甘蓝型油菜‘秦油8号’对不同水平pb的耐性及富集效应

甘蓝型油菜‘秦油8号’对不同水平pb的耐性及富集效应

植物提取是利用植物将土壤中的重金属吸收并转移到植物的可收获部分，减少土壤中的重金属含量。这是目前研究最广泛、最具前景的植物修复技术。目前,全世界大约发现了400多种超富集植物,我国陆续报道的超富集植物有蜈蚣草(富集As),东南景天(富集Zn),商陆(富集Mn)、龙葵(富集Cd),海州香薷(富集Cu),宝山堇菜(富集Cd)等。但是大多数超富集植物植株矮小,生物量低,生长缓慢,且大多没有经济效益,限制了植物修复技术的广泛应用。因此,研究生物量高、对重金属吸收能力强、不存在新的生态问题且有经济效益的植物(如油菜、玉米、向日葵、豌豆、燕麦、大麦、荞麦、印度芥菜和白菜等)及其强化吸收条件,促进土壤中重金属的溶解并向地上部的运输,从而大大提高修复效率已经成为当前该领域研究的新特点。油菜是我国主要农作物之一,有资料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Pb富集效果以及Pb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’品种为供试材料,采用盆栽试验研究了土壤不同浓度梯度重金属Pb污染下油菜的生长和累积效应,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Pb污染土壤的植物修复提供理论参考。1材料和方法1.1试验作物和种子实验土样采自陕西省杨凌示范区南庄村农田0～20cm的表层土,土壤类型为土。土样经自然风干后混合均匀,过4mm筛,室温保存备用。土壤基本理化性质为:pH7.9(水土比为2.5∶1),阳离子交换量161.8mmol·kg-1,有机质35.7g·kg-1,碱解氮58.2mg·kg-1,有效磷575.98mg·kg-1,速效钾1.11g·kg-1,全Pb含量30.43mg·kg-1。供试作物为甘蓝型油菜品种‘秦油8号’,其种子购自杨凌示范区金道种业有限公司。实验所用螯合剂为:EDTA+乙酸(c/c=2∶1,pH4.1)。1.2土壤pb添加量的选择采用直径36.5cm、高26cm带有托盘的塑料盆进行土培实验,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和400mg·kg-1作为底肥,并充分混匀。以分析纯Pb(NO3)2作为Pb污染试剂,用去离子水配成母液,再逐级稀释配成溶液,分别按照Pb添加量为0、300、500、1000、1500和2000mg·kg-1的水平设计6个处理,分别喷洒到盆栽实验的土壤中,边喷边搅拌,以保证Pb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(pH6.8,水中未检出Pb2+)浇灌,保持土壤湿度为田间持水量的60%～70%。幼苗移栽生长40d后测定株高,并采集叶片测定叶绿素、游离脯氨酸含量;移栽50d后选择土壤Pb添加量1000mg·kg-1的处理,添加螯合剂(共设2、6、10和15mmol·kg-14个水平)进行螯合强化实验;加入螯合剂10d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Pb含量。1.3测量和分析的设计和方法1.3.1阳离子交换量采用常规分析方法测定。其中pH采用电位法(水土比为2.5∶1);阳离子交换量(CEC)采用醋酸铵(pH7.0)交换法;碱解氮含量采用半微量凯氏法;有机质含量采用重铬酸钾容量(外加热)法;有效磷采用NaHCO3浸提法;速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定。1.3.2叶绿素含量的测定用直尺测定株高;烘干称重法测定植物茎叶和根的干重;叶绿素含量用80%丙酮提取,用分光光度法测定;游离脯氨酸采用氨基水杨酸-酸性茚三酮比色法测定。1.3.3微波消解和测定pb含量称取粉碎后的植物样品0.2g,放入聚四氟乙烯消解罐中,加入1mL蒸馏水将样品润湿,再加入体积比为5∶1的HNO3和HClO4混合液6mL,用新仪MDS-6型微波消解仪消解(消解条件见表1),消解后的样品经加热赶酸后,转移到25mL容量瓶,用蒸馏水定容,最后用日立Z-5000型原子吸收分光光度计测定其中的Pb含量。测定条件为波长283.3nm,狭缝宽1.3nm,灯电流9.0mA,空气流量15.0L·min-1,燃气流量2.2L·min-1,测量器高度7.5mm。1.4处理数据所获数据用SPSS13.0和MicrosoftExcel软件进行分析,并检测相关性及差异显著性。2结果与分析2.1pb对紫菜生长指标的影响土壤添加外源Pb在一定程度上影响了油菜的生长。其中,当土壤Pb添加水平大于1000mg·kg-1时,油菜逐渐出现了植株矮小、叶片失绿、脱落等症状,但并没有死亡。所加的重金属Pb量不同,油菜的株高、地上部和根部干重都有所不同。表2为各水平Pb处理下油菜的生物量指标的平均值及其差异显著性检验结果。从表2可以看出,各水平Pb处理油菜的株高和干重表现出先增加后降低的趋势,而且其间存在显著性差异。其中,在低水平Pb处理(300和500mg·kg-1)下,油菜的株高、地上部和根部干重比相应对照略有增加但差异不显著(P>0.05),当Pb添加量为500mg·kg-1时分别比相应对照增加了6.5%、4.3%和13.8%。结果显示低水平的Pb对油菜的生长有促进作用,这可能是铅的加入促使其他必需营养元素的离子更为有效所致;当Pb的添加量大于1000mg·kg-1时,油菜株高、地上部和根部干重开始随着土壤Pb含量的增加而逐渐降低,其中在2000mg·kg-1Pb处理下,各部分生长指标分别比相应对照显著降低8.02%、21.19%和19.77%,此时Pb对油菜的生长表现出显著抑制作用,而且地上部干重反应最敏感。2.2不同浓度pb胁迫对油茶叶片叶绿素a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Pb污染的耐性指标。从表3可以看出,低水平(300～500mg·kg-1)Pb处理时,油菜叶片叶绿素a含量较对照有所增加但未达到显著水平(P>0.05);当Pb的添加量超过1000mg·kg-1时,叶绿素a含量开始出现显著下降趋势,且随着Pb处理水平的升高,其下降幅度更大,1500和2000mg·kg-1处理分别比对照显著降低30.91%和55.45%。这表明高浓度的Pb胁迫对油菜叶片叶绿素造成严重的破坏,干扰了叶绿素的生物合成,影响了叶片光合能力。从表3还可以看出,各浓度Pb胁迫下油菜叶片叶绿素b含量和叶绿素总量与叶绿素a含量的变化趋势基本一致,但Pb对叶绿素a的影响比叶绿素b更明显。从表3可以看出,油菜体内脯氨酸含量随着土壤Pb处理浓度的升高而增加,且各处理间及其与对照间均存在显著差异(P<0.05);脯氨酸含量与重金属浓度呈显著的正相关关系(r=0.9908**)。当Pb添加量为2000mg·kg-1时,油菜体内脯氨酸含量比对照升高了将近18倍,这也证实油菜体内存在对重金属Pb胁迫的耐性机制。脯氨酸在叶片中的积累一定程度上缓解了质膜损伤对植物造成的危害,这有利于维持植物体内的代谢平衡,保持植物的正常生长。2.3土壤重金属pb含量的影响由表4可以看出,油菜体内的Pb累积量随土壤Pb添加量的增加而呈上升趋势,但根部含Pb量增加幅度明显大于地上部和籽实,加Pb处理的地上部、籽实和根部Pb含量分别是相应对照的1.57～5.35倍、5.97～9.20倍、1.81～14.31倍。可见,重金属Pb主要积累在油菜根部,向茎叶和籽实迁移累积的量相对较少,从而使富集系数随之降低。另外,油菜籽实含Pb量明显小于地上部和根部,这说明重金属Pb对油菜籽实的污染最小。表4显示,油菜地上部和籽实Pb含量以及每盆油菜对Pb的吸收总量呈现相同的变化趋势,即随土壤加Pb量的增加先逐渐递增,于加Pb量为1500mg·kg-1时油菜累积Pb总量三者均达到最大值,之后累积Pb量反而有所下降,但所有加Pb处理均显著高于相应对照(P<0.05)。这可能由于随土壤Pb含量增加,其毒性也不断增强,对植物的机能造成损害也逐渐加重,从而抑制了油菜植株对土壤Pb的吸收及向地上部转运的能力。与地上部Pb含量变化有所不同,在本实验土壤所添加的Pb浓度范围内,根系含铅量随土壤加铅量的增加呈逐渐递增趋势,二者呈显著的正相关性(r=0.9799**),在土壤添加Pb浓度达到2000mg·kg-1时,油菜根部Pb含量也达到最大值192.26mg·kg-1。2.4螯合剂对油菜地上、底部重金属含量的影响本实验所用的螯合剂为EDTA与乙酸的混合试剂,其摩尔比为2∶1。其中EDTA是最常见的一种螯合剂,对很多重金属都有很好的螯合作用。EDTA与乙酸混合,一方面可以降低土壤的pH,有利于植物对Pb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。由图1可知,在4种水平螯合剂处理下的油菜地上部和根部重金属含量均极显著大于相应对照(0mmol·kg-1),而地上部的Pb量又明显高于同浓度的根部含量。其中,2～15mmol·kg-1螯合剂处理的地上部含Pb量分别比对照增加了4.2、6.1、11.6、18.5倍,而根部的重金属含量增加远没有地上部明显。这说明螯合剂的施用有效地活化了土壤中的Pb,增强了Pb的生物可利用性,使其移动性大大增加。本实验中还观察到,当加入不同水平螯合剂以后,油菜地上部Pb含量迅速上升,但是与未加螯合剂的对照相比,植株生长状况基本一致,除了少许叶片发黄外并未出现明显伤害,直到高浓度(15mmol·kg-1)螯合剂处理下,油菜才出现干枯、死亡等重金属中毒症状。这进一步证明,重金属Pb经过一定程度的螯合可能会降低它的生物毒性。因此本实验中对于Pb添加水平为1000mg·kg-1的污染土壤,当螯合剂添加量为10mmol·kg-1时,油菜具有最高的Pb提取效果。3最大限度消除pb对种子生长的影响,主要表现为(1)有关重金属植物修复方面的研究,国内外已经取得了重要进展,但有些问题仍待解决。本实验利用甘蓝型油菜‘秦油8号’对碱性土壤重金属Pb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Pb污染具有一定的耐性,低浓度的Pb处理对油菜的生长表现促进作用,高浓度Pb处理抑制油菜生长,这与前人的研究结果相似。同时,重金属Pb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Pb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,1000mg·kg-1可能是油菜‘秦油8号’受Pb毒害的临界浓度。(2)本实验发现,Pb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Pb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Pb吸收总量降低。本实验首次研究了Pb在油菜籽实中的分布特性,虽然与油菜其他器官相比油菜籽实积累Pb含量很少,但其含量仍高于国家《植物油料卫生标准》(GB19641-2005)规定的≤0.2mg·kg-1的标准限值,因此建议油菜整体采收、晾晒后,进行籽实的分离,将籽实用于工业用油(如生物柴油)的生产,秸秆可作为优质薪柴、发电或集中供热的气化燃料,最后对焚烧灰分进行安全填埋处理。这样既能对污染土壤进行修复,还能够取得一定经济效益,降低其工程的投入成本。(3)‘秦油8号’对Pb的修复效率虽然与超富集植物相比有较