9種植物對鈷的吸收轉(zhuǎn)運特征研究

伏毅　蒲磊　卜姝文　王巍　黃雪晴　邱婭璐

摘要 ［目的］探討Co脅迫條件下植物對重金屬Co的吸收轉(zhuǎn)運特征。［方法］通過盆栽試驗，分析田菁、紫花苜蓿、豬屎豆、毛苕子、大豆、綠花菜、番茄、紅甜菜、空心蓮子草9種植物在Co脅迫條件下對Co的吸收轉(zhuǎn)運能力。［結(jié)果］Co脅迫條件下，各個植物地上部、根部Co含量均極顯著高于對照（P＜0.01），其中大豆（開8157）地上部Co含量增幅最大，是對照的26.5倍，增幅最小的是空心蓮子草，是對照的5.7倍；空心蓮子草根部Co含量增幅最大，是對照的567.4倍，增幅最小的是番茄，是對照的16.3倍。在Co脅迫處理條件下，除紫花苜蓿、大豆（豐豆5號）由于對照組根部Co含量低于檢出值無法計算轉(zhuǎn)移系數(shù)外，其他7種植物的Co轉(zhuǎn)移系數(shù)均顯著低于對照（P＜0.05），其中轉(zhuǎn)移系數(shù)降低最多的為空心蓮子草，僅為對照的1.0%，降低最少的為田菁，為對照的48.5%，4個品種大豆的轉(zhuǎn)移系數(shù)均極顯著降低，均小于等于0.10。［結(jié)論］除紫花苜蓿、大豆（豐豆5號）外，其余7種植物在Co脅迫條件下地上部、根部Co含量顯著增加，轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著降低。

關(guān)鍵詞 鈷；重金屬；植物；轉(zhuǎn)移系數(shù)；吸收轉(zhuǎn)運特征

中圖分類號 X 173文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2023）15-0082-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.15.019

Study on the Absorption and Transport Characteristics of Cobalt in Nine Plants

FU Yi，PU Lei，BU Shu-wen et al

（Irradiation Preservation Key Laboratory of Sichuan Province，Sichuan Institute of Atomic Energy，Chengdu，Sichuan 610101）

Abstract ［Objective］ To explore the absorption and transport characteristics in Co stressed plant. ［Method］ The ability of cobalt absorption and transport were evaluated in 9 plants including Sesbania cannabina，Medicago sativa，Crotalaria pallida，Vicia villosa，Glycine max，Brassica oleracea，Solanum lycopersicum，Beta vulgaris and Alternanthera philoxeroides with pot experiment. ［Result］ Under the condition of Co stress，the Co content in the shoot and root of each plant was significantly higher than that of the control （P< 0.01）， the Co content most increased in Glycine max （Kai 8157） shoot， 26.5 times that of the control， and the lowest increased in Alternanthera philoxeroides， 5.7 times that of the control; the Co content most increased in Alternanthera philoxeroides root， 567.4 times that of the control， and the smallest increased in Solanum lycopersicum， 16.3 times that of the control. Under the condition of Co stress，

except for Medicago sativa and Glycine max （FD5）， which could not calculate the transfer coefficient because the root Co content of the control group was lower than the detected value，

the Co transfer coefficient of 7 plants was significantly lower than that of the control （P<0.05），among them， the transfer coefficient of Alternanthera philoxeroides decreased the most， which was only 1.0% of the control， and that of Sesbania cannabina was the least， which was 48.5% of the control. The transfer coefficient of the four varieties of Glycine max was significantly decreased， which was less than or equal to 0.10.［Conclusion］ Except for M. sativa and G. max （FD5）， the content of Co in the shoot and root of the other seven plants increased significantly， and the transfer coefficient decreased significantly under the condition of Co stress.

Key words Cobalt;Heavy metal;Plant;Transfer coefficient;Absorption and transport characteristic

鈷是廣泛存在于自然界中的重金屬元素，也是制造動力電池陽極所必不可缺的金屬材料，隨著純電動汽車的快速普及，鈷的產(chǎn)量也逐年上升［1］，導致過量的鈷釋放到環(huán)境中，超過環(huán)境的承載力。過量的鈷脅迫能抑制植物生長［2］；降低植物體內(nèi)葉綠素含量及抑制葉綠素合成相關(guān)基因的表達，對植物光合作用產(chǎn)生負面影響［3-4］；也能抑制植物固氮和氮素同化［5］。同時，植物也能從環(huán)境中吸收積累過量的鈷，并通過食物鏈影響人類的健康。

目前，在鈷污染土壤中，植物對鈷的富集特征的研究主要集中在非洲銅礦帶等地區(qū)，主要目的是篩選鈷超富集植物。利用超富集植物修復重金屬污染的土壤是當前研究的熱點，具有經(jīng)濟性好、無二次污染等優(yōu)點［6］。一方面，篩選鈷超富集植物可用于植物修復重金屬污染土壤，另一方面，在鈷污染土壤中生長，不富集鈷的植物，能阻斷重金屬通過植物進入食物鏈的途徑，也能用于污染土壤生態(tài)治理，因此研究鈷污染土壤中植物對鈷的富集轉(zhuǎn)運特征具有重要意義。

該試驗以重金屬鈷作為處理因子，比較研究了9種植物對鈷的富集轉(zhuǎn)運特征，為鈷污染土壤治理尋找修復植物提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料田菁、紫花苜蓿、豬屎豆、毛苕子種子購于鄭州華豐草業(yè)科技有限公司，大豆、綠花菜、番茄、紅甜菜種子購于四川省成都市四川農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)品市場，空芯蓮子草采于四川省原子能研究院周邊田邊，其名稱如表1所示。試驗用土采自四川省原子能研究院附近的菜園土，自然風干后，剔除草根、碎石，壓碎并按照1∶1混入購買于成都市三圣鄉(xiāng)花卉市場的有機營養(yǎng)土后備用。

1.2 試驗方法

設(shè)置對照組（未加Co）和Co脅迫組（100 mg/kg）2個試驗組，Co脅迫組按照每1 kg供試土壤中施加100 mg Co配制而成，鈷以CoCl2·6H2O為外源形式，以水溶液的方式均勻澆灌后混勻，對照組施加同等體積的去離子水混勻，均放置7 d自然風干后備用。選取飽滿、大小一致的種子，先用0.5% NaClO3 浸泡 10 min，然后用去離子水反復沖洗干凈備用?？招纳徸硬莶杉瘞а壳o段，用自來水反復沖洗干凈后，去離子水沖洗3遍備用。每個培養(yǎng)盆中放入3 kg土壤，每盆均勻入15粒種子（空心蓮子草每盆移栽入10個莖段），覆土后澆入適量去離子水使土壤充分浸濕，每個品種植物設(shè)置對照組和Co脅迫組，每組設(shè)置3個重復。

1.3 Co含量測定

將培養(yǎng)60 d的各處理組植物取出，自來水沖洗干凈根部土壤，經(jīng)蒸餾水沖洗3遍，去離子水沖洗3遍后于105 ℃烘30 min殺青，80 ℃烘至恒重［7］，分地上部、根部分別稱取0.2 g按照國標GB/T 14609—2008濕法消解，消解液用火焰原子吸收分光光度法測定其金屬元素含量［8］。植物中Co含量以單位干重含量表示。

1.4 轉(zhuǎn)移系數(shù)

計算公式：轉(zhuǎn)移系數(shù)=植株地上部組織重金屬含量/植株根部重金屬含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)以平均值±SD表示，Co脅迫處理植物與對照組比較，進行t檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試植物對Co的富集特征

如表2所示，在對照組中，地上部Co含量較高的3種植物依次為番茄、空心蓮子草、紫花苜蓿，分別為3.98、3.22、2.99 mg/kg，根部Co含量較高的3種植物依次為番茄、毛苕子、紅甜菜，分別為3.99、3.47、2.97 mg/kg。在Co脅迫處理條件下，地上部Co含量較高的3種植物依次為大豆（開8157）、紫花苜蓿、紅甜菜，分別為32.87、32.26、28.41 mg/kg，根部Co含量較高的3種植物依次為大豆（開8157）、毛苕子、大豆（豐豆5號），分別為382.25、345.08、281.45 mg/kg，5個大豆品種根部Co含量均極顯著提高，且根部Co含量較高的前6個植物中有5個都是大豆。

Co脅迫條件下，各個植物地上部、根部Co含量均極顯著高于對照（P＜0.01），其中大豆（開8157）地上部Co含量增幅最大，是對照的26.5倍，增幅最小的是空心蓮子草，是對照的5.7倍；空心蓮子草根部Co含量增幅最大，是對照的567.4倍，增幅最小的是番茄，是對照的16.3倍。

2.2 供試植物對Co的轉(zhuǎn)移系數(shù)

從表3可以看出，在對照組中，Co轉(zhuǎn)移系數(shù)最大的是空心蓮子草，為12.95，最小的是田菁，為0.33。轉(zhuǎn)移系數(shù)≥1.00的包括大豆（鐵豐29）、大豆（開8157）、空心蓮子草、綠花菜、番茄。在Co脅迫處理條件下，轉(zhuǎn)移系數(shù)最大的為番茄，為0.40，最小的為豬屎豆，為0.06。在Co脅迫處理條件下，除紫花苜蓿、大豆（豐豆5號）由于對照組根部Co含量低于檢出限無法計算轉(zhuǎn)移系數(shù)外，其余7種植物的轉(zhuǎn)移系數(shù)均顯著低于對照，其中轉(zhuǎn)移系數(shù)降低最多的為空心蓮子草，僅為對照的1.0%，降低最少的為田菁，為對照的48.5%，4個品種大豆的轉(zhuǎn)移系數(shù)均極顯著降低，均小于等于0.10。

3 討論與結(jié)論

鈷是植物的有益元素［9］，是維生素B12的重要組成部分［10］，一般土壤中Co的平均濃度為0.1～100.0 mg/kg，中位數(shù)約為8.0 mg/kg［11］，我國表層土壤Co峰值位于 11.0～13.0 mg/kg［12］，研究表明，隨著土壤或培養(yǎng)介質(zhì)中Co濃度的增加，植物體內(nèi)的Co濃度也隨之增加［13］。楊黎芳等［14］研究表明，隨著土壤中Co含量增加，小麥地上部、根部的Co含量顯著增加；郭利剛等［15］研究表明，隨著土壤中Co濃度的增加，玉米地上部、根部Co含量顯著增加；該研究表明，高濃度的Co能顯著增加田菁、紫花苜蓿、毛苕子、豬屎豆、大豆、空心蓮子草、綠花菜、番茄、紅甜菜地上部、根部Co含量，說明土壤中Co濃度的增加能增加植物對Co的吸收富集效果，Aery等［16］研究表明這與土壤中有效Co含量增加有關(guān)，王秀敏等［17］研究也證明土壤中有效鈷含量與玉米植株Co含量呈正相關(guān)。

Salt［18］認為，地上部分重金屬含量大于根部（轉(zhuǎn)移系數(shù)>1.00）的植物對重金屬超富集植物的篩選可能更有意義。該研究表明，在正常土壤中生長的植物大豆（鐵豐29、開8157）、空心蓮子草、綠花菜、番茄的Co轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1.00，但是在Co脅迫條件下，除紫花苜蓿、大豆（豐豆5號）由于對照組根部Co含量低于檢出限無法計算轉(zhuǎn)移系數(shù)外，其余7種植物的Co轉(zhuǎn)移系數(shù)均顯著降低，這與徐冬平等［19］在蠶豆中觀察到的結(jié)果一致。

綜上所述，田菁、紫花苜蓿、毛苕子、豬屎豆、大豆、空心蓮子草、綠花菜、番茄、紅甜菜在Co脅迫條件下地上部、根部Co含量顯著增加，轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著降低。

參考文獻

［1］ YANG F M，GAO Y F，LIU J K，et al.Metal tolerance protein MTP6 is involved in Mn and Co distribution in poplar［J/OL］.Ecotoxicol Environ Saf，2021，226［2022-04-15］.https：//doi.org/10.1016/j.ecoenv.2021.112868.

［2］ 張虎，寇江濤，師尚禮.紫花苜蓿種子萌發(fā)對鈷脅迫的生理生化響應(yīng)［J］.草業(yè)學報，2015，24（9）：146-153.

［3］ WANG Y M，YANG Q，XU H，et al.Physiological and transcriptomic analysis provide novel insight into cobalt stress responses in willow［J］.Sci Rep，2020，10（1）：1-12.

［4］ 陳藝文，薛薇，袁瀚，等.鈷離子處理對麥冬類囊體膜PSⅡ活性和多肽組分的影響［J］.四川大學學報（自然科學版），2006，43（6）：1419-1422.

［5］ ALI B，HAYAT S，HAYAT Q，et al.Cobalt stress affects nitrogen metabolism，photosynthesis and antioxidant system in chickpea（Cicer arietinum L.）［J］.J Plant Interact，2010，5（3）：223-231.

［6］ WEI Z H，VAN LE Q，PENG W X，et al.A review on phytoremediation of contaminants in air，water and soil［J/OL］.J Hazard Mater，2021，403［2022-04-20］.https：//doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123658.

［7］ 戴媛，伏毅，譚曉榮.干旱對小麥幼苗Fe、Zn含量的影響［J］.麥類作物學報，2009，29（5）：839-843.

［8］ 楊琳，李雪蕾，王相舒，等.濁點萃取-火焰原子吸收光譜法測定土壤中的有效態(tài)鈷［J］.巖礦測試，2013，32（5）：775-779.

［9］ WATANABE F，YABUTA Y，BITO T，et al.Vitamin B12-containing plant food sources for vegetarians［J］.Nutrients，2014，6（5）：1861-1873.

［10］ OSMAN D，COOKE A，YOUNG T R，et al.The requirement for cobalt in vitamin B12：A paradigm for protein metalation［J］.Biochim Biophys Acta Mol Cell Res，2021，1868（1）：1-25.

［11］ JIANG M，WANG K，WANG Y P，et al.Technologies for the cobalt-contaminated soil remediation：A review［J］.Sci Total Environ，2022，813：1-14.

［12］ 劉東盛，王學求，周建，等.中國鈷地球化學基準值特征及影響因素［J］.地球?qū)W報，2020，41（6）：807-817.

［13］ 伏毅，王巍，邱婭璐，等.重金屬鈷脅迫對植物的毒性效應(yīng)及機理研究進展［J］.環(huán)境科學與管理，2022，47（11）：65-70.

［14］ 楊黎芳，樊文華.鈷對冬小麥幼苗生長及鈷含量的影響［J］.植物營養(yǎng)與肥料學報，2004，10（1）：101-103.

［15］ 郭利剛，白云生，樊文華，等.鈷對玉米幼苗生長發(fā)育及鈷含量的影響［J］.山西農(nóng)業(yè)大學學報（自然科學版），2006，26（3）：264-266.

［16］ AERY N C，JAGETIYA B L.Effect of cobalt treatments on dry matter production of wheat and DTPA extractable cobalt content in soils［J］.Commun Soil Sci Plant Anal，2000，31（9/10）：1275-1286.

［17］ 王秀敏，魏顯有，劉云惠，等.施用鈷鹽對玉米幼苗植株生長及鈷含量的影響［J］.河北農(nóng)業(yè)大學學報，1999，22（2）：22-23.

［18］ SALT D E.Phytoextraction：Present applications and future promise［C］//WISE D L，TRANTOLO D J，CICHON E J，et al.Bioremediation of contaminated soils.New York：Marcen Dekker Inc.，2000： 729-743.

［19］ 徐冬平，王丹，曾超，等.鈷在蠶豆中積累與分布的動態(tài)變化［J］.安全與環(huán)境學報，2014，14（2）：294-298.

基金項目 四川省科技計劃項目（2016SZ0075，2017JY0242，2021JDR0014）。

作者簡介 伏毅（1983—），男，四川米易人，助理研究員，碩士，從事生物修復、重金屬污染治理研究。

收稿日期 2022-08-11