn-Pb-Cr 復(fù)合污染土壤中向日葵對(duì)4 種重金屬的BCF 和TF 變化情況

3 結(jié)論與討論

研究了向日葵在Cd-Zn-Pb-Cr 復(fù)合污染土壤中的生長(zhǎng)情況及其對(duì)重金屬的富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力，結(jié)果表明：低濃度Cd-Zn-Pb-Cr 復(fù)合污染對(duì)向日葵的生長(zhǎng)沒(méi)有產(chǎn)生明顯影響，但高濃度污染脅迫下向日葵植株的生長(zhǎng)受到明顯抑制，表現(xiàn)為株高變矮、莖粗變細(xì)、真葉數(shù)減少、生物量降低；隨著重金屬添加量的提高，向日葵不同部位的重金屬富集量均隨之增加，整體來(lái)看，對(duì)Cd-Zn-Pb-Cr 富集效果最好的植株部位是根和葉，莖和花的富集量均較低；4 種重金屬中向日葵植株對(duì)Cd 的富集能力最強(qiáng)，其次是Cr，而對(duì)Zn 的富集能力排第三，對(duì)Pb 的富集能力最差；向日葵對(duì)4 種重金屬的TF 值均小于1，根系中的重金屬含量均高于地上部累積量。

向日葵能在重金屬污染土壤中正常生長(zhǎng)，可能原因是其能把有毒金屬離子分布在特定的組織、器官或細(xì)胞器中，形成難溶的化合物或特定的有機(jī)化合物[26]。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的6 個(gè)Cd-Zn-Pb-Cr 復(fù)合污染水平下，向日葵對(duì)4 種重金屬的富集量均未達(dá)到超富集植物所規(guī)定的臨界值（重金屬吸收量超過(guò)一般植物100倍以上）。向日葵的地上部分生物量大，對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)，對(duì)復(fù)合重金屬污染有一定的耐受性，可認(rèn)為其具備了超富集植物的部分特征。

向日葵是重要的油料作物，種子的含油量較高，修復(fù)土壤后收獲的植株和種子可作為制備生物柴油的原料[27]，避免重金屬進(jìn)入食物鏈危害人體健康；另外，其較大的生物量還可用于活性炭的制作[28]；在種植過(guò)程中，向日葵龐大的根系還具有保持水土功能。因此，向日葵作為復(fù)合重金屬污染土壤的修復(fù)植物具有較大的潛在應(yīng)用價(jià)值。