根表鐵膜對水稻鉛吸收轉運的影響

胡瑩，黃益宗，黃艷超，劉云霞

中國科學院生態環境研究中心，北京，100085

鉛(Pb)對人類健康的危害已日益引起人們的關注，尤其是正處于生長發育期的兒童，更易受到Pb的危害[1]。環境中Pb含量過高是造成人們Pb中毒的根本原因，含Pb污染物通過污水灌溉、污泥利用、農藥化肥施用、大氣沉降等途徑進入到土壤環境中，造成嚴重的土壤Pb污染。Pb在土壤中溶解度小，滯留時間長，是一種不可降解的環境污染物，在土壤中積累后，不僅影響農作物的產量和品質，而且可通過食物鏈途徑影響人體的健康[2]。水稻是重要的糧食作物之一，世界上很多國家以大米為主食，中國是水稻的主要生產區，也是大米的消費區，因此，水稻中Pb的健康風險研究受到人們的廣泛關注。

水稻長期生長在淹水條件中，為了適應環境，其地上部和根系的通氣組織大量形成，大氣中的氧氣可通過葉片輸送到根系，然后由根系將這部分氧氣和其它的氧化性物質釋放到根際，使漬水土壤中的二價鐵離子氧化成三價鐵，并沉積在水稻根表及質外體而形成鐵氧化膜[3-6]。鐵膜形成的數量與土壤溶液中Fe2+濃度、根系分泌的氧氣和氧化性物質總量、植物種類及生長的環境有關，如生長季節、溫度和淹水時間的長短等均影響鐵膜的形成[6-8]。根表鐵膜屬于兩性膠體，因此其對土壤中陰、陽離子都有一定的吸附作用，進而影響植物對重金屬的吸收和轉運。Greipsson等[9]研究表明，鐵膜可阻止植物對Cu和Ni的吸收。Zhang等[10]報道，水稻根表鐵膜可促進水稻對Zn的吸收，也可以抑制水稻對Zn的吸收，這是由于鐵膜形成量的不同而引起。Liu等[11]研究發現，75% ～89%的As被水稻根表鐵膜所吸附，從而阻止了As從水稻地下部向地上部的轉運。

近年來，關于水稻根表鐵膜對Pb的吸收積累研究也有一些報道[12-13]，但這些研究均主要關注于水稻的某一個生育期，大多只進行水稻苗期的研究。本文開展水稻整個生育期不同生長階段根表鐵膜形成對水稻吸收和轉運Pb的影響研究，探討不同生育期根表鐵膜量對水稻籽粒積累Pb的影響，為重金屬污染地區水稻的安全生產和培育提供科學依據。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 供試水稻

兩種水稻(Oryza sativa L.)品種YD6和NK57來自南京農業大學。首先挑選籽粒飽滿、均勻的水稻種子用30%的H2O2消毒10 min，再用去離子水清洗2～3次后播種到濕潤的珍珠巖中培養3周。然后選取生長一致的水稻苗移栽到裝有1/3強度營養液的PVC管(直徑7.5 cm;高14 cm)中，每盆種植一株水稻苗，每周換一次營養液。營養液配方:5.0 mmol·L-1NH4NO3、2.0 mmol·L-1K2SO4、4.0 mmol·L-1CaCl2、1.5 mmol·L-1MgSO4·7H2O、1.3 mmol·L-1KH2PO4、50.0 μmol·L-1Fe(Ⅱ)-ethylenediaminetetraacetic acid(EDTA)、10.0 μmol·L-1H3BO4、1.0 μmol·L-1ZnSO4·7H2O、1.0 μmol·L-1Cu-SO4·5H2O、5.0 μmol·L-1MnSO4·H2O、0.5 μmol·L-1Na2MoO4·2H2O、0.2 μmol·L-1CoSO4·7H2O。用0.1 mol·L-1KOH或HCl將pH調至5.5。待水稻苗生長至5片葉時，選取生長一致的水稻苗進行盆栽試驗。

1.2 供試土壤

土壤采自湖南省新馬村重金屬污染稻田，土壤經風干、研磨、過篩2 mm，保存備用。土壤基本理化性質及土壤中重金屬含量見表1。土壤中Pb和Fe全量用王水-高氯酸消煮，ICP-OES(Optima 2000 DV，Perkin Elmer，USA)測定。空白和標準物質GBW07402(國家標準物質中心)的處理與樣品同步進行，以確保測定的準確度。

1.3 試驗處理

水稻移栽前，按每公斤土200 mg N的尿素、133 mg K2O的 K2SO4及150 mg P的CaHPO4施用底肥。并按每盆4 kg土裝盆、淹水老化平衡4周。挑選生長一致的水稻幼苗移栽到盆中并放置在人工氣候室中，水稻生長條件:28℃每14 h光照和20℃每10 h黑暗，光照強度為 260 ～350 μmol·(m2·s)-1，相對濕度為60%～70%。在整個試驗期間，盆內土壤始終保持淹水狀態，每盆栽種2株水稻苗。在分蘗期、孕穗期和成熟期分別收獲一部分水稻，每次收4盆。

1.4 樣品的制備與分析

植株收獲后，水稻根系上的鐵膜用DCB(dithionite-citrate-bicarbonate)法浸提:首先將水稻根系用自來水洗凈，吸干水分后從基部將根剪下，放到100 mL的燒杯中，置入0.03 mol·L-1檸檬酸三鈉(Na3C6H5O7·2H2O)和 0.125 mol·L-1碳酸氫鈉(NaHCO3)30 mL的混合溶液中10 min，再放入1 g保險粉(Na2S2O4)，混合均勻后，在室溫下(20～25℃)繼續浸泡1 h，然后將浸提液轉入100 mL容量瓶中，并用去離子水沖洗根系3次后定容至100 mL。浸提液過濾后用ICPOES(Optima 2000 DV，Perkin Elmer，USA)測定其中的Fe、Pb 濃度。

經DCB浸提后的根系、水稻莖葉和籽粒于70℃烘箱中烘干至衡重，然后將水稻莖葉和根系分別磨碎，稱取0.25 g左右的樣品放入100 mL的聚四氟乙烯消解罐中，加入5 mL優級純的濃硝酸后，放入微波加速反應系統中(MARS5，CEM Microwave Technology Ltd.USA)進行消解。具體消解程序:首先加熱至120℃，保持5 min，然后將溫度升至160℃，保持15 min。同時加入標準物質(GBW07605國家標準物質中心)對整個消化過程和分析測試過程進行質量控制。消解好的樣品用高純水定容至25 mL，過濾后用 ICP-MS(7500a，Agilent Technologies，USA)測定Pb濃度。

1.5 數據分析

水稻根表鐵膜(DCB)、根系(root)和莖葉(shoot)向籽粒轉移Pb的能力用轉運系數(translocation factor，簡稱 TF)表示。

式中x分別代表鐵膜、根系和莖葉，TFx分別表示DCB、根系和莖葉向籽粒轉移Pb的系數，Cseed-Pb表示籽粒的Pb濃度，Cx-Pb分別表示DCB、根系和莖葉的Pb濃度。

植物對Pb的富集能力用富集系數(Bio-accumulating factor，簡稱 BAF)表示。

式中y分別代表鐵膜、根系、莖葉和籽粒，BAFy分別表示DCB、根系、莖葉和籽粒的Pb富集系數,Cy-Pb分別表示DCB、根系、莖葉和籽粒的Pb濃度，Csoil-Pb表示土壤的Pb濃度。

使用統計軟件SPSS11.5對試驗數據進行方差分析和多重比較。

表1 供試土壤的基本理化性質及重金屬含量Table 1 Physical and chemical properties and total Fe and Pb concentrations in the tested soil

2 結果(Results)

2.1 水稻根表鐵膜形成及其吸附的Pb量

圖1 不同生育期水稻根表鐵膜的Fe和Pb含量注:不同小寫字母表示同一品種不同生育期p＜0.05差異顯著，不同大寫字母表示同一生育期不同品種p＜0.05差異顯著。Fig.1 Concentrations of Fe and Pb in iron plaque at different growth stages of riceNote:different small letters indicate a significant defference between growth stages at p＜0.05,different capital letters indicate a significant defference between rice cultivars at p ＜0.05。

水稻根表鐵膜形成量(以DCB-Fe含量表示)在不同生育期、不同品種之間差異顯著(P＜0.05)。圖1a顯示，隨著生育期的延長，兩種水稻根表鐵膜形成量均呈現出下降趨勢。兩種水稻品種形成根表鐵膜差異較大，NK57在3個生育期(分蘗期、孕穗期和成熟期)中根表鐵膜形成量均顯著高于YD6(p＜0.05)，分別是 YD6的1.8、5.9和2.2倍。

圖1b顯示了不同品種水稻不同生育期根表鐵膜吸附Pb量的情況，從圖中看出，隨著生育期的延長，水稻根表鐵膜吸附Pb量呈現出下降趨勢，尤其是品種NK57成熟期鐵膜吸附Pb量比分蘗期降低71.9%。比較不同品種，只在分蘗期NK57鐵膜吸附Pb量顯著高于YD6(p＜0.05)，而在孕穗期和成熟期兩個水稻品種根表鐵膜吸附Pb量差異不顯著。

2.2 水稻根系和莖葉Pb含量

不同生育期水稻根系吸收積累Pb因品種而異(圖2a)。YD6:成熟期＞分蘗期＞孕穗期;NK57:孕穗期＞成熟期＞分蘗期。比較不同品種可以看出，在分蘗期和孕穗期，NK57根系Pb含量顯著高于YD6(p＜0.05)，但到了成熟期，兩個水稻品種根系Pb含量無明顯差異。

圖2 不同生育期水稻根系(a)和莖葉(b)中的Pb含量注:不同小寫字母表示同一品種不同生育期p＜0.05差異顯著，不同大寫字母表示同一生育期不同品種p＜0.05差異顯著。Fig.2 Concentrations of Pb in root(a)and shoot(b)at different growth stages of riceNote:Different small letters indicate a significant defference between growth stages at p＜0.05,different capital letters indicate a significant defference between rice cultivars at p＜0.05.

比較不同的生育期，水稻莖葉Pb含量在兩個品種中均表現為成熟期最高(圖2b)，顯著高于孕穗期(p＜0.05)，但與分蘗期莖葉Pb含量差異不顯著。對于不同品種，分蘗期和成熟期NK57莖葉Pb含量顯著高于YD6(p＜0.05)，而孕穗期YD6莖葉Pb含量卻顯著高于NK57(p＜0.05)。

2.3 Pb從水稻根表鐵膜、根系和莖葉向籽粒中的轉運

圖3顯示，在Pb污染土壤中種植的水稻，其籽粒Pb含量在不同品種之間差異較大。NK57籽粒Pb含量顯著高于YD6(p＜0.05)，是其1.9倍。

水稻根表鐵膜、根系和莖葉向籽粒轉運Pb的能力可用轉運系數來表示，結果見表2。經統計分析表明，Pb從水稻根表鐵膜、根系和莖葉向籽粒中的轉運系數在兩個水稻品種間差異均不顯著。

圖3 水稻籽粒中的Pb含量注:不同字母表示不同品種p＜0.05差異顯著。Fig.3 Concentrations of Pb in grain of riceNote:different letters indicate a significant defference between rice cultivars at p＜0.05.

表2 Pb由水稻根表鐵膜、根系和莖葉向籽粒轉運的系數Table 2 Translocation factors of Pb from iron plaque,root and shoot to seed in mature stage

2.4 Pb在水稻不同部位的富集和分配比率

隨著生育期的延長，水稻鐵膜富集Pb的能力逐漸減弱(表3)。水稻根系富集Pb的能力因品種差異較大，NK57孕穗期根系富集Pb能力最強，而YD6成熟期富集能力最強。莖葉中Pb的富集能力在兩個水稻品種中均為孕穗期較低。水稻品種NK57除了孕穗期莖葉Pb富集系數低于YD6外，其它生育期莖葉Pb富集均高于YD6。NK57籽粒Pb富集系數約為YD6的1.8倍。

表3 Pb在水稻不同部位的富集系數Table 3 Bio-accumulation factor of Pb in iron plaque,root,shoot and grain of different growth stages

Pb在水稻鐵膜、根系、莖葉和籽粒中的分配比率見表4。Pb的分配比率因水稻品種不同而異。YD6表現為:隨著生育期的延長，鐵膜中Pb的分配比率呈減少趨勢，而根系和莖葉中則呈增加趨勢;NK57表現為:鐵膜中Pb的分配比率在分蘗期最高(66.3%)，而孕穗期和成熟期則下降了一半多，根系中孕穗期＞成熟期＞分蘗期，莖葉中成熟期＞分蘗期＞孕穗期。從水稻不同部位Pb分配比率來看，YD6在3個生育期均表現為:鐵膜＞根系＞莖葉，籽粒最低。而NK57表現為:分蘗期:鐵膜＞根系＞莖葉;孕穗期和成熟期:根系＞鐵膜＞莖葉，籽粒中也最低。NK57籽粒中Pb的分配比率顯著高于YD6(p＜0.05)，前者為后者的1.8倍。

表4 Pb在水稻不同部位的分配比率Table 4 Distribution ratio of Pb in iron plaque,root,shoot and grain at different growth stages

3 討論(Discussion)

已有研究表明，根表鐵膜可以作為重金屬吸收的“障礙層”[14-15]，也可以成為營養元素或有害物質的“富集庫”[16,17]。鐵膜對植物吸收轉運重金屬的作用受許多因素所制約，包括溶液中重金屬的濃度、重金屬及鐵膜的形態、鐵膜及植物根系的老化程度、溶液及植物根際的pH值等[18]。本實驗采用土壤栽培試驗進行研究，得出的試驗結果與水培試驗結果將會有所差異:首先根際環境有很大區別，土壤栽培試驗中植物根系誘導根際環境發生變化，將影響吸附在土壤顆粒及鐵氧化物上的營養元素及有害物質的移動性，特別是pH值的變化將影響植物對陽離子的吸收;其次，成熟期植物在重金屬吸收上也與苗期植物不同;另外，自然形成的鐵膜與水培試驗人工誘導的鐵膜在組成和結構上都存在差異[19]。

圖4 根表鐵膜量中Fe含與鐵膜中Pb含量的相關性(p＜0.01)Fig.4 Correlation between concerntation of iron plaque and Pb in iron plaque

水稻根表鐵膜吸附Pb量與鐵膜量變化趨勢相似，即水稻根表鐵膜量及其吸附的Pb量均隨著生育期的延長而減少(圖1)。水稻根表鐵膜量與鐵膜的Pb量之間存在著顯著的正相關關系(r=0.798,p＜0.01，圖4)，說明根表鐵膜對Pb具有一定的吸附能力，但這種吸附能力受不同水稻品種和不同生育期影響。本研究中水稻品種NK57在孕穗期和成熟期時其根表鐵膜量均顯著高于YD6，但是在這兩個生育期中，兩個品種根表鐵膜吸附Pb量卻沒有明顯差異(圖1b)，說明此期間鐵膜對Pb的吸附能力不強，鐵膜中的Pb主要以解吸或者解離的方式進入水稻根內。對不同生育期水稻根表鐵膜量與根系、莖葉和籽粒中Pb含量的相關性分析(表5)，得出水稻分蘗期根表鐵膜量與根系Pb含量呈顯著的正相關關系(r=0.833,p＜0.05)，但與莖葉Pb含量相關性不顯著;孕穗期中水稻根表鐵膜量與根系Pb含量呈顯著的正相關關系(r=0.878,p＜0.01)，而與莖葉Pb含量呈顯著的負相關關系(r=-0.872,p＜0.01);成熟期水稻根表鐵膜量與根系、莖葉和籽粒中Pb含量相關性均不顯著。說明分蘗期根表鐵膜形成促進了水稻根系對Pb的吸收積累;孕穗期根表鐵膜形成也促進了水稻根系對Pb的吸收積累，但抑制了Pb向莖葉的轉運;成熟期根表鐵膜形成對水稻吸收轉運Pb影響不顯著。

通過研究根表鐵膜形成對Pb的富集能力影響看出(表3)，分蘗期YD6根表鐵膜Pb的富集系數顯著低于NK57，但孕穗期和成熟期正相反，而根系、莖葉(除孕穗期外)和籽粒中Pb富集系數均為NK57高于YD6。Pb的分配比率因水稻品種而異，YD6在3個生育期中均表現為:鐵膜＞根系＞莖葉，籽粒最低。而NK57為:分蘗期:鐵膜＞根系＞莖葉，孕穗期和成熟期:根系＞鐵膜＞莖葉，籽粒中也最低。NK57和YD6兩個水稻品種在成熟期由鐵膜、根系和莖葉向籽粒中轉運Pb的能力并無差異，但籽粒中Pb濃度NK57卻顯著高于YD6(p＜0.05，表2)。Ye等[13]通過溶液培養試驗，得出根表鐵膜形成對植物轉運Pb沒有影響，但是Liu等[12]報道，根表鐵膜形成可在一定程度上對植物Pb脅迫起到障礙層的作用，而Zhong等[20]對黃菖蒲的研究發現，鐵膜促進了植物對Pb的吸收。根表鐵膜對植物吸收轉運重金屬的影響因素很多，如植物種類、品種、生育階段、營養狀況、植物培養方式、金屬離子種類等[21]。

表5 不同生育期水稻根表鐵膜量與根系和莖葉中Pb的相關性Table 5 Correlation between amount of iron plaque and Pb in root and shoot at different growth stages

綜上所述，不管是水稻品種NK57還是品種YD6，Pb主要富集在水稻的根表鐵膜和根系中，而積累在莖葉和籽粒中的比率較少，品種NK57籽粒Pb含量顯著高于品種YD6。根表鐵膜形成對水稻分蘗期和孕穗期吸收積累Pb有一定影響，但對水稻成熟期根系、莖葉和籽粒吸收積累Pb影響不大。

[1]萬雙秀,王俊東.鉛污染的危害及防治[J].微量元素與健康研究,2005,22(1):63－65 Wan S X,Wang J D.Control and hazards of lead pollution[J].Studies of Trace Elements and Health,2005,22(1):63－65(in Chinese)

[2]王英輝,陳學軍,祁士華.鉛污染土壤的植物修復治理技術[J].土壤通報,2007,38(4):790－794 Wang Y H,Chen X J,Qi S H.Phytoremediation techniques for lead contaminated soil[J].Chinese Journal of Soil Science,2007,38(4):790－794(in Chinese)

[3]Bacha R E,Hossner L R.Characteristics of coating formed on rice roots as affected by Fe and Mn additions[J].Soil Science Society of America Journal,1977,41(5):931－935

[4]Chen C C,Dixon J B,Turner F T.Iron coatings on rice roots,morphology and models of development[J].Soil Science Society of America Journal,1980,44(5):1113－1119

[5]Sundby B,Vale C,Cacador I,et al.Metal-rich concretions on the roots of salt marsh plants:Mechanism and rate of formation[J].Limnology and Oceanography,1998,43(2):245－252

[6]劉文菊,朱永官.濕地植物根表的鐵錳氧化物膜[J].生態學報,2005,25(2):358－363 Liu W J,Zhu Y G.Iron and Mn plaques on the surface of roots of wetland plants[J].Acta Ecologica Sinica,2005,25(2):358－363(in Chinese)

[7]Mendelssohn I A,Kleiss B A,Wakeley J S.Factors controlling the formation of oxidized root channels:A review[J].Wetlands,1995,15(1):37－46

[8]史錕,張福鎖,劉學軍,等.不同栽培方式對秈、粳稻根表鐵膜和根鐵、鎘含量的影響[J].應用生態學報,2003,14(8):1273－1277 Shi K,Zhang F S,Liu X J,et al.Effect of different cultivation practices on Fe and Cd content in iron plaque outside rice root and Cd content in rice root[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2003,14(8):1273－1277(in Chinese)

[9]Greipsson S,Crowder A A.Amelioration of copper and nickel toxicity by iron plaque on roots of rice(Oryza sativa)[J].Canadian Journal of Botany,1992,70(4):824－830

[10]Zhang X K,Zhang F S,Mao D R.Effect of iron plaque outside roots on nutrient uptake by rice(Oryza sativa L.).Zinc uptake by Fe-deficient rice[J].Plant and Soil,1998,202(1):33－39

[11]Liu W J,Zhu Y G,Smith F A,et al.Do iron plaque and genotypes affect arsenate uptake and translocation by rice seedlings(Oryza sativa L.)grown in solution culture?[J]Journal of Experimental Botany,2004,55(403):1707－1713

[12]Liu J G,Leng X M,Wang M X,et al.Iron plaque formation on roots of different rice cultivars and the relation with lead uptake[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2011,74(5):1304－1309

[13]Ye Z H,Bakera A J M,Wong M H，et al.Zinc,lead and cadmium accumulation and tolerance in Typha latifolia as affected by iron plaque on the root surface[J].Aquatic Botany,1998,61(1):55－67

[14]Batty L C,Baker A J M,Wheeler B D,et al.The effect of pH and plaque on the uptake of Cu and Mn in Phragmites australis(Cav.)Trin ex.Steudel[J].Annals of Botany,2000,86(3):647－653

[15]Otte M L,Dekkers M J.Rozema J,et al.Uptake of arsenic by Aster tripolium in relation to rhizosphere oxidation[J].Canadian Journal of Botany,1991,69(12):2670－2677

[16]Zhang X K,Zhang F S,Mao D R.Effect of iron plaque outside roots on nutrient uptake by rice(Oryza sativa L.):phosphorus uptake[J].Plant and Soil,1999,209(2):187－192

[17]Ye Z H,Cheung K C,Wong M H.Copper uptake in Typha latifolia as affected by iron and manganese plaque on the root surface[J].Canadian Journal of Botany,2001,79(3):314－320

[18]Ye Z H,Cheung K C,Wong M H.Cadmiumand nickel adsorption and uptake in cattail as affected by iron and manganese plaque on the root surface[J].Communications in Soil Science and Plant Analysis,2003,34(19-20):2763－2778

[19]Ye Z H,Baker A J M,Wong M H,et al.Copper and nickel uptake,accumulation and tolerance in Typha latifolia with and without iron plaque on the root surface[J].New Phytologist,1997,136(3):481－488

[20]Zhong S Q,Shi J C,Xu J M.Influence of iron plaque on accumulation of lead by yellow flag(Iris pseudacorus L.)grown in artificial Pb-contaminated soil[J].Journal of Soils and Sediments,2010,10(5):964－970

[21]劉侯俊,張俊伶,韓曉日,等.根表鐵膜對元素吸收的效應及其影響因素[J].土壤，2009,41(3):335－343 Liu H J,Zhang J L,Han X R,et al.Influences of iron plaque on element uptake by plants and its affecting factors[J].Soils,2009,41(3):335－343(in Chinese)