镉在莲各器官中累积规律的研究

于辉, 彭佳师, 严明理

镉在莲各器官中累积规律的研究

于辉*, 彭佳师, 严明理

湖南科技大学生科院, 经济作物遗传改良与综合利用湖南省重点实验室, 重金属污染土壤生态修复与安全利用湖南省高校重点实验室, 湘潭 411201

莲子是我国重要的特产优质资源, 但莲等水生植物容易吸收积累重金属。为了探究莲对重金属镉的吸收积累特点, 利用盆栽外施不同浓度的镉(0, 1.0 mg·kg-1, 2.5 mg·kg-1)培养两个莲子品种, 检测分析镉对莲子生物量的影响及莲各器官中镉的含量。结果表明: 随着外施镉浓度的增加, 两种莲子生物量下降, 各器官中镉含量增加, 且与土壤镉含量呈正相关。各器官中镉含量差异明显, 根部镉含量最高, 莲壳中最低。根据GB 2762-2017, 当镉浓度为1 mg·kg–1时, 莲子中镉含量符合食品中污染物限量标准, 故莲可以在镉低污染区域种植。

镉; 莲; 累积

0 前言

莲(Gaertn.)为多年生水生植物, 因使用目的不同, 可将其分为花莲、籽莲和藕莲。莲子中含有丰富的磷脂、生物碱和类黄酮等营养保健成分, 是我国重要的特产优质资源, 也是重要的出口创汇特色农副产品之一。湖南的湘莲因具有高蛋白、低脂肪、口感好等特色, 历来作为进贡朝廷的珍品, 被称为“中国第一莲子”。莲等水生植物具有发达的维管束组织, 容易从水生环境中吸收积累重金属[1]。而随着现代工业的发展、工业“三废”的排放以及矿藏的大量开采, 土壤和水体重金属污染问题日趋严重。在众多污染元素中, 镉由于在土壤中具有高度移动性, 容易被作物吸收, 并通过食物链威胁人类健康, 被视为重金属中最具有危害性的元素之一[2]。许多学者对农作物吸收积累镉的机制进行了探讨, 如水稻(L.)[3]、小麦(L.)[4]等, 但镉与莲的关系却鲜有报道。因此, 本研究以湖南种植面积较广的两个籽莲品种为对象, 采用盆栽试验添加镉的形式, 分析镉在莲体内的分配, 为进一步研究莲吸收镉的机制以及莲子的安全生产奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验在湖南科技大学植物园内进行。供试土壤采自周边农田, pH 6.2, 有机质含量18.8 g·kg–1, 全氮1.68 g·kg–1, 速效磷18.5 mg·kg–1, 速效钾83.1 mg·kg–1, 重金属镉含量0.30 mg·kg–1。两个籽莲品种分别为寸三莲和太空莲, 由湖南粒粒珍有限公司提供。

1.2 实验设计

在相同大小的水泥缸(长×宽×高=150×70×70 cm)内装入晒干过筛的土壤150 kg, 加有机肥1.5 kg。镉以Cd(NO3)2·4H2O水溶液的形态加入, 设置两个镉处理, 浓度分别为1和2.5 mg·kg–1, 以不添加镉为对照。加水浸泡一个月, 其间经常搅拌, 使重金属与土壤充分融合。2019年4月将种藕栽种于水泥缸中, 每缸两株, 每个品种三次重复, 常规管理。8月莲子成熟后开始采收, 将根、地下茎、荷叶、叶柄、莲蓬、莲壳和籽粒分开, HNO3-H2O2微波消解后ICP-MS测定各器官镉含量。

1.3 数据分析

采用Excel 2003 和SPSS 13.0 软件对数据进行处理。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫对莲子生物量的影响

不同镉浓度下, 寸三莲和太空莲籽粒生物量见表1。总体来看, 随着镉浓度的增加, 两种莲子生物量呈下降趋势。镉浓度为1 mg·kg–1时, 太空莲生物量高于对照11%, 而寸三莲生物量下降了14%, 但差异均不显著。镉浓度为2.5 mg·kg–1时, 寸三莲生物量比对照下降了24%, 差异显著。太空莲下降了11%, 无显著差异。两个品种相比, 相同镉浓度下寸三莲生物量下降的幅度大于太空莲, 即前者生物量受镉影响要大于后者。

表1 不同镉浓度下两个品种莲子的生物量 (g·盆–1)

注: 同一行中不同字母表示在0.05 水平上差异显著。以下同

2.2 镉在莲子各器官中的分布

如表2所示, 镉在莲子各器官中的含量差异很大。总体看来, 根部的镉含量最高, 其次是籽粒、荷叶或地下茎, 莲壳中浓度最低。对照组、1 mg·kg–1和2.5 mg·kg–1镉处理时, 太空莲和寸三莲镉含量最高和最低器官浓度差别分别是6.4倍、17.1倍、30.7倍和6倍、16.6倍、27.2倍。低浓度时荷叶中镉含量大于茎, 而高浓度时则相反。各器官中镉含量随镉处理浓度的增加随之上升。如当镉浓度为1 mg·kg–1时, 寸三莲根部镉含量是对照的4.5倍, 其它器官增加了1.2一2倍。镉浓度为2.5 mg·kg–1时, 根部镉浓度升高到了对照的10倍, 其它器官镉浓度增加了2一3.4倍。太空莲在不同镉处理下各器官镉含量变化与寸三莲相似, 即根部镉含量及增加倍数高于其它器官。在莲的各器官中, 地下茎和籽粒属于可食用部位。根据食品中污染物限量标准(GB 2762-2017), 地下茎和籽粒中镉含量应低于0.1和0.5 mg·kg–1(鲜样)。按照地下茎中平均含水量75%, 籽粒中平均含水量60%计算, 1 mg·kg–1镉浓度处理下, 两个莲子品种地下茎中镉含量已经超出了限量标准, 而籽粒中镉含量则符合食品安全。当镉处理浓度为2.5 mg·kg–1时, 太空莲籽粒镉含量超出安全标准, 寸三莲接近临界值。

2.3 土壤和莲子各器官中镉含量的的相关性

莲子各器官和土壤中镉含量的相关系数如表3所示。可以看出, 莲子各器官镉含量和土壤镉含量均成显著的正相关, 相关系数均大于0.7。同一镉处理下, 莲子各器官之间镉含量也具有显著的正相关性, 相关系数为0.64一0.947。

表2 不同镉处理下莲子各器官中镉含量 (mg·kg–1干重)

3 讨论

3.1 镉对莲子生物量的影响

镉是植物非必需营养元素, 但有研究表明低浓度镉对某些植物的生长有一定的促进作用, 如大白菜((Lour.) Rupr.)生物量在1.0 mg·kg–1镉条件下显著增加[5], 苋菜(L.)在各镉处理水平总生物量以及地上部生物量均未显著降低[6]。本研究中, 外源施加镉浓度为1 mg·kg–1时, 与对照相比, 太空莲生物量升高, 寸三莲生物量下降, 但差异均不显著, 表明低浓度的镉不会对莲子生长产生影响。当镉浓度超过一定水平时则会对植物产生毒害, 最常见的症状是植物生长受到抑制。本实验中, 外源镉浓度为2.5 mg·kg–1时, 两个品种的莲子生物量都下降, 即该浓度对莲子生长产生了抑制作用。但两个品种生物量对重金属的反应不同, 这与前人的研究结果一致, 即同种作物的不同品种对重金属的反应存在差异[2]。

3.2 莲子各器官对镉的积累规律

土壤中的镉进入植株体内首先要通过根系的吸收。一般情况下, 大多数植物吸收的镉主要积累在根系, 而地上部各组织中的含量一般较低[4]。镉在根系中主要分布在质外体或形成磷酸盐、碳酸盐沉淀, 或与细胞壁结合, 以减少其向地上部分的转移, 这是大部分植物对镉的应激反应。本研究中, 三种镉处理下, 莲子根部镉含量显著高于其它器官, 说明了莲子根部对镉具有固定作用。根系吸收的镉通过木质部运输到茎、叶等器官进行再分配。本研究表明, 低浓度时镉在营养器官的分布为荷叶>叶柄>地下茎, 而高浓度时则为地下茎>荷叶>叶柄。许晓光等[7]报道, 低浓度下镉在藕莲中的分布是地下匍匐茎>荷叶>荷梗>藕, 随外源镉的增加, 藕中镉含量升高, 超过荷叶, 与我们的结果相似。在此需要说明的是, 因为我们种植的是以产莲子为主的籽莲, 故地下茎统一作为可食用部位, 而没有把匍匐茎和膨大茎分开处理。

茎叶中的镉可以通过韧皮部转移到籽粒中, 进入籽粒中的镉则被固定, 不再向其他部位运输。一般来讲, 镉在植物体籽实中的积累量很小, 但是本研究中, 籽粒中的镉含量大于地上部其它器官。镉经由韧皮部转移到籽粒中一般认为有以下两种途径[8]: (1)镉首先积累在营养器官, 籽实形成期通过再分配经韧皮部转移进入籽粒。(2)根持续吸收镉, 在茎节通过木质部-韧皮部的转运直接进入籽粒。而对于此部分的研究多集中在禾谷类作物[9], 莲籽粒中镉的积累特点还未曾见报道。籽粒中镉的积累是植物体内镉重新分配的结果, 因此对于本研究中莲子中的镉积累途径还有待于进一步的研究。

表3 土壤及莲子各器官之间镉含量的相关性

注:**表示相关性极显著

3.3 土壤镉污染与莲的食用安全

莲的可食部位有莲子和地下茎(莲藕)部分。本研究中, 当外施镉浓度为1 mg·kg–1时, 地下茎中镉含量超出国家安全食用农产品标准(0.1 mg·kg–1FW)。黎先超[10]、许晓光等[11]也报道, 低浓度的镉污染下(< 0.9 mg·kg–1), 莲藕中镉含量超出国家安全食用农产品标准。而根据农用地土壤污染风险管控标准(GB 15618-2018), 镉的风险筛选值为0.4 mg·kg–1, 管制值为2.0 mg·kg–1。由此表明, 土壤镉介于筛选值和风险管制值之间时, 莲的地下茎已受到了镉污染。而鉴于土壤镉含量与莲子各器官镉含量之间存在正相关(表3), 为了保证莲藕的安全生产, 需控制重金属污染源在一定的浓度范围内, 这也与多数研究结果类似[7, 10]。但Xiong[12]等分析了8个莲藕主产区土壤与莲藕重金属积累的关系, 发现两者并无相关性, 与我们的研究结果不一致, 原因还有待于进一步研究。而在此浓度下, 两个品种籽粒中的镉浓度均符合国家安全食用农产品标准。故对于主要以产莲子为目的的籽莲来讲, 可以种植在低浓度镉污染土壤。当外施镉浓度为2.5 mg·kg–1时, 已高于风险管制值, 从实验结果看也已不适宜莲子的种植。

因为关于莲对重金属吸收富集的报道较少, 且都没有深入的研究, 所以许多问题还需要进一步的探讨, 如镉胁迫下莲子生理生化指标的变化, 镉在莲子体内的迁移分配机制, 镉向莲子可食部位转运的影响因素等。

4 结论

随着外施镉浓度的增加, 莲子生物量下降, 各器官中镉含量上升。总体来看, 根部的镉含量最高, 其次是籽粒、荷叶/地下茎, 莲壳中浓度最低。各器官镉含量与土壤镉含量呈正相关。根据GB 2762-2017, 当外施镉浓度为1 mg·kg–1时, 莲的可食部位地下茎镉含量超出食品中污染物限量标准, 籽粒符合标准要求。当外施镉浓度2.5 mg·kg–1时, 从食品安全角度来讲已不适宜莲子的种植。

[1] RAI P. Heavy metal phytoremediation from aquatic ecosystems with special reference to macrophytes[J].Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 2009, 39(9): 697–753.

[2] GRANT C, CLARKE J, DUGUID S, et al. Selection and breeding of plant cultivars to minimize cadmium accumulation[J]. Science of the Total Environment, 2008, 390: 301–310.

[3] ZHANG Hongjiang, ZHANG Xizhou, LI Tingxuan, et al. Variation of cadmium uptake, translocation among rice lines and detecting for potential cadmium-safe cultivars[J] . Environmental Earth Sciences, 2014, 71: 277–286.

[4] 肖亚涛, 吴海卿, 李中阳, 等. 不同基因型冬小麦镉累积的器官差异及生产适用性研究[J]. 灌溉排水学报, 2016, 61–64.

[5] LIU Weitao, ZHOU Qixing, AN Jing, et al. Variations in cadmium accumulation among Chinese cabbage cultivars and screening for Cd-safe cultivars[J]. Journal of Hazar­dous Cultivars, 2010, 173: 737–743.

[6] 范洪黎, 周卫. 镉超富集苋菜材料(L.)的筛选[J]. 中国农业科学, 2009, 42(4): 1316– 1324.

[7] 许晓光, 卢永恩, 李汉霞. 镉和铅在莲藕各器官中累积规律的研究[J]. 长江蔬菜, 2010, (14): 53–56.

[8] YAN Y, CHOI D, KIM D, et al. Absorption, translocation, and remobilization of cadmium supplied at different growth stages of rice[J]. Journal of Crop Science & Biotechnology, 2010, 13 (2): 113–119.

[9] KATO M, ISHIKAWA S, INAGAK K, et al. Possible chemical forms of cadmium and varietal differences in cadmium concentrations in the phloem sap of rice plants (L.)[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 2010, 56: 839–847.

[10] 黎先超, 孙小梅. 莲藕各部位中重金属含量的分布状况[J]. 中南民族大学学报(自然科学版), 2006, 5(2): 25–27.

[11] 许晓光, 李汉霞, 卢永恩. 铅、镉和汞对莲藕生长发育的影响及其在各器官中的累积规律研究[J]. 园艺学报, 2011, 38: 2600.

[12] XIONG Chunhui, ZHANG Yuyang, Xu Xiaoguang, et al. Lotus roots accumulate heavy metals independently from soil in main production regions of China[J]. Scientia Horticulturae, 2013,164: 295–302.

Research on the accumulation of cadmium in lotus (Gaertn.) organs

YU Hui*, PENG Jiashi, YAN Mingli

College of Life Science, Key Laboratory of Economic Crops Genetic Improvement and Integrated Utilization, Key Laboratory of Ecological Remediation and Safe Utilization of Heavy Metal-Polluted Soils, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China

Lotus (Gaertn.) seed is an important high-quality local product resource in China, but lotus is easy to absorb and accumulate heavy metals. In order to explore the absorption and accumulation of cadmium (Cd) in lotus, two cultivars of lotus were cultivated with different concentrations of Cd (0, 1.0 mg·kg–1, 2.5 mg·kg–1) in the pot. The effects of Cd on the lotus seed biomass and Cd contents in each organ of lotus were detected and analyzed. The results showed that,with the increase of Cd concentration, the biomass of the two lotus seeds decreased and Cd content in each organ increased, which was positively correlated with Cd content in soil. Cd content in each organ was different obviously. Cd content in root was the highest and that in lotus shell was the lowest.According to GB 2762-2017, when Cd concentration is 1 mg·kg–1, Cd content in lotus seed conforms to the pollutant limit standard in food, so lotus can be planted in the area with low Cd pollution.

cadmium;Gaertn.; accumulation

于辉, 彭佳师, 严明理. 镉在莲各器官中累积规律的研究[J]. 生态科学, 2021, 40(1): 82–85.

YU Hui, PENG Jiashi, YAN Mingli. Research on the accumulation of cadmium in lotus (Gaertn.) organs[J]. Ecological Science, 2021, 40(1): 82–85.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.01.011

S181

A

1008-8873(2021)01-082-04

2020-03-10;

2020-04-10

湖南省自科基金省市联合基金(2019JJ60045); 湖南省教育厅项目(18K063); 湖南省重点实验室开放基金(E22007)

于辉(1978—), 女, 博士, 讲师, 从事重金属污染土壤修复与利用的研究, E-mail: lgyh@163.com