根表铁膜对水稻铅吸收转运的影响

胡莹，黄益宗，黄艳超，刘云霞

中国科学院生态环境研究中心，北京，100085

铅(Pb)对人类健康的危害已日益引起人们的关注，尤其是正处于生长发育期的儿童，更易受到Pb的危害[1]。环境中Pb含量过高是造成人们Pb中毒的根本原因，含Pb污染物通过污水灌溉、污泥利用、农药化肥施用、大气沉降等途径进入到土壤环境中，造成严重的土壤Pb污染。Pb在土壤中溶解度小，滞留时间长，是一种不可降解的环境污染物，在土壤中积累后，不仅影响农作物的产量和品质，而且可通过食物链途径影响人体的健康[2]。水稻是重要的粮食作物之一，世界上很多国家以大米为主食，中国是水稻的主要生产区，也是大米的消费区，因此，水稻中Pb的健康风险研究受到人们的广泛关注。

水稻长期生长在淹水条件中，为了适应环境，其地上部和根系的通气组织大量形成，大气中的氧气可通过叶片输送到根系，然后由根系将这部分氧气和其它的氧化性物质释放到根际，使渍水土壤中的二价铁离子氧化成三价铁，并沉积在水稻根表及质外体而形成铁氧化膜[3-6]。铁膜形成的数量与土壤溶液中Fe2+浓度、根系分泌的氧气和氧化性物质总量、植物种类及生长的环境有关，如生长季节、温度和淹水时间的长短等均影响铁膜的形成[6-8]。根表铁膜属于两性胶体，因此其对土壤中阴、阳离子都有一定的吸附作用，进而影响植物对重金属的吸收和转运。Greipsson等[9]研究表明，铁膜可阻止植物对Cu和Ni的吸收。Zhang等[10]报道，水稻根表铁膜可促进水稻对Zn的吸收，也可以抑制水稻对Zn的吸收，这是由于铁膜形成量的不同而引起。Liu等[11]研究发现，75% ～89%的As被水稻根表铁膜所吸附，从而阻止了As从水稻地下部向地上部的转运。

近年来，关于水稻根表铁膜对Pb的吸收积累研究也有一些报道[12-13]，但这些研究均主要关注于水稻的某一个生育期，大多只进行水稻苗期的研究。本文开展水稻整个生育期不同生长阶段根表铁膜形成对水稻吸收和转运Pb的影响研究，探讨不同生育期根表铁膜量对水稻籽粒积累Pb的影响，为重金属污染地区水稻的安全生产和培育提供科学依据。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 供试水稻

两种水稻(Oryza sativa L.)品种YD6和NK57来自南京农业大学。首先挑选籽粒饱满、均匀的水稻种子用30%的H2O2消毒10 min，再用去离子水清洗2～3次后播种到湿润的珍珠岩中培养3周。然后选取生长一致的水稻苗移栽到装有1/3强度营养液的PVC管(直径7.5 cm;高14 cm)中，每盆种植一株水稻苗，每周换一次营养液。营养液配方: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将pH调至5.5。待水稻苗生长至5片叶时，选取生长一致的水稻苗进行盆栽试验。

1.2 供试土壤

土壤采自湖南省新马村重金属污染稻田，土壤经风干、研磨、过筛2 mm，保存备用。土壤基本理化性质及土壤中重金属含量见表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)测定。空白和标准物质GBW07402(国家标准物质中心)的处理与样品同步进行，以确保测定的准确度。

1.3 试验处理

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土装盆、淹水老化平衡4周。挑选生长一致的水稻幼苗移栽到盆中并放置在人工气候室中，水稻生长条件:28℃每14 h光照和20℃每10 h黑暗，光照强度为 260 ～350 μmol·(m2·s)-1，相对湿度为60%～70%。在整个试验期间，盆内土壤始终保持淹水状态，每盆栽种2株水稻苗。在分蘖期、孕穗期和成熟期分别收获一部分水稻，每次收4盆。

1.4 样品的制备与分析

植株收获后，水稻根系上的铁膜用DCB(dithionite-citrate-bicarbonate)法浸提:首先将水稻根系用自来水洗净，吸干水分后从基部将根剪下，放到100 mL的烧杯中，置入0.03 mol·L-1柠檬酸三钠(Na3C6H5O7·2H2O)和 0.125 mol·L-1碳酸氢钠(NaHCO3)30 mL的混合溶液中10 min，再放入1 g保险粉(Na2S2O4)，混合均匀后，在室温下(20～25℃)继续浸泡1 h，然后将浸提液转入100 mL容量瓶中，并用去离子水冲洗根系3次后定容至100 mL。浸提液过滤后用ICPOES(Optima 2000 DV，Perkin Elmer，USA)测定其中的Fe、Pb 浓度。

经DCB浸提后的根系、水稻茎叶和籽粒于70℃烘箱中烘干至衡重，然后将水稻茎叶和根系分别磨碎，称取0.25 g左右的样品放入100 mL的聚四氟乙烯消解罐中，加入5 mL优级纯的浓硝酸后，放入微波加速反应系统中(MARS5，CEM Microwave Technology Ltd.USA)进行消解。具体消解程序:首先加热至120℃，保持5 min，然后将温度升至160℃，保持15 min。同时加入标准物质(GBW07605国家标准物质中心)对整个消化过程和分析测试过程进行质量控制。消解好的样品用高纯水定容至25 mL，过滤后用 ICP-MS(7500a，Agilent Technologies，USA)测定Pb浓度。

1.5 数据分析

水稻根表铁膜(DCB)、根系(root)和茎叶(shoot)向籽粒转移Pb的能力用转运系数(translocation factor，简称 TF)表示。

式中x分别代表铁膜、根系和茎叶，TFx分别表示DCB、根系和茎叶向籽粒转移Pb的系数，Cseed-Pb表示籽粒的Pb浓度，Cx-Pb分别表示DCB、根系和茎叶的Pb浓度。

植物对Pb的富集能力用富集系数(Bio-accumulating factor，简称 BAF)表示。

式中y分别代表铁膜、根系、茎叶和籽粒，BAFy分别表示DCB、根系、茎叶和籽粒的Pb富集系数,Cy-Pb分别表示DCB、根系、茎叶和籽粒的Pb浓度，Csoil-Pb表示土壤的Pb浓度。

使用统计软件SPSS11.5对试验数据进行方差分析和多重比较。

表1 供试土壤的基本理化性质及重金属含量Table 1 Physical and chemical properties and total Fe and Pb concentrations in the tested soil

2 结果(Results)

2.1 水稻根表铁膜形成及其吸附的Pb量

图1 不同生育期水稻根表铁膜的Fe和Pb含量注:不同小写字母表示同一品种不同生育期p＜0.05差异显著，不同大写字母表示同一生育期不同品种p＜0.05差异显著。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。

水稻根表铁膜形成量(以DCB-Fe含量表示)在不同生育期、不同品种之间差异显著(P＜0.05)。图1a显示，随着生育期的延长，两种水稻根表铁膜形成量均呈现出下降趋势。两种水稻品种形成根表铁膜差异较大，NK57在3个生育期(分蘖期、孕穗期和成熟期)中根表铁膜形成量均显著高于YD6(p＜0.05)，分别是 YD6的1.8、5.9和2.2倍。

图1b显示了不同品种水稻不同生育期根表铁膜吸附Pb量的情况，从图中看出，随着生育期的延长，水稻根表铁膜吸附Pb量呈现出下降趋势，尤其是品种NK57成熟期铁膜吸附Pb量比分蘖期降低71.9%。比较不同品种，只在分蘖期NK57铁膜吸附Pb量显著高于YD6(p＜0.05)，而在孕穗期和成熟期两个水稻品种根表铁膜吸附Pb量差异不显著。

2.2 水稻根系和茎叶Pb含量

不同生育期水稻根系吸收积累Pb因品种而异(图2a)。YD6:成熟期＞分蘖期＞孕穗期;NK57:孕穗期＞成熟期＞分蘖期。比较不同品种可以看出，在分蘖期和孕穗期，NK57根系Pb含量显著高于YD6(p＜0.05)，但到了成熟期，两个水稻品种根系Pb含量无明显差异。

图2 不同生育期水稻根系(a)和茎叶(b)中的Pb含量注:不同小写字母表示同一品种不同生育期p＜0.05差异显著，不同大写字母表示同一生育期不同品种p＜0.05差异显著。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.

比较不同的生育期，水稻茎叶Pb含量在两个品种中均表现为成熟期最高(图2b)，显著高于孕穗期(p＜0.05)，但与分蘖期茎叶Pb含量差异不显著。对于不同品种，分蘖期和成熟期NK57茎叶Pb含量显著高于YD6(p＜0.05)，而孕穗期YD6茎叶Pb含量却显著高于NK57(p＜0.05)。

2.3 Pb从水稻根表铁膜、根系和茎叶向籽粒中的转运

图3显示，在Pb污染土壤中种植的水稻，其籽粒Pb含量在不同品种之间差异较大。NK57籽粒Pb含量显著高于YD6(p＜0.05)，是其1.9倍。

水稻根表铁膜、根系和茎叶向籽粒转运Pb的能力可用转运系数来表示，结果见表2。经统计分析表明，Pb从水稻根表铁膜、根系和茎叶向籽粒中的转运系数在两个水稻品种间差异均不显著。

图3 水稻籽粒中的Pb含量注:不同字母表示不同品种p＜0.05差异显著。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由水稻根表铁膜、根系和茎叶向籽粒转运的系数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

随着生育期的延长，水稻铁膜富集Pb的能力逐渐减弱(表3)。水稻根系富集Pb的能力因品种差异较大，NK57孕穗期根系富集Pb能力最强，而YD6成熟期富集能力最强。茎叶中Pb的富集能力在两个水稻品种中均为孕穗期较低。水稻品种NK57除了孕穗期茎叶Pb富集系数低于YD6外，其它生育期茎叶Pb富集均高于YD6。NK57籽粒Pb富集系数约为YD6的1.8倍。

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

Pb在水稻铁膜、根系、茎叶和籽粒中的分配比率见表4。Pb的分配比率因水稻品种不同而异。YD6表现为:随着生育期的延长，铁膜中Pb的分配比率呈减少趋势，而根系和茎叶中则呈增加趋势;NK57表现为:铁膜中Pb的分配比率在分蘖期最高(66.3%)，而孕穗期和成熟期则下降了一半多，根系中孕穗期＞成熟期＞分蘖期，茎叶中成熟期＞分蘖期＞孕穗期。从水稻不同部位Pb分配比率来看，YD6在3个生育期均表现为:铁膜＞根系＞茎叶，籽粒最低。而NK57表现为:分蘖期:铁膜＞根系＞茎叶;孕穗期和成熟期:根系＞铁膜＞茎叶，籽粒中也最低。NK57籽粒中Pb的分配比率显著高于YD6(p＜0.05)，前者为后者的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 讨论(Discussion)

已有研究表明，根表铁膜可以作为重金属吸收的“障碍层”[14-15]，也可以成为营养元素或有害物质的“富集库”[16,17]。铁膜对植物吸收转运重金属的作用受许多因素所制约，包括溶液中重金属的浓度、重金属及铁膜的形态、铁膜及植物根系的老化程度、溶液及植物根际的pH值等[18]。本实验采用土壤栽培试验进行研究，得出的试验结果与水培试验结果将会有所差异:首先根际环境有很大区别，土壤栽培试验中植物根系诱导根际环境发生变化，将影响吸附在土壤颗粒及铁氧化物上的营养元素及有害物质的移动性，特别是pH值的变化将影响植物对阳离子的吸收;其次，成熟期植物在重金属吸收上也与苗期植物不同;另外，自然形成的铁膜与水培试验人工诱导的铁膜在组成和结构上都存在差异[19]。

图4 根表铁膜量中Fe含与铁膜中Pb含量的相关性(p＜0.01)Fig.4 Correlation between concerntation of iron plaque and Pb in iron plaque

水稻根表铁膜吸附Pb量与铁膜量变化趋势相似，即水稻根表铁膜量及其吸附的Pb量均随着生育期的延长而减少(图1)。水稻根表铁膜量与铁膜的Pb量之间存在着显著的正相关关系(r=0.798,p＜0.01，图4)，说明根表铁膜对Pb具有一定的吸附能力，但这种吸附能力受不同水稻品种和不同生育期影响。本研究中水稻品种NK57在孕穗期和成熟期时其根表铁膜量均显著高于YD6，但是在这两个生育期中，两个品种根表铁膜吸附Pb量却没有明显差异(图1b)，说明此期间铁膜对Pb的吸附能力不强，铁膜中的Pb主要以解吸或者解离的方式进入水稻根内。对不同生育期水稻根表铁膜量与根系、茎叶和籽粒中Pb含量的相关性分析(表5)，得出水稻分蘖期根表铁膜量与根系Pb含量呈显著的正相关关系(r=0.833,p＜0.05)，但与茎叶Pb含量相关性不显著;孕穗期中水稻根表铁膜量与根系Pb含量呈显著的正相关关系(r=0.878,p＜0.01)，而与茎叶Pb含量呈显著的负相关关系(r=-0.872,p＜0.01);成熟期水稻根表铁膜量与根系、茎叶和籽粒中Pb含量相关性均不显著。说明分蘖期根表铁膜形成促进了水稻根系对Pb的吸收积累;孕穗期根表铁膜形成也促进了水稻根系对Pb的吸收积累，但抑制了Pb向茎叶的转运;成熟期根表铁膜形成对水稻吸收转运Pb影响不显著。

通过研究根表铁膜形成对Pb的富集能力影响看出(表3)，分蘖期YD6根表铁膜Pb的富集系数显著低于NK57，但孕穗期和成熟期正相反，而根系、茎叶(除孕穗期外)和籽粒中Pb富集系数均为NK57高于YD6。Pb的分配比率因水稻品种而异，YD6在3个生育期中均表现为:铁膜＞根系＞茎叶，籽粒最低。而NK57为:分蘖期:铁膜＞根系＞茎叶，孕穗期和成熟期:根系＞铁膜＞茎叶，籽粒中也最低。NK57和YD6两个水稻品种在成熟期由铁膜、根系和茎叶向籽粒中转运Pb的能力并无差异，但籽粒中Pb浓度NK57却显著高于YD6(p＜0.05，表2)。Ye等[13]通过溶液培养试验，得出根表铁膜形成对植物转运Pb没有影响，但是Liu等[12]报道，根表铁膜形成可在一定程度上对植物Pb胁迫起到障碍层的作用，而Zhong等[20]对黄菖蒲的研究发现，铁膜促进了植物对Pb的吸收。根表铁膜对植物吸收转运重金属的影响因素很多，如植物种类、品种、生育阶段、营养状况、植物培养方式、金属离子种类等[21]。

表5 不同生育期水稻根表铁膜量与根系和茎叶中Pb的相关性Table 5 Correlation between amount of iron plaque and Pb in root and shoot at different growth stages

综上所述，不管是水稻品种NK57还是品种YD6，Pb主要富集在水稻的根表铁膜和根系中，而积累在茎叶和籽粒中的比率较少，品种NK57籽粒Pb含量显著高于品种YD6。根表铁膜形成对水稻分蘖期和孕穗期吸收积累Pb有一定影响，但对水稻成熟期根系、茎叶和籽粒吸收积累Pb影响不大。

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