小麦中重金属的富集与迁移特征

小麦中重金属的富集与迁移特征

1环境科学新热点农业废水、农药、杂草和化肥的使用会导致土壤中重金属的污染。一旦土壤中重金属污染，重金属颗粒、茎、叶和谷物中的大量重金属积被稀释，这不仅严重影响植物的生长和发育，而且还影响到作物的产量和质量。通过食物链的富集作用进一步危害人类的生命和健康。近20年以来,国内外一些学者进行了单一重金属在土壤-植物系统的迁移转化的研究[1~4]。但在自然环境下,环境污染多是由多个元素共存与作用造成,元素之间交互作用使复合污染对生态系统的效应有别于单元素污染,因而重金属复合污染的研究逐渐成为近年来环境科学的新热点。在我国,从20世纪90年代开始,一些研究者就Cd、Pb、Cu、Ni、Zn、As等元素对水稻、油菜等影响进行了盆栽苗期试验,认为元素间联合作用对作物生长和产量有一定影响[5~7]。总体看,研究工作仍比较零散,定量化研究不足且只限于模拟条件,与实际应用结合方面还存在差距。本次通过蛭石培养基无土种植试验研究了四种重金属(Cu、Pb、Zn、Cd)在小麦中的迁移与转化情况。2栽培试验和测试2.1种植材料及密度本次试验以小麦为受试作物,采用蛭石为基质,进行无土栽培试验。通过对小麦不同时期(幼苗期、成熟期)的生理生化指标进行观察、测定,对小麦植株不同时期、不同部分重金属含量的分析,探讨重金属对小麦的影响机理和重金属对小麦的富集特点和规律。试验场地为麦田的一角,长和宽分别为3m和1m,种植分2个小区,2个小区的原料为蛭石24kg,鸡粪3kg,蛭石厚度0.12m。小区1无重金属,小区2中含有重金属Cu、Pb、Zn、Cd,重金属的含量是根据徐州北郊地区重金属污染的程度确定的,目前,徐州北郊工业区由于污水灌溉、工业与生活垃圾、大气沉降等原因,土壤受到不同程度的重金属污染,Cd、Pb、Cu、Zn的在土壤中的含量分别为0.3~1.0mg/kg、48.02~230.1mg/kg、45~137mg/kg和165.8~989.2mg/kg,另外,北郊河流底泥中重金属含量很高,Cd、Pb、Cu、Zn的含量分别为0.3~3.0mg/kg、42.52~586.90mg/kg、50.38~398.5mg/kg和213.4~3330.6mg/kg,为此,将实验小区重金属Cd、Pb、Cu、Zn的含量定为5.0mg/kg、140.0mg/kg、70.0mg/kg和210.0mg/kg。2.2优化期和成熟根、茎、叶、颖壳、果实重金属总量本次试验采用TAS-980型火焰原子吸收仪对小麦幼苗期和成熟期根、茎、叶、颖壳、果实中重金属总量进行测试(利用硝酸-高氯酸消解法消解)。在测定过程中,为了使实验数据可靠、精确,进行加标回收率测定和平行样测定。3小麦茎部和中小级dna含量的变化规律小麦于2002年10月12日播种,分别于2002年11月14日、2003年3月1日、2003年4月26日和2003年5月30日采集小麦样品,样品经预处理后对小麦的不同部位中Cu、Pb、Zn、Cd的含量进行测定,测试结果见表1,不同时期、不同部位重金属的变化见图1~图6。从所述资料可以看出,小麦根部的重金属含量在生长早期较高,Cd、Zn在第一个采样时间点含量较高,分别为1.1846mg/kg和13.2181mg/kg,而铜在第二个采样时间点含量较高,为70.2803mg/kg,随着小麦的进一步生长,重金属含量有所下降,到成熟期时重金属含量又逐渐上升至最大值,Cd、Pb、Cu、Zn分别为3.0191、36.7262、113.144、18.7596mg/kg。这是因为小麦根部在成长早期由于生长旺盛使重金属含量较大,随着生长发育,根部重金属由于进入根部后向上迁移,致使根部重金属有所下降,到成熟期蛭石对重金属的固定作用较小,因而重金属含量升高到最大值。重金属在出芽期进入小麦根部后,首先会与蛋白质、多糖类和核酸等结合,然后会向植株地上部分迁移,作物在重金属的胁迫下会通过回避机制减少对重金属的吸收,在生长期通过抗性作用加强作物对重金属的耐受性,代谢机制减少对重金属积累,同时降低重金属的毒性[8~9]。小麦茎部的重金属含量在生长早期含量较大,一般在第一个采样时间点和第二个采样时间点达到最大值,Cu的含量在第一采样点最大,为11.5454mg/kg,Cd和Zn含量的最大值在第二采样点最大,分别为1.1034和7.5134mg/kg。而后有较大幅度下降,此后逐步缓慢上升。上述规律可以认为小麦早期生长旺盛,从根部传输上来的重金属较多,中后期小麦茎部对重金属的耐受性有所提高,同时小麦新陈代谢加强,使重金属含量降低,随着进一步生长重金属在茎部逐渐积累。小麦叶片中重金属含量的变化与茎中大部分类似,Cu的含量在第一采样点最大,为13.7731mg/kg,Pb和Zn含量的最大值在第二采样点最大,分别为14.655和9.1594mg/kg。重金属含量达到最大后逐步下降,与茎部规律有所不同的中后期叶片中重金属含量趋于平稳而不是逐步增加。可以认为小麦植株对叶片的传输作用相对较小。4小麦不同部位的重金属元素富集分析由表1可以看出,重金属被小麦吸收以后,大部分停留在根部,少量向地上部分迁移。重金属在小麦植株不同部位的含量为:根>茎>叶片>颖壳>果实,此结果说明重金属在植物体内的分布规律是在新陈代谢旺盛的器官蓄积量较大,而营养储存器官如果实、籽粒中蓄积量较少;Cd、Pb、Cu、Zn分别为0.2131、1.0438、6.7859、5.1322mg/kg根据无公害食品标准,小麦中重金属最大允许浓度为:Cd为0.2mg/kg、Pb为0.4mg/kg、Cu为10mg/kg、Zn为50mg/kg(GB15201-94、GB14935-94、GB15199-94、GB13106-91),可见小麦籽实中铜、锌的含量没有超标,而镉、铅的含量超过了无公害食品标准,四种金属中铅超标量最大,镉略有超标。根据表1,我们计算了重金属在小麦植株不同部位的富集系数,即重金属元素在小麦植株的浓度与培养基质中对应元素之比(表2)。从表2和图7看出,小麦成熟后,除Zn外,其他三种重金属Cd、Pb、Cu的富集系数在根中最大,而Zn在颖壳中的富集系数最大;根中富集能力是Cd>Cu>Pb>Zn,茎富集能力是Cd>Cu>Zn>Pb,叶片富集能力是Cd>Cu>Pb>Zn,颖壳的富集系数是Zn>Cu>Cd>Pb,籽实的富集能力是Cu>Zn>Cd>Pb,需要注意的是,Cd在根、茎中富集能力强,而在颖壳、籽实中富集能力较弱。5小麦不同部位的重金属含量分布及富集能力4种复合污染的重金属被小麦吸收后,在小麦不同部位中积累规律有所不同:根部在成长早期重金属含量较大,随着生长发育,重金属含量有所下降,成熟期升高到最大值;茎部累积的重金属在生长早期含量较大,而后有较大幅度下降,此后逐步缓慢上升;小麦叶片中重金属含量的变化与茎中大部分类似,只是在后期叶片中重金属含量趋于平稳而不是逐步增加。小麦不同部位重金属的积累量不同,不同时期根、茎、叶片、颖壳、籽实对不同重金属是不同的,总的来看,大部分重金属滞留在根部,少量向地上部分迁移,重金属在小麦植株不同部