Pb、Cd單一及復合脅迫在小麥幼苗中的富集特征

摘要：為促進糧食安全生產，以小麥為受試植物，采用盆栽試驗研究不同濃度下Pb、Cd單一以及復合作用下在小麥幼苗中的富集特征。結果表明，Pb單一脅迫下，葉片中金屬的富集濃度與脅迫濃度成中度負相關，Pb、Cd在根部和葉片中的其他作用情況下，富集濃度與脅迫濃度均成正相關；Pb、Cd在不同形式下，在小麥幼苗中的富集主要集中在根系，即地下部分>地上部分；根部和葉片對金屬Pb、Cd主要富集特征均為復合作用>單一作用，金屬Pb、Cd復合作用于小麥幼苗時表現為相互促進吸收效應。

關鍵詞：Pb；Cd；復合脅迫；小麥幼苗；富集特征

中圖分類號： Q945.78文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）02-0344-03

收稿日期：2014-05-07

基金項目：國家自然科學基金（編號：51374208）。

作者簡介：閆磊（1989—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，現主要從事土壤學和環境毒理學方面的研究工作。

通信作者：肖昕，副教授，主要研究方向為環境化學、環境毒理學。E-mail：passerxx@163.com。隨著我國經濟的發展、化石燃料及有色金屬的開采、工農業產品的大量開發，土壤重金屬污染日益嚴重，進一步加劇了我國土地資源短缺。我國大多數城市郊區土壤也受到了不同程度的重金屬污染，許多地方的蔬菜、水果和糧食等食物中Pb、Cd、Cr等重金屬含量接近或超過臨界值[1]。土壤重金屬污染具有長期累積性、隱蔽滯后性及不可逆性等特點，因而備受關注[2]。重金屬在土壤中的累積，不僅直接影響土壤物理化學性狀、降低土壤中微生物的活性、阻礙養分的運輸，還會通過食物鏈而逐級富集，通過多種途徑直接或間接地威脅人類的生命安全和健康[3-4]。

目前關于土壤-植物系統中重金屬的研究很多[5-9]，肖昕等研究發現，重金屬Cd在小麥中大部分富集在小麥根部，在不同生長時期小麥不同部位中重金屬Cd的含量有很大差異[10]；張義賢等采用室內培養法，研究了重金屬Cd、Pb及復合污染對大麥幼苗葉片部分生理指標的影響，不同濃度的 Cd+Pb 復合處理對葉細胞膜的損傷均大于單一處理，單一處理中Cd對大麥幼苗的毒性比Pb大，而復合處理（Cd+Pb）對大麥幼苗的損傷和毒害作用比單一處理更為嚴重[11]。但關于重金屬復合作用下室外盆栽試驗研究尚少。目前，復合污染已成為人們研究的熱點。因此，研究重金屬Pb與Cd復合作用在小麥幼苗中的富集特征是有實際意義的。

1材料與方法

1.1供試材料

試劑Pb（NO3）2、CdCl2·2.5H2O，為分析純。供試作物為徐州地區廣泛種植的煙農19小麥種子，購于徐州市種子公司。供試土壤取自中國礦業大學南湖校區。供試土壤理化性質為總氮9.26 g/kg、總磷9.95 g/kg、總鉀17.00 g/kg、總銅49.75 mg/kg、總鎘4.275 mg/kg、總鉛72.575 mg/kg、總鋅212.675 mg/kg。

1.2試驗方法

配制含250 g/L Pb2+和25 g/L Cd2+儲備液各2 L，采用逐層噴灑、翻土混合的方式加入鉛、鎘。為研究中低濃度重金屬對小麥幼苗的毒理效應，考慮到徐州市土壤重金屬污染現實狀況，確定Pb2+不高于500 mg/kg，而Cd2+含量則在0～50 mg/kg之間，每個試驗處理設3個平行樣，同時設置空白對照組（表1）。每個花盆中播種100粒麥種，自然環境中培育。

1.3測試方法

在小麥幼苗期進行采集，采用梅花形布點法，用水將樣品根部的土壤洗凈，將采集回來的樣品進行登記編號，并在通風且干燥處風干。將小麥的根和葉碾碎備用，濃硝酸-高氯酸消解后用原子吸收分光光度計（TAS-990型）測試各部位中重金屬濃度[12-13]。

2結果與分析

2.1Pb、Cd在小麥幼苗根部的富集

由表2可知，金屬Pb單一作用時在小麥根部的富集量與金屬脅迫濃度均呈極高正相關關系（r=0.98）。金屬Pb-Cd復合作用時，在25、200 mg/kg脅迫濃度下，金屬Pb復合作用下的累積峰值為單一作用下峰值的2倍以上，表現為明顯的促進作用，復合作用下金屬Pb的累積量均大于單一作用，說明金屬Cd促進了小麥根部對金屬Pb的吸收，金屬Pb在小麥根部的富集量與金屬脅迫濃度呈極高正相關關系（r=0.94）。

Pb在根中的富集濃度均隨土壤脅迫濃度升高先降低再升高，因此，金屬Pb單一作用及與金屬Cd的復合作用結果既有相似性又有差異性。

Cd單一作用與Pb-Cd復合作用時，小麥根部對金屬Cd的富集趨勢相似，均隨金屬Cd脅迫濃度升高而升高。金屬Cd單一作用時，金屬Cd在小麥根部的富集量與金屬脅迫濃度呈極高正相關關系（r=0.99）。Pb-Cd復合作用時，除 1 mg/kg 脅迫濃度下金屬Cd的富集濃度小于單一作用時的富集濃度，其他處理脅迫濃度水平下金屬Pb均在一定程度上促進了幼苗小麥根部對Cd的吸收累積，當土壤脅迫濃度為 200+10 mg/kg 時到達累積高峰，說明在較高濃度處理水平下促進吸收作用更加顯著，且金屬Cd在小麥根部的富集量與金屬脅迫濃度呈極高正相關關系（r=0.95）。

2.2Pb、Cd在小麥幼苗葉片的富集

由表3可知，金屬Pb單一作用及與金屬Pb-Cd復合作用下，小麥幼苗葉片對金屬Pb的富集狀況差異較大。金屬Pb單一作用時，在脅迫濃度25 mg/kg作用下，小麥幼苗葉片中金屬含量略低于空白值，這可能是低濃度下植物對金屬抗性作用的結果；50 mg/kg時，葉片對金屬Pb的吸收累積緩慢升高并達到吸收峰值；而在200 mg/kg時，葉片對金屬Pb的富集濃度迅速下降，金屬Pb在小麥葉片的富集量與金屬脅迫濃度呈中度負相關（r=-0.5）。這可能是因為金屬Pb主要集中在根部，向葉片的遷移速度降低。金屬Pb-Cd復合作用下，在較低脅迫濃度時，葉片中金屬Pb富集濃度緩慢升高，而在200+10 mg/kg時迅速增大并到達累積高峰 68.18 mg/kg，是金屬Pb單一作用時峰值的4倍多，這說明在此濃度下金屬Cd的影響使葉片對Pb的吸收累積顯著提高；此時，金屬Pb在小麥葉片的富集量與金屬脅迫濃度呈極高正相關關系（r=0.99）。endprint

金屬Cd單一作用及與金屬Pb-Cd復合作用時，小麥幼苗葉片對Cd的富集量隨脅迫濃度升高而升高，但各濃度水平下吸收情況存在差異：金屬Cd單一作用時，金屬Cd在小麥葉片的富集量與其脅迫濃度成極高正相關（r= 0.99）。Pb-Cd復合作用時，在土壤中低脅迫濃度條件下，金屬Pb的存在促進了金屬Cd的活化而增加向葉片中的遷移，而在高濃度條件下與金屬Cd單一作用時效應相似。因此金屬Pb在中低濃度條件下對Cd的促進活化作用更加明顯。Pb-Cd復合作用時，金屬Cd在小麥葉片的富集量與金屬脅迫濃度呈高度正相關關系（r=0.88）。

2.3Pb、Cd單一脅迫在小麥幼苗中的富集

由圖1可以看出，對照組葉片中金屬Pb的含量大于根中的含量，而在25 mg/kg脅迫濃度下，葉片中Pb含量下降，根中Pb含量增加并略大于葉片中的含量；50 mg/kg脅迫濃度下，根中金屬Pb含量下降，葉片中含量升高且略大于根中的含量。在中低脅迫濃度下，根葉中金屬Pb含量均在 18.00 mg/kg 以下，且根、葉中的含量差異較小。土壤金屬Pb脅迫濃度升高至200 mg/kg時，根中的累積量迅速加大并達到累積峰值194.00 mg/kg，而小麥幼苗葉片中的累積量反而下降，此時根和葉片中的Pb含量差異顯著，根中Pb含量是葉片的47倍，因此土壤金屬Pb高脅迫濃度下，Pb的富集主要集中在根部，只有很少量的金屬向地上部分的葉片遷移。

由圖2可知，金屬Cd在小麥幼苗根部、葉片中的富集規律相似：金屬Cd在根部和葉片中的累積量均隨土壤脅迫濃度水平的提高而增大，最大值分別為37.73、17.65 mg/kg，即根部的最大累積量是葉片最大累積量的2倍多，說明金屬Cd在小麥幼苗中的累積主要在根部。在50 mg/kg Pb 和 2 mg/kg Cd分別作用時，金屬Cd在根中的累積量比Pb的累積量還要大，說明小麥幼苗根對金屬Cd的富集能力大于對金屬Pb的能力。環境中金屬Cd主要以游離態存在，而金屬Pb主要以絡合態存在，這可能與金屬在土壤及植物體內的賦存形態有關。

2.4Pb-Cd復合作用在小麥幼苗根葉中的富集

如圖3所示，金屬鉛Pb-Cd復合作用條件下小麥根部對Pb的吸收顯著比葉片的吸收量大。在復合脅迫濃度25+1 mg/kg和200+10 mg/kg作用下 金屬Pb在根部累積量遠

大于葉片中的累積量；50+2 mg/kg復合脅迫濃度下，根部與葉片的累積量均最低，根部累積量仍然是葉片近2倍。說明大部分金屬Pb富集在小麥根系，只有少量向地面部分遷移的Pb量較少的規律。

金屬鉛Pb-Cd復合作用條件下小麥根部和葉片對Cd的富集趨勢與對金屬Pb的富集趨勢相似（圖4）。各濃度處理水平下，小麥根部對Cd的吸收累積量均比葉片的吸收累積量大。小麥幼苗根和葉片中金屬Cd累積量與土壤中金屬Cd的脅迫濃度呈極高正相關，同時也存在大部分金屬Cd 富集在小麥根系中，較少的Cd 含量累積在小麥幼苗葉片中，但其轉移能力較金屬Pb強，這與金屬Cd的存在形式有關。

總體而言，重金屬Pb、Cd在小麥幼苗中的富集主要集中在根系，少量重金屬可以轉移到地上部分葉片，因此小麥幼苗的根部可以從污染的土壤上有效滲透與提取重金屬，從而增加對重金屬離子的吸收與累積，前人也有類似的研究結果[14]。

3結論

Pb單一脅迫下，葉片中金屬的富集濃度與脅迫濃度成中

度負相關，Pb、Cd在根部和葉片中的其他作用情況下，富集濃度與脅迫濃度均成正相關；其中Pb-Cd復合作用下，金屬Cd在葉片中的富集濃度與脅迫濃度成高度正相關，Pb單一作用下在根中的富集、Cd單一作用下在根葉中的富集以及復合作用下的Pb在根葉中的富集均成極高正相關關系。

同一金屬在不同作用形式下的富集特征均為：根部和葉片對金屬的富集均是復合作用>單一作用。在復合作用下，2種金屬在小麥幼苗根部和葉片中的富集濃度均比單一作用時高，說明金屬Pb、Cd復合作用于小麥幼苗時表現為相互促進的吸收效應。

同一金屬同一作用形式下在小麥幼苗不同部位的富集特征均為根部>葉片，即地下部分>地上部分。這說明重金屬Pb、Cd在小麥幼苗中的富集主要集中在根系，只有少量金屬可以轉移到地上部分葉片。

Pb、Cd復合作用下在不同處理水平其相互促進吸收強度不同：在小麥幼苗根部，金屬Cd在1、10 mg/kg濃度作用下促進了小麥根部對金屬Pb的吸收，并且在10 mg/kg時達到富集峰值；金屬Pb在200 mg/kg對金屬Cd的促進吸收作用最為顯著。小麥幼苗葉片中，金屬鎘（Cd）在10 mg/kg時對金屬鉛（Pb）的活化吸收促進作用最顯著；而金屬鉛（Pb）在 25 mg/kg 時對金屬鎘（Cd）的促進吸收作用最為顯著。在中濃度處理水平即Pb濃度50 mg/kg、Cd濃度2 mg/kg時，兩金屬均無明顯的促進或抑制作用。小麥作為籽實性農作物，其秸稈和果實都將進入食物鏈循環，重金屬在期內的富集勢必存在影響人類健康與安全的風險，所以我們一定要給與足夠的重視和關注。

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