镉和铅在莲藕各器官中累积规律的研究

许晓光，卢永恩，李汉霞

（华中农业大学园艺林学学院，园艺植物生物学教育部重点实验室，国家蔬菜改良中心武汉分中心，湖北武汉，430070）

莲藕（Nelumbo nuciferaGaertn.），也称莲，为多年生水生蔬菜，主要分别在亚洲，我国主栽区主要在长江流域和黄淮流域，栽培历史悠久。莲藕因使用目的不同，可将其分为花莲、子莲和藕莲。莲藕植株分为荷叶、荷梗（叶柄）、匍匐茎（藕带）和藕（膨大的茎）。在莲藕生长初期，匍匐茎生长柔嫩，可以食用，即藕带；在生长后期，匍匐茎顶端膨大，可食用，即藕。莲藕全身是宝，有很高的营养价值，可供生食、熟食、制作罐头、加工藕粉和蜜饯等[1]。

近些年来，由于工业发展和城市的扩张，水体遭受工业“三废”污染，农业的农药、化肥污染情况也逐渐显现，而与之紧密相关的莲藕等水生蔬菜的食用安全问题也日益凸显，其中的重金属污染问题尤为突出。重金属如镉（Cd）、铅（Pb），不仅影响植株生长发育、导致水生蔬菜的减产，更重要的是污染产品，造成重金属在人体的积累，危害公民健康。目前，有关重金属Cd和Pb对莲藕生长发育影响的报道不多，对重金属在莲藕各器官中的积累和分布规律研究鲜有报道。

本研究旨在探索Pb和Cd在莲藕不同器官中累积和分布规律及其与土壤中Pb和Cd的浓度关系，以期为进一步研究莲藕对重金属的吸收和分配规律的分子机理奠定基础，同时为指导莲藕安全生产和水质净化提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

莲藕品种为鄂莲5号，武汉市蔬菜研究所提供。

1.2 试验设计

在相同大小水缸（高×直径=50 cm×70 cm）内装入晒干过筛的菜园土，每缸50 kg，复合肥100 g。栽植前一周按浓度在缸中加入重金属。对于Cd，取含Cd为3 mg/mL 的 CdCl2母液各 0（CK），10，20，30，40 mL，分别倒入不同的缸中，搅拌，使Cd均匀分布于土壤中，使添加浓度分别为 0，0.6，1.2，1.8，2.4 mg/kg，每缸为1次重复，每处理3次重复。

对于 Pb，取含 Pb 为 0.25 g/mL 的 Pb（NO3）2母液各 50，100，150，200，500 mL，分别倒入不同水缸，搅拌均匀，Pb 添加浓度分别为 0（CK），250，500，750，1 000 mg/kg，每缸为1次重复，每处理3次重复。

经测定，试验所用土壤Cd和Pb的含量分别为0.13和 14.6 mg/kg，符合国家标准的自然背景值（GB15618-1995）

1.3 栽培管理

于2009年5月5日，取大小一致的鄂莲5号子藕1支作为种藕，栽植于水缸中，每缸一支。常规栽培管理，及时浇水、除草、喷药杀虫等。在莲藕膨大初期（8月15日）和膨大后期（10月13日）取样，清洗，烘干，并称干鲜质量，粉碎机粉碎，装入铝盒待用。

1.4 莲藕各器官Cd和Pb含量测定

Cd和 Pb含量测定参照 GB/T 5009.12-2003进行。称取各器官样品1.00 g于消化管中（可放数粒玻璃珠），加 10 mL 混合酸（浓硝酸∶高氯酸=4∶1），加盖浸泡过夜，电炉上消解，若变棕黑色，再加混合酸，直至冒白烟，消化液呈无色透明或略带黄色，放冷，用滴管将样品消化液过滤入25 mL容量瓶中，用蒸馏水少量多次洗涤消化管，洗液合并于容量瓶中并定容至刻度，混匀备用；同时作试剂空白对照，原子吸收光谱仪（AA240FS美国，Varian公司）测定Cd和Pb含量。

1.5 土壤Cd和Pb含量测定

称取过2 mm目筛的风干土1.0 g于消化管中，少量超纯水润湿，加王水（浓硝酸∶浓盐酸=1∶3）4 mL摇匀，在消化炉中由低温至微沸，待棕烟冒完，取下冷却，加高氯酸2～4 mL，继续消化产生浓白烟挥发高氯酸，样品呈灰白状，冷却过滤至20 mL容量瓶，少量多次冲洗残渣，定容。同时作试剂空白，测定方法同上。

2 结果与分析

2.1 土壤Cd含量与莲藕各器官Cd累积规律

图1 Cd的施入与土壤Cd含量变化

图2 8月份各器官中Cd的积累

通过对土壤Cd含量测定表明（图1），随着外施Cd的增加，土壤Cd含量相应增加。当外施Cd浓度为0.6 mg/kg时，8月和10月土壤Cd浓度分别为 0.285 mg/kg 和 0.32 mg/kg，超出国家二级土壤环境质量标准值（0.2 mg/kg）。10月份土壤Cd浓度较8月份有所下降，表明随着莲藕的生长，部分Cd已经被莲藕吸收。

莲藕Cd梯度胁迫试验表明，随着外施Cd量增加，莲藕各器官Cd浓度相应增加（图2，图3）。在相同的Cd浓度下，莲藕各器官Cd积累量有明显差异。如在早期（图2），当外施Cd浓度为0.6 mg/kg时，荷叶与匍匐茎积累量已经超出国家标准（0.05 mg/kg），且显著高于荷梗与莲藕积累量；当外施Cd浓度达到1.2 mg/kg时，各器官均已超标。外施浓度高于1.2 mg/kg后，荷叶、荷梗和匍匐茎中的Cd含量急剧升高，匍匐茎中Cd浓度增加最快，当施入量为 2.4 mg/kg 时，其 Cd 含量已达到 0.47 mg/kg，是荷叶的 1.91 倍、荷梗的 3.48 倍以及藕的 2.47 倍。

生长晚期Cd积累方式与早期类似（图3），各器官Cd含量随土壤施入浓度的增加而增加。当施入量高于0.6 mg/kg时，藕的Cd浓度急剧增加，当施入含量达到1.8 mg/kg时，膨大藕中Cd含量达到0.2 mg/kg，是荷叶的 1.31 倍，荷梗的 2.60 倍。

纵向比较前期和后期Cd在各器官中的累积表明，在外施 Cd 浓度逐渐增加时（0～1.8 mg/kg），随着生长期的延长，莲藕各器官中Cd积累也逐渐增加（图2，图3）。

综合来看，在外施一定Cd浓度下，莲藕中Cd含量以匍匐茎最高，荷叶次之，藕再次，而荷梗最低。但随生长期的延长，特别是成熟期，在高浓度下，藕中Cd含量增加，可能超过荷叶。

2.2 土壤Pb含量与莲藕各器官Pb累积规律

结果表明，随Pb施入量的增加，土壤Pb含量也随之增加（图4），当Pb施入浓度为500 mg/kg时，8月和10月土壤Pb含量分别达到 266.1和251.4 mg/kg，均超出国家二级土壤环境质量标准值（250 mg/kg）。

图3 10月份各器官中Cd的积累

图4 Pb的施入与土壤Pb含量变化

图5 8月份各器官中Pb的积累

图6 10月份各器官中Pb的积累

土壤Pb浓度与莲藕各器官中Pb含量也存在明显的正相关性（图5，图6），随着土壤Pb浓度的增加，各器官Pb含量也随之增加。不过，各器官Pb含量的增幅并不相同，以匍匐茎增幅最大，含量也最高。如8月份，当Pb外施浓度从250 mg/kg增加到750 mg/kg时，匍匐茎Pb含量从2.4 mg/kg增加到 8.78 mg/kg，是荷叶的 5.22 倍、荷梗的 2 倍和藕的 3.56 倍，Pb 含量在匍匐茎中净增加了 5.38 mg/kg，而在同样状况下，Pb在藕中的含量却仅增加了2.29 mg/kg。

10月份，当外施Pb浓度低于250 mg/kg时，藕中Pb含量也较低，但随着外施Pb的增加，其Pb含量迅速增加，在外施500 mg/kg时已经超过荷叶的Pb含量。在相同Pb浓度处理下，8月份的荷叶、荷梗、藕中的Pb累积量分别低于10月份相应器官的累积量，即随生长期的延长，各器官Pb含量增加。其中8月份匍匐茎Pb含量与其他器官各时期相比，增加更为明显。可见，匍匐茎最容易造成Pb累积。

整体来看，一定Pb浓度下，莲藕各器官Pb含量为：匍匐茎＞荷梗＞藕＞荷叶。但在较低浓度下，荷梗和荷叶Pb含量变化幅度较小，结藕早期荷梗高于荷叶，结藕后期则荷叶高于荷梗。当外施Pb浓度高于250 mg/kg时，各器官Pb含量已经全部超标。

3 讨论

3.1 外施浓度与器官差异对Cd和Pb累积的影响

重金属的施入量影响其在各器官中的积累。在一定的Cd，Pb浓度范围内，随Cd，Pb施入浓度的增多，莲藕各器官的累积量也逐渐增多，土壤重金属含量与莲藕累积量呈正相关。当外施Pb浓度低于 500 mg/kg，镉浓度低于 1.2 mg/kg 时，荷叶、荷梗Cd，Pb累积量高于藕的积累量，这对于莲藕食品安全是有利的。各器官中Cd，Pb含量是一个累积过程，而且随外施浓度的增加，累积速度也增加。因此，控制重金属污染源在一定的浓度范围内，对于改善土壤环境和莲藕的安全生长尤为重要。

重金属在各器官中的累积量与重金属的种类有关。Cd在荷梗中的积累量低于荷叶，而Pb在荷梗中的积累量却高于荷叶。这可能与重金属在植物体内的吸收和代谢存在差异有关。因此，了解不同重金属在莲藕体内的运输、代谢及积累规律，发掘影响其转运和代谢的关键基因，对于揭示重金属的调控分子机理，解决莲藕的重金属污染问题具有重要意义。

重金属的积累量存在器官差异。本研究表明，低浓度下，Cd，Pb在莲藕中的分布是：地下匍匐茎＞荷叶或荷梗＞藕。研究认为，Cd在植物器官中的分布一般为：根＞叶＞茎＞花、果、籽粒[2]，也有人持不同观点[3]。藕较其他器官Cd，Pb含量低的原因可能为以下几点：①匍匐茎通气组织发达，叶片巨大，蒸腾作用与光合作用强，利于Cd，Pb的向上转运；②匍匐茎、荷叶或荷梗等器官中谷胱甘肽等螯合物在相应酶的作用下，与Cd离子形成络合物的能力比藕强；③莲藕是非超积累植物，其地下部器官和地上部器官对镉的代谢途径和调控存在差异。

Pb在莲藕器官中的分布基本上是：地下匍匐茎＞荷梗＞藕＞荷叶。荷梗中的含量高于荷叶，可能与Pb离子半径较大，其不易转运和形成稳定的络合物有关。

3.2 土壤污染与莲藕的食用安全

外施Cd浓度高于0.6 mg/kg，Pb浓度高于500 mg/kg 后，土壤 Cd，Pb 浓度均超标（图1，图4）。当外施Cd浓度大于1.2 mg/kg，外施Pb浓度大于250 mg/kg时，莲藕食用器官Cd，Pb均超标。可见，莲藕食用安全与土壤的污染状况有直接的关系。

当土壤外施Cd浓度（0.6 mg/kg）超出国家二级标准（0.2 mg/kg）时，叶片和藕中 Cd的积累量却未超标。而当土壤外施Pb浓度在国家二级标准范围内（250 mg/kg）时，除藕以外的其他器官Pb积累量均超标。这种现象表明，莲藕对Cd，Pb的吸收除与土壤中全Pb、全Cd含量有关外，还与他们在土壤中的有效态有关[4]。

因此，研究土壤全Cd、全Pb和有效Cd、有效Pb含量的关系，以及它们在莲藕各器官中积累的关系，找出莲藕各食用器官在未超标状态下土壤重金属的最高上限，对于莲藕食用安全检测指标的优化和莲藕重金属污染标准制定具有重要的参考价值。

[1]孔庆东.中国水生蔬菜品种资源[M].武汉：湖北科学技术出版社，2004.

[2]张军，束文圣.植物对重金属镉的耐受机制[J].植物生理与分子生物学学报，2006，32：1-8.

[3]黎先超，孙晓梅.莲藕吸收重金属含量的分布状况[J].中南民族大学学报:自然科学版，2006，25：26-27.

[4]李其林，刘光德，黄昀，等.大田蔬菜Pb、Cd污染途径的研究[J].中国生态农业学报，2004，12：149-152.