Pb、Cd單一及復(fù)合脅迫在小麥幼苗中的富集特征

摘要：為促進(jìn)糧食安全生產(chǎn)，以小麥為受試植物，采用盆栽試驗(yàn)研究不同濃度下Pb、Cd單一以及復(fù)合作用下在小麥幼苗中的富集特征。結(jié)果表明，Pb單一脅迫下，葉片中金屬的富集濃度與脅迫濃度成中度負(fù)相關(guān)，Pb、Cd在根部和葉片中的其他作用情況下，富集濃度與脅迫濃度均成正相關(guān)；Pb、Cd在不同形式下，在小麥幼苗中的富集主要集中在根系，即地下部分>地上部分；根部和葉片對(duì)金屬Pb、Cd主要富集特征均為復(fù)合作用>單一作用，金屬Pb、Cd復(fù)合作用于小麥幼苗時(shí)表現(xiàn)為相互促進(jìn)吸收效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：Pb；Cd；復(fù)合脅迫；小麥幼苗；富集特征

中圖分類(lèi)號(hào)： Q945.78文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）02-0344-03

收稿日期：2014-05-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：51374208）。

作者簡(jiǎn)介：閆磊（1989—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，現(xiàn)主要從事土壤學(xué)和環(huán)境毒理學(xué)方面的研究工作。

通信作者：肖昕，副教授，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境化學(xué)、環(huán)境毒理學(xué)。E-mail：passerxx@163.com。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、化石燃料及有色金屬的開(kāi)采、工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的大量開(kāi)發(fā)，土壤重金屬污染日益嚴(yán)重，進(jìn)一步加劇了我國(guó)土地資源短缺。我國(guó)大多數(shù)城市郊區(qū)土壤也受到了不同程度的重金屬污染，許多地方的蔬菜、水果和糧食等食物中Pb、Cd、Cr等重金屬含量接近或超過(guò)臨界值[1]。土壤重金屬污染具有長(zhǎng)期累積性、隱蔽滯后性及不可逆性等特點(diǎn)，因而備受關(guān)注[2]。重金屬在土壤中的累積，不僅直接影響土壤物理化學(xué)性狀、降低土壤中微生物的活性、阻礙養(yǎng)分的運(yùn)輸，還會(huì)通過(guò)食物鏈而逐級(jí)富集，通過(guò)多種途徑直接或間接地威脅人類(lèi)的生命安全和健康[3-4]。

目前關(guān)于土壤-植物系統(tǒng)中重金屬的研究很多[5-9]，肖昕等研究發(fā)現(xiàn)，重金屬Cd在小麥中大部分富集在小麥根部，在不同生長(zhǎng)時(shí)期小麥不同部位中重金屬Cd的含量有很大差異[10]；張義賢等采用室內(nèi)培養(yǎng)法，研究了重金屬Cd、Pb及復(fù)合污染對(duì)大麥幼苗葉片部分生理指標(biāo)的影響，不同濃度的 Cd+Pb 復(fù)合處理對(duì)葉細(xì)胞膜的損傷均大于單一處理，單一處理中Cd對(duì)大麥幼苗的毒性比Pb大，而復(fù)合處理（Cd+Pb）對(duì)大麥幼苗的損傷和毒害作用比單一處理更為嚴(yán)重[11]。但關(guān)于重金屬?gòu)?fù)合作用下室外盆栽試驗(yàn)研究尚少。目前，復(fù)合污染已成為人們研究的熱點(diǎn)。因此，研究重金屬Pb與Cd復(fù)合作用在小麥幼苗中的富集特征是有實(shí)際意義的。

1材料與方法

1.1供試材料

試劑Pb（NO3）2、CdCl2·2.5H2O，為分析純。供試作物為徐州地區(qū)廣泛種植的煙農(nóng)19小麥種子，購(gòu)于徐州市種子公司。供試土壤取自中國(guó)礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)。供試土壤理化性質(zhì)為總氮9.26 g/kg、總磷9.95 g/kg、總鉀17.00 g/kg、總銅49.75 mg/kg、總鎘4.275 mg/kg、總鉛72.575 mg/kg、總鋅212.675 mg/kg。

1.2試驗(yàn)方法

配制含250 g/L Pb2+和25 g/L Cd2+儲(chǔ)備液各2 L，采用逐層噴灑、翻土混合的方式加入鉛、鎘。為研究中低濃度重金屬對(duì)小麥幼苗的毒理效應(yīng)，考慮到徐州市土壤重金屬污染現(xiàn)實(shí)狀況，確定Pb2+不高于500 mg/kg，而Cd2+含量則在0～50 mg/kg之間，每個(gè)試驗(yàn)處理設(shè)3個(gè)平行樣，同時(shí)設(shè)置空白對(duì)照組（表1）。每個(gè)花盆中播種100粒麥種，自然環(huán)境中培育。

1.3測(cè)試方法

在小麥幼苗期進(jìn)行采集，采用梅花形布點(diǎn)法，用水將樣品根部的土壤洗凈，將采集回來(lái)的樣品進(jìn)行登記編號(hào)，并在通風(fēng)且干燥處風(fēng)干。將小麥的根和葉碾碎備用，濃硝酸-高氯酸消解后用原子吸收分光光度計(jì)（TAS-990型）測(cè)試各部位中重金屬濃度[12-13]。

2結(jié)果與分析

2.1Pb、Cd在小麥幼苗根部的富集

由表2可知，金屬Pb單一作用時(shí)在小麥根部的富集量與金屬脅迫濃度均呈極高正相關(guān)關(guān)系（r=0.98）。金屬Pb-Cd復(fù)合作用時(shí)，在25、200 mg/kg脅迫濃度下，金屬Pb復(fù)合作用下的累積峰值為單一作用下峰值的2倍以上，表現(xiàn)為明顯的促進(jìn)作用，復(fù)合作用下金屬Pb的累積量均大于單一作用，說(shuō)明金屬Cd促進(jìn)了小麥根部對(duì)金屬Pb的吸收，金屬Pb在小麥根部的富集量與金屬脅迫濃度呈極高正相關(guān)關(guān)系（r=0.94）。

Pb在根中的富集濃度均隨土壤脅迫濃度升高先降低再升高，因此，金屬Pb單一作用及與金屬Cd的復(fù)合作用結(jié)果既有相似性又有差異性。

Cd單一作用與Pb-Cd復(fù)合作用時(shí)，小麥根部對(duì)金屬Cd的富集趨勢(shì)相似，均隨金屬Cd脅迫濃度升高而升高。金屬Cd單一作用時(shí)，金屬Cd在小麥根部的富集量與金屬脅迫濃度呈極高正相關(guān)關(guān)系（r=0.99）。Pb-Cd復(fù)合作用時(shí)，除 1 mg/kg 脅迫濃度下金屬Cd的富集濃度小于單一作用時(shí)的富集濃度，其他處理脅迫濃度水平下金屬Pb均在一定程度上促進(jìn)了幼苗小麥根部對(duì)Cd的吸收累積，當(dāng)土壤脅迫濃度為 200+10 mg/kg 時(shí)到達(dá)累積高峰，說(shuō)明在較高濃度處理水平下促進(jìn)吸收作用更加顯著，且金屬Cd在小麥根部的富集量與金屬脅迫濃度呈極高正相關(guān)關(guān)系（r=0.95）。

2.2Pb、Cd在小麥幼苗葉片的富集

由表3可知，金屬Pb單一作用及與金屬Pb-Cd復(fù)合作用下，小麥幼苗葉片對(duì)金屬Pb的富集狀況差異較大。金屬Pb單一作用時(shí)，在脅迫濃度25 mg/kg作用下，小麥幼苗葉片中金屬含量略低于空白值，這可能是低濃度下植物對(duì)金屬抗性作用的結(jié)果；50 mg/kg時(shí)，葉片對(duì)金屬Pb的吸收累積緩慢升高并達(dá)到吸收峰值；而在200 mg/kg時(shí)，葉片對(duì)金屬Pb的富集濃度迅速下降，金屬Pb在小麥葉片的富集量與金屬脅迫濃度呈中度負(fù)相關(guān)（r=-0.5）。這可能是因?yàn)榻饘貾b主要集中在根部，向葉片的遷移速度降低。金屬Pb-Cd復(fù)合作用下，在較低脅迫濃度時(shí)，葉片中金屬Pb富集濃度緩慢升高，而在200+10 mg/kg時(shí)迅速增大并到達(dá)累積高峰 68.18 mg/kg，是金屬Pb單一作用時(shí)峰值的4倍多，這說(shuō)明在此濃度下金屬Cd的影響使葉片對(duì)Pb的吸收累積顯著提高；此時(shí)，金屬Pb在小麥葉片的富集量與金屬脅迫濃度呈極高正相關(guān)關(guān)系（r=0.99）。endprint

金屬Cd單一作用及與金屬Pb-Cd復(fù)合作用時(shí)，小麥幼苗葉片對(duì)Cd的富集量隨脅迫濃度升高而升高，但各濃度水平下吸收情況存在差異：金屬Cd單一作用時(shí)，金屬Cd在小麥葉片的富集量與其脅迫濃度成極高正相關(guān)（r= 0.99）。Pb-Cd復(fù)合作用時(shí)，在土壤中低脅迫濃度條件下，金屬Pb的存在促進(jìn)了金屬Cd的活化而增加向葉片中的遷移，而在高濃度條件下與金屬Cd單一作用時(shí)效應(yīng)相似。因此金屬Pb在中低濃度條件下對(duì)Cd的促進(jìn)活化作用更加明顯。Pb-Cd復(fù)合作用時(shí)，金屬Cd在小麥葉片的富集量與金屬脅迫濃度呈高度正相關(guān)關(guān)系（r=0.88）。

2.3Pb、Cd單一脅迫在小麥幼苗中的富集

由圖1可以看出，對(duì)照組葉片中金屬Pb的含量大于根中的含量，而在25 mg/kg脅迫濃度下，葉片中Pb含量下降，根中Pb含量增加并略大于葉片中的含量；50 mg/kg脅迫濃度下，根中金屬Pb含量下降，葉片中含量升高且略大于根中的含量。在中低脅迫濃度下，根葉中金屬Pb含量均在 18.00 mg/kg 以下，且根、葉中的含量差異較小。土壤金屬Pb脅迫濃度升高至200 mg/kg時(shí)，根中的累積量迅速加大并達(dá)到累積峰值194.00 mg/kg，而小麥幼苗葉片中的累積量反而下降，此時(shí)根和葉片中的Pb含量差異顯著，根中Pb含量是葉片的47倍，因此土壤金屬Pb高脅迫濃度下，Pb的富集主要集中在根部，只有很少量的金屬向地上部分的葉片遷移。

由圖2可知，金屬Cd在小麥幼苗根部、葉片中的富集規(guī)律相似：金屬Cd在根部和葉片中的累積量均隨土壤脅迫濃度水平的提高而增大，最大值分別為37.73、17.65 mg/kg，即根部的最大累積量是葉片最大累積量的2倍多，說(shuō)明金屬Cd在小麥幼苗中的累積主要在根部。在50 mg/kg Pb 和 2 mg/kg Cd分別作用時(shí)，金屬Cd在根中的累積量比Pb的累積量還要大，說(shuō)明小麥幼苗根對(duì)金屬Cd的富集能力大于對(duì)金屬Pb的能力。環(huán)境中金屬Cd主要以游離態(tài)存在，而金屬Pb主要以絡(luò)合態(tài)存在，這可能與金屬在土壤及植物體內(nèi)的賦存形態(tài)有關(guān)。

2.4Pb-Cd復(fù)合作用在小麥幼苗根葉中的富集

如圖3所示，金屬鉛Pb-Cd復(fù)合作用條件下小麥根部對(duì)Pb的吸收顯著比葉片的吸收量大。在復(fù)合脅迫濃度25+1 mg/kg和200+10 mg/kg作用下 金屬Pb在根部累積量遠(yuǎn)

大于葉片中的累積量；50+2 mg/kg復(fù)合脅迫濃度下，根部與葉片的累積量均最低，根部累積量仍然是葉片近2倍。說(shuō)明大部分金屬Pb富集在小麥根系，只有少量向地面部分遷移的Pb量較少的規(guī)律。

金屬鉛Pb-Cd復(fù)合作用條件下小麥根部和葉片對(duì)Cd的富集趨勢(shì)與對(duì)金屬Pb的富集趨勢(shì)相似（圖4）。各濃度處理水平下，小麥根部對(duì)Cd的吸收累積量均比葉片的吸收累積量大。小麥幼苗根和葉片中金屬Cd累積量與土壤中金屬Cd的脅迫濃度呈極高正相關(guān)，同時(shí)也存在大部分金屬Cd 富集在小麥根系中，較少的Cd 含量累積在小麥幼苗葉片中，但其轉(zhuǎn)移能力較金屬Pb強(qiáng)，這與金屬Cd的存在形式有關(guān)。

總體而言，重金屬Pb、Cd在小麥幼苗中的富集主要集中在根系，少量重金屬可以轉(zhuǎn)移到地上部分葉片，因此小麥幼苗的根部可以從污染的土壤上有效滲透與提取重金屬，從而增加對(duì)重金屬離子的吸收與累積，前人也有類(lèi)似的研究結(jié)果[14]。

3結(jié)論

Pb單一脅迫下，葉片中金屬的富集濃度與脅迫濃度成中

度負(fù)相關(guān)，Pb、Cd在根部和葉片中的其他作用情況下，富集濃度與脅迫濃度均成正相關(guān)；其中Pb-Cd復(fù)合作用下，金屬Cd在葉片中的富集濃度與脅迫濃度成高度正相關(guān)，Pb單一作用下在根中的富集、Cd單一作用下在根葉中的富集以及復(fù)合作用下的Pb在根葉中的富集均成極高正相關(guān)關(guān)系。

同一金屬在不同作用形式下的富集特征均為：根部和葉片對(duì)金屬的富集均是復(fù)合作用>單一作用。在復(fù)合作用下，2種金屬在小麥幼苗根部和葉片中的富集濃度均比單一作用時(shí)高，說(shuō)明金屬Pb、Cd復(fù)合作用于小麥幼苗時(shí)表現(xiàn)為相互促進(jìn)的吸收效應(yīng)。

同一金屬同一作用形式下在小麥幼苗不同部位的富集特征均為根部>葉片，即地下部分>地上部分。這說(shuō)明重金屬Pb、Cd在小麥幼苗中的富集主要集中在根系，只有少量金屬可以轉(zhuǎn)移到地上部分葉片。

Pb、Cd復(fù)合作用下在不同處理水平其相互促進(jìn)吸收強(qiáng)度不同：在小麥幼苗根部，金屬Cd在1、10 mg/kg濃度作用下促進(jìn)了小麥根部對(duì)金屬Pb的吸收，并且在10 mg/kg時(shí)達(dá)到富集峰值；金屬Pb在200 mg/kg對(duì)金屬Cd的促進(jìn)吸收作用最為顯著。小麥幼苗葉片中，金屬鎘（Cd）在10 mg/kg時(shí)對(duì)金屬鉛（Pb）的活化吸收促進(jìn)作用最顯著；而金屬鉛（Pb）在 25 mg/kg 時(shí)對(duì)金屬鎘（Cd）的促進(jìn)吸收作用最為顯著。在中濃度處理水平即Pb濃度50 mg/kg、Cd濃度2 mg/kg時(shí)，兩金屬均無(wú)明顯的促進(jìn)或抑制作用。小麥作為籽實(shí)性農(nóng)作物，其秸稈和果實(shí)都將進(jìn)入食物鏈循環(huán)，重金屬在期內(nèi)的富集勢(shì)必存在影響人類(lèi)健康與安全的風(fēng)險(xiǎn)，所以我們一定要給與足夠的重視和關(guān)注。

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