海藻寡糖對(duì)鎘、鉛單一污染的小油菜及土壤的影響

張朝霞，許加超*，盛泰, 劉曉琳, 楊海征, 李建林, 郭亮, 高昕,付曉婷

(1中國(guó)海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，青島266003；2 青島豐泰海洋生物科技有限公司,青島266071）

我國(guó)環(huán)境中重金屬污染，尤其是土壤的重金屬污染已越來(lái)越嚴(yán)重。Zeng等人[1]的研究表明我國(guó)東部蔬菜種植土壤中的重金屬污染較為嚴(yán)重，且主要元素為Cd、Hg、Zn，郊區(qū)蔬菜種植土壤中，以Pb污染最嚴(yán)重；Liu等人[2]對(duì)山東省土壤重金屬污染的研究表明山東大棚中土壤的重金屬污染主要元素為Cd的種植土壤，而露天土壤中則為Cu。土重金屬污染具有長(zhǎng)期性，穩(wěn)定性和隱蔽性[3,4]。土壤中重金屬可導(dǎo)致地下水污染，并可通過(guò)水、植物或其它介質(zhì)在食物鏈中富集，從而在人體某一部位積累，使人慢性中毒，嚴(yán)重危害人體健康[5-7]。

海藻酸鈉在去除水溶液中重金屬方面的研究較多，Park等人[8]的研究表明海藻酸鈉固定化活性炭可有效地吸附水溶液中的Pb2+、Mn2+、 Cd2+、Cu2+等八種重金屬離子；Chen等人[9]的研究表明海藻酸鈉和羥乙基纖維素固定化腐殖酸能有效去除Cd2+; Maxim等人[10]的研究表明海藻酸鈉可有效吸附Pb2+，且效果優(yōu)于海藻酸鈣；Singh等人[11]的研究表明海藻酸鈉對(duì)Cu2+的去除效果較好。而關(guān)于海藻酸鈉及其寡糖對(duì)土壤中重金屬的影響的研究較少。本文采用Cd、Pb對(duì)土壤進(jìn)行單一污染，研究海藻寡糖對(duì)土壤中重金屬、受污土壤上小油菜（Brassica）產(chǎn)量及品質(zhì)的影響。為土壤重金屬浸染修復(fù)及蔬菜重金屬污染的研究提供了重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

供試土壤為即墨市華山鎮(zhèn)青島豐泰海洋生物科技有限公司周邊土壤，類(lèi)型為潮土，取樣深度為 0～20cm。土壤風(fēng)干后過(guò) 2mm篩，備用；供試海藻寡糖由青島豐泰海洋生物科技有限公司提供；供試作物為小油菜（Brassica chinensis L.）。

原子吸收光譜儀(FAAS-240),由安捷倫科技（中國(guó)）有限公司提供；KDN-8消化爐，由上海新家儀器有限公司提供；SHA-B恒溫振蕩器，由常州國(guó)華電器有限公司提供；濃硫酸、高氯酸、氫氧化鈉、硝酸鉀、EDTA二鈉、硝酸等試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 試驗(yàn)方法

采用土培盆栽試驗(yàn)，分別以 CdCl2溶液、PbCl2溶液與土壤混合的形式對(duì)土壤進(jìn)行Cd、Pb單一污染，使Cd污染土壤中Cd濃度為20mg/kg，Pb污染土壤中Pb濃度為400mg/kg。

海藻寡糖在肥料中的含量分別為0（對(duì)照組）、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%。將充分溶脹的海藻酸鈉溶液（含有1%的H2O2）于121℃中進(jìn)行降解 2h,取出降解液過(guò)濾即得到海藻寡糖提取液，取不同量的海藻寡糖提取液與待施用的肥料混合均勻后，再將其與Cd、Pb單一污染的土壤充分混合，最后轉(zhuǎn)移到塑料盆中。其中每盆約4.5kg土，每盆施肥量為復(fù)合肥2.9g（底肥）、尿素1.25g（苗期追肥），濕度為田間持水量的60%，平衡2天后播種，每個(gè)處理4次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。待出苗一周后間苗，每盆保留8株。生長(zhǎng)過(guò)程中用自來(lái)水灌溉，保持田間持水量。

小油菜成熟時(shí)，采收后分類(lèi)：地上部和根部用自來(lái)水沖洗干凈，再用超純水各清洗一次，105℃殺青 30min，晾一天，裝入烘樣袋，65℃烘至恒重，記錄干重。根部和地上部分用不銹鋼粉碎機(jī)粉碎，過(guò)60目尼龍篩，裝于密封袋中待測(cè)。根際土、非根際土要陰干晾曬至恒重，過(guò)100目篩后裝袋待測(cè)。

1.3 Pb、Cd的測(cè)定

采用火焰原子吸收分光光度法（FAAS-240）測(cè)定Pb、Cd含量。

1.3.1 植物中Pb、Cd含量的測(cè)定 檢測(cè)項(xiàng)目：不同海藻寡糖處理下小油菜地上部和根部Pb、Cd含量的測(cè)定。

1.3.2 土壤中Pb、Cd形態(tài)的測(cè)定 檢測(cè)項(xiàng)目：按照Sposito連續(xù)提取方法[12]提取，即先取適量的土樣于水中，配制成 1：10（w/v）的土水混合液，然后加入相應(yīng)的提取劑進(jìn)行提取。分別以0.5mol/L KNO3、0.5mol/L NaOH、0.05mol/L Na2EDTA、4mol/L HNO3作為提取劑于20℃振蕩16h、20℃振蕩16h、20℃振蕩6h、89℃振蕩16h提取水溶態(tài)和交換態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、無(wú)機(jī)結(jié)合態(tài)及殘?jiān)鼞B(tài) Pb、Cd，再對(duì)這四種形態(tài)進(jìn)行測(cè)定。其中，水溶態(tài)和交換態(tài)金屬易遷移，對(duì)植物的有效性或活性影響較大;有機(jī)結(jié)合態(tài)金屬指金屬硫化物沉淀及與各種形態(tài)有機(jī)質(zhì)結(jié)合的重金屬，較穩(wěn)定，通常不能被植物利用;無(wú)機(jī)結(jié)合態(tài)金屬可被吸持于碳酸鹽表面及以共沉淀存在[13]，易受pH、氧化還原電位（Eh）影響而被釋放出來(lái)被植物利用；殘?jiān)鼞B(tài)金屬指存在于石英、粘土礦物等晶格里，通常不能被植物利用。根際土和非根際土中 Pb和Cd含量的測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 海藻寡糖對(duì)重金屬污染土壤植物生物量的影響

重金屬通過(guò)破壞植物生物膜、抑制其光合作用、呼吸作用等影響植物的正常生長(zhǎng)代謝，從而造成植物生物量的下降。海藻寡糖可通過(guò)調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)代謝及對(duì)重金屬的絡(luò)合作用減少重金屬對(duì)植物造成的傷害，對(duì)其生物量產(chǎn)生一定的影響。

從表1中可以看出，對(duì)于Cd污染程度相同的土壤，小油菜干重隨著肥料中海藻寡糖含量的增加呈現(xiàn)一定的波動(dòng)，除海藻寡糖對(duì)重金屬有一定的絡(luò)合含量為 0.6%時(shí)的小油菜干重略低于對(duì)照組外，其它實(shí)驗(yàn)組均高于對(duì)照組，且在海藻寡糖含量達(dá)到 0.8%時(shí)，收獲的小油菜干重最大為38.07g，比對(duì)照組增加了15.97%，說(shuō)明在Cd污染的土壤上，在肥料中添加海藻寡糖能夠增加小油菜產(chǎn)量；對(duì)于Pb污染的土壤，小油菜干重隨著肥料中海藻寡糖含量的增加變化趨勢(shì)不明顯，在海藻寡糖含量達(dá)到 0.4%時(shí)，收獲的小油菜干重最大為 56.87g，比對(duì)照組增加了 3.33%。而且在海藻寡糖為 0.2%、0.6%、0.8%時(shí)，收獲小油菜干重反而有所下降，說(shuō)明在Pb污染的土壤上，在肥料中添加海藻寡糖對(duì)小油菜幾乎沒(méi)有增產(chǎn)作用。

表1 不同海藻寡糖濃度對(duì)重金屬污染土壤植物生物量的影響Table 1 Effect of ADO on the biomass of the plant in heavy metal contaminated soils

2.2 海藻寡糖對(duì)植物中重金屬含量的影響

圖1. 海藻寡糖對(duì)小油菜吸收Cd的影響Fig. 1 Effect of alginate-derived oligosaccharide on the Cd in the rape

圖2. 海藻寡糖對(duì)小油菜吸收Pb的影響Fig. 2 Effect of alginate-derived oligosaccharide on the Pb in the rape

從圖 1可以看出，隨著海藻寡糖在肥料中含量的增加，小油菜地上部和根部Cd含量都呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。在海藻寡糖含量為1.0%時(shí)達(dá)到最低，小油菜地上部和根部 Cd含量分別為 224.32、149.88mg/kg，相對(duì)于對(duì)照組分別降低 7.45%、27.52%。說(shuō)明在肥料中添加海藻寡糖能夠顯著地降低小油菜對(duì)Cd的吸收。

從圖2可以看出，小油菜地上部Pb含量隨著海藻寡糖含量的增加呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，在海藻寡糖含量為1.0%時(shí)，小油菜地上部Pb含量達(dá)到 63.92mg/kg，而在海藻寡糖含量為 0.2%～0.6%時(shí)則增加不大。小油菜根部Pb含量隨著海藻寡糖含量的增加而降低，在海藻寡糖含量達(dá)到1.0%時(shí)小油菜根部Pb含量達(dá)到160.85mg/kg，相比于對(duì)照組，降低了 12.96%，可能是隨著海藻寡糖在肥料中含量的增加，促進(jìn)了小油菜對(duì)肥料的吸收，同時(shí)增加了小油菜對(duì)重金屬 Pb的吸收，致使小油菜地上部Pb含量逐漸增加。隨著植物對(duì)Pb運(yùn)輸轉(zhuǎn)移到地上部分，而其余土壤中絕大部分Pb經(jīng)土壤膠體吸附、絡(luò)合和化學(xué)反應(yīng)而被固定[14]，不易被植物吸收和利用，從而導(dǎo)致根部Pb含量逐漸降低。

由圖1、圖2可知，在Cd污染中，小油菜地上部Cd含量高于根部，而在Pb污染中，則相反，這可能是因?yàn)镃d在小油菜體內(nèi)易從根部向莖部遷移，而Pb的遷移卻受到其它過(guò)程的制約[15]。此外，小油菜中Cd的含量較高，這可能與小油菜本身對(duì)Cd的吸收和累積能力大于Pb有關(guān)[16]。

2.3 海藻寡糖對(duì)土壤中重金屬含量的影響

圖3. 海藻寡糖對(duì)土壤中Cd含量的影響Fig. 3 Effect of alginate-derived oligosaccharide on the Cd in siol

圖4. 海藻寡糖對(duì)土壤中Pb含量的影響Fig. 4 Effect of alginate-derived oligosaccharide on the Pb in soil

從圖3可以看出，在Cd污染的土壤中，小油菜根際土中Cd含量比非根際土中要高一些，可能與小油菜根系分泌物有關(guān)，這些根系分泌物一方面通過(guò)改變植物根際環(huán)境的pH、Eh等理化性質(zhì),經(jīng)螯合、沉淀等作用將重金屬滯留在根外；另一方面，通過(guò)改變根際微生物的組成及活性改變根際環(huán)境中重金屬的數(shù)量和活性,降低重金屬的有效性,從而減少植物對(duì)根際環(huán)境中重金屬的吸收[17]。且隨著在肥料中海藻寡糖含量的增加，根際土和非根際土中Cd含量沒(méi)有太大的變化，其中，對(duì)照組的根際土和非根際土中 Cd含量分別為 21.30、19.58mg/kg，而海藻寡糖含量達(dá)到1.0%時(shí)，根際土和非根際土中Cd含量分別為21.29mg/kg，19.47mg/kg。

從圖 4可以看出，非根際土中 Pb的含量整體上比根際土中 Pb的含量要高，可能是由于肥料中的海藻寡糖及小油菜根系分泌物對(duì)重金屬的活化作用[18]使得根際土中的較為穩(wěn)定形態(tài)的 Pb釋放而被植物吸收利用造成的。此外，非根際土中Pb含量變化不規(guī)則，可能與小油菜根系分布不規(guī)則有關(guān)。

2.4 海藻寡糖對(duì)土壤中重金屬形態(tài)的影響

圖5.海藻寡糖對(duì)土壤中Cd各形態(tài)的影響Fig. 5 Effect of alginate-derived oligosaccharide on the forms of Cd in soil

圖6.海藻寡糖對(duì)土壤中Pb各形態(tài)的影響Fig. 6 Effect of alginate-derived oligosaccharide on the forms of Pb in soil

從圖5中可以看出，實(shí)驗(yàn)組土壤中溶態(tài)和交換態(tài)Cd均低于對(duì)照組，且隨著海藻寡糖在肥料中含量的增加，呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)。對(duì)照組中水溶態(tài)和交換態(tài) Cd含量為 6.01mg/kg，海藻寡糖含量為1.0%時(shí)，水溶態(tài)和交換態(tài)Cd含量為4.69mg/kg，降低了21.97%。這可能與小油菜對(duì)Cd的較強(qiáng)的吸收能力有關(guān)。有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd含量呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，變化不明顯。無(wú)機(jī)結(jié)合態(tài)Cd含量在海藻寡糖含量較低時(shí)隨海藻寡糖含量的增加而降低，且均低于對(duì)照組；而在海藻寡糖含量偏高時(shí)，其含量呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，且總體高于對(duì)照組。在海藻寡糖含量為 0.4%時(shí)，無(wú)機(jī)結(jié)合態(tài) Cd含量為5.79mg/kg，較對(duì)照組降低了11.47%。隨著海藻寡糖含量的增加，土壤中殘?jiān)鼞B(tài) Cd含量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，對(duì)照組中殘?jiān)鼞B(tài) Cd含量為0.89mg/kg，海藻寡糖含量增加到 1.0%時(shí)，殘?jiān)鼞B(tài) Cd含量為1.42mg/kg，較對(duì)照組增加59.55%。

從圖 6可以看出，隨著海藻寡糖在肥料中含量的增加，水溶態(tài)和交換態(tài)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，可能與小油菜的對(duì)Pb的吸收有關(guān)。有機(jī)結(jié)合態(tài)Pb含量的增加可能與海藻寡糖含量的增加有關(guān)，因?yàn)楹Ｔ骞烟堑幕鶊F(tuán)中帶有負(fù)電荷，可作為金屬螯合劑吸附帶正電荷的 Pb2+,形成絡(luò)合物[19]，使其滯留于土壤中。對(duì)照組中有機(jī)結(jié)合態(tài) Pb含量為7.06mg/kg，海藻寡糖含量增加到 1.0%時(shí)，有機(jī)結(jié)合態(tài) Pb含量為9.48mg/kg，增加了 34.28%。無(wú)機(jī)結(jié)合態(tài) Pb含量整體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，而無(wú)機(jī)結(jié)合態(tài)重金屬在土壤pH降低時(shí)，易被活化釋放出來(lái)[20]，所以，無(wú)機(jī)結(jié)合態(tài)Pb的增加是一種潛在的危險(xiǎn)。殘?jiān)鼞B(tài)Pb含量隨著海藻寡糖含量的增加沒(méi)有什么較大的變化。

3 結(jié)論

3.1 在Cd污染的土壤上，在肥料中添加一定量的海藻寡糖能夠有效增加小油菜產(chǎn)量。相比對(duì)照組，海藻寡糖含量為 0.8%時(shí)，小油菜干重增加了15.97%。但在Pb污染的土壤上增產(chǎn)不明顯，說(shuō)明不同重金屬對(duì)同一作物及海藻寡糖對(duì)不同重金屬的影響不同。

3.2 隨著海藻寡糖含量的增加，小油菜地上部和根部中Cd及根部中的Pb含量逐漸降低，在海藻寡糖含量為1.0%時(shí)達(dá)到最低，分別為224.32、149.88、160.85mg/kg，較對(duì)照組分別降低了7.45%、27.52%、12.96%；而地上部的Pb含量則呈上升趨勢(shì)，并在海藻寡糖含量達(dá)到1.0%時(shí)小油菜地上部Pb含量達(dá)到最大，為63.92mg/kg。說(shuō)明海藻寡糖在減少植物重金屬污染中，對(duì)Cd的作用優(yōu)于Pb。

3.3 隨著海藻寡糖含量的增加，土壤非根際土中Pb的含量整體比根際土中Pb的含量要大一些，但是土壤根際土中Cd含量整體比非根際土中Cd的含量要高一些，可能與海藻寡糖及小油菜根系分泌物等有關(guān)。

3.4 隨著海藻寡糖含量的增加，土壤中水溶態(tài)和交換態(tài)Cd、殘?jiān)鼞B(tài)Cd分別呈現(xiàn)降低、增加趨勢(shì)，說(shuō)明海藻寡糖能夠修復(fù)土壤的Cd污染，抑制植物對(duì)Cd的吸收；而水溶態(tài)和交換態(tài)Pb、殘?jiān)鼞B(tài)Pb則分別呈現(xiàn)增加、降低趨勢(shì)。說(shuō)明對(duì)于不同的重金屬污染，海藻寡糖的抑制、吸收、修復(fù)效果不一樣。

3.5 通過(guò)本試驗(yàn)的研究得出一些結(jié)論，也有發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，需要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)不斷完善，才能找出海藻寡糖對(duì)重金屬的作用機(jī)理，從而更好地為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境修復(fù)服務(wù)。

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