鎘和鉛在蓮藕各器官中累積規(guī)律的研究

許曉光，盧永恩，李漢霞

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院，園藝植物生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家蔬菜改良中心武漢分中心，湖北武漢，430070）

蓮藕（Nelumbo nuciferaGaertn.），也稱(chēng)蓮，為多年生水生蔬菜，主要分別在亞洲，我國(guó)主栽區(qū)主要在長(zhǎng)江流域和黃淮流域，栽培歷史悠久。蓮藕因使用目的不同，可將其分為花蓮、子蓮和藕蓮。蓮藕植株分為荷葉、荷梗（葉柄）、匍匐莖（藕帶）和藕（膨大的莖）。在蓮藕生長(zhǎng)初期，匍匐莖生長(zhǎng)柔嫩，可以食用，即藕帶；在生長(zhǎng)后期，匍匐莖頂端膨大，可食用，即藕。蓮藕全身是寶，有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，可供生食、熟食、制作罐頭、加工藕粉和蜜餞等[1]。

近些年來(lái)，由于工業(yè)發(fā)展和城市的擴(kuò)張，水體遭受工業(yè)“三廢”污染，農(nóng)業(yè)的農(nóng)藥、化肥污染情況也逐漸顯現(xiàn)，而與之緊密相關(guān)的蓮藕等水生蔬菜的食用安全問(wèn)題也日益凸顯，其中的重金屬污染問(wèn)題尤為突出。重金屬如鎘（Cd）、鉛（Pb），不僅影響植株生長(zhǎng)發(fā)育、導(dǎo)致水生蔬菜的減產(chǎn)，更重要的是污染產(chǎn)品，造成重金屬在人體的積累，危害公民健康。目前，有關(guān)重金屬Cd和Pb對(duì)蓮藕生長(zhǎng)發(fā)育影響的報(bào)道不多，對(duì)重金屬在蓮藕各器官中的積累和分布規(guī)律研究鮮有報(bào)道。

本研究旨在探索Pb和Cd在蓮藕不同器官中累積和分布規(guī)律及其與土壤中Pb和Cd的濃度關(guān)系，以期為進(jìn)一步研究蓮藕對(duì)重金屬的吸收和分配規(guī)律的分子機(jī)理奠定基礎(chǔ)，同時(shí)為指導(dǎo)蓮藕安全生產(chǎn)和水質(zhì)凈化提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

蓮藕品種為鄂蓮5號(hào)，武漢市蔬菜研究所提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在相同大小水缸（高×直徑=50 cm×70 cm）內(nèi)裝入曬干過(guò)篩的菜園土，每缸50 kg，復(fù)合肥100 g。栽植前一周按濃度在缸中加入重金屬。對(duì)于Cd，取含Cd為3 mg/mL 的 CdCl2母液各 0（CK），10，20，30，40 mL，分別倒入不同的缸中，攪拌，使Cd均勻分布于土壤中，使添加濃度分別為 0，0.6，1.2，1.8，2.4 mg/kg，每缸為1次重復(fù)，每處理3次重復(fù)。

對(duì)于 Pb，取含 Pb 為 0.25 g/mL 的 Pb（NO3）2母液各 50，100，150，200，500 mL，分別倒入不同水缸，攪拌均勻，Pb 添加濃度分別為 0（CK），250，500，750，1 000 mg/kg，每缸為1次重復(fù)，每處理3次重復(fù)。

經(jīng)測(cè)定，試驗(yàn)所用土壤Cd和Pb的含量分別為0.13和 14.6 mg/kg，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的自然背景值（GB15618-1995）

1.3 栽培管理

于2009年5月5日，取大小一致的鄂蓮5號(hào)子藕1支作為種藕，栽植于水缸中，每缸一支。常規(guī)栽培管理，及時(shí)澆水、除草、噴藥殺蟲(chóng)等。在蓮藕膨大初期（8月15日）和膨大后期（10月13日）取樣，清洗，烘干，并稱(chēng)干鮮質(zhì)量，粉碎機(jī)粉碎，裝入鋁盒待用。

1.4 蓮藕各器官Cd和Pb含量測(cè)定

Cd和 Pb含量測(cè)定參照 GB/T 5009.12-2003進(jìn)行。稱(chēng)取各器官樣品1.00 g于消化管中（可放數(shù)粒玻璃珠），加 10 mL 混合酸（濃硝酸∶高氯酸=4∶1），加蓋浸泡過(guò)夜，電爐上消解，若變棕黑色，再加混合酸，直至冒白煙，消化液呈無(wú)色透明或略帶黃色，放冷，用滴管將樣品消化液過(guò)濾入25 mL容量瓶中，用蒸餾水少量多次洗滌消化管，洗液合并于容量瓶中并定容至刻度，混勻備用；同時(shí)作試劑空白對(duì)照，原子吸收光譜儀（AA240FS美國(guó)，Varian公司）測(cè)定Cd和Pb含量。

1.5 土壤Cd和Pb含量測(cè)定

稱(chēng)取過(guò)2 mm目篩的風(fēng)干土1.0 g于消化管中，少量超純水潤(rùn)濕，加王水（濃硝酸∶濃鹽酸=1∶3）4 mL搖勻，在消化爐中由低溫至微沸，待棕?zé)熋巴?，取下冷卻，加高氯酸2～4 mL，繼續(xù)消化產(chǎn)生濃白煙揮發(fā)高氯酸，樣品呈灰白狀，冷卻過(guò)濾至20 mL容量瓶，少量多次沖洗殘?jiān)?，定容。同時(shí)作試劑空白，測(cè)定方法同上。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤Cd含量與蓮藕各器官Cd累積規(guī)律

圖1 Cd的施入與土壤Cd含量變化

圖2 8月份各器官中Cd的積累

通過(guò)對(duì)土壤Cd含量測(cè)定表明（圖1），隨著外施Cd的增加，土壤Cd含量相應(yīng)增加。當(dāng)外施Cd濃度為0.6 mg/kg時(shí)，8月和10月土壤Cd濃度分別為 0.285 mg/kg 和 0.32 mg/kg，超出國(guó)家二級(jí)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值（0.2 mg/kg）。10月份土壤Cd濃度較8月份有所下降，表明隨著蓮藕的生長(zhǎng)，部分Cd已經(jīng)被蓮藕吸收。

蓮藕Cd梯度脅迫試驗(yàn)表明，隨著外施Cd量增加，蓮藕各器官Cd濃度相應(yīng)增加（圖2，圖3）。在相同的Cd濃度下，蓮藕各器官Cd積累量有明顯差異。如在早期（圖2），當(dāng)外施Cd濃度為0.6 mg/kg時(shí)，荷葉與匍匐莖積累量已經(jīng)超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（0.05 mg/kg），且顯著高于荷梗與蓮藕積累量；當(dāng)外施Cd濃度達(dá)到1.2 mg/kg時(shí)，各器官均已超標(biāo)。外施濃度高于1.2 mg/kg后，荷葉、荷梗和匍匐莖中的Cd含量急劇升高，匍匐莖中Cd濃度增加最快，當(dāng)施入量為 2.4 mg/kg 時(shí)，其 Cd 含量已達(dá)到 0.47 mg/kg，是荷葉的 1.91 倍、荷梗的 3.48 倍以及藕的 2.47 倍。

生長(zhǎng)晚期Cd積累方式與早期類(lèi)似（圖3），各器官Cd含量隨土壤施入濃度的增加而增加。當(dāng)施入量高于0.6 mg/kg時(shí)，藕的Cd濃度急劇增加，當(dāng)施入含量達(dá)到1.8 mg/kg時(shí)，膨大藕中Cd含量達(dá)到0.2 mg/kg，是荷葉的 1.31 倍，荷梗的 2.60 倍。

縱向比較前期和后期Cd在各器官中的累積表明，在外施 Cd 濃度逐漸增加時(shí)（0～1.8 mg/kg），隨著生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)，蓮藕各器官中Cd積累也逐漸增加（圖2，圖3）。

綜合來(lái)看，在外施一定Cd濃度下，蓮藕中Cd含量以匍匐莖最高，荷葉次之，藕再次，而荷梗最低。但隨生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)，特別是成熟期，在高濃度下，藕中Cd含量增加，可能超過(guò)荷葉。

2.2 土壤Pb含量與蓮藕各器官Pb累積規(guī)律

結(jié)果表明，隨Pb施入量的增加，土壤Pb含量也隨之增加（圖4），當(dāng)Pb施入濃度為500 mg/kg時(shí)，8月和10月土壤Pb含量分別達(dá)到 266.1和251.4 mg/kg，均超出國(guó)家二級(jí)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值（250 mg/kg）。

圖3 10月份各器官中Cd的積累

圖4 Pb的施入與土壤Pb含量變化

圖5 8月份各器官中Pb的積累

圖6 10月份各器官中Pb的積累

土壤Pb濃度與蓮藕各器官中Pb含量也存在明顯的正相關(guān)性（圖5，圖6），隨著土壤Pb濃度的增加，各器官Pb含量也隨之增加。不過(guò)，各器官Pb含量的增幅并不相同，以匍匐莖增幅最大，含量也最高。如8月份，當(dāng)Pb外施濃度從250 mg/kg增加到750 mg/kg時(shí)，匍匐莖Pb含量從2.4 mg/kg增加到 8.78 mg/kg，是荷葉的 5.22 倍、荷梗的 2 倍和藕的 3.56 倍，Pb 含量在匍匐莖中凈增加了 5.38 mg/kg，而在同樣狀況下，Pb在藕中的含量卻僅增加了2.29 mg/kg。

10月份，當(dāng)外施Pb濃度低于250 mg/kg時(shí)，藕中Pb含量也較低，但隨著外施Pb的增加，其Pb含量迅速增加，在外施500 mg/kg時(shí)已經(jīng)超過(guò)荷葉的Pb含量。在相同Pb濃度處理下，8月份的荷葉、荷梗、藕中的Pb累積量分別低于10月份相應(yīng)器官的累積量，即隨生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)，各器官Pb含量增加。其中8月份匍匐莖Pb含量與其他器官各時(shí)期相比，增加更為明顯?？梢?jiàn)，匍匐莖最容易造成Pb累積。

整體來(lái)看，一定Pb濃度下，蓮藕各器官Pb含量為：匍匐莖＞荷梗＞藕＞荷葉。但在較低濃度下，荷梗和荷葉Pb含量變化幅度較小，結(jié)藕早期荷梗高于荷葉，結(jié)藕后期則荷葉高于荷梗。當(dāng)外施Pb濃度高于250 mg/kg時(shí)，各器官Pb含量已經(jīng)全部超標(biāo)。

3 討論

3.1 外施濃度與器官差異對(duì)Cd和Pb累積的影響

重金屬的施入量影響其在各器官中的積累。在一定的Cd，Pb濃度范圍內(nèi)，隨Cd，Pb施入濃度的增多，蓮藕各器官的累積量也逐漸增多，土壤重金屬含量與蓮藕累積量呈正相關(guān)。當(dāng)外施Pb濃度低于 500 mg/kg，鎘濃度低于 1.2 mg/kg 時(shí)，荷葉、荷梗Cd，Pb累積量高于藕的積累量，這對(duì)于蓮藕食品安全是有利的。各器官中Cd，Pb含量是一個(gè)累積過(guò)程，而且隨外施濃度的增加，累積速度也增加。因此，控制重金屬污染源在一定的濃度范圍內(nèi)，對(duì)于改善土壤環(huán)境和蓮藕的安全生長(zhǎng)尤為重要。

重金屬在各器官中的累積量與重金屬的種類(lèi)有關(guān)。Cd在荷梗中的積累量低于荷葉，而Pb在荷梗中的積累量卻高于荷葉。這可能與重金屬在植物體內(nèi)的吸收和代謝存在差異有關(guān)。因此，了解不同重金屬在蓮藕體內(nèi)的運(yùn)輸、代謝及積累規(guī)律，發(fā)掘影響其轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝的關(guān)鍵基因，對(duì)于揭示重金屬的調(diào)控分子機(jī)理，解決蓮藕的重金屬污染問(wèn)題具有重要意義。

重金屬的積累量存在器官差異。本研究表明，低濃度下，Cd，Pb在蓮藕中的分布是：地下匍匐莖＞荷葉或荷梗＞藕。研究認(rèn)為，Cd在植物器官中的分布一般為：根＞葉＞莖＞花、果、籽粒[2]，也有人持不同觀點(diǎn)[3]。藕較其他器官Cd，Pb含量低的原因可能為以下幾點(diǎn)：①匍匐莖通氣組織發(fā)達(dá)，葉片巨大，蒸騰作用與光合作用強(qiáng)，利于Cd，Pb的向上轉(zhuǎn)運(yùn)；②匍匐莖、荷葉或荷梗等器官中谷胱甘肽等螯合物在相應(yīng)酶的作用下，與Cd離子形成絡(luò)合物的能力比藕強(qiáng)；③蓮藕是非超積累植物，其地下部器官和地上部器官對(duì)鎘的代謝途徑和調(diào)控存在差異。

Pb在蓮藕器官中的分布基本上是：地下匍匐莖＞荷梗＞藕＞荷葉。荷梗中的含量高于荷葉，可能與Pb離子半徑較大，其不易轉(zhuǎn)運(yùn)和形成穩(wěn)定的絡(luò)合物有關(guān)。

3.2 土壤污染與蓮藕的食用安全

外施Cd濃度高于0.6 mg/kg，Pb濃度高于500 mg/kg 后，土壤 Cd，Pb 濃度均超標(biāo)（圖1，圖4）。當(dāng)外施Cd濃度大于1.2 mg/kg，外施Pb濃度大于250 mg/kg時(shí)，蓮藕食用器官Cd，Pb均超標(biāo)?？梢?jiàn)，蓮藕食用安全與土壤的污染狀況有直接的關(guān)系。

當(dāng)土壤外施Cd濃度（0.6 mg/kg）超出國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（0.2 mg/kg）時(shí)，葉片和藕中 Cd的積累量卻未超標(biāo)。而當(dāng)土壤外施Pb濃度在國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)（250 mg/kg）時(shí)，除藕以外的其他器官Pb積累量均超標(biāo)。這種現(xiàn)象表明，蓮藕對(duì)Cd，Pb的吸收除與土壤中全Pb、全Cd含量有關(guān)外，還與他們?cè)谕寥乐械挠行B(tài)有關(guān)[4]。

因此，研究土壤全Cd、全Pb和有效Cd、有效Pb含量的關(guān)系，以及它們?cè)谏徟焊髌鞴僦蟹e累的關(guān)系，找出蓮藕各食用器官在未超標(biāo)狀態(tài)下土壤重金屬的最高上限，對(duì)于蓮藕食用安全檢測(cè)指標(biāo)的優(yōu)化和蓮藕重金屬污染標(biāo)準(zhǔn)制定具有重要的參考價(jià)值。

[1]孔慶東.中國(guó)水生蔬菜品種資源[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

[2]張軍，束文圣.植物對(duì)重金屬鎘的耐受機(jī)制[J].植物生理與分子生物學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32：1-8.

[3]黎先超，孫曉梅.蓮藕吸收重金屬含量的分布狀況[J].中南民族大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，25：26-27.

[4]李其林，劉光德，黃昀，等.大田蔬菜Pb、Cd污染途徑的研究[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2004，12：149-152.