巰基膨潤土影響土壤鎘形態及水稻酶活性研究

孟興銳 賴 波 蒲金國 邢 智

（1成都理工大學材料與化學化工學院 四川成都 610051 2四川冶金地質研究院六○五大隊 四川眉山 620010）

引言

我國是農業大國，但人均耕地面積僅為世界平均水平的40%左右。目前全國土壤環境狀況總體不容樂觀，部分地區土壤污染較重，全國土壤總的超標率為16.1%，其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%[1]。鎘污染的土壤農業生產能力降低，鎘極易被水稻富集，通過食物鏈進入人體，在肝、腎部積累，危害人的健康[2]。因此重金屬特別是鎘污染土壤修復是當前熱門課題。

重金屬的生物毒性不僅僅取決于總量，更重要的是取決于在土壤中的存在形態，不同的形態決定了鎘的遷移率和生物利用率，因而產生不同的環境效應。鈍化修復就是通過添加鈍化劑改變土壤重金屬形態而減少植物對其的吸收。鈍化修復相較于其他修復方式，制約條件少、操作簡便，適用于大規模土壤修復。鎘對水稻的毒害作用主要是通過產生H2O2來進行，鎘的脅迫能增加水稻體內抗氧化酶的活性，但隨著鎘濃度的增加酶活性又會降低，因此，可通過抗氧化酶變化考量水稻抵抗重金屬脅迫的影響[3]。

膨潤土具有層間域結構，帶電荷、比表面積大、具有吸附性、膨脹性、可塑性和離子交換等特殊性能，在重金屬污染土壤修復方面具有廣泛的應用前景。為增強膨潤土的吸附性能通常會對其鈉化改性、酸化改性，柱撐改性，有機改性，巰基改性等。本研究利用自主開發的巰基化膨潤土作為鈍化劑，采集成都平原丹棱地區中度鎘污染土壤種植水稻，考察添加巰基化膨潤土對土壤鎘有效態的影響、對鎘脅迫下水稻葉片中過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）酶活性的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

水稻品種為川優6203，在四川丹棱當地田間育秧，然后移栽。巰基化膨潤土為本研究小組前期開發的重金屬修復材料。供試土壤采集于丹棱地區某地農田土壤，風干，磨細，過篩備用。土壤中重金屬含量除鎘超出《國家土壤環境質量標準》（GB 15618-1995）二級標準限值（pH:6.5-7.5）54.89%，其他銅 鉛、鋅、鎳、鉻、砷、汞等元素均符合標準。

1.2 試驗方法

土壤添加重金屬鎘，使其濃度達到6mg/kg，培育一個月。使用直徑為20 cm，高35 cm灰桶，每桶裝土5 kg。設置巰基化膨潤土添加量為12.5、25、50、75 g，每個梯度3個平行，同時設置空白組，淹水培育半個月。每盆種植水稻幼苗一株，施肥、除草、灌溉等田間管理與正常種植方式一致。在水稻分蘗期采集水稻植株和土壤樣本，進行測定。土壤有效態鎘含量測定參照《GB/T 23739—2009土壤質量有效態鉛和鎘的測定原子吸收法》方法；分蘗期水稻CAT、SOD和POD酶活性測定參照《植物生理學指導》的方法。

2 結果與討論

2.1 巰基化膨潤土對土壤有效態鎘的影響

圖1是水稻種植前土壤總鎘，水稻分蘗期土壤有效態鎘隨巰基化膨潤土添加量的變化趨勢圖，可以看出，各實驗系列總鎘含量在5.42-5.96 mg/kg之間，說明鎘在土壤中混合均勻；添加巰基化膨潤土12.5、25、50、75 g后，土壤中有效態鎘的含量逐漸下降，與空白相比，土壤中有效鎘含量分別下降了14.53%，22.30%，38.85%，50.34%。

分蘗期土壤有效鎘與空白組的顯著性差異分析顯示：隨著巰基化膨潤土的添加量增加，各梯度間有效鎘的含量逐漸下降，當添加量達到25g時，有效鎘含量與空白組出現了顯著差異，當添加量大于50g后達到了極顯著水平，在添加量達到75g時，土壤中有效鎘含量最低，約為1.47mg/kg，與空白相比下降了50%左右，說明添加巰基化膨潤土有效地鈍化了土壤中的鎘，降低了鎘的有效性，對土壤中的鎘有良好的鈍化作用。

膨潤土帶負電，可以吸附帶正電的鎘離子，膨潤土層間或表面的羥基對鎘具有一定的絡合作用，層間的陽離子也能與鎘離子發生離子交換[3]，本次使用的鈍化劑是膨潤土經硅烷偶聯的方式嫁接巰基，嫁接的巰基易于與土壤中鎘結合，形成了植物更加難以利用的形態，使土壤中有效態鎘濃度顯著降低。

圖1 土壤有效鎘含量變化

圖 2 水稻葉片中 CAT（U·g-1FW·min-1）、SOD（U·g-1FW·h-1）和 POD（μg·g-1FW·min-1）酶活性的變化

2.2 巰基化膨潤土對水稻葉片酶活性的影響

植物如果受到重金屬脅迫，通過增加對某些礦質元素的吸收以增強抗氧化酶系統的活性，來應對重金屬對植物的影響[4-6]。巰基化膨潤土能鈍化土壤中重金屬，減緩重金屬對植物的脅迫作用。因此，在鎘污染水稻土中添加巰基化膨潤土，一方面能顯著降低土壤中有效鎘的含量（圖1），另一方面，對水稻葉片中的抗氧化酶活性也產生顯著的影響（圖2）。未添加巰基化膨潤土的空白樣品，水稻葉片的酶活性較高，CAT、SOD和 POD三種酶活性分別為 168±0.03U·g-1FW·min-1、105±1.41 U·g-1FW·h-1、199±2.70μg·g-1FW·min-1。隨著巰基化膨潤土添加量的增加，水稻葉片CAT和SOD活性均下降，POD活性在添加量為12.5 g時升高，隨后隨著巰基化膨潤土的添加量增加而降低。SOD的活性下降分為兩個階段，在巰基化膨潤土添加量小于25 g時急劇下降，添加量在25-75 g下降較為平穩。與空白組相比，CAT、SOD、POD活性最大分別下降了70.83%、29.42%、43.82%。

分蘗期水稻葉片中抗氧化酶與空白組的顯著性差異分析顯示：隨著巰基化膨潤土的添加量增加，葉片中抗氧化酶活性與空白組的抗氧化酶活性均表現為顯著或極顯著差異。當巰基化膨潤土添加量達到最大75 g時，SOD、POD活性與空白組相比表現為極顯著差異。特別是過氧化氫酶（CAT）的活性在巰基化膨潤土添加量大于50 g時急劇下降到60 U·g-1FW·min-1以下，與空白相比就達到極顯著差異，這與分蘗期有效態鎘與空白比具有極顯著差異是一致的。結果表明，添加巰基化膨潤土能顯著降低葉片中抗氧化酶的活性，有效改善鎘對水稻的脅迫作用，降低了鎘對水稻的影響。

2.3 土壤有效態鎘、水稻葉片SOD、CAT和POD酶活性、巰基化膨潤土添加量的相關性

土壤有效態鎘、水稻葉片SOD、CAT和POD酶活性、巰基化膨潤土添加量之間的Pearson相關性分析結果如表1所示。水稻葉片中3種酶活性與巰基化膨潤土添加量呈負相關，SOD活性達到了顯著水平，POD和CAT活性達到了極顯著水平；土壤中有效態鎘含量與巰基化膨潤土添加量呈極顯著負相關；土壤中有效態鎘的量與SOD、CAT和POD活性具有正相關關系，且均達到極顯著水平；水稻葉片中三種抗氧化酶活性之間也是具有一定的正相關關系，特別是CAT的活性與其他兩種酶的活性也達到了顯著和極顯著水平。

表1 添加巰基化膨潤土后水稻三種酶活性與土壤鎘相關性分析

可以看出土壤有效態鎘，SOD、CAT和POD三種酶活性的大小與巰基化膨潤土的添加量關系密切，巰基化膨潤土上巰基能捕獲土壤中鎘，改變其形態，降低土壤中有效鎘的含量，減緩土壤中鎘對水稻的脅迫作用，影響水稻本身的酶保護機制，表現為SOD、CAT和POD活性隨著巰基化膨潤土添加量的增加顯著降低。相關性分析進一步表明，巰基化膨潤土是一種很好的土壤鎘鈍化材料，可望作為土壤重金屬鈍化劑進行大田應用。

結語

施加巰基化膨潤土能有效降低土壤中有效鎘的含量，有效態鎘的減少量與巰基化膨潤土添加量具有顯著相關性，巰基化

（ 膨潤土對水稻土中鎘具有鈍化作用。施加巰基化膨潤土分蘗期水稻葉片中CAT、SOD和POD酶活性均下降，下降率與巰基改性膨潤土添加量具有顯著相關性，添加巰基化膨潤土到土壤中減緩了鎘對水稻的脅迫作用。