油料物对铅的研究

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本文作者：吕金印、李鹰翔、齐 君、叶庆富 单位： 西北农林科技大学生命科学学院、西北农林科技大学理学院、浙江大学核农所，

杭州

环境恶化和能源危机是人类目前面临的两大挑战。随着城市化、工业化以及农业生产的集约化经营，重金属引起的土壤污染日益严重[1]。近年来发展起来的植物修复技术以其成本低、可大面积推广和环境友好等特点，成为土壤净化的重要手段[2]。但有研究表明，植物修复也存在一些局限性，如修复速度慢[3]、能用于修复的植物大多没有经济价值[4]等。另一方面，能源危机、环境恶化、粮食安全等问题日趋凸显，生物能源（生物乙醇、生物柴油等）以其资源的丰富性、可再生性和CO2零排放等特点成为当今国际上新能源研发的热点[5]。然而，发展生物能源需要大量耕地，与传统的粮食生产相矛盾，因此，在污染土壤中栽培能源植物，生产生物能源显得非常重要。为了克服植物修复的不足和充分利用重金属污染土壤，可将能源植物开发和重金属污染土壤的植物修复相结合，通过发展能源植物来降低重金属污染土壤修复成本[6]。这一研究的关键是筛选对重金属具有一定耐受性和积累能力的能源植物。油料作物是一类重要的能源植物，是生产生物柴油油脂的主要作物，已有研究表明，油料作物对重金属具有一定耐受和积累能力，如向日葵对Cu[7]、蓖麻对Cd、Zn[8-9]、芥菜型油菜对Cd[10]具有较强的耐受性和吸收能力。Cr、Pb是重金属对环境污染报道中常见的两种单一污染元素，目前，有关多种油料作物对Cr3+、Pb2+耐受和积累能力的差异鲜见报道。本研究选用4种油料作物，采用不同浓度Cr3+、Pb2+水培处理，分析4种油料作物幼苗生长特性和对Cr、Pb吸收水平差异，比较对Cr3+、Pb2+的耐受性和积累能力，为重金属污染地区环境的植物修复提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料供试4种油料作物花生（白沙1018）、大豆（中黄24）、向日葵（567DW）、蓖麻（淄蓖5号）种子均购于陕西省西安市华星种苗公司，为当年市售新种子。

1.2试验处理选取籽粒饱满的4种作物种子，用0.1％HgCl2表面消毒10min去离子水冲洗。将种子置于铺有3层滤纸的培养皿中，25℃恒温催芽。待胚根长至2cm左右，置于纱网上，7d后转入盛有2L1/2Hoagland营养液的塑料盆（直径18cm，深20cm）中继续培养，每4d更换一次营养液。用有定植孔的硬质纸板承载作物，用脱脂棉包茎以固定植株，并保持连续通气，每盆8株。出芽20d后采用CrCl3•6H2O和Pb（NO3）2处理，Cr3+处理浓度为0、50、100、200mg•L-1，Pb2+处理浓度为0、100、200、400mg•L-1，每种处理设3个重复。重金属处理期间，为避免Pb2+与PO3-4发生沉淀，对照与处理营养液中均不加KH2PO4。整个试验在光照培养室中进行，昼/夜温度：（27±3）℃（/21±3）℃，光/暗：14h/10h，光强：150μmol•m-2•s-1。

1.3生物量测定重金属处理10d后，分别采取4种作物根部及地上部，用自来水和去离子水洗净，将根系置于5.0mmol•L-1CaCl2溶液浸泡30min，再用去离子水清洗3次。吸水纸吸干表面水分，105℃杀青15min，80℃烘干至恒重，称重。

1.4重金属含量测定将烘干的根部和地上部样品磨碎后，称取0.1g，加入HNO3-HClO4（4∶1，V/V）混合酸，220℃沙浴消化，蒸至近干，去离子水定容至10mL，利用火焰原子吸收分光光度计（Z-5000赛曼，日立公司）测定Cr、Pb含量[11]。1.5数据处理作物对重金属的耐受指数（Toleranceindex，TI）按下式计算[12]：TI=重金属处理作物的生物量/对照作物的生物量×100%作物组织重金属积累量按下式计算[13]：根（地上）部重金属积累量=根（地上）部重金属含量×根（地上）部干重重金属的迁移率（Translocationrate，TR）按下式计算[14]：TR=作物地上部重金属积累量/整株重金属积累量×100％试验数据用Excel2007和SPSS16.0软件进行处理与统计分析，数值结果用3次重复的平均值±标准差表示。

2结果与分析

2.1不同浓度Cr3+、Pb2+处理下4种油料作物生长参数和耐受指数的变化随着Cr3+、Pb2+处理浓度的升高，4种油料作物的根长和株高呈降低趋势（表1、表2）。其中，低浓度Cr3+（50mg•L-1）、Pb2+（100mg•L-1）处理下，向日葵的根长与对照差异不显著（P>0.05）。同样，4种作物根系和地上部分生物量随Cr3+、Pb2+处理浓度的升高而降低。其中花生和向日葵降幅较小，与对照相比，高浓度Cr3+（200mg•L-1）处理下地上部生物量分别降低了38%、19%，高浓度Pb2+（400mg•L-1）处理下分别降低了30%、26%，且不同浓度Cr3+、Pb2+处理下，花生和向日葵耐受指数较高（表1、表2），表明花生和向日葵对Cr3+、Pb2+具有较强的耐受性。而大豆和蓖麻在高浓度Cr3+（200mg•L-1）、Pb2+（400mg•L-1）处理下地上部生物量降幅均大于40%。不同浓度Cr3+、Pb2+处理下大豆和蓖麻耐受指数较低，对Cr3+、Pb2+的耐受能力较弱。

2.2不同浓度Cr3+、Pb2+处理下4种油料作物组织中Cr、Pb含量的变化由图1-A可知，随着Cr3+处理浓度的升高，4种作物地上部Cr含量呈增加趋势。高浓度Cr3+（200mg•L-1）处理下，大豆地上部Cr含量最高（5322mg•kg-1），其次为向日葵（4640mg•kg-1）、花生（955mg•kg-1）、蓖麻（468mg•kg-1）。4种作物根部Cr含量明显大于地上部，表明大部分Cr滞留在作物根系（图1-B）。与Cr3+处理相类似，4种作物根中Pb含量明显高于地上部（图2-B）。随着Pb2+处理浓度的升高，4种作物地上部Pb含量均不同程度的增加（图2-A）。其中，向日葵地上部Pb含量明显高于其他作物，在高浓度Pb2+（400mg•L-1）处理下达1439mg•kg-1。

2.3不同浓度Cr3+、Pb2+处理下4种油料作物组织中Cr、Pb积累量和迁移率的变化由表3可知，随着Cr3+处理浓度升高，大豆、向日葵、蓖麻根部Cr积累量呈下降趋势，而花生在不同浓度Cr3+处理下，根部Cr积累量无显著差异（P>0.05）。说明在中、高浓度（100、200mg•L-1）Cr3+处理下，花生根部仍能保持较高的Cr积累量，其他作物根部则由于Cr3+处理浓度升高造成的生物量下降，以及Cr含量下降导致Cr积累量降低。4种作物中，大豆在100mg•L-1Cr3+处理下地上部Cr积累量最高（1533μg•株-1）。4种作物Cr迁移率均随Cr3+处理浓度升高而增加，200mg•L-1Cr3+处理下迁移率为：大豆>向日葵>花生>蓖麻。随着Pb2+处理浓度的升高，4种作物地上部和根部的Pb积累量呈增加趋势（表4）。相同浓度Pb处理下，蓖麻根部Pb积累量大于其他3种作物。200mg•L-1Pb2+处理下，花生的地上部Pb积累量最高（492μg•株-1）。在此浓度处理下，4种作物的Pb迁移率为：花生>大豆>向日葵>蓖麻。

3讨论

植物根系、地上部的生物量和生长速率，可作为评价植物对重金属耐受性的间接指标[15]。同时，生物量也直接影响重金属污染土壤的植物修复效果，生物量高的植物能起到良好的修复作用[16]。本研究中，4种作物的生物量、生长速率随着Cr3+、Pb2+处理浓度的升高而降低，这与曹莹等[17]采用Pb处理花生的研究结果类似。此外，郭艳丽等[18]研究发现，随着Cd处理浓度的升高，向日葵生长受到明显阻碍，根、茎、叶生物量显著下降。植物耐受指数反映了植物对重金属的耐受性，耐受指数越大，表示植物对重金属的耐受性越强[19]。当耐受指数小于0.5时，则说明重金属对这种植物的毒害作用明显，植物基本很难在这种浓度的重金属环境中生长。本研究对4种油料作物的生长参数和耐受指数综合分析表明，花生和向日葵对高浓度Cr3+（200mg•L-1）、Pb2+（400mg•L-1）处理均具有较强的耐受性，而大豆和蓖麻的耐受性相对较弱。植物对重金属的积累能力在种间差异较大，通过本研究可以看出，花生、大豆、向日葵、蓖麻均对Cr、Pb的富集能力不同，这点在不同花卉对铅富集特征的研究中也有体现[20]。同时，培养条件也对重金属的积累产生很大影响。一般而言，植物在液体环境中对重金属的吸收量高于在土壤条件下，但可反映植物对重金属的富集能力。本研究中，4种油料作物体内的Cr、Pb大部分滞留在根系，根中Cr、Pb含量最高分别达到46g•kg-1（大豆）和198mg•kg-1（蓖麻）。在其他水培试验中也发现，根系有较高的重金属含量，陈亚华等[21]研究了芥菜型油菜对Pb2+的吸收，经过12d的培养，油菜根系Pb含量在140g•kg-1以上。Chen等[22]观察到蕹菜在10mg•L-1Cr3+处理下，根部的Cr含量大于6000mg•kg-1。作为土壤修复的理想植物，在其可收获部位应具有高重金属耐受性和高积累能力[23]，一般来说，植物的可收获部位是地上部分。迁移率是地上部重金属积累总量与全株重金属积累总量的比值，可以很好地说明对重金属的转移能力[24]。本研究显示，大豆对Cr的迁移率较高，200mg•L-1处理下为66.7%，说明在此浓度下，大豆地上部积累Cr总量大于根部。相对而言，Pb的迁移率较Cr低，可能是由于植物对Pb的富集大多是通过植物细胞间隙（质外体）中的沉积作用[25]。4种作物中，花生的Pb迁移率较高，200mg•L-1Pb2+处理下为11.7%。本研究中虽然大豆地上部Cr、Pb积累量较高，但是随着Cr3+、Pb2+处理浓度的升高，大豆叶片萎蔫、发黄脱落现象也逐渐加重。在200mg•L-1Cr3+和400mg•L-1Pb2+处理下植株接近死亡，说明植株体内吸收的重金属对其造成严重伤害，也间接说明了大豆对Cr3+、Pb2+的耐受性较弱。Pb2+处理下向日葵的Pb含量较高，但由于其生物量较低，导致Pb积累量低于花生。综合分析花生、大豆、向日葵、蓖麻在不同浓度Cr3+、Pb2+处理下的生长及对Cr、Pb的吸收量，可以看出，花生表现出较强的耐受性，并且对Cr、Pb的富集能力也较强。因此，可将花生作为修复Cr3+、Pb2+污染环境的油料作物。本研究只限于4种油料作物在幼苗期和水培条件下对重金属Cr3+、Pb2+的耐受性和积累状况，有关其他生育期及全生育期作物在土壤环境中的重金属耐受和积累能力，以及收获后籽粒中重金属的积累量有待进一步研究。4结论在Cr3+、Pb2+胁迫条件下，4种油料作物的生长参数和生物量随处理浓度的升高而呈现不同程度的降低。相对于大豆、向日葵和蓖麻，花生根部及地上部生物量较大，耐受性较高，并且对Cr、Pb的积累量较大，可以作为重金属Cr3+、Pb2+污染环境植物修复的油料作物。