綠化廢棄物堆肥對(duì)鎘脅迫下小白菜種子萌發(fā)的影響

李 松，孫向陽，李素艷，馬其雪，周文潔

(1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，100083，北京; 2.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，212400，江蘇句容)

土壤重金屬污染加劇是全球關(guān)注的環(huán)境問題之一，鎘(Cd)主要來自人為活動(dòng)，例如污水灌溉和施肥，對(duì)農(nóng)業(yè)土壤造成了嚴(yán)重污染[1]。在重金屬中，Cd被認(rèn)為是劇毒且不可生物降解的污染物，很容易被植物根部吸收并轉(zhuǎn)移到其他部位[2]，從而通過食物鏈和生態(tài)系統(tǒng)威脅人類健康安全[3]。由于鎘的高遷移率和對(duì)土壤膠體的低親和力，土壤中鎘的少量增加就可顯著提高農(nóng)作物中的鎘含量[4]。研究表明，重金屬在不同農(nóng)作物和蔬菜中積累能力是可變的，多葉蔬菜中累積重金屬含量較高[5]，因此最大限度地減少其向蔬菜可食用部分的轉(zhuǎn)移非常重要。

堆肥、生物炭、赤泥、沸石和石灰等材料是土壤原位重金屬鈍化劑，也是低成本、環(huán)保性較好的污染土壤修復(fù)的關(guān)鍵途徑[6-7]。有機(jī)無機(jī)類鈍化劑具有凈化土壤重金屬污染功能，是目前使用較多的重金屬鈍化材料[8]，其對(duì)消除廢水的重金屬污染也有相似的效果[9]。土壤重金屬鈍化劑的效應(yīng)是由多種機(jī)理共同起作用的，主要是通過吸附、沉淀、絡(luò)合和氧化還原反應(yīng)來鈍化重金屬，通過改變重金屬的相互作用機(jī)理來降低重金屬的遷移率和生物有效性[6,9-10]。2012年，北京市綠化廢棄物總量約為569萬t，且逐年增加，綠化廢棄物堆肥(green waste compost, GWC)已經(jīng)作為有機(jī)覆蓋物、植物生長介質(zhì)使用。針對(duì)目前土壤重金屬污染及GWC資源量大的問題，應(yīng)對(duì)GWC在修復(fù)重金屬污染方面開展研究，建立以“減量化”“資源化”“再利用”為目標(biāo)的綠化廢棄物循環(huán)利用機(jī)制。目前，重金屬對(duì)小白菜(Brassicachinenesis)種子萌發(fā)及幼苗生長影響的報(bào)道較多，但有關(guān)GWC對(duì)鎘脅迫下小白菜種子萌發(fā)及幼苗生長影響的研究鮮見報(bào)道。鑒于自然環(huán)境下種子在萌發(fā)期就受到污染脅迫，而且種子發(fā)芽和幼苗根的發(fā)育是植物生長周期的重要階段，也是植物對(duì)環(huán)境變化最敏感的階段[11]，因此，研究GWC對(duì)鎘脅迫下小白菜種子萌發(fā)的影響，以期為預(yù)防小白菜鎘早期傷害及鎘污染土壤的治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 發(fā)芽試驗(yàn) 試驗(yàn)于2019年7月10日至8月1日在北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院進(jìn)行。設(shè)置和統(tǒng)計(jì)不同鎘質(zhì)量濃度梯度下小白菜種子萌發(fā)及幼苗生長。用pH 7下不同鎘質(zhì)量濃度溶液0、5、10、25、50、100和200 mg/L處理小白菜種子，分別標(biāo)記為Cd0、Cd5、Cd10、Cd25、Cd50、Cd100和Cd200。準(zhǔn)確稱取0.5 g GWC于250 mL的具塞錐形瓶中，分別加入一系列pH 7下50 mL質(zhì)量濃度為0、5、10、25、50、100和200 mg/L的鎘溶液，在25 ℃恒溫振蕩器中以180 r/min勻速振蕩24 h，結(jié)束后將樣品過0.45 μm水相濾膜收集，用美國PE公司ICP-OES電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，測(cè)定濾液中的Cd2+質(zhì)量濃度。不同質(zhì)量濃度鎘溶液(0、5、10、25、50、100和200 mg/L)經(jīng)GWC吸附處理后處理小白菜種子，分別標(biāo)記為：GWC0、GWC5、GWC10、GWC25、GWC50、GWC100和GWC200。

小白菜種子使用2 g/L高錳酸鉀溶液表面消毒30 min，然后用去離子水沖洗10 min，并在室溫(25.0 ℃)中用去離子水浸泡4 h，除去漂浮的劣質(zhì)種子，用濾紙吸干表面的水分，用于脅迫試驗(yàn)。種子萌發(fā)試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室人工氣候箱中進(jìn)行。將處理后的種子整齊排列在雙層濾紙培養(yǎng)皿中，分別添加不同質(zhì)量濃度鎘溶液和堆肥處理的鎘溶液10 mL，每天在固定時(shí)刻觀察記錄發(fā)芽種子數(shù)，補(bǔ)充1～2 mL處理溶液。將培養(yǎng)皿放在氣候箱中：16 h/8 h光照/黑暗，光照強(qiáng)度1 000 Lx，溫度25 ℃/20 ℃和濕度80%。每個(gè)培養(yǎng)皿放置25粒種子，每個(gè)處理有6個(gè)重復(fù)。

1.2.2 發(fā)芽指標(biāo)測(cè)定 發(fā)芽指標(biāo)測(cè)定參照李偉成等[12]方法。發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)：以種子胚根長度達(dá)到種子長度的一半作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)。在2 d統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢(shì)，5 d統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率，并測(cè)定萌發(fā)種子的根長、芽長，計(jì)算發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、根長抑制率和芽長抑制率等指標(biāo)。發(fā)芽率反映種子發(fā)芽能力的重要指標(biāo)。發(fā)芽勢(shì)指測(cè)試種子的發(fā)芽速度和整齊度。發(fā)芽指數(shù)指種子在失去發(fā)芽力之前已發(fā)生劣變的數(shù)量?；盍χ笖?shù)是種子發(fā)芽速率和芽苗生長量的綜合反映，在一定程度上體現(xiàn)芽苗的生長速度。

發(fā)芽率

Gr=∑(Gt/N)×100%；

(1)

發(fā)芽勢(shì)

Ge=T5/N；

(2)

發(fā)芽指數(shù)

Gi=∑(Gt/Dt)；

(3)

活力指數(shù)

Vi=l∑(Gt/Dt)；

(4)

根長抑制=(R0-R)/R0×100%；

(5)

芽長抑制率=(S0-S)/S0×100%。

(6)

式中：Gt為在t日時(shí)的發(fā)芽數(shù)；N為種子總數(shù)；T5為5 d內(nèi)發(fā)芽種子粒數(shù)；l為幼苗長度，cm；Dt為相應(yīng)的發(fā)芽時(shí)間，d；R0為空白組根長，cm;R為處理組根長，cm；S0為空白組芽長，cm;S為處理組芽長，cm。

1.2.3 堆肥吸附鎘離子前后表征及吸附效果 GWC吸附25 mg/L Cd2+前后表面形貌特征采用帶能譜的掃描電鏡(SEM-EDS)表征。

GWC吸附Cd2+的吸附量(q)及吸附效率(R)計(jì)算公式如下:

(7)

(8)

式中：V為Cd2+溶液體積，L；Co和Ce分別為Cd2+的初始質(zhì)量濃度和平衡質(zhì)量濃度，mg/L；m為GWC的質(zhì)量，g。

1.2.4 Cd含量測(cè)定 首先使用去離子水將根和芽沖洗干凈，然后將根和芽在70 ℃下烘干至恒質(zhì)量。進(jìn)行研磨均勻后，將樣品在高氯酸-硝酸中(V/V，3∶1)進(jìn)行消解，采用美國PE公司ICP-OES電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，測(cè)定重金屬含量。

轉(zhuǎn)移系數(shù)

TF=Cs/Cr。

(9)

式中Cs和Cr分別為地上部和根中的鎘質(zhì)量濃度， mg/L。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007做圖， SPSS21.0進(jìn)行計(jì)算及相關(guān)性分析。圖表中數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)表示。采用單因子方差分析(One-way ANOVA)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用LSD 法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥的表征及吸附效果

圖1 GWC吸附Cd2+前后的(SEM-EDS)圖像Fig.1 SEM-EDS images before and after adsorption of Cd2+ by GWC

GWC吸附Cd2+前后的SEM- EDS圖譜如圖1所示。由圖1看出，GWC的表面凹凸不平，存在不規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)，孔道上的存在一定量的介孔，有利于金屬離子的嵌入配位。通過EDS分析，GWC是由C、O、Ca、Si和Mg基本元素與少量的K和S營養(yǎng)元素構(gòu)成的。GWC中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43.07%，O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.35%，EDS分析未發(fā)現(xiàn)有Cd存在。GWC吸附Cd2+后，其C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55.05%，O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39.98%，同時(shí)EDS分析發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.17%的Cd，說明Cd吸附在GWC上。

表1為GWC吸附Cd2+的吸附效率和吸附量。GWC對(duì)不同質(zhì)量濃度的Cd2+有明顯吸附作用，吸附效率隨初始質(zhì)量濃度的增大無明顯變化，吸附效率在97.66%～98.91%之間。GWC對(duì)Cd2+的吸附量隨Cd2+平衡質(zhì)量濃度的增加而增加。在初始Cd2+質(zhì)量濃度為5～200 mg/L，即吸附平衡質(zhì)量濃度在0.066 3～4.681 mg/L范圍時(shí)，GWC吸附Cd2+的吸附量均隨Cd2+質(zhì)量濃度的增加呈直線快速增大，由0.49 mg/g增加到19.53 mg/g。

表1 GWC對(duì)Cd2+的吸附效率和吸附量Tab.1 Adsorption efficiency and capacity of Cd2+ by GWC

2.2 對(duì)種子發(fā)芽指標(biāo)的影響

由表2可知，通過數(shù)據(jù)分析說明鎘脅迫下小白菜種子發(fā)芽指標(biāo)表現(xiàn)出“低促高抑”的雙重性影響。低鎘處理(≤Cd25)時(shí)，小白菜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)未出現(xiàn)顯著差異；超過此質(zhì)量濃度，種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)表現(xiàn)出顯著的抑制性(P<0.05)。當(dāng)處理為Cd5、Cd10、Cd25、Cd50和Cd100時(shí)，種子的活力指數(shù)較對(duì)照分別降低29.1%、53.0%、66.2%、 85.7%和93.0%。高濃度鎘(Cd200)處理導(dǎo)致種子不能萌發(fā)，萌發(fā)破壞嚴(yán)重，因此無法進(jìn)行相關(guān)的發(fā)芽數(shù)據(jù)分析。GWC降低培養(yǎng)液中Cd2+質(zhì)量濃度，使其處在較低鎘質(zhì)量濃度范圍反而促進(jìn)小白菜種子萌發(fā)。發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)均未出現(xiàn)顯著性差異(P>0.05)；活力指數(shù)表現(xiàn)出顯著性的增加(P<0.05)，隨后降低。GWC處理可以顯著緩解鎘脅迫對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用，并表現(xiàn)出一定的促進(jìn)作用。

表2 鎘脅迫下對(duì)小白菜種子萌發(fā)的影響Tab.2 Effects of Cd2+ stress on the seed germination of pakchoi cabbage

2.3 對(duì)種子根、芽生長的影響

圖2 可知，小白菜種子根長隨鎘處理質(zhì)量濃度的增大顯著降低(P<0.05)；根長抑制率44%～100%。鎘脅迫對(duì)芽長表現(xiàn)出“低促高抑”的雙重性影響。低鎘處理(≤Cd10)對(duì)芽的生長有顯著的促進(jìn)作用。當(dāng)鎘處理質(zhì)量濃度≥Cd25，芽長抑制率隨鎘處理質(zhì)量濃度增大而顯著上升(P<0.05)。由于根部直接接觸鎘，鎘對(duì)根的抑制明顯大于芽。由于GWC顯著降低培養(yǎng)液中Cd2+質(zhì)量濃度，根長和芽長對(duì)鎘脅迫顯示出更加明顯的“低促高抑”。小白菜根長先增大后減小，根長抑制率-6%～44%。芽長和芽長抑制率與鎘直接脅迫呈現(xiàn)完全不同的趨勢(shì)。堆肥處理顯著促進(jìn)小白菜的芽長生長(P<0.05)，芽長抑制率均為負(fù)值，且與對(duì)照差異顯著(P<0.05)。說明堆肥處理可以顯著促進(jìn)小白菜芽長的生長。

圖2 鎘脅迫對(duì)小白菜根、芽生長的影響Fig.2 Effects of Cd stress on the root and shoot growth of pakchoi cabbage

2.4 對(duì)小白菜重金屬吸收的影響

由表3可知，隨鎘處理質(zhì)量濃度的增加，根與地上部的鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。在Cd25處理下，幼苗根部鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)71.93 mg/kg。在Cd50處理下，幼苗地上部鎘的最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)54.03 mg/kg。在同一鎘質(zhì)量濃度處理下，根的鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于地上部，且隨著鎘質(zhì)量濃度的增加其轉(zhuǎn)運(yùn)能力降低，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)從0.87降低到0.41。其原因可能是由于鎘離子的毒害作用，使小白菜以非正常生理代謝的方式被動(dòng)吸收鎘，導(dǎo)致大量鎘累積于根部。由于GWC顯著降低培養(yǎng)液中的Cd2+，各處理根部和地上部鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低且未出現(xiàn)顯著性的差異(GWC200除外)。GWC200處理下的小白菜根和地上部的鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13.87與11.37 mg/kg，低于Cd5處理下小白菜根和地上部的鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)。堆肥處理后小白菜鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)范圍為0.82～1.00，鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)能力未出現(xiàn)顯著變化。

表3 小白菜根與地上部鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)及轉(zhuǎn)移系數(shù)的變化Tab.3 Changes of Cd content and translocation factorin pakchoi cabbage

3 討論

種子萌發(fā)與幼苗生長對(duì)重金屬尤為敏感，種子萌發(fā)時(shí)期又直接影響植物的生長和產(chǎn)量[13-14]，因此研究緩解鎘脅迫對(duì)小白菜種子萌發(fā)的抑制尤為重要。GWC對(duì)Cd2+具有明顯的吸附作用，吸附量隨Cd2+質(zhì)量濃度增大而提高，吸附效率97.66%～98.91%。原因是GWC顆粒上存在許多明顯的凹凸不平的不規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)，孔道上的介孔數(shù)量較多，此種結(jié)構(gòu)可提供足夠的吸附點(diǎn)位，隨Cd2+起始質(zhì)量濃度的升高，Cd2+與GWC表面接觸的機(jī)會(huì)增加，更有利于吸附劑活性位點(diǎn)對(duì)Cd2+的吸附[15]。

鎘脅迫會(huì)降低小白菜種子的發(fā)芽指標(biāo)，對(duì)小白菜芽長生長存在較低質(zhì)量濃度下的刺激效應(yīng)和高質(zhì)量濃度下的抑制效應(yīng)，并且高濃度對(duì)芽根伸長抑制作用更為顯著，且對(duì)根伸長的抑制作用強(qiáng)于芽。鎘脅迫對(duì)根長的抑制作用往往大于對(duì)芽長的抑制作用[16-17]。在種子萌發(fā)和幼苗生長過程中，根是植物吸收水分的器官，一直完全與重金屬溶液接觸，故根系比莖葉響應(yīng)更為強(qiáng)烈[18]。鎘顯著抑制小白菜種子活力指數(shù)的質(zhì)量濃度低于其他種子萌發(fā)指標(biāo)，說明小白菜幼苗生長比種子萌發(fā)對(duì)鎘更加敏感[19]。高質(zhì)量濃度鎘脅迫下小白菜就出現(xiàn)“無根苗”，原因是鎘抑制了種子內(nèi)貯藏淀粉和蛋白質(zhì)的分解，導(dǎo)致缺少種子萌發(fā)所需的物質(zhì)和能量[14]。由于GWC吸附作用顯著降低培養(yǎng)液中的Cd2+，明顯改善小白菜種子萌發(fā)環(huán)境。鎘對(duì)小白菜種子萌發(fā)具有“低促高抑”雙重性影響，較低質(zhì)量濃度下的刺激效應(yīng)可以提高種胚生理活性，提高小白菜種子的發(fā)芽指標(biāo)，促進(jìn)小白菜根和芽的生長。一定濃度的腐植酸鈉提高了鉛、鎘脅迫下小麥種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等指標(biāo)，促進(jìn)小麥幼苗芽和根的生長[20]。利用環(huán)境材料鈍化穩(wěn)定溶液中的重金屬，環(huán)境材料有較強(qiáng)的吸附、中和、絮凝等作用，有效降低培養(yǎng)液中鎘離子，使其處在較低濃度范圍而促進(jìn)玉米幼苗芽、根生長[9]。

植物對(duì)鎘的吸收分配隨植物種類，品種及同一品種的不同部位而不同。研究發(fā)現(xiàn)鎘在小白菜體內(nèi)積累順序依次為根>莖>葉[21-22]。鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨鎘質(zhì)量濃度的增大而降低，這是植物的自我保護(hù)機(jī)制，大部分鎘積累在根部，可以減輕鎘對(duì)地上部各器官的毒害作用。由于GWC有效降低培養(yǎng)液中Cd2+，明顯減少小白菜體內(nèi)鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)及向可食用部分的轉(zhuǎn)移，這對(duì)小白菜產(chǎn)品安全方面會(huì)有不可忽視的影響。

4 結(jié)論

1)GWC顆粒上存在許多明顯凹凸不平不規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)，對(duì)Cd2+有明顯的吸附作用，吸附質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.49 mg/g 增加到19.53 mg/g，吸附效率97.66%～98.91%。

2)鎘脅迫會(huì)降低小白菜種子的發(fā)芽指標(biāo)，對(duì)小白菜芽長生長存在較低質(zhì)量濃度下的刺激效應(yīng)和高質(zhì)量濃度下的抑制效應(yīng)，并且高質(zhì)量濃度的抑制作用對(duì)芽、根伸長更為顯著，同時(shí)增加根和芽鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)，降低鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)。由于GWC有效降低培養(yǎng)液中Cd2+，促進(jìn)鎘對(duì)小白菜種子萌發(fā)的“低促高抑”雙重性影響，提高小白菜種子的發(fā)芽指標(biāo)，促進(jìn)小白菜根和芽的生長，顯著降低小白菜體內(nèi)的鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)，顯著緩解鎘對(duì)小白菜種子萌發(fā)及幼苗生長的破壞和抑制作用。