籽粒苋对攀枝花市含镉土壤的生理生化响应及修复效果

何欣怡，孙 蓉，程 茜，陈生婷，郑 毅

（攀枝花学院生物与化学工程学院，四川攀枝花 617000）

土壤是环境体系的核心介质，是大气和水体两者之间的关键桥梁，它携带着来自空气中大部分的污染物和水污染物，最终集中在土壤中。随着我国工业化和城市化的迅速发展，土壤重金属污染形势日益严峻。一般来说，重金属是指密度大于4.5 g·cm-3的金属，主要有铜、铅、锌、镉、铬、钴、镍、锰等[1]，土壤重金属污染修复已成为一个重要的研究课题。在我国蔬菜种植地区的土壤存在的重金属污染问题主要是镉含量超标，汞超标率次之[2]。镉具有高毒性与高迁移性，被植物吸收后可以通过食物链直接或间接进入人体，威胁人的身体健康[3]。

攀枝花地区矿产资源极其丰富，矿业开发使土壤受到不同程度的重金属污染[4]，其中As、Cd、Cr、T、V 元素含量和污染程度较高，且在不同的矿区，污染的来源不同[5]。前人研究表明，攀钢地区土壤各种重金属元素都表现出污染，Cd 污染最为严重[6]。马家田尾矿区位于攀枝花东区银江镇，是攀钢集团的尾矿区[7]，其土壤中富集了多种重金属元素，对环境和生物造成了一定的影响。因此开展该地区土壤污染修复研究具有重要意义，不仅有利于对重金属元素污染的土壤进行修复，也有利于部分资源的再利用。

植物修复技术是20 世纪90 年代初发展起来的一种对生态系统友好、经济合理的新兴修复技术，它是利用某些植物及其微生物共存系统对重金属、放射性元素等的过量耐受和积累来消除土壤污染。Brooks 在1977 年提出了超富集植物的定义[8]，直到后来Chaney在1983 年向世界宣布植物修复的想法后[9]，植物修复技术才被用来修复重金属污染的土壤。我国镉污染土壤修复技术无论是在治理模式、修复技术及相关法律很大程度上仍落后于其他发达国家[10]，在近几十年来，随着土壤污染问题逐步被重视，有关植物修复的研究也取得了较大的进展。

籽粒苋（Amaranthus hypochondriacus）是苋科苋属一年生草本植物，起源于中美洲和东南亚地区[11]，具有生物量大、耐镉性强、镉富集特性好等特点，主要包括多穗苋、尾穗苋和绿穗苋。周启星等在1995年发现苋科植物具有很强的富镉能力，因此可以利用苋科植物来治理镉污染土壤[12]。Chunilall等研究也发现，食用红叶苋菜和绿叶苋菜对镉有很强的富集作用[13]。在镉污染土壤中，镉离子浓度会影响籽粒苋的生长发育，李凝玉等研究发现，两个籽粒苋品种都对土壤中的镉有吸收作用，并且土壤中的镉离子浓度越大，籽粒苋的生物量就越少，同时，籽粒苋内的镉含量会随土壤中镉含量增加而增加，当土壤中镉浓度为16 mg·kg-1时，就达到了超富集植物的临界标准[14]。如果镉离子浓度很低的话，籽粒苋的抗氧化能力也会降低；镉离子浓度很高时，籽粒苋会启动活性氧防御机制，从而增加其对镉的抗性。

籽粒苋具有数量多、容易栽培等优点，吸收累积重金属的能力较好，在修复重金属污染土壤上具有较大的应用潜力[15]。以攀枝花市阿署达地区的土壤为研究对象，将籽粒苋作为土壤修复植物，通过实验室盆栽试验及测定镉胁迫下籽粒苋生理生化指标的变化，来确定籽粒苋对该地区的含镉土壤是否具有修复作用及其修复响应机理，确定该技术在攀枝花阿署达地区是否具有应用前景，对改善该地区土壤环境、避免镉危害人体健康具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤：在攀枝花市阿署达地区，选择10个土壤采样点，包括A（水景休闲区）、B（休闲运动区）、C（高档休闲区）、D（集散服务区）、E（荷塘体验区）、F（宗教朝拜区）、G（花香果园区①）、H（花香果园区②）、I（商务接待区）、J（度假区）。相邻采样点之间的距离在500 m 以上。从表层土壤（10～20 cm）中取约10 kg 的土壤样品，运回实验室除去碎石、砂砾、异物残渣等，将各样点土壤均分为2份，1份用于种植植株，待种植后再风干，另1份直接风干，将风干的土样在研钵中用棒压碎，过0.150 mm（100目）孔径的尼龙筛。过筛后的土壤混合均匀。

供试植物：通过种子育苗选择生长一致、抽薹期生长良好、无病虫害的籽粒苋植株为试验材料。

1.2 镉吸附试验

选取实验室栽培的长势一致、无病虫害、茎高相同的籽粒苋，移栽到含有不同样点土壤的盆钵中，1株1 盆，栽培于攀枝花学院实验室，每天定时浇水，每组设置3 次重复。两个月后，从每组盆栽里取靠近籽粒苋的根际土壤样品，用于镉含量检测。

1.3 土壤中镉含量的测定

将待测土壤风干后，拣去杂质，利用研钵碾磨，过100 目尼龙筛，取过筛后的土壤约50 g，送攀枝花钒钛检验检测所，用石墨炉原子吸收分光光度法测定土壤中镉含量。

1.4 籽粒苋生理生化指标测定

分别利用BoxBio（北京）公司的植物叶绿素（Chlorophyll）含量检测试剂盒、丙二醛（MDA）含量检测试剂盒、脯氨酸（Pro）含量检测试剂盒、植物可溶性糖含量检测试剂盒、超氧化物歧化酶（SOD）活性检测试剂盒、过氧化物酶（POD）活性检测试剂盒及过氧化氢酶（CAT）活性检测试剂盒（紫外吸收法），测定镉胁迫后籽粒苋叶片中叶绿素、丙二醛、游离脯氨酸、可溶性糖含量及SOD、POD、CAT活性。

1.5 数据处理

采用SPSS 18.0 软件进行数据统计分析，利用Excel整理数据，分析对比籽粒苋种植前后土壤中镉含量的变化。评估籽粒苋对尾矿区的土壤修复情况。

2 结果与分析

2.1 处理前的土壤镉含量测定

处理前各采样点的土壤镉含量如表1 所示，所有地区的土壤镉含量均低于土壤重金属污染国家标准中的二级标准。可以看出，A 点土壤的镉含量最高，为0.271 mg·kg-1，该地区处于乡村地带，经营种植业和畜牧业，土壤镉含量相对较高的原因可能是因化肥、农药的频繁使用污染了土壤。此外，G、H、J 点的土壤镉含量均＜0.01mg·kg-1，这些地区种植了许多果树，土壤比较肥沃，土壤中的微生物丰富。还可以看出土壤镉含量高低与环境好坏、所处地带有很大的关系，一般来说绿化较好的地方，基本不存在土壤重金属污染问题，相反，比较荒废、人流量较多的地方，土壤可能存在重金属污染。

表1 初始状态下各采样点的土壤镉含量

2.2 处理后的土壤镉含量测定

根据第一次检测结果，E、G、H、J 点的土壤中镉含量较低，不具有研究意义，因此去除了这4 个地区的土壤样品，对其余6 个采样点的土壤样品进行第二次镉含量检测。由图1 可以看出，种植籽粒苋后，所有采样点的土壤中镉离子含量都降至0.01 mg·kg-1以下，表明籽粒苋对土壤中的镉存在一定的吸附作用，并且处理效果良好。

图1 处理前后的土壤中镉含量对比

2.3 镉胁迫对籽粒苋生理生化指标的影响

2.3.1 对叶绿素含量的影响

叶绿素是植物叶片进行光吸收、光传递和光转化的场所，在一定程度上是反映植物光合能力受环境胁迫程度的重要指标[16]。由表2 可知，在镉胁迫下，籽粒苋叶片的叶绿素含量有所下降，下降率达32.8%。表明镉被植物吸收后，抑制了叶绿素中几种酶的活性，阻碍了叶绿素的合成，从而降低了植物的光合作用。

表2 镉胁迫对籽粒苋生理生化指标的影响

2.3.2 对丙二醛含量的影响

丙二醛可以反映膜脂过氧化情况，从而可以明确细胞膜系统受到侵害的情况。由表2 可知，在镉胁迫下，籽粒苋的丙二醛含量有所升高，但是增幅较小，说明籽粒苋的耐受性比较强。

2.3.3 对脯氨酸含量的影响

脯氨酸对细胞质渗透平衡起调节作用，在镉胁迫下，植物中的脯氨酸大量积累，从而降低重金属的毒害，增加了植物的抗逆能力。由表2 可知，籽粒苋的脯氨酸含量有所增加，说明籽粒苋的抗逆能力较强。

2.3.4 对可溶性糖含量的影响

可溶性糖同样作为植物的渗透调节物质，在植物受到镉胁迫的时候，其细胞内的可溶性糖含量增加，从而增加了细胞液的浓度，提高了细胞的吸水能力，增加了植物的适应能力。由表2 可知，籽粒苋在受到镉胁迫时，其细胞内的可溶性糖含量显著增加，提高了籽粒苋对镉的适应能力。

2.3.5 对抗氧化酶活性的影响

当植物受到镉胁迫时，体内会生成大量的活性氧，抗氧化酶系统则可以通过消灭活性氧来减少植物受到的伤害。抗氧化酶系统主要由SOD、POD、CAT构成，植物体内的自由基在SOD 作用下生成过氧化氢，再通过POD 和CAT 生成水和氧气。由表2 可知，当籽粒苋受到镉胁迫时，体内的SOD、POD、CAT 含量都有不同程度的升高，表明籽粒苋在镉胁迫时可以通过发挥抗氧化酶系统的作用来减少镉的侵害。

3 小结与讨论

籽粒苋具有易于栽培、环境适应能力强、富集能力强等特点，具有很大的土壤镉污染修复的潜力。试验结果表明，镉胁迫对籽粒苋叶绿素合成有显著的阻碍作用，并且在镉胁迫下，籽粒苋的丙二醛、脯氨酸、可溶性糖含量及抗氧化酶活性均有所升高。周际海等的研究也表明：在镉胁迫下，香樟幼苗的脯氨酸、可溶性糖含量均有一定程度增加[17]。试验表明籽粒苋在镉胁迫时可以发挥其作用来减少镉的侵害，吸附土壤中的镉离子，以达到土壤修复的目的。

污染土壤修复的目的是保障人们的健康，使土壤恢复生产力。就目前而言，关于籽粒苋吸附土壤中镉离子的研究，大多是籽粒苋配合生物活化剂或者微生物共同修复镉污染土壤。宋波等人在研究应用籽粒苋修复镉污染农田土壤的潜力发现，在盆栽土壤中添加磷酸二氢钾、EDTA 等生物活化剂能提高籽粒苋的生物量，改变土壤中镉的形态，更能促进籽粒苋对镉的富集能力[18]。罗艳研究发现，可降解螯合剂（EDDS、NTA、APAM）施入后显著增强了籽粒苋根系和地上部分对镉的吸收，并且植物的根、茎、叶等组织对镉的富集能力也得到加强[19]。本试验的土壤属于轻度含镉土壤，添加活化剂更能加快籽粒苋修复镉污染土壤的时间，同时也能节约成本。因此添加生物活化剂比单一的籽粒苋修复更适合攀枝花地区。另外，相关学者采用生物炭对攀枝花地区的重金属污染土壤进行修复的研究表明，土壤中添加生物炭，能有效降低土壤中重金属的含量并增加土壤的肥力[20]。但是由于生物炭成本较高且有可能会改变土地的结构和生态系统的结构，会带来不可估量的危害，因此植物修复的方法更适合在攀枝花地区推广。

籽粒苋修复污染土壤研究有以下方面仍需完善：试验大多为室内盆栽种植的形式，自然界实际应用的却很少[11]。未来应采用室内室外结合的方法进行深入研究，通过现代生物技术，寻求控制籽粒苋吸收重金属的关键基因，以此来培育出更强大的籽粒苋新品种。籽粒苋修复重金属污染的机理研究及籽粒苋吸收重金属的后续处理应得到加强和完善，优化籽粒苋修复技术，可与微生物、动物等结合，提高籽粒苋修复重金属污染土壤的效率，开发出一套环境友好型的可持续修复技术。

综上所述，通过对阿署达地区的土壤镉含量检测结果显示，各个地点的土壤中都不同程度地含有镉，但是未达到污染的程度。在镉胁迫下，籽粒苋的叶绿素含量显著降低，从而影响了光合作用，侵害了植物的生长，因此应该提高抗性；籽粒苋的丙二醛、脯氨酸、可溶性糖在镉胁迫下，含量都有不同程度的升高，以此来提高植物的抗逆性；镉胁迫往往伴随着氧化胁迫，因此植物的抗氧化能力在一定程度上反映其耐镉能力[21]，籽粒苋体内的SOD、POD、CAT 在镉胁迫下，活性都有不同程度的升高，从而消灭活性氧来减少植物受到的伤害。比较前后两次土壤中镉含量检测结果，发现土壤中的镉含量均有所降低，表明籽粒苋对土壤中的镉具有吸附作用，可以用作土壤镉污染的修复植物，并且效果较好。