鈣多肽對水稻吸收重金屬鉛的影響

楊升，毛文凌，吳紅紅，劉紫薇，姚倫廣，湯行春，李亞東*

（1.湖北大學生命科學學院，省部共建生物催化與酶工程國家重點實驗室，武漢 430062；2.南陽師范學院農(nóng)業(yè)工程學院，南水北調(diào)中線水源區(qū)水安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 南陽 473061）

隨著人類活動的日益加劇，土壤重金屬污染日趨嚴重。鉛（Pb）是一種典型的重金屬污染物，土壤中高濃度的鉛可以直接或通過改變土壤微生物營養(yǎng)循環(huán)，擾亂植物的生理活動[1]。此外通過食物循環(huán)，土壤中過量的鉛可富集到人體，進而對神經(jīng)系統(tǒng)、生殖、新陳代謝產(chǎn)生負面影響[2?4]。根據(jù)我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部稻米及其制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心早期對全國稻米市場進行的安全性抽檢結果，可以看出稻米中超標最嚴重的元素是鉛，其超標率達到了28.4%[5]。因此降低土壤?水稻體系中重金屬鉛的污染，對保障糧食的產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要意義。

目前在土壤重金屬污染治理研究中，原位鈍化修復技術是一種常用的方法，鈍化修復材料包括含硅鈍化材料（硅肥、沸石、硅藻土等）、含鈣鈍化材料（石灰、熟石灰、石膏等）、有機鈍化材料（有機肥、腐植酸、糞便等）、生物質(zhì)炭（骨炭、秸稈炭、木材炭等）、含磷鈍化材料（磷礦粉、磷酸鈣、過磷酸鈣等）等[6?8]。鈣多肽是本研究團隊自主研發(fā)的一種含鈣離子的多肽制劑，利用含蛋白的廢棄物經(jīng)過生化技術解析而成，整體呈黃色粉狀，無刺激性難聞氣味，含鈣6.39%，含氮9.61%，pH 10.33[9?10]。相比市售有機肥，鈣多肽肥效快，并能很好地促進作物生長，同時經(jīng)過生化高溫解析后，鈣多肽無病蟲卵，相比尿素無揮發(fā)，且具有多次施加土壤無板結現(xiàn)象等特點[11]?；阝}多肽自身特性，其作為一種有機肥料在土壤原位鈍化修復中應兼具含鈣鈍化材料和有機鈍化材料的特性——通過提高土壤的pH 以及自身所攜帶的有機基團結合重金屬離子，從而達到降低土壤中重金屬有效態(tài)含量的目的[12]。因此本研究將鈣多肽作為肥料，應用于鉛污染土壤的水稻種植中，研究了其對水稻生長的影響以及水稻不同部位對鉛離子和鈣離子的吸收變化等，為鉛污染土壤修復提供了一種新的材料，同時也為鈣多肽在重金屬鉛的污染治理應用中提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實驗土壤

實驗土壤采自湖北大學沙湖周邊水稻土，其基本理化性質(zhì)見表1。待土壤自然風干后將土樣中的大顆石塊及肉眼可見的其他異物剔除，粉碎后過2 mm尼龍篩備用。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of soil

取上述研磨好的土壤，均勻噴灑優(yōu)級純硝酸鉛?去離子水溶液并攪拌均勻，根據(jù)我國《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018），使土壤總鉛含量分別達到100 mg·kg?1（水田鉛污染風險篩選值以下）、200 mg·kg?1（風險篩選值以上）以及500 mg·kg?1（風險管制值）。配制好的土壤老化處理1個月后風干，磨碎并過2 mm尼龍篩后備用。

1.2 實驗材料

實驗水稻為湘兩優(yōu)900，是由湖南年豐種業(yè)科技有限公司和湖南省雜交水稻研究中心用廣湘24S×R900 選育而成的水稻品種，審定編號為國審稻20170053。鈣多肽為實驗室課題組制備[9?10]，對照復混肥為挹江牌復混肥料（N14?P5?K6），其他試劑均為國產(chǎn)優(yōu)級純。

1.3 土壤鈍化

稱取100 g上述老化處理的鉛含量為500 mg·kg?1的土壤于小塑料盆中，與水稻種植實驗中肥料的施加量保持一致（每千克土壤施氮0.45 g），每盆分別加入鈣多肽0.47 g，對照復混肥0.32 g，每組重復3次，加入去離子水（以沒過土壤表面1 cm 為準），稱質(zhì)量并記錄，置于陰涼處。每隔2 d稱1 次質(zhì)量，并加入去離子水以維持質(zhì)量恒定。在30、60、120 d 時分別取樣，測量土壤中有效態(tài)鉛含量。

1.4 水稻種植

分別稱取3 kg 上述老化好的3 種不同含量鉛污染的土壤于直徑25 cm 花盆內(nèi)，以相同含氮量為標準（每千克土壤施氮0.45 g），實驗組每盆分別加入鈣多肽14.1 g，對照復混肥9.6 g，提前將肥料與土壤混合均勻，再進行水稻種植，每組重復3 次，并參照復混肥中鉀和磷的含量，用磷酸二氫鉀和過磷酸鈣補齊鈣多肽中鉀和磷的含量。水稻在正常土壤中培育，待苗長到一掌寬度時（30 d），兩株為一穴，一盆6 穴，移栽到上述花盆并置于溫室中，LED 全波長補光，加濕器保證濕度，種植120 d。

1.5 實驗樣品測定

采用葉綠素測定儀SPAD502 測定植物相對葉綠素。植物中鉛的測定參考《食品安全國家標準：食品中鉛的測定》（GB 5009.12—2017）中的方法。植物中鈣的測定方法根據(jù)《食品安全國家標準：食品中鈣的測定》（GB 5009.92—2016）。土壤中全鉛的測定參考《土壤質(zhì)量：鉛、鎘的測定——石墨爐原子吸收分光光度法》（GB/T 17141—1997）中的方法。土壤中有效態(tài)鉛的測定參考《土壤質(zhì)量：有效態(tài)鉛和鎘的測定——原子吸收法》（GB/T 23739—2009）中的方法。土壤pH測定參考《土壤檢測》（NY/T 1121.2—2006）中的方法。植物試樣消解分別采用各自國標中的濕法消解，植物和土壤中鉛、鈣含量分析測試儀器采用安徽皖儀科技WYS2200 火焰?石墨爐一體機原子吸收分光光度計。

1.6 實驗數(shù)據(jù)處理

水稻不同部位鉛富集系數(shù)=水稻不同部位鉛含量/土壤總鉛含量。轉(zhuǎn)運系數(shù)為植株地上部分（莖和葉）重金屬含量與根系重金屬含量比值[13]。實驗數(shù)據(jù)采用SPSS 20、Excel進行方差分析及差異性分析，T分析檢測，置信區(qū)間為95%，方差齊性檢測相等（原始數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布）采用方差齊P值，反之采用方差不齊P值。

2 結果與分析

2.1 土壤pH和有效態(tài)鉛含量的變化

不同時間段測定的土壤pH 結果如圖1a 所示，鈣多肽相比復混肥能提高土壤的pH，前期能提高0.18個單位（10 d），然而隨時間的延長，二者的差異逐漸減小。同時土壤鈍化實驗表明（圖1b），鈣多肽相比復混肥能降低土壤有效態(tài)鉛含量，不同時間分別降低6.8%（30 d）、9.6%（60 d），6.9%（120 d）。結合土壤pH的變化可以發(fā)現(xiàn)，土壤培養(yǎng)后期，不同處理組間pH差異減小，但有效態(tài)鉛含量仍呈現(xiàn)顯著差異，說明土壤pH的變化并不是鈣多肽鈍化鉛的主要原因，鈣多肽對鉛的鈍化作用可能主要是由于其自身所攜帶的有機基團與土壤中鉛的結合，從而降低了土壤有效態(tài)鉛含量。

2.2 水稻相對葉綠素含量、株高和千粒重的變化

2.2.1 不同處理對水稻相對葉綠素含量的影響

土壤鉛污染可影響植物葉綠素的合成，而有機肥的施加可有效提高植物葉綠素含量，增加其光合作用。實驗過程中可以直觀地觀察到水稻移栽后前、中期復混肥處理組水稻葉面發(fā)黃，而鈣多肽處理組水稻葉面烏綠（圖2a）。對于3 種鉛污染土壤，水稻移栽30 d 和60 d 時的水稻葉片相對葉綠素含量如圖2b 所示，鈣多肽處理組相對葉綠素含量均高于復混肥處理組：移栽30 d 時，水稻葉片相對葉綠素含量分別提高21.2%（100 mg·kg?1），19.3%（200 mg·kg?1），15.4%（500 mg·kg?1）；移栽60 d 時，水稻葉片相對葉綠素含量分別提高11.9%（100 mg·kg?1），15.0%（200 mg·kg?1），10.7%（500 mg·kg?1）。結果表明鈣多肽處理降低了土壤鉛污染對水稻葉片葉綠素含量的影響，其水稻生長狀態(tài)更好。

2.2.2 不同處理組對水稻株高、千粒重的影響

水稻移栽120 d 后，分別測定3 種鉛含量污染的土壤中不同處理組水稻株高及千粒重，如表2 所示，基于鈣多肽處理組水稻前期良好的生長狀態(tài)，其株高及千粒重均優(yōu)于復混肥處理組。水稻株高，鈣多肽相比復混肥提高28.9%（100 mg·kg?1），23.7%（200 mg·kg?1），6.8%（500 mg·kg?1）；水稻千粒重，鈣多肽相比復混肥提高6.5%（100 mg·kg?1），7.6%（200 mg·kg?1），1.7%（500 mg·kg?1）。結果表明，相比復混肥，鈣多肽能夠在鉛污染土壤中促進水稻生長，其可作為水稻種植的一種優(yōu)質(zhì)有機肥料，本實驗還進一步檢測了水稻在種植過程中不同時期、不同部位鉛含量的變化。

表2 不同處理組水稻株高與千粒重Table 2 Plant height and 1 000?grain weight of rice under different treatments

2.3 糙米鉛含量與鈣含量的變化

水稻移栽120 d后收割水稻，測定糙米中鉛含量。如圖3a 所示，糙米中鉛含量的變化規(guī)律整體上隨土壤鉛污染濃度的升高而逐漸增加。同時比較鈣多肽處理組與復混肥處理組發(fā)現(xiàn)，鈣多肽處理使糙米中鉛含量較復混肥處理分別降低25.5%（100 mg·kg?1）、17.3%（200 mg·kg?1）、13.3%（500 mg·kg?1）。參考食品安全國家標準（GB 2762—2017）發(fā)現(xiàn)，在土壤總鉛含量為200 mg·kg?1的實驗中，鈣多肽處理組的糙米鉛含量達標（小于0.2 mg·kg?1），而復混肥處理組超標。上述結果表明，當土壤鉛濃度在水田鉛污染風險篩選值以上時，鈣多肽作為肥料能種植出鉛達標的大米；而當土壤總鉛濃度達到水田鉛污染風險管制值時，即便鈣多肽相比復混肥能夠降低糙米鉛含量，但糙米鉛含量仍未達到國家標準。同時鈣多肽相比復混肥提高了糙米中鈣的含量（圖3b），鈣含量分別提高21.5%（100 mg·kg?1）、18.3%（200 mg·kg?1）、12.4%（500 mg·kg?1）。整體比較兩組實驗的結果發(fā)現(xiàn)，糙米中鉛含量與鈣含量的變化呈現(xiàn)相反的趨勢。

2.4 水稻根、莖、葉中鉛含量的變化

2.4.1 不同處理對水稻根、莖、葉中鉛含量的影響

種植過程中，水稻對鉛的吸收主要集中在根，其次是莖，最后是葉。如表3 所示，整體上水稻中鉛的含量依次是根>莖>葉，同時相同條件下，土壤鉛含量越高，水稻各部位所含鉛越高。在不同處理下，鈣多肽處理組水稻根部鉛含量明顯高于復混肥處理組，根部鉛含量相對提高10.8%～120.6%，而水稻莖和葉中鉛含量，鈣多肽處理組要低于復混肥處理組，莖部鉛含量相對降低2.2%～28.4%，葉部鉛含量相對降低0.5%～28.6%。這表明，鈣多肽對水稻根部吸收鉛具有促進作用，而對水稻莖和葉吸收鉛具有抑制作用。

同時觀察水稻根、莖、葉對鉛的富集系數(shù)（表4）發(fā)現(xiàn)，整體上土壤鉛含量越低，水稻各部位的富集系數(shù)越高，其主要原因可能是土壤中總鉛含量較低。在不同處理下，鈣多肽處理組水稻根部鉛富集系數(shù)高于復混肥處理組，而水稻莖和葉的富集系數(shù)要低于復混肥處理組。另外高含量鉛污染土壤（500 mg·kg?1）相比低含量鉛污染土壤（100、200 mg·kg?1），鈣多肽處理組對水稻根部鉛富集系數(shù)的提高更為顯著，最多可增加0.302。與之相反，在低含量鉛污染土壤中（100、200 mg·kg?1），鈣多肽處理組對水稻莖部和葉部的鉛富集系數(shù)降低更為顯著，莖最多降低0.052，葉最多降低0.050。實驗表明在低含量鉛污染土壤中，鈣多肽對水稻莖和葉中鉛富集的抑制效果更為顯著。

表4 水稻根、莖、葉的鉛富集系數(shù)Table 4 Lead accumulation coefficient in root，stem and leaf of rice

2.4.2 不同時間段水稻根、莖、葉中鉛含量的變化

在水稻整個生長過程中，對于3 種鉛含量污染的土壤，所有處理組隨時間的延長，水稻根、莖、葉中鉛的含量均逐漸增加，富集系數(shù)也逐漸提高（表3 和表4）。但比較鈣多肽處理組與復混肥處理組發(fā)現(xiàn)，隨時間的延長，鈣多肽對水稻根部鉛吸收的促進作用和對莖部與葉部鉛吸收的抑制作用逐漸減弱：對水稻根部鉛吸收的促進作用由18.6%降低到8.4%（100 mg·kg?1）、36.2%降低到7.9%（200 mg·kg?1）、120.6%降低到23.8%（500 mg·kg?1）；對水稻莖部鉛吸收的抑制作用由25.1%降低到4.1%（100 mg·kg?1）、22.0%降低到4.2%（200 mg·kg?1）、25.1% 降低到2.2%（500 mg·kg?1）；對水稻葉部鉛吸收的抑制作用由28.6%降低到12.9%（100 mg·kg?1）、26.2%降低到15.4%（200 mg·kg?1）、14.2%降低到0.5%（500 mg·kg?1）。同時水稻根、莖、葉中鉛的富集系數(shù)整體上隨時間的延長，鈣多肽處理組相比復混肥，其作用也逐漸減弱，該現(xiàn)象在鉛為500 mg·kg?1的污染土壤中更為明顯。上述結果表明，鈣多肽對水稻根部鉛吸收的促進作用和對莖與葉鉛吸收的抑制作用具有一定的時效性，其原因可能是由于鈣多肽隨水稻生長逐漸消耗，其效果隨時間的延長逐漸減弱。

2.5 水稻根、莖、葉中鈣含量的變化

水稻不同生長時期根、莖、葉中鈣的含量如表5所示。整體上水稻葉中鈣含量大于莖和根，而在水稻移栽后的前、中期，莖和根中的鈣含量相比，并不具有規(guī)律性，但在后期（120 d），水稻根部鈣含量大于莖，這可能是由于在水稻生長后期，水稻莖中的鈣大量向葉部轉(zhuǎn)移造成的。同時隨時間的延長，整體上水稻根、莖、葉中鈣的含量逐漸增加。比較不同鉛含量污染土壤中水稻根、莖、葉中鈣含量的變化發(fā)現(xiàn)，土壤中鉛含量越高，水稻根、莖、葉中鈣含量越低，該現(xiàn)象在水稻生長后期（120 d）更為明顯。

表5 水稻根、莖、葉鈣的含量Table 5 Calcium content in root，stem and leaf of rice

比較鈣多肽處理組與復混肥處理組水稻根、莖、葉中的鈣含量發(fā)現(xiàn)，鈣多肽相比復混肥能增加水稻根、莖、葉中的鈣含量，100、200、500 mg·kg?1鉛污染土壤分別相對提高1.7%～32.6%、1.6%～17.5%、1.1%～13.4%。另外隨水稻生長時間的延長，整體上水稻移栽后前、中期（30、60 d）相比后期（120 d），鈣多肽對提高水稻各部位鈣含量的作用更為明顯，這可能與鈣多肽隨水稻生長逐漸被消耗以及吸收二氧化碳形成鈣的沉淀有關。整體上比較鈣多肽與復混肥對水稻根、莖、葉中鈣含量的影響發(fā)現(xiàn)，鈣多肽在低含量鉛污染土壤（100、200 mg·kg?1）中的效果要好于高含量鉛污染土壤（500 mg·kg?1），其原因可能是鉛與鈣存在競爭，高濃度的鉛影響了植物對鈣的吸收與轉(zhuǎn)運。

3 討論

鉛是植物非必需元素，具有毒性，土壤中鉛污染對動植物和人類都存在不利影響。鈣是植物必需營養(yǎng)元素之一，大量研究表明，土壤中添加鈣能降低土壤中重金屬對植物的毒害作用[6]。含鈣鈍化材料鈍化土壤重金屬，主要是通過提高土壤pH，進而降低土壤中重金屬有效態(tài)含量。有文獻報道，含鈣鈍化材料能使土壤pH 提高超過1個單位[14?15]，但本實驗中鈣多肽提高土壤pH 的效果并不十分明顯，其原因可能是本次實驗中施加鈣多肽時要參照其所含氮量，因此施加的鈣含量遠低于文獻中的含量。同時隨時間的延長，鈣多鈦對土壤pH的影響逐漸減弱，其原因可能是鈣多肽相比復混肥能提高土壤微生物的種群及豐度（結果待發(fā)表），進而逐漸提高了土壤中二氧化碳的含量，而二氧化碳溶解后可增加土壤中的酸根離子，同時也可與鈣離子結合形成沉積，從而影響到土壤的pH[16]。

在土壤修復研究中，鈣在土壤中作為競爭離子起作用多見于鎘污染土壤的修復（因二者離子半徑相差較?。c抑制鎘的效果相比，鈣對水稻根部鉛吸收的競爭抑制效果并不明顯，這是因為鉛不僅可以利用植物根部Ca2+/Mg2+通道，也可以利用植物的非選擇性陽離子通道等進入植物根部[17?19]。本研究將鈣多肽作為肥料應用于鉛污染土壤的水稻種植，結果發(fā)現(xiàn)其相比復混肥提高了水稻根部鉛的含量，雖然同時提高了根部鈣含量，但對于水稻根部鉛吸收，鈣并沒有表現(xiàn)出明顯的競爭性；另外在鈣多肽土壤鈍化實驗中，土壤有效態(tài)鉛含量的降低，主要是鉛與鈣多肽所攜帶的有機基團的結合，隨著鈣多肽逐漸降解而被植物和微生物利用，鈣多肽對鉛的鈍化能力逐漸下降，土壤中有效態(tài)鉛含量會逐漸上升，進而增加水稻根部鉛的含量；同時在對重金屬污染土壤的修復過程中，過多的陽離子可以將土壤中重金屬離子置換出來，從而增加了土壤中重金屬有效態(tài)含量[20]，本實驗中隨著鈣多肽的逐漸消耗，過多的鈣離子逐漸游離出來，其也可能增加了土壤中有效態(tài)鉛含量，進而增加水稻根部鉛的含量；最后在水稻種植實驗中，鈣多肽相比復混肥能促進水稻的生長，水稻的根系也更為發(fā)達，在單株水稻盆栽實驗中水稻根部干質(zhì)量，鈣多肽相比復混肥增加25.9%（30 d），61.3%（60 d），105.1%（120 d），而水稻在生長過程中，其根部會分泌大量低分子量有機酸，這些有機酸能夠活化土壤中的鉛，進而增加了水稻根部對鉛的吸收[19]。

鈣能影響重金屬在植物中的轉(zhuǎn)運[21?22]，本實驗中鈣多肽相比復混肥雖增加了水稻根部鉛的含量，但卻降低了于水稻莖、葉和糙米中鉛的含量，水稻根部的鉛向上轉(zhuǎn)運受到抑制，轉(zhuǎn)運系數(shù)如表6 所示。在3 種鉛含量土壤中，鈣多肽處理組根?莖、根?葉的轉(zhuǎn)運系數(shù)都低于復混肥。該結果與鉛污染土壤水稻種植中施加石灰相似，原因主要有兩個：一是水稻根部鐵膜能吸收大量重金屬，重金屬在鐵膜處以不活躍的形式存在，從而束縛了水稻地下部的鉛向地上部轉(zhuǎn)運[15]；二是石灰增加了水稻中鈣的含量，在鉛轉(zhuǎn)運過程中，鈣與鉛競爭相同的轉(zhuǎn)運離子通道蛋白，進而降低了水稻根部的鉛向地上部轉(zhuǎn)運[23]。本實驗并沒有單獨分離根部鐵膜，并未測定其鉛含量，所以鈣多肽提高根部鉛含量可能是其中有部分鉛儲存于鐵膜中以不活躍的形式存在，從而降低了根部的鉛向地上部轉(zhuǎn)運。同時本研究也發(fā)現(xiàn)在水稻鉛的轉(zhuǎn)運過程中，鈣與鉛呈現(xiàn)出一定的競爭性，因此對鈣多肽抑制效果顯著的低含量鉛污染土壤（100、200 mg·kg?1）下的水稻莖、葉以及糙米中鈣含量的相對增加量與鉛含量的相對減少量做相關性分析（采用Pearson 分析），結果如圖4 所示。水稻莖、葉和糙米中鈣含量的相對增加量與鉛含量的相對減少量呈一定正相關關系，其相關系數(shù)為0.484（P=0.034），水稻莖、葉和糙米中鈣與鉛的含量存在一定的競爭關系，這可能是鈣多肽相比復混肥能抑制水稻地下部鉛向莖、葉和糙米中轉(zhuǎn)運的一個原因。

表6 水稻地下/地上部鉛的轉(zhuǎn)運系數(shù)Table 6 Transfer factors of Pb in underground/aboveground organs of rice

另外，隨時間的延長，鈣多肽處理組相比復混肥處理組，其對水稻各部位鉛含量與鈣含量的影響逐漸減弱，主要原因是實驗中除前期施加鈣多肽后，中途未追加鈣多肽，在水稻生長過程中，鈣多肽逐漸消耗，鈣被水稻和微生物逐漸吸收、鈣離子與其他金屬離子置換而發(fā)生沉淀等，這些都使得鈣多肽與復混肥差異在前期到達一個峰值后逐漸縮小，但這也為后續(xù)應用研究提供了一定的參考，在重金屬污染土壤的作物種植過程中，根據(jù)作物吸收轉(zhuǎn)運規(guī)律，優(yōu)化鈣多肽施加方式，其效果可能會更好。

4 結論

（1）土壤鈍化實驗中，鈣多肽能在前期明顯提高土壤的pH；鈣多肽能降低鉛污染土壤的有效態(tài)鉛含量。

（2）鈣多肽能降低土壤鉛污染對水稻葉片葉綠素含量的影響，促進水稻生長。

（3）鈣多肽能提高水稻根部的鉛含量，降低水稻莖、葉和糙米中的鉛含量；同時鈣多肽能提高水稻各部位的鈣含量，水稻莖、葉和糙米中鈣含量的增加與其鉛含量的減少具有一定相關性，其鈣含量的增加抑制了其對鉛的富集。