重金属镉污染下石榴的耐性特征及重金属富集研究

王俊飞，李江燕

（中华全国供销合作总社天津再生资源研究所，天津300191）

近年来，由土壤重金属引发的各种危害，引起世界各国的广泛关注。有资料显示，时至今日我国因镉、砷、铅、铬等重金属而污染的耕地面积约有2.5×104hm2，约占我国总耕地面积的1/5[1]，见图1。

图1 我国土地污染情况饼状图

土壤中的重金属种类繁多，包括密度4.0以上的约60种元素或密度在5.0以上的45种元素[2]。重金属污染的主要来源有：污水灌溉、工业“三废”的排放、金属矿山废水污染、农业活动、大气沉降、交通污染等。

重金属对农作物、土壤微生物、生物体内酶，以及对人体都有很大的危害。重金属镉对植物幼芽的生长、植物的光合作用都有一定的影响。重金属镉对植物的危害主要表现在：（1）导致植物矮小，叶片泛黄，粮食减产，品质降低，镉浓度较高时还会导致植物的死亡。（2）影响植物细胞的超微结构，导致核膜内陷或核变形肿胀，核仁破碎[3]。镉对人体的危害有：引起高血压、肺气肿、心血管疾病、糖尿病、肾功能障碍，甚至突变、致畸、致癌，贫血是慢性镉中毒的常见症状。“骨痛病”就是由镉的长期摄入而导致的[4]。

通过研究在重金属镉污染下石榴的耐性特征、富集和转运，探究重金属镉对植物的影响机制。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

准备材料：天津再生资源研究所园区土、营养土、花盆、石榴的幼苗等。

实验仪器：电子分析天平、研磨器、烘箱、消解仪、TAS火焰原子吸收分光光度计、镉空心阴极灯、紫外分光光度计等。

实验试剂：硝酸、氢氟酸、蒸馏水等。

1.2 检测方法

镉的测量：用电子天平称取0.5 g左右烘干的土样或石榴样品，装入25 mL的坩埚中，加入少量蒸馏水后加入10 mL的浓盐酸，然后在电热板上加热（＜450℃）消解2 h，然后加入15 mL浓硝酸，继续加热至溶解物剩余约5 mL时，再加入5mL氢氟酸并加热分解除去硅化合物，最后加入5 mL高氯酸并加热至坩埚内的消解物呈现淡黄色时，打开盖，蒸至近干。取下冷却，加入硝酸（1+5）1 mL微热溶解残渣，移入50 mL容量瓶中，定容。同时进行全程序试剂空白实验。仪器的使用条件见表1。

表1 仪器使用条件

叶绿素的测量：采用乙醇提取法。取新鲜石榴叶片0.10 g，加入95%乙醇在避光处研磨至匀浆，过滤并定容至10 mL比色管；利用紫外分光光度计，以95%乙醇为空白，分别测量649 nm，665 nm下的吸光度。计算公式如下：

叶绿素：

式中：Wa—叶绿素a质量浓度，mg/L；

Wb—叶绿素b质量浓度，mg/L；

Wa+b—叶绿素质量浓度；

A649，A665—分别为试样在649 nm和665 nm波长下所测得吸光度值。

叶绿素是植物生长过程中必不可少的，叶绿素能通过光合作用吸收光能为植物提供生长过程中所需的有机物和少量的能量。因此，叶绿素含量的多少能够直接表征出植物生长得是否健康。

1.3 石榴栽培和测定步骤

本研究是在重金属镉污染下石榴的耐性特征及重金属富集研究。首先，通过火焰原子吸收分光光度法对石榴生长前后土壤中镉的含量进行测定。通过计算在不同浓度重金属镉污染土壤中石榴对镉的富集和转运系数，了解其在石榴体内的积累规律。然后通过紫外分光光度计，测量石榴叶中的叶绿素含量，了解石榴对镉的耐受能力和植株的健康状况。

测定步骤如下。

（1）2018年1—3月：取18个花盆，将天津再生资源研究所园区土、营养土按19∶1的比例混合均匀后过10目的网筛，然后将筛下的土分装花盆内，每盆装土8.0 kg。

取适量石榴的茎和土壤样品，称重记录后放入烘箱，烘干4 h（80℃），烘干后再称重记录。将称重后的样品放入研磨机粉碎后通过0.18 mm的网筛，取筛下物按照表2方法测定样品的本底值：湿度、pH值、镉的含量等。

表2 重金属镉处理浓度

将石榴幼苗摘种到配好的花盆中。待石榴幼苗生长稳定后，按照表2将配置好的镉标准溶液均匀加入到各盆栽中，其中3个实验组各设5盆，空白对照组设3盆。

（2）2018年4—9月：对植物的生长状况进行观察并记录，适量取部分土壤和石榴植株样品，重复2018年1—3月土壤和植物样品的测定步骤，测定重金属镉、湿度、pH值变化的最终结果，然后记录、处理和分析所得到的数据。

（3）2018年10月—今：整理分析整个实验得出的数据，探究在重金属镉不同浓度污染下木本植物石榴对镉的富集程度和转运的途径。

2 结果及讨论

2.1 土壤本底值

测定刚配置的土壤中重金属镉的本底值（表3、表4）。

表3 土壤重金属镉本底值 mg·kg-1

表4 土壤本底值其他指标

2.2 耐性特征

空白对照组CK石榴的发芽时间为3～6 d，其他实验组发芽时间如表5所示。

由表5可知，在镉的处理下各实验组均比空白组发芽时间延后，且低浓度处理时石榴的发芽时间明显比高浓度早许多，因此重金属镉会对植物的发芽产生抑制作用。

表5 重金属镉处理下石榴发芽情况

由表6可知，在重金属镉污染的土壤下，石榴叶片叶绿素a和叶绿素a&b含量都小于空白对照组，除4号实验组外，叶绿素b的含量也都比空白实验组略少一些；叶绿素a/b值在低浓度（Cd=1 mg/kg）时大于空白对照组，其他处理浓度下均比空白组要低。说明重金属镉会对石榴的光合作用产生抑制作用，减少石榴通过光合作用获得的能量，对石榴的生长产生危害。

表6 重金属镉处理下石榴叶片内叶绿素含量 mg·kg-1

2.3 富集系数与转运系数

利用1.3中的测量方法测量石榴体内的镉含量，在利用下列公式即可计算出萱草的富集和转运系数（表 6）。

富集系数=植物体内某重金属所占的质量分数/环境中某金属的质量分数

根-茎叶转运系数=植物茎和叶中重金属含量/植物根部重金属含量

由表7可知，在重金属镉的处理下，在石榴的根茎叶中重金属镉的含量会随着镉处理浓度的增大而增加。此外通过对比分析，在不同浓度的镉的处理下，石榴各器官内镉含量的多少并没有体现出明显的规律，但是通过计算可以得出，4号实验组根部的重金属镉仅比3号实验组增加了17.43%，而相对应的茎叶中的镉含量增长率明显更大，分别为138.24%，4.86%，由此可知，高浓度镉（＞20 mg/kg）的污染下，镉会向茎叶中转移，并且在石榴的茎中含量最高，不宜使用。

表7 萱草根茎叶中镉的浓度 mg·kg-1

由表8可知，除了1号实验组石榴的根对镉的富集系数高于空白组，其他各组石榴根茎叶的富集系数均比空白组要低。总体来说，石榴的根茎叶的富集系数会随着土壤中镉浓度的升高而变小。石榴的转运系数则随处理浓度增加而先减小后增大，说明随着土壤中镉浓度的升高，石榴体内的镉从石榴的根部迁移到茎叶的能力先减弱后增强。并且在3号实验组（10 mg/kg）时达到最小值，这时石榴体内的重金属镉主要会富集在石榴的根部，对石榴可食用部分的影响最低。

表8 石榴根-茎叶转运系数及富集系数

3 结论

石榴在我国的分布极为广泛，山地高原、市政乡村、花园和公园都可以看到石榴的身影。而重金属镉在土壤污染中是极具代表性的重金属污染物，不仅危害植物正常生长，还会通过食物链影响人类健康，暴露在土壤中的镉对人类健康产生巨大的威胁。

以上述两者为研究对象，通过在镉处理后的土壤中栽培石榴，研究重金属镉污染的土壤对石榴生长和发芽、pH值、叶绿素等指标以及重金属在石榴体内吸收富集特征，取得了一定的研究成果：（1）重金属镉会对植物的发芽产生抑制作用。（2）金属镉会对石榴的光合作用产生抑制作用，抑制植物的生长发育。（3）高浓度镉的污染下，镉会向茎叶中转移，对石榴的可食用部分影响较大。本研究可以对开发培育重金属镉超富集植物、土壤植物修复以及重金属镉污染土壤的治理提供可靠的理论支撑和数据支持，具有重要的意义。