重金屬鎘污染下石榴的耐性特征及重金屬富集研究

王俊飛，李江燕

（中華全國供銷合作總社天津再生資源研究所，天津300191）

近年來，由土壤重金屬引發(fā)的各種危害，引起世界各國的廣泛關(guān)注。有資料顯示，時至今日我國因鎘、砷、鉛、鉻等重金屬而污染的耕地面積約有2.5×104hm2，約占我國總耕地面積的1/5[1]，見圖1。

圖1 我國土地污染情況餅狀圖

土壤中的重金屬種類繁多，包括密度4.0以上的約60種元素或密度在5.0以上的45種元素[2]。重金屬污染的主要來源有：污水灌溉、工業(yè)“三廢”的排放、金屬礦山廢水污染、農(nóng)業(yè)活動、大氣沉降、交通污染等。

重金屬對農(nóng)作物、土壤微生物、生物體內(nèi)酶，以及對人體都有很大的危害。重金屬鎘對植物幼芽的生長、植物的光合作用都有一定的影響。重金屬鎘對植物的危害主要表現(xiàn)在：（1）導(dǎo)致植物矮小，葉片泛黃，糧食減產(chǎn)，品質(zhì)降低，鎘濃度較高時還會導(dǎo)致植物的死亡。（2）影響植物細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致核膜內(nèi)陷或核變形腫脹，核仁破碎[3]。鎘對人體的危害有：引起高血壓、肺氣腫、心血管疾病、糖尿病、腎功能障礙，甚至突變、致畸、致癌，貧血是慢性鎘中毒的常見癥狀?！肮峭床　本褪怯涉k的長期攝入而導(dǎo)致的[4]。

通過研究在重金屬鎘污染下石榴的耐性特征、富集和轉(zhuǎn)運，探究重金屬鎘對植物的影響機制。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

準(zhǔn)備材料：天津再生資源研究所園區(qū)土、營養(yǎng)土、花盆、石榴的幼苗等。

實驗儀器：電子分析天平、研磨器、烘箱、消解儀、TAS火焰原子吸收分光光度計、鎘空心陰極燈、紫外分光光度計等。

實驗試劑：硝酸、氫氟酸、蒸餾水等。

1.2 檢測方法

鎘的測量：用電子天平稱取0.5 g左右烘干的土樣或石榴樣品，裝入25 mL的坩堝中，加入少量蒸餾水后加入10 mL的濃鹽酸，然后在電熱板上加熱（＜450℃）消解2 h，然后加入15 mL濃硝酸，繼續(xù)加熱至溶解物剩余約5 mL時，再加入5mL氫氟酸并加熱分解除去硅化合物，最后加入5 mL高氯酸并加熱至坩堝內(nèi)的消解物呈現(xiàn)淡黃色時，打開蓋，蒸至近干。取下冷卻，加入硝酸（1+5）1 mL微熱溶解殘渣，移入50 mL容量瓶中，定容。同時進行全程序試劑空白實驗。儀器的使用條件見表1。

表1 儀器使用條件

葉綠素的測量：采用乙醇提取法。取新鮮石榴葉片0.10 g，加入95%乙醇在避光處研磨至勻漿，過濾并定容至10 mL比色管；利用紫外分光光度計，以95%乙醇為空白，分別測量649 nm，665 nm下的吸光度。計算公式如下：

葉綠素：

式中：Wa—葉綠素a質(zhì)量濃度，mg/L；

Wb—葉綠素b質(zhì)量濃度，mg/L；

Wa+b—葉綠素質(zhì)量濃度；

A649，A665—分別為試樣在649 nm和665 nm波長下所測得吸光度值。

葉綠素是植物生長過程中必不可少的，葉綠素能通過光合作用吸收光能為植物提供生長過程中所需的有機物和少量的能量。因此，葉綠素含量的多少能夠直接表征出植物生長得是否健康。

1.3 石榴栽培和測定步驟

本研究是在重金屬鎘污染下石榴的耐性特征及重金屬富集研究。首先，通過火焰原子吸收分光光度法對石榴生長前后土壤中鎘的含量進行測定。通過計算在不同濃度重金屬鎘污染土壤中石榴對鎘的富集和轉(zhuǎn)運系數(shù)，了解其在石榴體內(nèi)的積累規(guī)律。然后通過紫外分光光度計，測量石榴葉中的葉綠素含量，了解石榴對鎘的耐受能力和植株的健康狀況。

測定步驟如下。

（1）2018年1—3月：取18個花盆，將天津再生資源研究所園區(qū)土、營養(yǎng)土按19∶1的比例混合均勻后過10目的網(wǎng)篩，然后將篩下的土分裝花盆內(nèi)，每盆裝土8.0 kg。

取適量石榴的莖和土壤樣品，稱重記錄后放入烘箱，烘干4 h（80℃），烘干后再稱重記錄。將稱重后的樣品放入研磨機粉碎后通過0.18 mm的網(wǎng)篩，取篩下物按照表2方法測定樣品的本底值：濕度、pH值、鎘的含量等。

表2 重金屬鎘處理濃度

將石榴幼苗摘種到配好的花盆中。待石榴幼苗生長穩(wěn)定后，按照表2將配置好的鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液均勻加入到各盆栽中，其中3個實驗組各設(shè)5盆，空白對照組設(shè)3盆。

（2）2018年4—9月：對植物的生長狀況進行觀察并記錄，適量取部分土壤和石榴植株樣品，重復(fù)2018年1—3月土壤和植物樣品的測定步驟，測定重金屬鎘、濕度、pH值變化的最終結(jié)果，然后記錄、處理和分析所得到的數(shù)據(jù)。

（3）2018年10月—今：整理分析整個實驗得出的數(shù)據(jù)，探究在重金屬鎘不同濃度污染下木本植物石榴對鎘的富集程度和轉(zhuǎn)運的途徑。

2 結(jié)果及討論

2.1 土壤本底值

測定剛配置的土壤中重金屬鎘的本底值（表3、表4）。

表3 土壤重金屬鎘本底值 mg·kg-1

表4 土壤本底值其他指標(biāo)

2.2 耐性特征

空白對照組CK石榴的發(fā)芽時間為3～6 d，其他實驗組發(fā)芽時間如表5所示。

由表5可知，在鎘的處理下各實驗組均比空白組發(fā)芽時間延后，且低濃度處理時石榴的發(fā)芽時間明顯比高濃度早許多，因此重金屬鎘會對植物的發(fā)芽產(chǎn)生抑制作用。

表5 重金屬鎘處理下石榴發(fā)芽情況

由表6可知，在重金屬鎘污染的土壤下，石榴葉片葉綠素a和葉綠素a&b含量都小于空白對照組，除4號實驗組外，葉綠素b的含量也都比空白實驗組略少一些；葉綠素a/b值在低濃度（Cd=1 mg/kg）時大于空白對照組，其他處理濃度下均比空白組要低。說明重金屬鎘會對石榴的光合作用產(chǎn)生抑制作用，減少石榴通過光合作用獲得的能量，對石榴的生長產(chǎn)生危害。

表6 重金屬鎘處理下石榴葉片內(nèi)葉綠素含量 mg·kg-1

2.3 富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運系數(shù)

利用1.3中的測量方法測量石榴體內(nèi)的鎘含量，在利用下列公式即可計算出萱草的富集和轉(zhuǎn)運系數(shù)（表 6）。

富集系數(shù)=植物體內(nèi)某重金屬所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/環(huán)境中某金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

根-莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)=植物莖和葉中重金屬含量/植物根部重金屬含量

由表7可知，在重金屬鎘的處理下，在石榴的根莖葉中重金屬鎘的含量會隨著鎘處理濃度的增大而增加。此外通過對比分析，在不同濃度的鎘的處理下，石榴各器官內(nèi)鎘含量的多少并沒有體現(xiàn)出明顯的規(guī)律，但是通過計算可以得出，4號實驗組根部的重金屬鎘僅比3號實驗組增加了17.43%，而相對應(yīng)的莖葉中的鎘含量增長率明顯更大，分別為138.24%，4.86%，由此可知，高濃度鎘（＞20 mg/kg）的污染下，鎘會向莖葉中轉(zhuǎn)移，并且在石榴的莖中含量最高，不宜使用。

表7 萱草根莖葉中鎘的濃度 mg·kg-1

由表8可知，除了1號實驗組石榴的根對鎘的富集系數(shù)高于空白組，其他各組石榴根莖葉的富集系數(shù)均比空白組要低?？傮w來說，石榴的根莖葉的富集系數(shù)會隨著土壤中鎘濃度的升高而變小。石榴的轉(zhuǎn)運系數(shù)則隨處理濃度增加而先減小后增大，說明隨著土壤中鎘濃度的升高，石榴體內(nèi)的鎘從石榴的根部遷移到莖葉的能力先減弱后增強。并且在3號實驗組（10 mg/kg）時達(dá)到最小值，這時石榴體內(nèi)的重金屬鎘主要會富集在石榴的根部，對石榴可食用部分的影響最低。

表8 石榴根-莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)及富集系數(shù)

3 結(jié)論

石榴在我國的分布極為廣泛，山地高原、市政鄉(xiāng)村、花園和公園都可以看到石榴的身影。而重金屬鎘在土壤污染中是極具代表性的重金屬污染物，不僅危害植物正常生長，還會通過食物鏈影響人類健康，暴露在土壤中的鎘對人類健康產(chǎn)生巨大的威脅。

以上述兩者為研究對象，通過在鎘處理后的土壤中栽培石榴，研究重金屬鎘污染的土壤對石榴生長和發(fā)芽、pH值、葉綠素等指標(biāo)以及重金屬在石榴體內(nèi)吸收富集特征，取得了一定的研究成果：（1）重金屬鎘會對植物的發(fā)芽產(chǎn)生抑制作用。（2）金屬鎘會對石榴的光合作用產(chǎn)生抑制作用，抑制植物的生長發(fā)育。（3）高濃度鎘的污染下，鎘會向莖葉中轉(zhuǎn)移，對石榴的可食用部分影響較大。本研究可以對開發(fā)培育重金屬鎘超富集植物、土壤植物修復(fù)以及重金屬鎘污染土壤的治理提供可靠的理論支撐和數(shù)據(jù)支持，具有重要的意義。