叶面喷施锌、硅对莴笋镉累积的影响

罗 玲,吴小华,廖紫君,张萌越,陈玉成,王 洋,杨志敏①

(1.西南大学资源环境学院/ 重庆市生态环境局农用地土壤污染风险管控重点实验室,重庆 400716;2.重庆市能源生物资源开发重点实验室,重庆 400716;3.重庆市江津区农业技术推广中心,重庆 402260)

随着经济的发展及人们饮食结构的变化,蔬菜已经成为我国种植业中仅次于粮食的第二大农作物[1],莴笋作为人们喜食的蔬菜在我国广为种植。相关研究表明,我国农业土壤中有一定的重金属污染超标率,且以中轻度污染为主[2]。MI等[3]对不同程度Cd污染土壤中10种莴笋的安全性评价发现,轻度污染土壤(Cd含量为0.39 mg·kg-1)中种植的6种莴笋Cd累积量超过国家限量标准,其余4种接近临界值,表明莴笋较易受到来自土壤的重金属污染。重金属Cd胁迫对蔬菜生长表现出明显的抑制作用,会导致其出现植株矮小、生长迟缓、退绿、产量下降、品质下降等现象[4]。

叶面喷施阻控剂是一种操作简便、可实现边修复边生产的重金属污染农地安全利用技术。含Zn、Si的叶面阻控剂目前广泛应用于水稻、小麦等作物,可显著降低重金属在籽粒中的累积[1,5]。其主要机理为Zn作为与Cd化学物理性质相近的生命必需元素,在质膜中与Cd同用一个运输系统,其离子与Cd2+之间具有重要的拮抗效应,可有效竞争植物细胞内的吸附位点和转运蛋白[6],从而影响Cd在土壤-植物系统中的吸收转运过程;Si与Cd可在带有大量负电荷基团的植株细胞壁发生络合沉淀[7],增强细胞壁对Cd的吸附,将Cd区隔于细胞壁中[8],降低Cd在质外体的运输[9],以此阻控作物对Cd的转运,降低可食用部位Cd含量[10]。关于蔬菜种植叶面喷施阻控剂的研究主要集中在改善生长品质、营养状况、光合特性等方面,含Zn、Si的叶面阻控剂能否有效阻控蔬菜对污染土壤中重金属的累积,及其在器官及细胞水平的分布及变化规律鲜见报道。

该研究通过盆栽试验,研究Zn、Si叶面阻控剂的施用对轻污染土壤蔬菜Cd累积的阻控效应,并从亚细胞分布、形态转化等方面探索其阻控机制,研究结果可丰富农用地重金属污染防治理论,为农产品安全生产提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

土壤采自西南大学紫色土监测基地。将CdCl2溶解后投加于土壤中,土壤水分条件为田间最大持水量的80%,充分混匀,室温条件下陈化4个月以制备轻度污染土壤。供试土壤pH值为7.9,有机质含量为16.51 g·kg-1,碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为56.29、32.49、284.65 mg·kg-1,全Cd、有效Cd含量分别为0.8、0.4 mg·kg-1,全Zn、有效Zn含量分别为93.66、0.69 mg·kg-1。

莴笋(Lactucasativa)幼苗为当地品种“科兴尖叶九号”。叶面喷施肥为EDTA-Zn和ZnSO4,优级纯,购自阿拉丁试剂(上海)有限公司;Si喷施肥(主要成分为二氧化硅溶胶,Si质量浓度为85 g·L-1)购自佛山市铁人环保科技有限公司。

1.2 试验设计

试验采用盆栽进行。每个盆钵装土3.5 kg,种植4株三叶一心、大小均匀的莴笋幼苗。移栽前施入复合肥,采用称重法保持土壤水分。试验选取3种叶面喷施试剂,各2个浓度梯度,共6个处理组,设置1个空白对照喷施组CK(表1)。

种植30 d时喷施第1次,45 d时喷施第2次。每株每次喷施10 mL,叶片上、下表面均匀布雾,液体未流下。第1次喷施后每5 d进行整株采样,采集的莴笋用去离子水洗去表面土壤及灰尘,放入烘箱110 ℃杀青30 min之后,于75 ℃烘干至恒重,粉碎过0.25 mm孔径筛,保存待测。

1.3 测定项目与方法

1.3.1莴笋总Cd和不同形态Cd含量

莴笋总Cd含量用火焰原子吸收分光光度法测定;莴笋中不同化学形态Cd组分的提取采用不同极性化学试剂的逐步提取法[11-12],逐步提取步骤如表2所示。

1.3.2莴笋中Cd的亚细胞组分分布

莴笋亚细胞组分提取采用差速离心法[12-13]：称取预先冰冻好的样品,加入预冷提取液〔0.25 mol·L-1蔗糖、50 mmol·L-1三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲液(pH值7.5)和1 mmol·L-1巯基乙醇〕,将样品研磨成匀浆,在4 ℃下采用不同转速依次离心,按2 400 r·min-1离心15 min(离心半径13 cm),得到沉淀部分为细胞壁组分(F1);将上清液以10 000 r·min-1离心30 min(离心半径47.7 mm),此时上清液为含核糖体和液泡的细胞液、胞质溶胶及内含物的细胞可溶部分(F2),沉淀部分即细胞器组分(F3)。将各组分加酸消煮后测定Cd含量。

1.4 数据处理

根到叶的转移系数(TF)为叶部Cd含量与根部Cd含量的比值。采用Microsoft Excel 2010和Origin Pro 8.5软件进行数据处理及图表绘制,采用SPSS 19.0软件进行Duncan检验(P<0.05)和Pearson相关性分析。

表2 莴笋Cd形态逐步提取法

2 结果与讨论

2.1 叶面喷施对莴笋Cd累积的影响

2.1.1收获期莴笋可食部位Cd含量

GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》规定,叶菜蔬菜Cd限量值为0.2 mg·kg-1。收获期可食部位Cd含量见图1。

各处理设计见表1。

如图1所示,CK叶部Cd含量超标;叶面喷施后,除mSi处理叶部Cd含量超标以外,其余处理可食部位Cd含量显著降低(降幅达10.51%～45.09%,P<0.05),均低于GB 2762—2017限量值;高浓度的Zn、Si叶面阻控剂降Cd效果均显著优于低浓度的叶面阻控剂。在莴笋茎部,Zn能显著降低茎部Cd含量 22.94%～45.09%(P<0.05);60 和30 mmol·L-1的Si阻控剂能使茎部Cd含量分别降低31.11%和22.91%(P<0.05),Zn阻控剂对Cd积累的抑制效果明显优于Si阻控剂,2种Zn阻控剂之间差异不显著。在莴笋叶部,Zn能使Cd含量显著降低10.51%～25.48%(P<0.05),高浓度Si阻控剂使叶部Cd含量显著降低30.66%(P<0.05),低浓度Si阻控剂对叶部Cd含量无显著影响。不同处理比较而言,莴笋茎叶部Cd积累量为MSi

2.1.2Cd转运系数的动态变化

CK处理下TF根-茎、TF根-叶随莴笋生育期延长逐渐增大(图2),即根部吸收的Cd持续向地上部转移,而且转移能力持续增大。叶面喷施的降Cd幅度表现为茎部大于叶部,所以叶面喷施后TF茎-叶较CK处理有所提升,但TF根-茎、TF根-叶显著降低,且喷施同一种阻控剂时,高浓度处理的各器官转移系数均小于低浓度。施Zn使TF根-茎、TF根-叶分别降低58.47%～73.39%、47.71%～62.22%,施Si使TF根-茎和TF根-叶分别降低47.55%～55.36%、54.53%～59.63%,EDTA-Zn的降低效果优于ZnSO4和SiO2。Zn、Si叶面阻控剂有效降低了Cd向莴笋可食部位的转运,高浓度的叶面阻控剂能将更多Cd阻留在植物根部。

叶面喷施处理后,莴笋根、茎、叶的转运系数呈下降趋势,均在10～15 d内下降幅度达最大,即叶面喷施的作用效果在此阶段最为明显(图2),因此该研究主要分析了喷施后15 d时莴笋体内Cd的亚细胞分布和形态转化情况,探究叶面喷施Zn、Si后的作用机制。

植物地上部Cd累积主要受根部吸收和根向地上部转运2个过程的控制[16]。根部Cd净吸收量为植株整体Cd累积量与根系干重的比值,能准确反映植物根系对Cd的吸收能力[17]。转运系数越大,表明蔬菜该器官对重金属的转运能力越强。由表3可知,茎叶部Cd含量分别与TF根-茎、TF根-叶、根部Cd净吸收量呈极显著正相关(P<0.01)。因此,该研究中Zn、Si处理降低莴笋地上部Cd含量,均是由降低根部对Cd的吸收和抑制Cd从根部向地上部转运2个过程引起的。叶部Zn与Cd、茎部Zn与Cd含量均呈极显著负相关(P<0.01),这可能是因为植物可以利用相同的转运蛋白进行Cd、Zn的吸收和运输,如Zn转运蛋白OsZNT1及重金属ATP酶OsHMA2等[18],外源Zn可以促进植物对Zn的吸收,一方面Zn会与Cd竞争这些转运蛋白上的重金属结合位点,抑制Cd的跨膜运输[19];另一方面也会调控这些转运蛋白的基因表达和蛋白合成[20],最终抑制植物根系对Cd的吸收和Cd在体内的转运。与施Zn相似,茎部Cd与TF根-茎、TF根-叶和根部Cd净吸收量呈极显著正相关关系(P<0.01);叶部Cd含量分别与TF根-叶、TF茎-叶、根部Cd净吸收量呈极显著正相关关系(P<0.01)。由此可知,喷施Si降低莴笋地上部Cd含量是由抑制根部对Cd的吸收及从根部向地上部的转运所致。茎叶部Cd含量与根部Zn含量均呈极显著正相关(P<0.01),而根部Cd净吸收量与根部Zn含量呈极显著负相关(P<0.01),说明Zn通过叶面喷施富集在茎叶部,对Cd有明显的拮抗作用,若是聚集在根部反而会增加莴笋可食部位Cd的累积。OLIVER等[21]的研究也证明,叶面喷施ZnSO4可降低水稻对Cd的吸收,其效果优于土壤施用处理,即叶面喷施Zn、Si阻控剂具有推广运用于蔬菜的可行性。

各处理设计见表1。

表3 叶面喷施莴笋各器官Cd含量、转运系数及Zn含量的相关性分析

2.2 叶面喷施对Cd在亚细胞分布的影响

从喷施后15 d时莴笋各亚细胞组分Cd占比(图3)来看,CK处理下根、叶部Cd亚细胞组分占比表现为细胞壁(60%)>细胞可溶组分(20%～30%)>细胞器(15%～20%),Cd主要储存于细胞壁中;茎部Cd亚细胞组分占比为细胞壁(40.68%)>细胞可溶组分(31.64%)>细胞器(27.68%),Cd主要储存于细胞壁和细胞可溶组分中。在莴笋根部,喷施叶面阻控剂明显降低了细胞器组分Cd占比,以高浓度的EDTA-Zn效果最为突出,细胞可溶组分Cd占比较CK增加200.09%,而细胞器组分Cd占比显著降低32.14%,说明Zn主要通过将Cd隔离在细胞可溶部分进而加强对Cd的束缚,减缓莴笋根部Cd向地上部的迁移;与CK相比,高浓度和低浓度的Si阻控剂使细胞壁Cd含量分别增加31.81%和32.30%,细胞器Cd含量分别降低25.11%和14.29%,表明施Si主要增强了莴笋根部的细胞壁沉积作用,而减缓了Cd向可食部位的转移和毒害。

各处理设计见表1。

在莴笋茎叶部,几种提取态的Cd含量占比变化趋势与根部基本一致。与CK相比,叶面喷施Zn阻控剂使茎、叶细胞可溶组分Cd含量占比分别增加24.51%～67.40%、219.49%～268.40%,施Si使茎、叶细胞壁Cd含量占比分别增加21.68%～25%、8.32%～15.15%,Zn、Si这2种喷施处理使茎部细胞器组分Cd的分配比例分别降低36.84%～57.89%、47.37%～52.63%,叶部细胞器组分Cd的分配比例分别降低43.73%～59.29%、51.47%～63.93%,高浓度的阻控剂抑制Cd向细胞器分布的效果均优于低浓度处理。和根部相比,茎叶部细胞器的Cd含量占比更低,细胞器是植物代谢活动的主要场所,降低自由态重金属在其中的含量可有效降低Cd对植株的胁迫和毒害。由于Zn与Cd的拮抗作用,Zn在细胞壁与Cd竞争吸附点位,当细胞壁结合位点饱和时,Cd大量转移到可溶性组分的液泡中[22-23],重金属与其中的各种蛋白质、有机酸和有机碱结合,而被区隔在液泡中[24-25],从而降低了Cd的活性和迁移性。施Si通过加强莴笋细胞壁组分对Cd的沉积作用而增大细胞壁Cd占比。前人认为,当Si作用于水稻时,Si吸附Cd2+形成复合体,共同沉积在植物细胞壁上,减少Cd向细胞的净流入,从而抑制重金属Cd在植物体内的转运[26-27]。

2.3 叶面喷施对莴笋Cd形态的影响

喷施后15 d时莴笋各器官提取态Cd含量如图4所示。CK处理中,莴笋根、茎、叶部不同形态Cd均以Cd与蛋白质结合的NaCl提取态含量最高,分别占59.78%、64.68%、60.10%,这是因为Cd与植物体内蛋白质及其他有机化合物中的巯基有较强的亲和力。与CK相比,喷施处理莴笋各器官NaCl提取态Cd含量显著增加,乙醇提取态和去离子水提取态组成的活性态Cd含量显著降低。与CK相比,叶面喷施Zn、Si后,各器官NaCl提取态Cd含量占比提高至74.28%～83.34%,根部活性态Cd含量占比分别降低65.47%～75.83%、41.55%～59.10%,茎部活性态Cd含量占比分别降低40.61%～60.38%、33.27%～55.49%,叶部活性态Cd含量占比分别降低32.63%～75.42%、44.53%～80.03%。活性态Cd含量占比随施Zn浓度的增加而降低,不同浓度的Si阻控剂对活性态Cd含量影响无显著差异;高浓度的Zn阻控剂处理下活性态Cd含量占比小于高浓度Si阻控剂处理,同一浓度的Zn阻控剂对活性态Cd含量影响无显著差异。笔者研究中叶面喷施Zn增加了细胞可溶组分Cd占比,使得Cd与蛋白质等有机物结合的形态——NaCl提取态增幅较大,促进了莴笋体内Cd由活性态向非活性态转化,从而降低了根部Cd向地上部迁移的能力,减少了可食部位自由态Cd含量,这与前人研究结论[28-29]相似。

植株对重金属的累积、耐性机制与重金属在植株体内的存在形态密切相关。研究显示,乙醇和去离子水提取态Cd占比越高,植株地上部Cd累积量越大[7]。该试验中,从不同形态Cd占比来看,施Zn、Si主要使莴笋根、叶NaCl提取态Cd含量增大(果胶和蛋白质螯合Cd),其他形态Cd含量降低(水溶性Cd、无机态Cd等)。这表明Zn、Si可通过降低莴笋各器官中乙醇和去离子水提取态Cd占比、提高NaCl提取态Cd占比,促进Cd由活性向惰性转化,降低Cd的毒性和迁移能力。

各处理设计见表1。

3 结论

(1)叶面单独喷施Zn、Si均显著降低了收获期莴笋可食部位Cd含量(10.51%～45.09%),喷施不同浓度的Zn阻控剂和60 mmol·L-1的Si阻控剂均可降低莴笋Cd含量至食品安全国家标准限值以下;5 mmol·L-1的Zn阻控剂对Cd的降低效果优于0.4 mmol·L-1Zn阻控剂,60 mmol·L-1的Si阻控剂降Cd效果优于30 mmol·L-1Si阻控剂。

(2)Zn、Si阻控剂分别通过增强区隔Cd于莴笋根、茎、叶的细胞可溶组分和细胞壁的作用,使茎、叶细胞器的Cd含量占比较CK减少30%以上,从而降低重金属Cd在莴笋根部的活性,阻控Cd在莴笋可食部位的积累。

(3)叶面喷施提高了莴笋各器官NaCl提取态Cd含量,使根、茎、叶乙醇提取态和去离子水提取态Cd含量较CK显著降低60.38%～80.03%,促进Cd由活性态向非活性态转化。