多種重金屬元素土壤污染在韭菜周期性生長過程中遷移規(guī)律研究

初晨露 孫夢璐 董雪 王玉環(huán) 邢常瑞 袁建

[摘要】本文選取具有強力重金屬富集能力的韭菜作為模型植物，研究了3種重金屬同時污染土壤對韭菜周期性生長過程中的重金屬遷移規(guī)律的影響。在實驗周期內(nèi)對韭菜進行了5次收割，每次收割的生長周期為20d。測定土壤不同深度重金屬殘留狀況，分析韭菜重金屬污染和土壤污染的相關(guān)性，未污染土壤中生長的韭菜作為對照。結(jié)果表明，與對照組相比，Pb、Cd、Cu元素的總含量在韭菜周期性生長過程中呈遞增的趨勢，推測是由于韭菜生長過程中，根系不斷積累重金屬并引起韭菜重金屬含量隨著生長周期不斷增加。3種元素在韭菜中富集的優(yōu)先順序為Cu>Pb>Cd，此外通過對3種金屬在韭菜富集和土壤殘留的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，土壤中Cu的存在會促進韭菜植株對Pb的吸附，且會抑制Cd的吸附。

[關(guān)鍵詞]重金屬;土壤;韭菜;周期性;遷移規(guī)律

鉛（Pb）、鎘（Cd）、銅（Cu）是土壤中主要的重金屬污染物，大部分存在于表層土壤中，位于大部分植物根系吸收養(yǎng)分的區(qū)域。耕作土壤遭受重金屬污染后，會造成重金屬在蔬菜中的富集，食用后會對人體造成危害。與其他蔬菜相比，重金屬更容易富集在葉用蔬菜的可食用部位[1]。

各個國家對農(nóng)耕土地中重金屬Pb、Cd、Cu最高允許含量的標(biāo)準(zhǔn)都有嚴(yán)格要求。我國的食品安全（GB 2762-2012）規(guī)定葉用蔬菜中重金屬Pb、cd的含量必須分別低于0.3mg/kg、o.2mg/kg[2]。在工業(yè)廢礦、畜禽糞便、灌溉污水中同時存在不同重金屬，造成了糧食、蔬菜等農(nóng)作物中Pb、Cd等元素復(fù)合污染的現(xiàn)象。研究表明，多種重金屬復(fù)合污染對生物體所產(chǎn)生的影響不同于單一重金屬[3]。自然環(huán)境下金屬元素多以復(fù)合形式存在，各種復(fù)合元素之間存在協(xié)同作用、加和作用和拮抗作用等相互作用形式，都會影響植物對金屬元素的吸收和代謝[4]。孫建伶等[5]通過盆栽試驗研究了重金屬Pb、Cd單一和復(fù)合污染及其與常量元素鈣（Ca）、鋅（ Zn）的交互作用對韭菜植株生長發(fā)育和Pb、Cd在其根、葉中遷移富集規(guī)律的影響。結(jié)果表明，韭菜對Pb或Cd的吸收量與土壤單一Pb或Cd污染程度正相關(guān);Ph、Cd之間存在復(fù)雜的交互作用，低濃度復(fù)合時相互促進吸收，高濃度復(fù)合時優(yōu)先吸收Cd，抑制韭菜對Ph的吸收。葉海波等161比較和分析了Zn、Cd復(fù)合處理對東南景天的生長及其對Zn、Cd的吸收積累特性的影響。結(jié)果表明，Zn、Cd分別為500μmol/L、100μmol/L時，植物生長最佳。Zn、Cd在東南景天體內(nèi)的含量隨著Zn、Cd處理濃度的提高而提高。Carlson等【7l以美洲梧桐為研究對象發(fā)現(xiàn)Pb、Cd之間表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)。當(dāng)土壤中Pb、Cd同時存在時，Pb與Cd會競爭吸附土壤顆粒表面的吸附位點，且在高濃度Cd時競爭吸附更強，Pb存在于土壤中可以增強植株對Cd的積累作用[18-10]。重金屬對植物體的影響方式及程度與其種類和濃度有關(guān)，也與植物的種類和土壤類型有著密切的關(guān)系[ll-14]。陳慧茹等[15]為了探明水稻各組織器官的重金屬含量對土壤重金屬濃度的依賴性，評價重金屬中重度污染土壤植株水稻的安全風(fēng)險，對不同濃度的Cd、鉻（Cr）、Pb重金屬水稻盆栽進行了試驗，研究中，重度污染土壤培養(yǎng)條件下重金屬在水稻植株中的分布以及籽粒遷移呈現(xiàn)累積特性。研究結(jié)果顯示，隨著土壤重金屬含量增加，水稻植株富集重金屬呈上升趨勢，但是土壤重金屬濃度增加，水稻對重金屬的富集系數(shù)下降。王浩等[16]采用盆栽試驗研究了田中Pb、Cd污染對小白菜生長和植株體內(nèi)Pb、Cd積累的影響。結(jié)果表明，Ph、Cd復(fù)合污染時，土壤中高濃度的Pb可促進Cd在小白菜植株中的積累;而土壤中Cd的存在對Pb在小白菜植株中積累的影響不明顯。Cd在小白菜植株中的遷移能力高于Pb。蔬菜中重金屬超標(biāo)現(xiàn)象時有發(fā)生，其中韭菜葉中重金屬鉛和鎘超標(biāo)最常見[17]。

Ph、Cd是對人體有害的重金屬元素，Cu是植物所必需的微量元素和土壤中的優(yōu)勢元素，但土壤中Cu濃度超出;某一閾值時將使植物的生長發(fā)育受阻，嚴(yán)重的可造成植物死亡[18-19]。本文以韭菜為例，通過盆栽實驗研究了在Pb、Cd、Cu復(fù)合污染的條件下韭菜植株的生長發(fā)育以及Pb、Cd、Cu在土壤、根、葉中的遷移富集規(guī)律的影響。研究了3種重金屬Pb、Cd、Cu同時污染土壤對韭菜周期性生長過程重金屬遷移規(guī)律，每次收割生長周期為20d，總共收割5次。測定土壤不同深度重金屬殘留狀況，分析韭菜重金屬污染和土壤污染的相關(guān)性，將未污染土壤中生長的韭菜作為對照。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤采集于南京財經(jīng)大學(xué)未受鉛鎘銅污染的菜園表層（0～20cm）土壤，土樣自然風(fēng)干、磨碎后過20目篩。供試韭菜為菜園內(nèi)生長旺盛、長勢均勻、未受Ph、Cd、Cu污染的韭菜。

金屬試劑為硝酸鉛（分析純）、五水硫酸銅（分析純）、氯化鎘（分析純）;優(yōu)夏試劑為硝酸（65%優(yōu)級純）、H2O2（30%優(yōu)級純）、HClO4（優(yōu)級純）、氫氟酸（優(yōu)級純）：南京化學(xué)試劑有限公司;多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液GSB 04-1767-2004：國家有色金屬與電子材料分析測試中心;Pb、Cd、Cu單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液：阿拉丁試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

MARS6型微波消解儀：美國培安公司;7700xICP-MS型光譜儀：安捷倫科技有限公司;CP 214型電子天平：奧豪斯儀器（常州）有限公司;BHW-09C型電加熱器：上海博通化學(xué)材料科技有限公司;Millipore型超純水器：美國Millipore公司;101-3 As型電熱風(fēng)鼓風(fēng)干燥箱：上海蘇進儀器廠。

2試驗設(shè)計與實施

盆栽試驗在南京財經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院的實驗室進行，Pb、Cd、Cu按混合比例（Ph為425mg/kg，Cu為250mg/kg，Cd為4g/kg）配置溶液。盆栽土壤為1.6kg/盆，Pb、Cd、Cu以溶液形式噴灑式加入，選擇透明的容器作為噴灑器，在容器外側(cè)標(biāo)記刻度，使得每次澆入的溶液體積一定，保證每段時間澆水次數(shù)一定，使添加的金屬離子盡可能均勻穩(wěn)定，以利于盆栽實驗，置于陰涼通風(fēng)處備用。

韭菜移栽前先剪掉地上部分，預(yù)留5cm，減少葉面蒸發(fā)。將韭菜連根取出，用超純水沖洗掉根部土壤，剪去須根前端，保留2～3Cm，從而促進新根發(fā)育，維持根系吸收和葉面蒸發(fā)平衡。將韭菜均分為6份，每份7顆，移栽于預(yù)先澆水軟化的花盆土壤中，充分澆水，置于陰涼處3d后移至花盆中，自然生長，將花盆放在室外陽光充足的地方，定期澆水，注意避雨。韭菜生長每20d收集一次地上樣品，預(yù)留5cm，lOOd后全部收獲。每個實驗重復(fù)3次。

2.1 樣品處理與分析

用超純水洗凈韭菜，并用去離子水清洗3次。將韭菜葉進行分析，在實驗室自然晾干后稱量地上部分和地下部分的干重[20]。將韭菜分別研磨后，用HN03-H202進行消解，定容稀釋后，用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）測定Pb、Cd、Cu的含量。

2.2樣品消解

2.2.1韭菜消解

準(zhǔn)確稱取0.3g，精確至0.000 Ig，韭菜置了二消解罐中，加入5mL硝酸和2mL的H202，然后置于微波消解儀中進行消解。韭菜的微波消解步驟見表1，消解液清亮無沉淀。消解后，在趕酸板上進行趕酸，直至黃煙冒盡，趕至近干，之后用2%的硝酸溶液定容至25mL容量瓶中待測，同時做試劑空白。

2.2.2土壤消解

準(zhǔn)確稱取0.3g，精確至0.000 Ig，土壤置于消解罐中，加入3mL硝酸、ImL的H202和1ImL氫氟酸，然后置于微波消解儀中，按照表2中的條件進行消解。消解后，在趕酸板上進行趕酸，之后用2%的硝酸溶液定容至50mL容量瓶中待測，同時做試劑空白。實驗過程中所用器具均用10%的硝酸溶液浸泡過夜，然后用超純水充分清洗后備用。

2.2.3 配置混標(biāo)溶液

配制測定韭菜和土壤中各元素含量的混標(biāo)溶液，溶液濃度梯度見表3。

3結(jié)果與分析

3.1標(biāo)準(zhǔn)曲線

以待測元素與內(nèi)標(biāo)元素響應(yīng)值的比值為標(biāo)準(zhǔn)曲線縱坐標(biāo)，元素濃度為橫坐標(biāo)，韭菜和土壤的標(biāo)準(zhǔn)曲線和線性相關(guān)系數(shù)結(jié)果見表4、表5。據(jù)表4、表5可知，3種元素在測定過程中均顯示了良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)范圍分別為0.9986～1.0000和0.9913～0.9990。

3.2 精密度和檢出限

選取韭菜和土壤為試樣，分別按2.2.1和2.2.2進行處理，并上機測定，對試樣各元素平行測定6次，從而計算相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）值見表6，從表中可以看到，各元素的RSD均小于5%，由此表明精密度良好。

根據(jù)國際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）規(guī)定，將0.5mol/L的硝酸溶液作為空白溶液，連續(xù)11次測定，測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍即為檢（出限，標(biāo)準(zhǔn)偏差的10倍即為定量限。檢出限和定量限的測定結(jié)果見表6，可以出本方法具有較高的靈敏度。

3.3加標(biāo)回收率

為了檢驗方法的準(zhǔn)確度，對韭菜和土壤進行了加標(biāo)回收實驗，結(jié)果見表7、表8，各待測元素以標(biāo)準(zhǔn)溶液的形式加入樣品中，按樣品相同的方法消解上機測定，從表中可以看出，韭菜各元素的回收率保持在80.2% - 108.6%，土壤各元素的回收率保持在80.4%～111.0%，表明測定韭菜和土壤中元素含量的方法準(zhǔn)確度良好。

3.4 Pb、Cd、Cu復(fù)合處理后在韭菜中的積累特性的影響

土壤中Pb、Cd、Cu元素在韭菜葉中的富集結(jié)果見圖1。由圖1可知，復(fù)合污染時，Pb、Cd、Cu的積累量與對照相比，有明顯的變化。就3種元素的總量而言，對照組的元素總含量水平在0.45mg/kg左右，而且隨著時間的增加，元素總含量沒有明顯的變化趨勢。實驗組中，元素總含量隨時間的增加呈上升的趨勢。據(jù)圖1可知，各元素在韭菜中的遷移能力為Cu>Ph>Cd。在實驗組中，Ph、Cd、Cu元素的總含量呈遞增的趨勢，在人為添加元素的條件下，韭菜對Cu的吸附量是最大的，且在第60d時吸附量達到約1.4m/kg，韭菜收割到第4茬時，元素總含量增加已經(jīng)趨于平緩。在韭菜的每個生長周期中Cd從土壤富集到韭菜中都是最少的，這是由于Ph和Cu元素的過多，占據(jù)了重金屬轉(zhuǎn)運通道。Pb和Cu非常易于富集在韭菜中，并且每次收割的韭菜數(shù)據(jù)表明，富集的Pb和Cu的比例會有變化。說明土壤重金屬Cd、Cu、Ph復(fù)合污染的效果并不是單因素污染效果的簡單疊加，尤其在自然條件下，復(fù)合污染對土壤微生物及酶活性的影響不僅需要考慮重金屬種類和含量，同時植被、季節(jié)、灌溉、耕作等外界因素也會對研究結(jié)果造成一定的影響[2]。

3.5 Pb、Cd、Cu復(fù)合污染在土壤中的富集研究

本次試驗分別收集了生長60d和生長lOOd的韭菜土壤，用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ ICP-MS）檢測距離地面2cm、4cm、6cm處土壤中Ph、Cd、Cu元素的含量，元素含量見圖2。據(jù)圖2可知，對照組中Pb、Cd、Cu的含量在距離地面2cm、4cm處沒有顯著差異，在6cm處有降低的趨勢，原因是韭菜植株的根系正處在土壤6cm附近。韭菜中所富集的重金屬比較少（0.4mg/kg），而對照土壤中的重金屬濃度值為30mg/kg。另外，土壤中大部分元素以結(jié)合態(tài)的形式存在，韭菜吸收量比較小。

據(jù)圖1（b）可知，生長在未添加重金屬污染的土壤上的韭菜Cd濃度小于0.007mg/kg，低于國家標(biāo)準(zhǔn)限量值0.05mg/kg。說明Cu對水稻吸收Cd的影響可能與Cu與Cd競爭生物吸附點位的能力有關(guān)，由于化學(xué)性質(zhì)的差異，Cu與植物根結(jié)合能力強于Cd，尤其在Cu濃度較高的時候，植物根首先吸附Cu，弱化了其對Cd的吸附，從而抑制- Cd的吸收[22—23]。在Cu-Cd復(fù)合處理對水稻的毒性和吸收的影響相對復(fù)雜，既能明照促進水稻對Cu或Cd的吸收，也可能對Cd吸收略有抑制，這可能與二者主要吸附在細胞壁上有關(guān)，Cd固定在細胞壁內(nèi)可能會減輕Cu對植物的損傷，降低Cu向原生質(zhì)體的轉(zhuǎn)運，增加對水稻毒害的耐性[24]。在人為添加元素的條件下，Pb、Cd、Cu的含量隨著距離地面深度的增加呈現(xiàn)遞減的趨勢，這與重金屬以噴灑的形式添加有關(guān)，同時植株根部也會吸收部分重金屬。在土壤深度為2cm處，Pb的含量約為Cu的3倍，但在土壤深度為4cm和6cm處，Pb的含量與Cu的含量大致相等，原因是更多的元素被韭菜根部吸收，且韭菜對Ph的吸收達到最大。

據(jù)圖2（b）可知，韭菜生長lOOd時對照組中的Pb、Cd、Cu含量在距離地面深度2cm、4cm、6cm處呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，實驗組中的Pb、Cd、Cu含量隨著深度的增加逐漸降低然后趨于平緩。圖2（h）中Cu的含量高于Pb，這與圖2（a）中Ph的含量高于Cu呈相反的趨勢，原因是隨著韭菜的生長，植株根部對Ph的吸收大于對Cu的吸收，導(dǎo)致土壤中Pb含量降低，另外，Cu元素的存在促進了韭菜根部對Ph的吸收125。261。Cd含量與60d時土壤含量表現(xiàn)出;相同的規(guī)律，即含量處于極低水平，這與圖1中Cd含量水平最低一致。

4結(jié)論

Pb、Cd、Cu復(fù)合污染下，土壤對Pb、Cd、Cu的富集均呈現(xiàn)不同的趨勢。選取具有強力富集重金屬韭菜作為模型植物，用超過土壤安全值的重金屬鹽溶液噴灑在種植韭菜的土壤中，研究T3種重金屬Ph、Cd、Cu同時污染土壤對韭菜周期性生長過程重金屬遷移規(guī)律，在實驗周期內(nèi)對韭菜進行了5次收割，每次收割間生長周期未滿20d。測定土壤不同深度重金屬殘留狀況，分析韭菜重金屬污染和土壤污染的相關(guān)性，未污染土壤中生長的韭菜作為對照。結(jié)果表明，與對照組相比，Pd、Cd、Cu元素的總含量在韭菜周期性生長過程中呈遞增的趨勢，推測是由于韭菜生長過程中，根系不斷積累重金屬并引起韭菜重金屬含量隨著生長周期不斷增加。3種元素在韭菜中富集的優(yōu)先順序未為Cu>Pb>Cd。通過對韭菜生長60d和lOOd后土壤深度不同深度（ 2cm、4cm、6cm）采樣進行分析發(fā)現(xiàn)，對照組土壤重金屬在不同深度無明顯差異，實驗組土壤重金屬Pb、Cd、Cu元素的總含量，2cm處含量最高。通過對3種金屬在韭菜富集和土壤殘留的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，土壤中Cu的存在會促進韭菜植株對Ph的吸附，且會抑制Cd的吸附。推測重金屬Cfl、Cu和Pb之間存在著一定的協(xié)同或拮抗作用，表現(xiàn)出協(xié)同或拮抗作用取決于重金屬的種類和含量。但不同的可食性蔬菜對重金屬有不同的富集能力，今后，可以研究不同的可食性蔬菜對多種重金屬元素的富集，用更多數(shù)據(jù)驗證不同蔬菜對不同重金屬的富集能力，進而應(yīng)用于土壤污染的修復(fù)。

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