籽粒莧對攀枝花市含鎘土壤的生理生化響應及修復效果

何欣怡，孫 蓉，程 茜，陳生婷，鄭 毅

（攀枝花學院生物與化學工程學院，四川攀枝花 617000）

土壤是環境體系的核心介質，是大氣和水體兩者之間的關鍵橋梁，它攜帶著來自空氣中大部分的污染物和水污染物，最終集中在土壤中。隨著我國工業化和城市化的迅速發展，土壤重金屬污染形勢日益嚴峻。一般來說，重金屬是指密度大于4.5 g·cm-3的金屬，主要有銅、鉛、鋅、鎘、鉻、鈷、鎳、錳等[1]，土壤重金屬污染修復已成為一個重要的研究課題。在我國蔬菜種植地區的土壤存在的重金屬污染問題主要是鎘含量超標，汞超標率次之[2]。鎘具有高毒性與高遷移性，被植物吸收后可以通過食物鏈直接或間接進入人體，威脅人的身體健康[3]。

攀枝花地區礦產資源極其豐富，礦業開發使土壤受到不同程度的重金屬污染[4]，其中As、Cd、Cr、T、V 元素含量和污染程度較高，且在不同的礦區，污染的來源不同[5]。前人研究表明，攀鋼地區土壤各種重金屬元素都表現出污染，Cd 污染最為嚴重[6]。馬家田尾礦區位于攀枝花東區銀江鎮，是攀鋼集團的尾礦區[7]，其土壤中富集了多種重金屬元素，對環境和生物造成了一定的影響。因此開展該地區土壤污染修復研究具有重要意義，不僅有利于對重金屬元素污染的土壤進行修復，也有利于部分資源的再利用。

植物修復技術是20 世紀90 年代初發展起來的一種對生態系統友好、經濟合理的新興修復技術，它是利用某些植物及其微生物共存系統對重金屬、放射性元素等的過量耐受和積累來消除土壤污染。Brooks 在1977 年提出了超富集植物的定義[8]，直到后來Chaney在1983 年向世界宣布植物修復的想法后[9]，植物修復技術才被用來修復重金屬污染的土壤。我國鎘污染土壤修復技術無論是在治理模式、修復技術及相關法律很大程度上仍落后于其他發達國家[10]，在近幾十年來，隨著土壤污染問題逐步被重視，有關植物修復的研究也取得了較大的進展。

籽粒莧（Amaranthus hypochondriacus）是莧科莧屬一年生草本植物，起源于中美洲和東南亞地區[11]，具有生物量大、耐鎘性強、鎘富集特性好等特點，主要包括多穗莧、尾穗莧和綠穗莧。周啟星等在1995年發現莧科植物具有很強的富鎘能力，因此可以利用莧科植物來治理鎘污染土壤[12]。Chunilall等研究也發現，食用紅葉莧菜和綠葉莧菜對鎘有很強的富集作用[13]。在鎘污染土壤中，鎘離子濃度會影響籽粒莧的生長發育，李凝玉等研究發現，兩個籽粒莧品種都對土壤中的鎘有吸收作用，并且土壤中的鎘離子濃度越大，籽粒莧的生物量就越少，同時，籽粒莧內的鎘含量會隨土壤中鎘含量增加而增加，當土壤中鎘濃度為16 mg·kg-1時，就達到了超富集植物的臨界標準[14]。如果鎘離子濃度很低的話，籽粒莧的抗氧化能力也會降低；鎘離子濃度很高時，籽粒莧會啟動活性氧防御機制，從而增加其對鎘的抗性。

籽粒莧具有數量多、容易栽培等優點，吸收累積重金屬的能力較好，在修復重金屬污染土壤上具有較大的應用潛力[15]。以攀枝花市阿署達地區的土壤為研究對象，將籽粒莧作為土壤修復植物，通過實驗室盆栽試驗及測定鎘脅迫下籽粒莧生理生化指標的變化，來確定籽粒莧對該地區的含鎘土壤是否具有修復作用及其修復響應機理，確定該技術在攀枝花阿署達地區是否具有應用前景，對改善該地區土壤環境、避免鎘危害人體健康具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤：在攀枝花市阿署達地區，選擇10個土壤采樣點，包括A（水景休閑區）、B（休閑運動區）、C（高檔休閑區）、D（集散服務區）、E（荷塘體驗區）、F（宗教朝拜區）、G（花香果園區①）、H（花香果園區②）、I（商務接待區）、J（度假區）。相鄰采樣點之間的距離在500 m 以上。從表層土壤（10～20 cm）中取約10 kg 的土壤樣品，運回實驗室除去碎石、砂礫、異物殘渣等，將各樣點土壤均分為2份，1份用于種植植株，待種植后再風干，另1份直接風干，將風干的土樣在研缽中用棒壓碎，過0.150 mm（100目）孔徑的尼龍篩。過篩后的土壤混合均勻。

供試植物：通過種子育苗選擇生長一致、抽薹期生長良好、無病蟲害的籽粒莧植株為試驗材料。

1.2 鎘吸附試驗

選取實驗室栽培的長勢一致、無病蟲害、莖高相同的籽粒莧，移栽到含有不同樣點土壤的盆缽中，1株1 盆，栽培于攀枝花學院實驗室，每天定時澆水，每組設置3 次重復。兩個月后，從每組盆栽里取靠近籽粒莧的根際土壤樣品，用于鎘含量檢測。

1.3 土壤中鎘含量的測定

將待測土壤風干后，揀去雜質，利用研缽碾磨，過100 目尼龍篩，取過篩后的土壤約50 g，送攀枝花釩鈦檢驗檢測所，用石墨爐原子吸收分光光度法測定土壤中鎘含量。

1.4 籽粒莧生理生化指標測定

分別利用BoxBio（北京）公司的植物葉綠素（Chlorophyll）含量檢測試劑盒、丙二醛（MDA）含量檢測試劑盒、脯氨酸（Pro）含量檢測試劑盒、植物可溶性糖含量檢測試劑盒、超氧化物歧化酶（SOD）活性檢測試劑盒、過氧化物酶（POD）活性檢測試劑盒及過氧化氫酶（CAT）活性檢測試劑盒（紫外吸收法），測定鎘脅迫后籽粒莧葉片中葉綠素、丙二醛、游離脯氨酸、可溶性糖含量及SOD、POD、CAT活性。

1.5 數據處理

采用SPSS 18.0 軟件進行數據統計分析，利用Excel整理數據，分析對比籽粒莧種植前后土壤中鎘含量的變化。評估籽粒莧對尾礦區的土壤修復情況。

2 結果與分析

2.1 處理前的土壤鎘含量測定

處理前各采樣點的土壤鎘含量如表1 所示，所有地區的土壤鎘含量均低于土壤重金屬污染國家標準中的二級標準。可以看出，A 點土壤的鎘含量最高，為0.271 mg·kg-1，該地區處于鄉村地帶，經營種植業和畜牧業，土壤鎘含量相對較高的原因可能是因化肥、農藥的頻繁使用污染了土壤。此外，G、H、J 點的土壤鎘含量均＜0.01mg·kg-1，這些地區種植了許多果樹，土壤比較肥沃，土壤中的微生物豐富。還可以看出土壤鎘含量高低與環境好壞、所處地帶有很大的關系，一般來說綠化較好的地方，基本不存在土壤重金屬污染問題，相反，比較荒廢、人流量較多的地方，土壤可能存在重金屬污染。

表1 初始狀態下各采樣點的土壤鎘含量

2.2 處理后的土壤鎘含量測定

根據第一次檢測結果，E、G、H、J 點的土壤中鎘含量較低，不具有研究意義，因此去除了這4 個地區的土壤樣品，對其余6 個采樣點的土壤樣品進行第二次鎘含量檢測。由圖1 可以看出，種植籽粒莧后，所有采樣點的土壤中鎘離子含量都降至0.01 mg·kg-1以下，表明籽粒莧對土壤中的鎘存在一定的吸附作用，并且處理效果良好。

圖1 處理前后的土壤中鎘含量對比

2.3 鎘脅迫對籽粒莧生理生化指標的影響

2.3.1 對葉綠素含量的影響

葉綠素是植物葉片進行光吸收、光傳遞和光轉化的場所，在一定程度上是反映植物光合能力受環境脅迫程度的重要指標[16]。由表2 可知，在鎘脅迫下，籽粒莧葉片的葉綠素含量有所下降，下降率達32.8%。表明鎘被植物吸收后，抑制了葉綠素中幾種酶的活性，阻礙了葉綠素的合成，從而降低了植物的光合作用。

表2 鎘脅迫對籽粒莧生理生化指標的影響

2.3.2 對丙二醛含量的影響

丙二醛可以反映膜脂過氧化情況，從而可以明確細胞膜系統受到侵害的情況。由表2 可知，在鎘脅迫下，籽粒莧的丙二醛含量有所升高，但是增幅較小，說明籽粒莧的耐受性比較強。

2.3.3 對脯氨酸含量的影響

脯氨酸對細胞質滲透平衡起調節作用，在鎘脅迫下，植物中的脯氨酸大量積累，從而降低重金屬的毒害，增加了植物的抗逆能力。由表2 可知，籽粒莧的脯氨酸含量有所增加，說明籽粒莧的抗逆能力較強。

2.3.4 對可溶性糖含量的影響

可溶性糖同樣作為植物的滲透調節物質，在植物受到鎘脅迫的時候，其細胞內的可溶性糖含量增加，從而增加了細胞液的濃度，提高了細胞的吸水能力，增加了植物的適應能力。由表2 可知，籽粒莧在受到鎘脅迫時，其細胞內的可溶性糖含量顯著增加，提高了籽粒莧對鎘的適應能力。

2.3.5 對抗氧化酶活性的影響

當植物受到鎘脅迫時，體內會生成大量的活性氧，抗氧化酶系統則可以通過消滅活性氧來減少植物受到的傷害。抗氧化酶系統主要由SOD、POD、CAT構成，植物體內的自由基在SOD 作用下生成過氧化氫，再通過POD 和CAT 生成水和氧氣。由表2 可知，當籽粒莧受到鎘脅迫時，體內的SOD、POD、CAT 含量都有不同程度的升高，表明籽粒莧在鎘脅迫時可以通過發揮抗氧化酶系統的作用來減少鎘的侵害。

3 小結與討論

籽粒莧具有易于栽培、環境適應能力強、富集能力強等特點，具有很大的土壤鎘污染修復的潛力。試驗結果表明，鎘脅迫對籽粒莧葉綠素合成有顯著的阻礙作用，并且在鎘脅迫下，籽粒莧的丙二醛、脯氨酸、可溶性糖含量及抗氧化酶活性均有所升高。周際海等的研究也表明：在鎘脅迫下，香樟幼苗的脯氨酸、可溶性糖含量均有一定程度增加[17]。試驗表明籽粒莧在鎘脅迫時可以發揮其作用來減少鎘的侵害，吸附土壤中的鎘離子，以達到土壤修復的目的。

污染土壤修復的目的是保障人們的健康，使土壤恢復生產力。就目前而言，關于籽粒莧吸附土壤中鎘離子的研究，大多是籽粒莧配合生物活化劑或者微生物共同修復鎘污染土壤。宋波等人在研究應用籽粒莧修復鎘污染農田土壤的潛力發現，在盆栽土壤中添加磷酸二氫鉀、EDTA 等生物活化劑能提高籽粒莧的生物量，改變土壤中鎘的形態，更能促進籽粒莧對鎘的富集能力[18]。羅艷研究發現，可降解螯合劑（EDDS、NTA、APAM）施入后顯著增強了籽粒莧根系和地上部分對鎘的吸收，并且植物的根、莖、葉等組織對鎘的富集能力也得到加強[19]。本試驗的土壤屬于輕度含鎘土壤，添加活化劑更能加快籽粒莧修復鎘污染土壤的時間，同時也能節約成本。因此添加生物活化劑比單一的籽粒莧修復更適合攀枝花地區。另外，相關學者采用生物炭對攀枝花地區的重金屬污染土壤進行修復的研究表明，土壤中添加生物炭，能有效降低土壤中重金屬的含量并增加土壤的肥力[20]。但是由于生物炭成本較高且有可能會改變土地的結構和生態系統的結構，會帶來不可估量的危害，因此植物修復的方法更適合在攀枝花地區推廣。

籽粒莧修復污染土壤研究有以下方面仍需完善：試驗大多為室內盆栽種植的形式，自然界實際應用的卻很少[11]。未來應采用室內室外結合的方法進行深入研究，通過現代生物技術，尋求控制籽粒莧吸收重金屬的關鍵基因，以此來培育出更強大的籽粒莧新品種。籽粒莧修復重金屬污染的機理研究及籽粒莧吸收重金屬的后續處理應得到加強和完善，優化籽粒莧修復技術，可與微生物、動物等結合，提高籽粒莧修復重金屬污染土壤的效率，開發出一套環境友好型的可持續修復技術。

綜上所述，通過對阿署達地區的土壤鎘含量檢測結果顯示，各個地點的土壤中都不同程度地含有鎘，但是未達到污染的程度。在鎘脅迫下，籽粒莧的葉綠素含量顯著降低，從而影響了光合作用，侵害了植物的生長，因此應該提高抗性；籽粒莧的丙二醛、脯氨酸、可溶性糖在鎘脅迫下，含量都有不同程度的升高，以此來提高植物的抗逆性；鎘脅迫往往伴隨著氧化脅迫，因此植物的抗氧化能力在一定程度上反映其耐鎘能力[21]，籽粒莧體內的SOD、POD、CAT 在鎘脅迫下，活性都有不同程度的升高，從而消滅活性氧來減少植物受到的傷害。比較前后兩次土壤中鎘含量檢測結果，發現土壤中的鎘含量均有所降低，表明籽粒莧對土壤中的鎘具有吸附作用，可以用作土壤鎘污染的修復植物，并且效果較好。