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重金属重金属Cd污染土壤的植物修复研究王晓旭。结论与展望材料与方法结果与分析目录：摘要土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一，也是人类生态环境的重要组成部分。然而近年来，随着工业“三废”和机动车尾气的排放、污水灌概及农药、除草剂和化肥的使用，土壤污染迅速蔓延，污染程度也逐渐加深。尤其是重金属污染不仅范围广、易累积，而且隐蔽性和毒性强，它能影响作物的正常生长发育，直接导致粮食减产，并可通过食物链影响人类健康。因此重金属污染土壤的治理已经引起国内外的广泛重视。治理土壤污染有许多传统的方法，但是这些方法成本昂贵，操作复杂，而且容易破坏土壤结构，改变土壤性质，易造成二次污染，且往往并不能达到彻底清除重金属的目的。目前兴起的植物提取修复技术能利用植物将土壤中的重金属吸收、转移到植物的可收获部分，通过收获植物来减少土壤重金属含量。具有成本低、简便易行、安全可靠、环境友好等诸多优点，已经成为国内外重金属污染环境治理研究的热点和前沿领域。本试验将以油料作物甘蓝型油菜“秦油八号”、向日葵“新葵杂四号”为研究材料，采用盆栽试验，研究其对重金属Cd的耐性以及富集效应，并施加不同水平螯合剂对其修复效果进行强化，同时初步探讨了这些植物在重金属Cd污染土壤修复实践中的应用前景，以期为深入研究植物对重金属Cd的耐性和富集的分子机理及Cd污染土壤的植物修复技术的应用等提供科学依据和理论基础。引言（一）油菜对Cd的耐性和富集特性研究油菜是我国主要农作物之一，有研究表明某些油菜具有修复铅镉污染土壤的能力且在污染条件下具有高生物量。但目前对油菜的研究多集中在芥菜型油菜上，对甘蓝型油菜的Cd富集效果以及Cd在油菜籽实中的积累报道较少。本试验以关中地区普遍种植的甘蓝型油菜“秦油8号”为供试材料，采用盆栽试验研究了土壤不同浓度梯度重金属Cd污染下油菜的生长行为和累积效应，并对螯合剂辅助下油菜的修复效果进行了初步探讨，以期为受Cd污染土壤的植物修复提供理论参考。1材料与方法1.1供试材料土壤样品：试验土样采自陕西省杨凌示范区南庄村农田0～20cm的表层土。土样经自然风干后，混合均匀，过4mm筛，室温保存备用。土壤基本理化性质：pH7.9（水土比为2.5:1），阳离子交换量161.8mmol/kg，有机质14.7g/kg，碱解氮58.2mg/kg，有效磷575.98mg/kg，速效钾1.11g/kg，全Cd含量0.38mg/kg。供试作物：甘蓝型油菜秦油8号（购自杨凌示范区金道种业有限公司）螯合剂：EDTA+乙酸（c/c=2:1）1.2主要仪器自动控温电炉、721型分光光度计、101-2型电热鼓风干燥箱、6400A型火焰光度计、DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器、PHS－3C型精密pH计（雷磁）、尼龙筛、FW100型高速万能粉碎机、电子天平、TDL-60C台式离心机、MDS-6型微波消解仪、日立Z-5000型原子吸收分光光度计。1.3试验方法采用盆栽土培试验，用直径36.5cm、高26cm带有托盘的塑料盆，每盆盛过筛风干土7.5kg，按照盆栽植物对养分的需求比例，分别加入尿素、磷酸二氢钾和硫酸钾2000、400、400mg/kg作为底肥，并充分混匀。以分析纯CdCl2·2.5H2O作作为Cd污染试剂，用去离子水配成母液，再逐级稀释配成溶液，按照Cd添加量为0、5、20、40、80mg/kg的设计水平，喷洒到盆栽试验的土壤中，边喷边搅拌，以保证Cd的均匀分布，保持土壤湿度为田间持水量的60～70%，并在温室中稳定3个星期，每处理重复3次。2008年3月20日，选择生长健壮，长势和个体大小一致的油菜幼苗分别移栽至盆中，每盆6株。植物在自然光照下生长，定期以称重法加自来水浇灌，保持土壤湿度为田间持水量的60～70%。幼苗移栽生长40天后测定株高，并采集叶片测定叶绿素、游离脯氨酸含量；移栽50天后以Cd添加量40mg/kg为例，添加螯合剂（分别为0、2、6和10mmol/kg四个水平），进行螯合强化试验；加入螯合剂10天后收获所有植株，用蒸馏水洗净整个植株，晾干，再将地上部和地下部分开，在105℃下杀青0.5h，70℃烘干至恒重，用电子天平称取各部分干重。烘干样品粉碎过40目筛，用于测定重金属Cd含量。2结果与分析2.1Cd对油菜生物量的影响某些重金属是植物生长的必需元素，对植物的生长发育起着十分重要的作用。无论是必需元素还是非必需元素，当超过某一数值时，都会对植物产生一定的毒害作用。当外界重金属浓度超过植物的生长极限值时，植物各种生理生化过程、生长环境和营养状况受到不同程度的伤害，最后使植物的生长发育受到不同程度的抑制，轻则植物体的代谢过程发生紊乱，生长发育受阻，重则导致植物死亡。从试验中可以看出，土壤添加外源Cd在一定程度上对油菜的生长造成了影响。试验中当Cd处理浓度大于20mg/kg时，油菜逐渐出现了植株细小、叶片失绿、脱落等症状，但并没有死亡。所加的重金属量不同，油菜的株高、地上部和根部干重都有所不同。表3-1为各水平Cd处理下油菜的生物量指标的平均值及5%水平下不同水平处理平均值之间的差异显著性检验结果。2.2Cd对油菜叶绿素和脯氨酸含量的影响叶绿素是植物进行光合作用的重要物质，其含量的多少直接标志着生长能力的强弱。脯氨酸是植物细胞内最重要的渗透调节物质之一。在正常环境下生长的植物体内脯氨酸含量较低，但在干旱、高盐、高温、冰冻、紫外线以及重金属等胁迫条件下，脯氨酸的含量可增加10～100倍。因此可将二者作为油菜对重金属Cd污染的耐性指标。2.3油菜对重金属Cd的积累作用油菜对Cd的吸收总量则呈现先上升后下降的趋势，在土壤Cd添加量为40mg/kg时达到最高值，大于土壤Cd添加量为80mg/kg时的吸收总量，这主要是由于油菜受Cd胁迫生物量显著下降而引起的。2.4螯合剂对油菜吸收Cd的影响试验所用的螯合剂为EDTA与乙酸的混合试剂。与乙酸混合，一方面可以降低土壤的pH，有利于植物对重金属的吸收；另一方面，乙酸具有解毒作用，可降低重金属离子对土壤微生物和植物的毒性。试验中以土壤Cd添加量为40mg/kg作对照，在油菜收获前10天加入不同浓度的螯合剂，进行螯合强化试验。3本章小结（1）本试验利用甘蓝型油菜“秦油8号”对碱性土壤重金属Cd污染的修复效果进行了研究。结果表明，甘蓝型油菜“秦油8号”对土壤Cd污染具有一定的耐性，低浓度的Cd处理对油菜的生长表现促进作用，高浓度Cd处理抑制油菜生长。同时，重金属Cd可以引起油菜的抗性反应，表现在油菜体内的游离脯氨酸含量随Cd浓度的升高而上升，二者之间呈现显著的正相关性。但这种耐性是有一定限度的，高于这个限度则会受到伤害，从而表现出植株矮化、叶片失绿等症状。实验证明，甘蓝型油菜“秦油8号”受Cd毒害的可能临界浓度为20mg/kg。（2）本试验发现，Cd在油菜体内的累积量分布大小为：根部＞地上部＞籽实，其含量也随着土壤重金属浓度的增加而提高，但这种增加是有限度的，超过限度就会对油菜造成伤害，使生物量下降，从而使Cd吸收总量降低。（3）本试验中对“秦油8号”辅助以螯合强化措施后，增加了重金属的生物有效性，明显提高了油菜对Cd的转运效率，地上部Cd含量分别比对照增加了近9倍。试验中对于Cd添加量为40mg/kg的污染土壤，加入螯合剂质量摩尔浓度为6mmol/kg时，油菜有较高的Cd提取效率。（二）向日葵对Cd的耐性和富集特性研究向日葵是一种生物量大、生长迅速的一年生草本植物，同时他也是一种经济价值很高的油料作物，其油籽含油率一般都在38%-45%。它种植简便，易于机械化收割，适应范围广，增产潜力大，以及抗盐碱、耐干旱等特性在世界油料作物生产中占有举足轻重的地位。本项目所在地杨凌地处关中平原腹地，是向日葵的适生区。油菜在杨凌生育期为当年10月至次年5月，向日葵在杨凌生育期为6月至10月，因此，采用油菜—向日葵连作的重金属污染土壤修复模式可以延长植物对土壤中污染重金属的吸收时间，提高对重金属污染土壤的修复效率。油菜和向日葵均为油料作物，重金属在种子中累积较少，即使种子产品中的重金属含量超标，也可用于工业油生产。因此，油菜—向日葵连作不仅可以有效去除土壤中的重金属，种子还可作为生物柴油的重要原料，秸秆可作为优质薪柴、集中供热的气化燃料。是土壤重金属污染治理难得的生物材料，兼有经济、社会和生态多重效益。本试验通过研究不同浓度Cd重金属污染对向日葵生长的影响以及重金属在向日葵各器官的积累量，来探讨向日葵对Cd的积累效应。1材料与方法1.1供试材料土壤样品：采用种植油菜后的土壤直接种植向日葵供试植物：向日葵（新葵杂四号），由杨凌示范区农友种苗有限公司提供。螯合剂：EDTA二钠盐1.2盆栽试验设计采用收获油菜后的盆栽土壤进行模拟作物连茬修复。试验于2008年6月在杨凌区杨村乡崔东沟试验田内进行。分别加入尿素、磷酸二氢钾和硫酸钾2000、400、400mg/kg作为底肥，并充分混匀。待模拟土壤平衡后，于2008年6月10日在每个花盆播种向日葵籽若干粒，将其埋入大田。待向日葵出苗后，选择长势一致、个体均一的幼苗，每盆定苗1株。植物在自然光照下生长，用自来水浇灌，保持土壤湿度为田间持水量的60～70%，幼苗生长60天后测定株高，并采集叶片测定叶绿素、游离脯氨酸含量；生长90天后分别以土壤Cd添加量40mg/kg为例，添加螯合剂EDTA（分别为0、2、6和10mmol/kg四个水平），进行螯合强化试验；加入螯合剂10天后收获所有植株，用蒸馏水洗净整个植株，晾干，再将植株各部位分开，在105℃下杀青0.5h，70℃烘干至恒重，用电子天平称取各部分干重。烘干样品粉碎过40目筛，用于测定重金属Cd含量。2结果与分析2.1Cd对向日葵生物量的影响从试验中也可以看出，土壤添加外源Cd在一定程度上对向日葵的生长造成了影响。当Cd处理浓度大于20mg/kg时，向日葵也逐渐出现了植株细小，茎秆发黑，叶片失绿、脱落等症状。表4-1为各水平Cd处理下向日葵的生物量指标的平均值及5%水平下不同浓度处理平均值之间的差异显著性检验结果。2.2Cd对向日葵叶绿素和脯氨酸含量的影响2.3向日葵对重金属Cd的富集作用外源重金属进入土壤后，植物通过根系代谢吸收土壤中的重金属，重金属被植物吸收后大部分残留在根部，还有一部分随着原生质的流动运移给临近的细胞，并通过细胞间的运输，横穿过根的中柱鞘输送到导管中，随植物蒸腾作用向地上部分迁移，甚至累积在植物的茎叶和籽实部分，从而产生了有害于人体健康的农产品。所以重金属对植物及对人、畜的危害及对植物体内各部位重金属的累积分布有密切关系。本试验中向日葵不同部位的重金属富集量以及富集总量见图4-2、4-3。由图可知，随着土壤Cd添加量的升高，向日葵不同器官对Cd的富集量也逐渐增加，向日葵对Cd的富集量既与向日葵器官有关，又受土壤重金属处理条件的影响。重金属Cd在低浓度时在向日葵体内分布规律为：叶＞根＞籽实＞茎；高浓度时为：根＞叶＞籽实＞茎。由此可知，向日葵根是富集Cd的主要器官，但与油菜相比，低水平Cd处理下根富集的重金属Cd较易通过植物运输系统运输到茎叶，其毒害作用较强。每盆向日葵重金属积累总量总是随土壤Cd添加量的增加而增加，只是增加幅度逐渐变小，这是由向日葵各部位的干重和重金属含量共同决定的。2.4螯合剂对向日葵吸收Cd的影响试验中以土壤Cd添加量为40mg/kg作对照，在向日葵收获前10天加入不同浓度的螯合剂，进行螯合强化试验。由图4-4可知，螯合剂的施用有效地活化了土壤中的Cd，增强了Cd的生物可利用性，使其移动性大大增加。在3种浓度螯合剂处理下的向日葵根部、茎、叶和籽实重金属含量较对照均有显著提高。在最大浓度时根、茎、叶部Cd含量分别比对照增加了11.1、53.5、13.7倍，而籽实中的重金属含量增加远没有其他部位明显。当添加螯合剂浓度为6mmol/kg时，向日葵体内各部位Cd含量均达到最大值，添加螯合剂浓度过高时（10mmol/kg），向日葵出现了死亡症状，因此，考虑到螯合剂的毒性，建议采用中等浓度的螯合剂添加量。3本章小结（1）研