重金属锌污染下石榴的耐性特征及富集研究

向文平，杨 颖，崔荣龙，王俊飞

（1.四川中环联量环境咨询服务有限公司，四川 成都 610100；2.中铁二十三局集团第四工程有限公司，四川 成都 610091；3.中华全国供销合作总社天津再生资源研究所，天津 300191）

引言

土壤重金属的危害一直是我国重点关注的环境危害之一。有资料显示，目前我国因镉、砷、铅、铬、锌等重金属而污染的耕地面积约有2.5×104hm2，约占我国总耕地面积的1/5[2]，具体见图1。

图1 我国土地污染情况饼状图

密度高于4.5g/cm3的金属被称为重金属，其中包括铬、铜、汞、铁、铅、锌等。我国重金属危害主要是由污水灌溉、工业“三废”的排放、金属矿山废水污染、农业活动、大气沉降、交通污染等引起的[3]。

锌是植物必需的微量元素之一，缺Zn 会导致植物缺乏营养，引起生理病害，而Zn 过量则会导致植物代谢失衡，对植物产生毒害作用，Zn 对植物的毒害作用主要表现在破坏叶绿素的生成，降低植物光合作用强度[4]。

本文通过研究在重金属锌污染下石榴的耐性特征以及重金属锌在石榴体内的富集和转运，探究重金属锌对植物的影响机制。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

实验材料：成都龙泉驿区某工业园区内土壤、有机泥炭营养土、花盆若干、石榴幼苗若干。

实验仪器：千分位电子天平、球磨机、烘箱、消解仪、TAS 火焰原子吸收分光光度计、锌空心阴极灯、双光束紫外分光光度计等。

实验试剂：硝酸、氢氟酸、蒸馏水等。

1.2 检测方法

锌的测量：用千分位电子天平各称取前处理后的各实验组培养土和石榴根、茎、叶0.5 g（精确至0.01 g），并装入容量为25 mL 的带盖聚四氟乙烯坩埚中，加入少量纯净蒸馏水后加入10 mL 浓盐酸。

在电热板上以450±5 ℃的温度消解2 h。然后加入浓硝酸15 mL，继续加热待坩埚中消解物约为5 mL时，加入氢氟酸5 mL 继续加热，以除去样品中的硅化物。最后加入高氯酸5mL 加热到坩埚内的消解物颜色为淡黄时，打开盖，继续加热蒸发消解物至近干。取下冷却，加入1 mL 硝酸溶解坩埚中的残渣后移入50 mL 容量瓶中，定容。全程序空白实验与样品同时进行。仪器的使用条件见下页表1。

表1 仪器条件

叶绿素的测量：本实验采用乙醇提取法提取样本中的叶绿素。准确称量0.1 g（精确至0.01 g）新鲜石榴叶片，加入少量95%的乙醇，避光用玛瑙研钵研磨成均匀浆糊状，过滤后用10 mL 具塞比色管定容；使用双光束紫外可见分光光度计，以95%的乙醇较零，分别在649 nm、665 nm 处测量样品吸光度。石榴叶片叶

绿素计算公式如式（1）～式（3）：

叶绿素a 质量浓度，mg/L：

叶绿素b 质量浓度，mg/L：

叶绿素质量浓度：

叶绿素a、b 质量浓度比值为ρa/ρb。

式中：A649、A665分别为试样在649 nm、665 nm 波长下所测得吸光度值。

叶绿素对植物的生长起着至关重要的作用，植物中的叶绿素利用光合作用吸收光能生成有机物和少量的能量使植物得以生长发育。叶绿素的含量直接决定了植物光合作用强度，因此，通过检测叶绿素含量的多少可以间接地确定植物的健康程度。

1.3 石榴栽培和测定方法

本文研究内容是采用盆栽实验，Zn 处理各设置5种质量分数梯度[w（Zn）：0、100、500、1 000、1 500 mg/kg]见表2，研究石榴在Zn 污染下的生理和生化响应以及Zn 在石榴体内的富集特征，通过研究石榴抵御重金属胁迫的抗性机理，探究重金属锌的胁迫机理。

表2 重金属锌处理浓度

首先，通过火焰原子吸收分光光度法测量各实验组培养前、后土壤和石榴各器官中锌的含量。通过计算在不同浓度锌污染土壤中石榴对锌的富集和转运，探究锌在石榴体内的富集和转运规律。同时，通过双光束紫外可见分光光度计测量叶片中的叶绿素含量，间接确定石榴对锌的耐受能力和健康状况

具体步骤如下：

（1）2021 年1 月至3 月：取若干（18 个以上）个花盆，将成都龙泉驿区某工业园区内土壤、有机泥炭营养土按18 ∶2 的质量比例混合均匀通过后过网筛（10 目，0.25 mm），然后将过筛后的土（培养土）分别装入花盆中，每个花盆装土8.0 kg（精确至0.1 kg）。

选取适量的培养土、石榴的根、茎、叶，称重记录后放入烘箱，以80 ℃烘4 h，烘干后再称量记录质量并计算样品湿度及干物质的量。然后将样品放入球磨机粉碎后过筛（0.18 mm），取过筛样品按照检测方法1.2，测定样品湿度及锌含量的本底值。

将若干石榴幼苗栽种到装好土的花盆中。等到石榴幼苗生长状态稳定后，将配好的锌标准溶液按照表2 加入到各盆石榴中，4 个梯度实验组各设5 盆，空白对照组设3 盆。

（2）2021 年4 月至9 月：观察并记录石榴植株的生长状态，取适量土壤和石榴各器官样品，重复1 月至3 月培养土和植株样品的本底值测量步骤，测定锌的含量，湿度变化，记录和分析测量的数据。

（3）2021 年10 月：整理并分析本实验所有数据和资料，探究在重金属锌5 种浓度梯度污染下木本植物石榴对锌的抵御胁迫的抗性机理以及锌在石榴体内的富集特征。

2 结果及讨论

2.1 土壤本底值

测定刚培养土中重金属锌的本底值（表3、表4）。

表3 土壤重金属锌本底值

表4 土壤本底值其他指标

2.2 耐性特征

石榴的空白对照组（CK）发芽时间为5～7 天，实验组石榴的发芽时间如表5 所示。

表5 重金属锌处理下石榴发芽情况

由表5 可知，在锌的高浓度胁迫下各实验组石榴的发芽时间相比于空白组发芽时间有明显的延后，且锌的浓度越高，发芽时间延后越明显。而锌的浓度较低时发芽时间较空白组有略微的提前。由此可知高浓度锌会对石榴的发芽产生抑制作用，低浓度时有促进作用，整体体现为高抑低促的趋势。

由下页表6 可知，在重金属锌污染的土壤下，除处理质量分数为500 mg/kg 和1000 mg/kg 之间变化不明显外，石榴叶片叶绿素a 和叶绿素a&b 含量随处理浓度升高均呈先升高后降低趋势，且在锌添加量为100 mg/kg 时达到最大值，分别比对升高了0.037、0.094、0.042 mg/kg，说明锌对石榴叶片中叶绿素含量的影响也有高抑低促的作用，说明高浓度重金属锌会对石榴的光合作用产生抑制作用，而低浓度的锌反而对石榴的生长有益。

表6 重金属镉处理下石榴叶片内叶绿素质量分数 mg/kg

2.3 富集系数与转运系数

利用检测方法2.2 测量石榴体内的锌的含量，再利用下列公式计算出锌在石榴体内的富集和转运系数。

富集系数=植物体内某重金属所占得质量分数/环境中某金属的质量分数[5]

根-茎叶转运系数=植物茎和叶中重金属质量分数/植物根部重金属质量分数[5]

由表7 可知，在重金属锌的处理下，与对照相比，在石榴的根茎叶中重金属锌含量均随处理浓度的升高而增大。低浓度处理时，锌在根茎叶中没有呈现明显的分布规律，但通过表7 可以看出，锌浓度在第二组（500±56.7 mg/kg）以上时，锌在叶片中的含量明显多于根部，说明在高浓度锌的污染下锌会向石榴的茎叶中转移并富集，此时的果实不宜使用。

表7 石榴根茎叶中锌的质量分数 mg/kg

由表8 可知，石榴根茎叶的富集系数均随土壤中锌浓度的升高而变小，除了一号实验组以外，石榴的根对镉的富集系数高于空白组，转运系数均大于对照，说明高质量分数下（＞100 mg/kg+56.7 mg/kg）锌的加入均能促进石榴体内的锌从石榴的根部向迁移到茎叶的能力。此时石榴体内的重金属锌主要会富集在石榴的茎叶中，对石榴可食用部分的影响较大。

表8 石榴根-茎叶转运系数及富集系数

3 结论

本文以锌和石榴作为研究对象，通过在锌处理后的培养土中栽种石榴幼苗，测定生长在重金属锌污染的土壤下的石榴叶绿素、锌含量等，研究石榴在锌污染下的生理和生化响应以及锌在石榴体内的富集特征，通过研究石榴抵御重金属胁迫的抗性机理，探究重金属锌的胁迫机理。取得了一定的研究成果：高浓度锌会对石榴的发芽产生抑制作用，低浓度时有促进作用，整体体现为高抑低促的趋势；高浓度重金属锌会对石榴的光合作用产生抑制作用，而低浓度的锌反而对石榴的生长有益；在高浓度锌的污染下锌会向石榴的茎叶中转移并富集；w（Zn）＞100+56.7 mg/kg 时锌的加入均能促进石榴体内的锌从石榴的根部向迁移到茎叶的能力。

本研究可以对提高植物重金属污染的适应能力、改善重金属污染现状、开发培育重金属锌超富集植物、土壤植物修复、以及重金属污染土壤的治理提供数据依靠和理论支撑。