电子垃圾拆解区土壤上空心菜的毒理响应

王瑾丰，宋小飞*，牛晓君，吴浩，于敏，李丽，刘尘

1. 华南理工大学环境与能源学院，广东 广州 510006；2. 工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室，广东 广州 510006

电子垃圾拆解区土壤上空心菜的毒理响应

王瑾丰1,2，宋小飞1,2*，牛晓君1,2，吴浩1,2，于敏1，李丽1,2，刘尘1,2

1. 华南理工大学环境与能源学院，广东 广州 510006；2. 工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室，广东 广州 510006

电子垃圾拆解区对当地环境造成严重污染，电子垃圾拆解区重金属在土壤农作物体系中有一定迁移性，并可通过食物链进入人体，对人体健康造成威胁。深入探究作物的积累重金属的机理，可为调控食物链的重金属传递，减少重金属对人体健康的威胁提供一定的理论和实践依据。以广东省梅州市贵屿岛某电子垃圾拆解区为中心，沿半径方向2、20、40、50 m采集土壤，同时以未受电子垃圾拆解区的土壤作为参照，在室内采用盆栽实验方法研究空心菜（Ipomoea aquatica）对电子垃圾污染的土壤中重金属Cd、Cu、Pb、Zn、Cr的毒理响应。结果表明：受电子垃圾污染土壤中栽种的空心菜，五种重金属的含量在空心菜体内的分布为根＞茎＞叶，根部的富集系数最高，同时空心菜根部对Cu，Zn的生物积累作用最强烈，在水稻土上空心菜对重金属的富集最为明显；空心菜的生长高度受重金属的污染不明显，重金属对空心菜的主要影响表现在叶面形态上；受到污染胁迫后，空心菜中叶绿素的含量明显降低，距电子垃圾2、20、40、50 m的土壤和水稻土壤上种植的空心菜的叶绿素量平均是对照汕头土壤的44.0%、74.2%、75.4%、88.7%、74.1%；空心菜对于土壤中重金属的污染有较好的自身调节能力，其体内的过氧化氢酶和过氧化物酶表现的相似，土壤受重金属的污染越严重，空心菜的CAT和POD的含量相应也较高。

电子垃圾拆解区；重金属；土壤；空心菜

电子废物的不当拆解、回收活动会对环境造成严重污染，这一现象已经引起国内外的广泛关注（荆维，2009）。电子垃圾拆解区的有毒有害物质如重金属，难降解持久性有机物（POPs）等能够从垃圾填埋场渗滤到土壤中（Binns等，2006），不仅直接毒害土壤生物、破坏土壤结构，还会间接造成水体污染，并通过食物链直接或间接危害人体健康（李开军，2011）。罗勇等（罗勇，2008）调查、分析了电子废物不当处置对区域和流域环境介质中重金属的含量、分布和迁移的影响，发现受到电子垃圾污染的土壤遭到不同程度的重金属污染。电子垃圾中有害物质在介质中转化吸收以及在生物体中的富集，是一个比较缓慢的过程，其危害可能在数年以至数十年后才能被发现（周玲，2014）。王婷（王婷，2007）对广东省汕头市贵屿镇农作物中的重金属分析结果显示，农作物样品中Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Zn的水平普遍较高，同时采样点的水稻样品中的重金属含量总体高于其他植物，并且稻根部位的积累现象明显。目前对电子垃圾浸出物的毒性研究，主要是对土壤以及植物的重金属进行测定，以评估电子垃圾的浸出物对植物的影响。一般认为，但是在受电子垃圾污染的土壤上植物的各个生长阶段所受的影响，未作深入的研究。

空心菜(Ipomoea aquatic)作为我国南方常见食用蔬菜，是一年生植物，适应性强，种植成本低。本文利用电子垃圾拆解区污染土壤在室内培育空心菜，观察空心菜的生长形态、重金属在植物各器官的分布特点、研究植物体内的叶绿素含量及过氧化酶的变化，探讨植物对电子垃圾污染土壤的生理生态响应，可为调控食物链的重金属传递，减少重金属对人体健康的威胁提供一定的理论和实践依据。

1　材料与方法

1.1土壤的采集

土壤采集于广东省梅州市贵屿镇（东经116°21′，北纬23°20′）的某电子垃圾拆解区。贵屿镇主要为第四系全新统海陆交互相沉积层，基岩为花岗岩，埋深较大，区内无基岩出露；海陆交互相沉积层由粉质黏土、黏土、粉砂、细砂、淤泥、淤泥质土互层组成。区内土壤类型单一，均由三角洲沉积土田潴育水稻土组成。采集的供试土壤分别距电子垃圾堆卸物2、20、40、50 m以及附近100 m水稻田的土壤。另外在广东省汕头市选取汕头梅溪河岸（东经116°18′，北纬23°32′）没有受电子垃圾污染的土壤作为对照。土壤中重金属元素的含量见表1。

表1　土壤在中重金属元素含量Table 1　Content of heavy metals in soils　　mg·kg-1

1.2土培盆栽实验

将采集回来的土壤风干后混合均匀，除去植物残根、石块等杂质，在每个直径为20 cm、高为15 cm的塑料盆中放入3 kg土壤，每种土壤均设置3个重复。播种前，将空心菜种子（购于广东省农业科学院）用50 ℃清水浸泡30 min，再用清水室温浸泡24 h。每盆播入16粒经过催芽，以露白的空心菜种子，再覆盖100 g相应的土壤，每2 d浇灌1次蒸馏水，播种1周后进行间苗，每盆保留12株均匀一致的幼苗。温室温度为35～55 ℃。

植物的生长状态以及各种指标在7 d内测试1次。分别测试植物的株高、叶片的情况、叶片的叶绿素（叶绿素a以及总叶绿素）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）。在空心菜达到60 d的收获期后，将空心菜从盆栽中移出，放入清水中洗净根部的泥土，晾干后分别称取空心菜的菜根、菜茎和菜叶，经消解后测定植物体内相应部位的重金属含量。

1.3分析方法

重金属含量采用HNO3-HCl-HClO4-HF全量消解土壤进行前处理，原子吸收分光光度法测定，原子荧光光度计测定Hg含量。空心菜样品(可食用部位) 中加入10 mL HNO3，通过微波消解仪( MARS5)消解，用原子吸收分光光度计(岛津AA7000原子吸收光谱仪) 测定重金属含量（张露尹等，2013）。

过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性的测定采用比色法(Niu等，2013)。空心菜的叶片叶绿素采用体积比为95%乙醇和丙酮的混合液提取，分光光度法于663、645 nm处测定吸光值，并计算叶绿素a和总叶绿素含量。

1.4数据分析

数据分析和绘图均采用Origin 8.0进行。

2　结果与讨论

2.1空心菜生长过程中土壤中重金属含量的变化

汕头土是没有受过电子垃圾拆卸物污染的土壤，其他的土壤则均采于电子垃圾周围。表1所示的土壤，重金属含量均超过《土壤环境质量标准》中的二级标准。在栽种的过程中，分别在第42天和56天对土壤中的重金属的含量进行了测定。土壤中重金属的变化如图1所示。

随着空心菜种植天数的增加，土壤中重金属Cd、Cu、Pb、Zn、Cr的含量呈现出降低的趋势。同时，土壤中Cd和Zn的含量随着空心菜生长天数的增加下降趋势比较明显。而且土壤中重金属的初始含量越高，在空心菜的生长过程中降幅越大。

造成土壤中重金属含量降低的主要原因，可以认为是灌溉过程中土壤中重金属被淋溶洗脱和空心菜在生长过程中富集了土壤中的重金属。

2.2空心菜根、茎、叶不同部位中五种重金属含量

表2表明，5种重金属（Zn、Pb、Cu、Cd、Cr）其含量在空心菜中的分布规律为根＞茎＞叶，这与前人的报道基本一致（Bernal等，1994；Ye等，1997）。分析本实验的空心菜样品的5种重金属富集系数，以距电子垃圾20 m土上种植的空心菜来看，在生菜的根部，生物富集系数分别为r（Cd）=0.012，r（Cu）=0.039，r（Pb）=0.009，r（Zn）=0.444，r（Cr）=0.008。说明空心菜在污染较严重的土壤中，对重金属的富集的程度为Zn ＞Cu＞Cd ＞Pb＞ Cr。对于空心菜茎的重金属顺序为Zn（r=0.261）＞ Cu（r=0.027）＞Cd（r=0.01）＞Pb（r=0.008）＞Cr（r=0.006）；叶的顺序为：Cu（r=0.028）＞Zn（r=0.014）＞Cd（r=0.009）＞ Pb（r=0.008）＞Cr（r=0.006）。Zn在空心菜的生物富集系数分别比其他重金属稍高，表明Zn在生菜体内的迁移强度及吸收利用程度较高,同时空心菜富集系数也表现为根部＞茎＞叶。说明重金属在空心菜中的迁移过程是从根部逐渐运输到顶部, 且随着空心菜的生长，主要集中在空心菜的根部。除锌外，空心菜各部位的重金属的总富集系数同土壤的污染程度负相关。

图1　土壤镉、铜、铅、锌、铬含量变化Fig. 1　change of cadmium, copper, lead, zinc and chromium content of soil

以距电子垃圾20 m土壤样本上生长的空心菜中重金属的含量为例，Cu主要集中在根部（18.18 mg·kg-1），高于茎（13.73 mg·kg-1）和叶（13.30 mg·kg-1）；另外，Zn也主要集中在根部（169.64 mg·kg-1），远高于茎（82.91 mg·kg-1）和叶（67.89 mg·kg-1）。说明在距电子垃圾20 m土壤样本上栽种的空心菜根部对Cu，Zn的生物积累作用较强。Zn在空心菜各部位中的含量均比其他金属高，其次是Cu和Pb。Cr和Cd在空心菜各部位含量较低。其他供试土壤上栽种的空心菜也类似于距电子垃圾20 m土中重金属的分布。从表2中可以看出，水稻土栽种的空心菜对重金属的富集程度最高，特别表现为对Cu和Pb的富集效果。土壤的理化性质直接影响重金属在土壤中的形态，这些因素直接或者间接的影响植物吸收重金属(Zeng等，2011)。可能水稻土中的有机质和pH等理化性质能提高重金属的生物有效性，提高了植物对重金属的吸收积累。

2.2空心菜的生理生态响应

2.2.1 空心菜的生长响应

在空心菜的生长过程中，从图2可以看出空心菜生长高度对于重金属的污染不敏感，在各个受电子垃圾污染土壤中生长的空心菜，只有在成熟时期生长高度低于对比组汕头土壤中生长的空心菜。但是在叶片的形态上，受电子垃圾拆卸物污染的土壤上栽种的空心菜和对照组空心菜的区别明显。在整个空心菜的生长过程中，未受污染的汕头土壤上种植的空心菜没有出现出菜叶萎蔫和枯死的情况，但是受电子垃圾堆卸物污染最严重的距电子垃圾2 m土的空心菜叶片从发芽开始就出现部分发黄，并伴随着植物的生长，至26 d左右，出现部分叶片枯萎掉落，且伴随整个种植过程。由于距电子垃圾2 m土中种植的空心菜从发芽开始就受到重金属的损伤，相对于其他土壤盆栽上的空心菜，其受损时间最长，因此枯萎叶片最多。土壤受电子垃圾堆卸物污染程度不同，空心菜叶片形态也随生长过程而变化。在前期20 d，空心菜的形态与土壤的污染状况相关不显著，但是在生长比较旺盛的中期，由于植物大量吸收养分，叶面形态对土壤中的重金属含量表现敏感。在距电子垃圾20 m土、距电子垃圾40 m土和水稻土中，空心菜种植20 d后均出现部分叶片枯萎状况，特别是在第26到第40天，由于温室气温较高，空心菜生长速度较快，叶片的受损的程度最为严重。在受污染较轻的距电子垃圾50 m土中，空心菜在温室室温超过40 ℃时，出现了部分叶片萎蔫。从空心菜种植过程中其株高和叶片变化情况来看，重金属对空心菜有明显的抑制作用。但是各种重金属对空心菜的主要损伤途径各不相同，空心菜受重金属的伤害程度、伤害症状与重金属的种类关系密切，研究表明(黄国勇等，2010)，Cd、Pb处理可使叶绿体结构发生明显变化，破坏了叶绿体的膜系统，而对叶绿体结构破坏的直接结果就是导致叶片发黄等。众多学者认为重金属能与植物体内不同器官组织中的-SH结合，对植物生长发育造成不同程度的影响，如大囊酶活性中心的-SH被结合导致其活性下降，失去催化功能，从而干扰细胞的正常代谢等（刁维萍等，2004）。

表2　空心菜的各部位重金属含量及富集系数Table 2　Heavy metal concentrations and enrichment factors in various parts of Water spinach

图2　不同土壤上空心菜的生长高度Fig. 2　Heights of Water spinach in different soils

2.2.2 空心菜叶绿素的响应

图3　不同土壤上空心菜叶绿素a的含量Fig. 3　Chlorophyll a contents of Water spinach in different soils

图4　不同土壤上空心菜叶绿素的总含量Fig. 4　The total content of Chlorophyll of Water spinach in different soils

图3和图4是各种土壤上生长的空心菜的叶绿素a和叶绿素总量的含量的变化，土壤受污染的程度越大，相应时期的叶绿素含量也相应较低。在植物的生长过程中叶绿素的含量也在逐渐降低，叶绿素a、叶绿素总量都呈现下降趋势，且在同一时期，叶绿素的平均含量表现为距电子垃圾2 m土＜距电子垃圾20 m土＜ 距电子垃圾40 m土＜水稻土＜ 距电子垃圾50 m土＜汕头土。距电子垃圾2 m土、距电子垃圾20 m土、距电子垃圾40 m土、水稻土、距电子垃圾50 m土的生菜叶片生长过程中平均叶绿素含量分别是对照值汕头土的21.2%、23.0%、64.3%、62.9%、74.1%，空心菜失绿症状明显。说明电子垃圾所造成的污染会可以使生菜叶片的叶绿素含量明显降低。叶绿素含量在一定程度上反映了植物光和作用的水平，植物叶片中叶绿素含量与光和速率、营养状况等密切相关，因此常用叶绿素含量的高低表征植物在逆境下受伤害的程度。众多研究表明（Gupta等，1995；陈国祥等，1999），重金属对植物光合作用的影响是通过影响光合过程中的电子传递和破坏叶绿体的完整性而实现的，而重金属胁迫对植物的光合作用都是抑制的，且抑制效果与处理时间的延长和浓度的加大成正相关。

2.2.3 空心菜过氧化氢酶（CAT）的响应

电子垃圾拆解区土壤对过氧化氢酶从图5中可以得出，空心菜体内过氧化氢酶的含量与土壤的重金属污染程度密切相关。本研究中，距电子垃圾2 m土上的空心菜CAT值基本上是对比汕头土壤上空心菜同期值的1.2到1.6倍；其次是距电子垃圾20 m土上栽种的空心菜，CAT的值是对比汕头土壤上空心菜同期值的1.2到1.4倍；距电子垃圾40 m土、距电子垃圾50 m土和水稻土上栽种的空心菜CAT值总体上则略高于对比土壤上栽种的空心菜。说明在土壤污染较为严重时，空心菜受到胁迫的程度，植物体内的过氧化氢酶的活性在变化，土壤中重金属含量越多，对应的CAT活性也相应越高。土壤受重金属的污染越严重，空心菜的CAT的含量相应越高。这是由于植物在逆境时，由于体内活性氧代谢加强而使H2O2积累，H2O2可以直接或间接地氧化细胞内核酸、蛋白质等生物大分子，并使细胞膜遭受损害，从而加速细胞的衰老和解体（孙瑞莲等，2005）。过氧化氢酶可以消除H2O2，植物组织中的CAT活性与植物的抗逆性密切相关。

图5　不同土壤上空心菜的CAT活性Fig. 5　CAT in different soil of Water spinach

图6　不同土壤上空心菜的POD活性Fig. 6　POD in different soil of Water spinach

2.2.4 空心菜过氧化物酶(POD)的响应

空心菜体内过氧化物酶的表现和过氧化氢酶有所相同，土壤受重金属的污染越严重，空心菜的POD的含量相应也较高。从图6中可以得出，距电子垃圾2 m土上栽种的空心菜POD值是汕头土壤上空心菜同期值的1.2到1.9倍。距电子垃圾20 m土上栽种的空心菜POD的值是汕头土壤上空心菜同期值的1.1到1.7倍。从总体上看，在不同的土壤上空心菜的值，随着栽种的时间，呈现出先下降，后上升的趋势。表明植物在生长的初期，对土壤中的重金属比较敏感，空心菜内的过氧化物酶比较高，表明空心菜在受到胁迫时做出反应，通过调节自身的POD活性以减轻活性氧的伤害作用。随着空心菜的生长，在生长旺期的20到45 d的时间内，空心菜抵抗重金属胁迫的能力逐渐增强，POD值在下降。到空心菜的栽种后期，由于空心菜的衰老和体内重金属的不断累积，POD的值又在逐渐升高。在种植过程中空心菜的一系列的生理生化指标的变化趋势表明：在不同浓度的重金属污染下，空心菜能够调节体内的各种抗氧化酶来抵御重金属的损伤。

3　结论

在空心菜种植的整个生长周期内，空心菜体内的重金属含量的分布为根＞茎＞叶，且测试的5种重金属在根的富集系数也最高。空心菜根部对Cu，Zn的生物积累作用最强烈。水稻土更利于空心菜对重金属的富集。

在土壤受到电子垃圾不同程度的污染时，空心菜的生长速度几乎一样，只是植物在叶片的形态上受土壤重金属的影响，表现出土壤污染越严重，叶片褪色、萎蔫、枯萎的也就越多。

在土壤受到电子垃圾不同程度的污染时，空心菜的叶绿素含量受到的较大的影响，距电子垃圾2、20、40、50的土壤和水稻土壤上种植的空心菜的叶绿素量平均是对照汕头土壤的44.0%、74.2%、75.4%、88.7%、74.1%。电子垃圾所造成的污染会可以使空心菜叶片的叶绿素含量明显降低。

空心菜体内的过氧化氢酶和过氧化物酶表现的有所相同，土壤受重金属的污染越严重，空心菜的CAT和POD的含量相应也较高。但其含量与对照汕头组栽种相差不大，说明空心菜对于土壤中重金属的污染有较好的自身调节能力。

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Toxicology Studies on Soil of Electronic Waste Recycling Site to Spinach

WANG Jinfeng1,2, SONG Xiaofei1,2*, NIU Xiaojun1,2, WU Hao1,2, YU Min1, LI Li1,2, LIU Chen1,2

1. College of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China; 2. The Key Lab of Pollution Control and Ecosystem Restoration in Industry Clusters, Ministry of Education, Guangzhou 510006, China

Hazardous environmental pollution metal materials caused by electronic waste recycling site could transport between the soil and crop system, and the metal also threatened human health through the food chain. In-depth study of the mechanism of heavy metal accumulation attributes to the theory and practical basis for controlling metal to transport during food chain and lessening the healthy threaten derived from heavy metal. The soil was collected with a distance of 2, 20, 40 and 50 m separately from e-waste dump sites and the uncontaminated soil was also collected for comparing. The toxicological Cd, Cu, Pb, Zn, and Cr response of Ipomoea aquatica was conducted in the laboratory with plastic basin. The results indicated that five heavy metals distribution in water spinach planted on e-waste contaminated soil was root＞ stem＞ leaf and the highest enrichment factor was belonged to root which also acuminate Cu and Zn at a higher level. Furthermore, the paddy soil contributed to a higher bio-concentration; under the stress of the heavy metal contamination, the leaf form changed dramatically while the heightamong the plant was not significant, and photosynthetic capacity of spinach decreased obviously at the same time: the content of chlorophyll in the plant planted on the soil of 2, 20, 40 and 50 m from the e-waste dump sites were 44.0%, 74.2%, 75.4%, 88.7%, and 74.1%, separately, to the control group’s; the plant could well adjusted to the heavy metal polluted soil and the parameter of catalase and peroxidase activities were similar: the activity of catalase and peroxidase increased with the higher level of soil polluted by e-waste.

electronic waste disassembling area; heavy metal; soil; Ipomoea aquatica

X171.5

A

1674-5906（2014）10-1664-07

王瑾丰，宋小飞，牛晓君，吴浩，于敏，李丽，刘尘. 电子垃圾拆解区土壤上空心菜的毒理响应[J]. 生态环境学报, 2014, 23(10): 1664-1670.

WANG Jinfeng, SONG Xiaofei, NIU Xiaojun, WU Hao, YU Min, LI Li, LIU Chen. Toxicology studies on soil of electronic waste recycling site to spinach [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(10): 1664-1670.

国家自然科学基金项目（41071305）

王瑾丰（1990年生），男，硕士研究生，主要从事水处理理论及技术研究。邮箱：jfwang25@gmail.com

*通信作者：宋小飞，实验师，博士，主要从事污染物的环境生态效应研究。邮箱：songxf@scut.edu.cn

2014-09-14