鎘在蓮各器官中累積規(guī)律的研究

于輝, 彭佳師, 嚴(yán)明理

鎘在蓮各器官中累積規(guī)律的研究

于輝*, 彭佳師, 嚴(yán)明理

湖南科技大學(xué)生科院, 經(jīng)濟(jì)作物遺傳改良與綜合利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重金屬污染土壤生態(tài)修復(fù)與安全利用湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湘潭 411201

蓮子是我國(guó)重要的特產(chǎn)優(yōu)質(zhì)資源, 但蓮等水生植物容易吸收積累重金屬。為了探究蓮對(duì)重金屬鎘的吸收積累特點(diǎn), 利用盆栽外施不同濃度的鎘(0, 1.0 mg·kg-1, 2.5 mg·kg-1)培養(yǎng)兩個(gè)蓮子品種, 檢測(cè)分析鎘對(duì)蓮子生物量的影響及蓮各器官中鎘的含量。結(jié)果表明: 隨著外施鎘濃度的增加, 兩種蓮子生物量下降, 各器官中鎘含量增加, 且與土壤鎘含量呈正相關(guān)。各器官中鎘含量差異明顯, 根部鎘含量最高, 蓮殼中最低。根據(jù)GB 2762-2017, 當(dāng)鎘濃度為1 mg·kg–1時(shí), 蓮子中鎘含量符合食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn), 故蓮可以在鎘低污染區(qū)域種植。

鎘; 蓮; 累積

0 前言

蓮(Gaertn.)為多年生水生植物, 因使用目的不同, 可將其分為花蓮、籽蓮和藕蓮。蓮子中含有豐富的磷脂、生物堿和類黃酮等營(yíng)養(yǎng)保健成分, 是我國(guó)重要的特產(chǎn)優(yōu)質(zhì)資源, 也是重要的出口創(chuàng)匯特色農(nóng)副產(chǎn)品之一。湖南的湘蓮因具有高蛋白、低脂肪、口感好等特色, 歷來作為進(jìn)貢朝廷的珍品, 被稱為“中國(guó)第一蓮子”。蓮等水生植物具有發(fā)達(dá)的維管束組織, 容易從水生環(huán)境中吸收積累重金屬[1]。而隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展、工業(yè)“三廢”的排放以及礦藏的大量開采, 土壤和水體重金屬污染問題日趨嚴(yán)重。在眾多污染元素中, 鎘由于在土壤中具有高度移動(dòng)性, 容易被作物吸收, 并通過食物鏈威脅人類健康, 被視為重金屬中最具有危害性的元素之一[2]。許多學(xué)者對(duì)農(nóng)作物吸收積累鎘的機(jī)制進(jìn)行了探討, 如水稻(L.)[3]、小麥(L.)[4]等, 但鎘與蓮的關(guān)系卻鮮有報(bào)道。因此, 本研究以湖南種植面積較廣的兩個(gè)籽蓮品種為對(duì)象, 采用盆栽試驗(yàn)添加鎘的形式, 分析鎘在蓮體內(nèi)的分配, 為進(jìn)一步研究蓮吸收鎘的機(jī)制以及蓮子的安全生產(chǎn)奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)在湖南科技大學(xué)植物園內(nèi)進(jìn)行。供試土壤采自周邊農(nóng)田, pH 6.2, 有機(jī)質(zhì)含量18.8 g·kg–1, 全氮1.68 g·kg–1, 速效磷18.5 mg·kg–1, 速效鉀83.1 mg·kg–1, 重金屬鎘含量0.30 mg·kg–1。兩個(gè)籽蓮品種分別為寸三蓮和太空蓮, 由湖南粒粒珍有限公司提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在相同大小的水泥缸(長(zhǎng)×寬×高=150×70×70 cm)內(nèi)裝入曬干過篩的土壤150 kg, 加有機(jī)肥1.5 kg。鎘以Cd(NO3)2·4H2O水溶液的形態(tài)加入, 設(shè)置兩個(gè)鎘處理, 濃度分別為1和2.5 mg·kg–1, 以不添加鎘為對(duì)照。加水浸泡一個(gè)月, 其間經(jīng)常攪拌, 使重金屬與土壤充分融合。2019年4月將種藕栽種于水泥缸中, 每缸兩株, 每個(gè)品種三次重復(fù), 常規(guī)管理。8月蓮子成熟后開始采收, 將根、地下莖、荷葉、葉柄、蓮蓬、蓮殼和籽粒分開, HNO3-H2O2微波消解后ICP-MS測(cè)定各器官鎘含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003 和SPSS 13.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對(duì)蓮子生物量的影響

不同鎘濃度下, 寸三蓮和太空蓮籽粒生物量見表1。總體來看, 隨著鎘濃度的增加, 兩種蓮子生物量呈下降趨勢(shì)。鎘濃度為1 mg·kg–1時(shí), 太空蓮生物量高于對(duì)照11%, 而寸三蓮生物量下降了14%, 但差異均不顯著。鎘濃度為2.5 mg·kg–1時(shí), 寸三蓮生物量比對(duì)照下降了24%, 差異顯著。太空蓮下降了11%, 無顯著差異。兩個(gè)品種相比, 相同鎘濃度下寸三蓮生物量下降的幅度大于太空蓮, 即前者生物量受鎘影響要大于后者。

表1 不同鎘濃度下兩個(gè)品種蓮子的生物量 (g·盆–1)

注: 同一行中不同字母表示在0.05 水平上差異顯著。以下同

2.2 鎘在蓮子各器官中的分布

如表2所示, 鎘在蓮子各器官中的含量差異很大?？傮w看來, 根部的鎘含量最高, 其次是籽粒、荷葉或地下莖, 蓮殼中濃度最低。對(duì)照組、1 mg·kg–1和2.5 mg·kg–1鎘處理時(shí), 太空蓮和寸三蓮鎘含量最高和最低器官濃度差別分別是6.4倍、17.1倍、30.7倍和6倍、16.6倍、27.2倍。低濃度時(shí)荷葉中鎘含量大于莖, 而高濃度時(shí)則相反。各器官中鎘含量隨鎘處理濃度的增加隨之上升。如當(dāng)鎘濃度為1 mg·kg–1時(shí), 寸三蓮根部鎘含量是對(duì)照的4.5倍, 其它器官增加了1.2一2倍。鎘濃度為2.5 mg·kg–1時(shí), 根部鎘濃度升高到了對(duì)照的10倍, 其它器官鎘濃度增加了2一3.4倍。太空蓮在不同鎘處理下各器官鎘含量變化與寸三蓮相似, 即根部鎘含量及增加倍數(shù)高于其它器官。在蓮的各器官中, 地下莖和籽粒屬于可食用部位。根據(jù)食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)(GB 2762-2017), 地下莖和籽粒中鎘含量應(yīng)低于0.1和0.5 mg·kg–1(鮮樣)。按照地下莖中平均含水量75%, 籽粒中平均含水量60%計(jì)算, 1 mg·kg–1鎘濃度處理下, 兩個(gè)蓮子品種地下莖中鎘含量已經(jīng)超出了限量標(biāo)準(zhǔn), 而籽粒中鎘含量則符合食品安全。當(dāng)鎘處理濃度為2.5 mg·kg–1時(shí), 太空蓮籽粒鎘含量超出安全標(biāo)準(zhǔn), 寸三蓮接近臨界值。

2.3 土壤和蓮子各器官中鎘含量的的相關(guān)性

蓮子各器官和土壤中鎘含量的相關(guān)系數(shù)如表3所示?？梢钥闯? 蓮子各器官鎘含量和土壤鎘含量均成顯著的正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)均大于0.7。同一鎘處理下, 蓮子各器官之間鎘含量也具有顯著的正相關(guān)性, 相關(guān)系數(shù)為0.64一0.947。

表2 不同鎘處理下蓮子各器官中鎘含量 (mg·kg–1干重)

3 討論

3.1 鎘對(duì)蓮子生物量的影響

鎘是植物非必需營(yíng)養(yǎng)元素, 但有研究表明低濃度鎘對(duì)某些植物的生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用, 如大白菜((Lour.) Rupr.)生物量在1.0 mg·kg–1鎘條件下顯著增加[5], 莧菜(L.)在各鎘處理水平總生物量以及地上部生物量均未顯著降低[6]。本研究中, 外源施加鎘濃度為1 mg·kg–1時(shí), 與對(duì)照相比, 太空蓮生物量升高, 寸三蓮生物量下降, 但差異均不顯著, 表明低濃度的鎘不會(huì)對(duì)蓮子生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。當(dāng)鎘濃度超過一定水平時(shí)則會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害, 最常見的癥狀是植物生長(zhǎng)受到抑制。本實(shí)驗(yàn)中, 外源鎘濃度為2.5 mg·kg–1時(shí), 兩個(gè)品種的蓮子生物量都下降, 即該濃度對(duì)蓮子生長(zhǎng)產(chǎn)生了抑制作用。但兩個(gè)品種生物量對(duì)重金屬的反應(yīng)不同, 這與前人的研究結(jié)果一致, 即同種作物的不同品種對(duì)重金屬的反應(yīng)存在差異[2]。

3.2 蓮子各器官對(duì)鎘的積累規(guī)律

土壤中的鎘進(jìn)入植株體內(nèi)首先要通過根系的吸收。一般情況下, 大多數(shù)植物吸收的鎘主要積累在根系, 而地上部各組織中的含量一般較低[4]。鎘在根系中主要分布在質(zhì)外體或形成磷酸鹽、碳酸鹽沉淀, 或與細(xì)胞壁結(jié)合, 以減少其向地上部分的轉(zhuǎn)移, 這是大部分植物對(duì)鎘的應(yīng)激反應(yīng)。本研究中, 三種鎘處理下, 蓮子根部鎘含量顯著高于其它器官, 說明了蓮子根部對(duì)鎘具有固定作用。根系吸收的鎘通過木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)角o、葉等器官進(jìn)行再分配。本研究表明, 低濃度時(shí)鎘在營(yíng)養(yǎng)器官的分布為荷葉>葉柄>地下莖, 而高濃度時(shí)則為地下莖>荷葉>葉柄。許曉光等[7]報(bào)道, 低濃度下鎘在藕蓮中的分布是地下匍匐莖>荷葉>荷梗>藕, 隨外源鎘的增加, 藕中鎘含量升高, 超過荷葉, 與我們的結(jié)果相似。在此需要說明的是, 因?yàn)槲覀兎N植的是以產(chǎn)蓮子為主的籽蓮, 故地下莖統(tǒng)一作為可食用部位, 而沒有把匍匐莖和膨大莖分開處理。

莖葉中的鎘可以通過韌皮部轉(zhuǎn)移到籽粒中, 進(jìn)入籽粒中的鎘則被固定, 不再向其他部位運(yùn)輸。一般來講, 鎘在植物體籽實(shí)中的積累量很小, 但是本研究中, 籽粒中的鎘含量大于地上部其它器官。鎘經(jīng)由韌皮部轉(zhuǎn)移到籽粒中一般認(rèn)為有以下兩種途徑[8]: (1)鎘首先積累在營(yíng)養(yǎng)器官, 籽實(shí)形成期通過再分配經(jīng)韌皮部轉(zhuǎn)移進(jìn)入籽粒。(2)根持續(xù)吸收鎘, 在莖節(jié)通過木質(zhì)部-韌皮部的轉(zhuǎn)運(yùn)直接進(jìn)入籽粒。而對(duì)于此部分的研究多集中在禾谷類作物[9], 蓮籽粒中鎘的積累特點(diǎn)還未曾見報(bào)道。籽粒中鎘的積累是植物體內(nèi)鎘重新分配的結(jié)果, 因此對(duì)于本研究中蓮子中的鎘積累途徑還有待于進(jìn)一步的研究。

表3 土壤及蓮子各器官之間鎘含量的相關(guān)性

注:**表示相關(guān)性極顯著

3.3 土壤鎘污染與蓮的食用安全

蓮的可食部位有蓮子和地下莖(蓮藕)部分。本研究中, 當(dāng)外施鎘濃度為1 mg·kg–1時(shí), 地下莖中鎘含量超出國(guó)家安全食用農(nóng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)(0.1 mg·kg–1FW)。黎先超[10]、許曉光等[11]也報(bào)道, 低濃度的鎘污染下(< 0.9 mg·kg–1), 蓮藕中鎘含量超出國(guó)家安全食用農(nóng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。而根據(jù)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618-2018), 鎘的風(fēng)險(xiǎn)篩選值為0.4 mg·kg–1, 管制值為2.0 mg·kg–1。由此表明, 土壤鎘介于篩選值和風(fēng)險(xiǎn)管制值之間時(shí), 蓮的地下莖已受到了鎘污染。而鑒于土壤鎘含量與蓮子各器官鎘含量之間存在正相關(guān)(表3), 為了保證蓮藕的安全生產(chǎn), 需控制重金屬污染源在一定的濃度范圍內(nèi), 這也與多數(shù)研究結(jié)果類似[7, 10]。但Xiong[12]等分析了8個(gè)蓮藕主產(chǎn)區(qū)土壤與蓮藕重金屬積累的關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)兩者并無相關(guān)性, 與我們的研究結(jié)果不一致, 原因還有待于進(jìn)一步研究。而在此濃度下, 兩個(gè)品種籽粒中的鎘濃度均符合國(guó)家安全食用農(nóng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。故對(duì)于主要以產(chǎn)蓮子為目的的籽蓮來講, 可以種植在低濃度鎘污染土壤。當(dāng)外施鎘濃度為2.5 mg·kg–1時(shí), 已高于風(fēng)險(xiǎn)管制值, 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看也已不適宜蓮子的種植。

因?yàn)殛P(guān)于蓮對(duì)重金屬吸收富集的報(bào)道較少, 且都沒有深入的研究, 所以許多問題還需要進(jìn)一步的探討, 如鎘脅迫下蓮子生理生化指標(biāo)的變化, 鎘在蓮子體內(nèi)的遷移分配機(jī)制, 鎘向蓮子可食部位轉(zhuǎn)運(yùn)的影響因素等。

4 結(jié)論

隨著外施鎘濃度的增加, 蓮子生物量下降, 各器官中鎘含量上升。總體來看, 根部的鎘含量最高, 其次是籽粒、荷葉/地下莖, 蓮殼中濃度最低。各器官鎘含量與土壤鎘含量呈正相關(guān)。根據(jù)GB 2762-2017, 當(dāng)外施鎘濃度為1 mg·kg–1時(shí), 蓮的可食部位地下莖鎘含量超出食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn), 籽粒符合標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)外施鎘濃度2.5 mg·kg–1時(shí), 從食品安全角度來講已不適宜蓮子的種植。

[1] RAI P. Heavy metal phytoremediation from aquatic ecosystems with special reference to macrophytes[J].Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 2009, 39(9): 697–753.

[2] GRANT C, CLARKE J, DUGUID S, et al. Selection and breeding of plant cultivars to minimize cadmium accumulation[J]. Science of the Total Environment, 2008, 390: 301–310.

[3] ZHANG Hongjiang, ZHANG Xizhou, LI Tingxuan, et al. Variation of cadmium uptake, translocation among rice lines and detecting for potential cadmium-safe cultivars[J] . Environmental Earth Sciences, 2014, 71: 277–286.

[4] 肖亞濤, 吳海卿, 李中陽, 等. 不同基因型冬小麥鎘累積的器官差異及生產(chǎn)適用性研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2016, 61–64.

[5] LIU Weitao, ZHOU Qixing, AN Jing, et al. Variations in cadmium accumulation among Chinese cabbage cultivars and screening for Cd-safe cultivars[J]. Journal of Hazar-dous Cultivars, 2010, 173: 737–743.

[6] 范洪黎, 周衛(wèi). 鎘超富集莧菜材料(L.)的篩選[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42(4): 1316– 1324.

[7] 許曉光, 盧永恩, 李漢霞. 鎘和鉛在蓮藕各器官中累積規(guī)律的研究[J]. 長(zhǎng)江蔬菜, 2010, (14): 53–56.

[8] YAN Y, CHOI D, KIM D, et al. Absorption, translocation, and remobilization of cadmium supplied at different growth stages of rice[J]. Journal of Crop Science & Biotechnology, 2010, 13 (2): 113–119.

[9] KATO M, ISHIKAWA S, INAGAK K, et al. Possible chemical forms of cadmium and varietal differences in cadmium concentrations in the phloem sap of rice plants (L.)[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 2010, 56: 839–847.

[10] 黎先超, 孫小梅. 蓮藕各部位中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, 5(2): 25–27.

[11] 許曉光, 李漢霞, 盧永恩. 鉛、鎘和汞對(duì)蓮藕生長(zhǎng)發(fā)育的影響及其在各器官中的累積規(guī)律研究[J]. 園藝學(xué)報(bào), 2011, 38: 2600.

[12] XIONG Chunhui, ZHANG Yuyang, Xu Xiaoguang, et al. Lotus roots accumulate heavy metals independently from soil in main production regions of China[J]. Scientia Horticulturae, 2013,164: 295–302.

Research on the accumulation of cadmium in lotus (Gaertn.) organs

YU Hui*, PENG Jiashi, YAN Mingli

College of Life Science, Key Laboratory of Economic Crops Genetic Improvement and Integrated Utilization, Key Laboratory of Ecological Remediation and Safe Utilization of Heavy Metal-Polluted Soils, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China

Lotus (Gaertn.) seed is an important high-quality local product resource in China, but lotus is easy to absorb and accumulate heavy metals. In order to explore the absorption and accumulation of cadmium (Cd) in lotus, two cultivars of lotus were cultivated with different concentrations of Cd (0, 1.0 mg·kg–1, 2.5 mg·kg–1) in the pot. The effects of Cd on the lotus seed biomass and Cd contents in each organ of lotus were detected and analyzed. The results showed that,with the increase of Cd concentration, the biomass of the two lotus seeds decreased and Cd content in each organ increased, which was positively correlated with Cd content in soil. Cd content in each organ was different obviously. Cd content in root was the highest and that in lotus shell was the lowest.According to GB 2762-2017, when Cd concentration is 1 mg·kg–1, Cd content in lotus seed conforms to the pollutant limit standard in food, so lotus can be planted in the area with low Cd pollution.

cadmium;Gaertn.; accumulation

于輝, 彭佳師, 嚴(yán)明理. 鎘在蓮各器官中累積規(guī)律的研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(1): 82–85.

YU Hui, PENG Jiashi, YAN Mingli. Research on the accumulation of cadmium in lotus (Gaertn.) organs[J]. Ecological Science, 2021, 40(1): 82–85.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.01.011

S181

A

1008-8873(2021)01-082-04

2020-03-10;

2020-04-10

湖南省自科基金省市聯(lián)合基金(2019JJ60045); 湖南省教育廳項(xiàng)目(18K063); 湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(E22007)

于輝(1978—), 女, 博士, 講師, 從事重金屬污染土壤修復(fù)與利用的研究, E-mail: lgyh@163.com