巰基膨潤(rùn)土影響土壤鎘形態(tài)及水稻酶活性研究

孟興銳 賴 波 蒲金國(guó) 邢 智

（1成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院 四川成都 610051 2四川冶金地質(zhì)研究院六○五大隊(duì) 四川眉山 620010）

引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，但人均耕地面積僅為世界平均水平的40%左右。目前全國(guó)土壤環(huán)境狀況總體不容樂(lè)觀，部分地區(qū)土壤污染較重，全國(guó)土壤總的超標(biāo)率為16.1%，其中輕微、輕度、中度和重度污染點(diǎn)位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%[1]。鎘污染的土壤農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力降低，鎘極易被水稻富集，通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，在肝、腎部積累，危害人的健康[2]。因此重金屬特別是鎘污染土壤修復(fù)是當(dāng)前熱門課題。

重金屬的生物毒性不僅僅取決于總量，更重要的是取決于在土壤中的存在形態(tài)，不同的形態(tài)決定了鎘的遷移率和生物利用率，因而產(chǎn)生不同的環(huán)境效應(yīng)。鈍化修復(fù)就是通過(guò)添加鈍化劑改變土壤重金屬形態(tài)而減少植物對(duì)其的吸收。鈍化修復(fù)相較于其他修復(fù)方式，制約條件少、操作簡(jiǎn)便，適用于大規(guī)模土壤修復(fù)。鎘對(duì)水稻的毒害作用主要是通過(guò)產(chǎn)生H2O2來(lái)進(jìn)行，鎘的脅迫能增加水稻體內(nèi)抗氧化酶的活性，但隨著鎘濃度的增加酶活性又會(huì)降低，因此，可通過(guò)抗氧化酶變化考量水稻抵抗重金屬脅迫的影響[3]。

膨潤(rùn)土具有層間域結(jié)構(gòu)，帶電荷、比表面積大、具有吸附性、膨脹性、可塑性和離子交換等特殊性能，在重金屬污染土壤修復(fù)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。為增強(qiáng)膨潤(rùn)土的吸附性能通常會(huì)對(duì)其鈉化改性、酸化改性，柱撐改性，有機(jī)改性，巰基改性等。本研究利用自主開(kāi)發(fā)的巰基化膨潤(rùn)土作為鈍化劑，采集成都平原丹棱地區(qū)中度鎘污染土壤種植水稻，考察添加巰基化膨潤(rùn)土對(duì)土壤鎘有效態(tài)的影響、對(duì)鎘脅迫下水稻葉片中過(guò)氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和過(guò)氧化物酶（POD）酶活性的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

水稻品種為川優(yōu)6203，在四川丹棱當(dāng)?shù)靥镩g育秧，然后移栽。巰基化膨潤(rùn)土為本研究小組前期開(kāi)發(fā)的重金屬修復(fù)材料。供試土壤采集于丹棱地區(qū)某地農(nóng)田土壤，風(fēng)干，磨細(xì)，過(guò)篩備用。土壤中重金屬含量除鎘超出《國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618-1995）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值（pH:6.5-7.5）54.89%，其他銅 鉛、鋅、鎳、鉻、砷、汞等元素均符合標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 試驗(yàn)方法

土壤添加重金屬鎘，使其濃度達(dá)到6mg/kg，培育一個(gè)月。使用直徑為20 cm，高35 cm灰桶，每桶裝土5 kg。設(shè)置巰基化膨潤(rùn)土添加量為12.5、25、50、75 g，每個(gè)梯度3個(gè)平行，同時(shí)設(shè)置空白組，淹水培育半個(gè)月。每盆種植水稻幼苗一株，施肥、除草、灌溉等田間管理與正常種植方式一致。在水稻分蘗期采集水稻植株和土壤樣本，進(jìn)行測(cè)定。土壤有效態(tài)鎘含量測(cè)定參照《GB/T 23739—2009土壤質(zhì)量有效態(tài)鉛和鎘的測(cè)定原子吸收法》方法；分蘗期水稻CAT、SOD和POD酶活性測(cè)定參照《植物生理學(xué)指導(dǎo)》的方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 巰基化膨潤(rùn)土對(duì)土壤有效態(tài)鎘的影響

圖1是水稻種植前土壤總鎘，水稻分蘗期土壤有效態(tài)鎘隨巰基化膨潤(rùn)土添加量的變化趨勢(shì)圖，可以看出，各實(shí)驗(yàn)系列總鎘含量在5.42-5.96 mg/kg之間，說(shuō)明鎘在土壤中混合均勻；添加巰基化膨潤(rùn)土12.5、25、50、75 g后，土壤中有效態(tài)鎘的含量逐漸下降，與空白相比，土壤中有效鎘含量分別下降了14.53%，22.30%，38.85%，50.34%。

分蘗期土壤有效鎘與空白組的顯著性差異分析顯示：隨著巰基化膨潤(rùn)土的添加量增加，各梯度間有效鎘的含量逐漸下降，當(dāng)添加量達(dá)到25g時(shí)，有效鎘含量與空白組出現(xiàn)了顯著差異，當(dāng)添加量大于50g后達(dá)到了極顯著水平，在添加量達(dá)到75g時(shí)，土壤中有效鎘含量最低，約為1.47mg/kg，與空白相比下降了50%左右，說(shuō)明添加巰基化膨潤(rùn)土有效地鈍化了土壤中的鎘，降低了鎘的有效性，對(duì)土壤中的鎘有良好的鈍化作用。

膨潤(rùn)土帶負(fù)電，可以吸附帶正電的鎘離子，膨潤(rùn)土層間或表面的羥基對(duì)鎘具有一定的絡(luò)合作用，層間的陽(yáng)離子也能與鎘離子發(fā)生離子交換[3]，本次使用的鈍化劑是膨潤(rùn)土經(jīng)硅烷偶聯(lián)的方式嫁接巰基，嫁接的巰基易于與土壤中鎘結(jié)合，形成了植物更加難以利用的形態(tài)，使土壤中有效態(tài)鎘濃度顯著降低。

圖1 土壤有效鎘含量變化

圖 2 水稻葉片中 CAT（U·g-1FW·min-1）、SOD（U·g-1FW·h-1）和 POD（μg·g-1FW·min-1）酶活性的變化

2.2 巰基化膨潤(rùn)土對(duì)水稻葉片酶活性的影響

植物如果受到重金屬脅迫，通過(guò)增加對(duì)某些礦質(zhì)元素的吸收以增強(qiáng)抗氧化酶系統(tǒng)的活性，來(lái)應(yīng)對(duì)重金屬對(duì)植物的影響[4-6]。巰基化膨潤(rùn)土能鈍化土壤中重金屬，減緩重金屬對(duì)植物的脅迫作用。因此，在鎘污染水稻土中添加巰基化膨潤(rùn)土，一方面能顯著降低土壤中有效鎘的含量（圖1），另一方面，對(duì)水稻葉片中的抗氧化酶活性也產(chǎn)生顯著的影響（圖2）。未添加巰基化膨潤(rùn)土的空白樣品，水稻葉片的酶活性較高，CAT、SOD和 POD三種酶活性分別為 168±0.03U·g-1FW·min-1、105±1.41 U·g-1FW·h-1、199±2.70μg·g-1FW·min-1。隨著巰基化膨潤(rùn)土添加量的增加，水稻葉片CAT和SOD活性均下降，POD活性在添加量為12.5 g時(shí)升高，隨后隨著巰基化膨潤(rùn)土的添加量增加而降低。SOD的活性下降分為兩個(gè)階段，在巰基化膨潤(rùn)土添加量小于25 g時(shí)急劇下降，添加量在25-75 g下降較為平穩(wěn)。與空白組相比，CAT、SOD、POD活性最大分別下降了70.83%、29.42%、43.82%。

分蘗期水稻葉片中抗氧化酶與空白組的顯著性差異分析顯示：隨著巰基化膨潤(rùn)土的添加量增加，葉片中抗氧化酶活性與空白組的抗氧化酶活性均表現(xiàn)為顯著或極顯著差異。當(dāng)巰基化膨潤(rùn)土添加量達(dá)到最大75 g時(shí)，SOD、POD活性與空白組相比表現(xiàn)為極顯著差異。特別是過(guò)氧化氫酶（CAT）的活性在巰基化膨潤(rùn)土添加量大于50 g時(shí)急劇下降到60 U·g-1FW·min-1以下，與空白相比就達(dá)到極顯著差異，這與分蘗期有效態(tài)鎘與空白比具有極顯著差異是一致的。結(jié)果表明，添加巰基化膨潤(rùn)土能顯著降低葉片中抗氧化酶的活性，有效改善鎘對(duì)水稻的脅迫作用，降低了鎘對(duì)水稻的影響。

2.3 土壤有效態(tài)鎘、水稻葉片SOD、CAT和POD酶活性、巰基化膨潤(rùn)土添加量的相關(guān)性

土壤有效態(tài)鎘、水稻葉片SOD、CAT和POD酶活性、巰基化膨潤(rùn)土添加量之間的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果如表1所示。水稻葉片中3種酶活性與巰基化膨潤(rùn)土添加量呈負(fù)相關(guān)，SOD活性達(dá)到了顯著水平，POD和CAT活性達(dá)到了極顯著水平；土壤中有效態(tài)鎘含量與巰基化膨潤(rùn)土添加量呈極顯著負(fù)相關(guān)；土壤中有效態(tài)鎘的量與SOD、CAT和POD活性具有正相關(guān)關(guān)系，且均達(dá)到極顯著水平；水稻葉片中三種抗氧化酶活性之間也是具有一定的正相關(guān)關(guān)系，特別是CAT的活性與其他兩種酶的活性也達(dá)到了顯著和極顯著水平。

表1 添加巰基化膨潤(rùn)土后水稻三種酶活性與土壤鎘相關(guān)性分析

可以看出土壤有效態(tài)鎘，SOD、CAT和POD三種酶活性的大小與巰基化膨潤(rùn)土的添加量關(guān)系密切，巰基化膨潤(rùn)土上巰基能捕獲土壤中鎘，改變其形態(tài)，降低土壤中有效鎘的含量，減緩?fù)寥乐墟k對(duì)水稻的脅迫作用，影響水稻本身的酶保護(hù)機(jī)制，表現(xiàn)為SOD、CAT和POD活性隨著巰基化膨潤(rùn)土添加量的增加顯著降低。相關(guān)性分析進(jìn)一步表明，巰基化膨潤(rùn)土是一種很好的土壤鎘鈍化材料，可望作為土壤重金屬鈍化劑進(jìn)行大田應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)

施加巰基化膨潤(rùn)土能有效降低土壤中有效鎘的含量，有效態(tài)鎘的減少量與巰基化膨潤(rùn)土添加量具有顯著相關(guān)性，巰基化

（ 膨潤(rùn)土對(duì)水稻土中鎘具有鈍化作用。施加巰基化膨潤(rùn)土分蘗期水稻葉片中CAT、SOD和POD酶活性均下降，下降率與巰基改性膨潤(rùn)土添加量具有顯著相關(guān)性，添加巰基化膨潤(rùn)土到土壤中減緩了鎘對(duì)水稻的脅迫作用。