巯基膨润土影响土壤镉形态及水稻酶活性研究

2019-03-15孟兴锐蒲金国

资源节约与环保 2019年2期

孟兴锐赖波蒲金国邢智

（1成都理工大学材料与化学化工学院四川成都 610051 2四川冶金地质研究院六○五大队四川眉山 620010）

引言

我国是农业大国，但人均耕地面积仅为世界平均水平的40%左右。目前全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，全国土壤总的超标率为16.1%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2%、2.3%、1.5%和1.1%[1]。镉污染的土壤农业生产能力降低，镉极易被水稻富集，通过食物链进入人体，在肝、肾部积累，危害人的健康[2]。因此重金属特别是镉污染土壤修复是当前热门课题。

重金属的生物毒性不仅仅取决于总量，更重要的是取决于在土壤中的存在形态，不同的形态决定了镉的迁移率和生物利用率，因而产生不同的环境效应。钝化修复就是通过添加钝化剂改变土壤重金属形态而减少植物对其的吸收。钝化修复相较于其他修复方式，制约条件少、操作简便，适用于大规模土壤修复。镉对水稻的毒害作用主要是通过产生H2O2来进行，镉的胁迫能增加水稻体内抗氧化酶的活性，但随着镉浓度的增加酶活性又会降低，因此，可通过抗氧化酶变化考量水稻抵抗重金属胁迫的影响[3]。

膨润土具有层间域结构，带电荷、比表面积大、具有吸附性、膨胀性、可塑性和离子交换等特殊性能，在重金属污染土壤修复方面具有广泛的应用前景。为增强膨润土的吸附性能通常会对其钠化改性、酸化改性，柱撑改性，有机改性，巯基改性等。本研究利用自主开发的巯基化膨润土作为钝化剂，采集成都平原丹棱地区中度镉污染土壤种植水稻，考察添加巯基化膨润土对土壤镉有效态的影响、对镉胁迫下水稻叶片中过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）酶活性的影响。

1 材料与方法

1.1 供试材料

水稻品种为川优6203，在四川丹棱当地田间育秧，然后移栽。巯基化膨润土为本研究小组前期开发的重金属修复材料。供试土壤采集于丹棱地区某地农田土壤，风干，磨细，过筛备用。土壤中重金属含量除镉超出《国家土壤环境质量标准》（GB 15618-1995）二级标准限值（pH:6.5-7.5）54.89%，其他铜铅、锌、镍、铬、砷、汞等元素均符合标准。

1.2 试验方法

土壤添加重金属镉，使其浓度达到6mg/kg，培育一个月。使用直径为20 cm，高35 cm灰桶，每桶装土5 kg。设置巯基化膨润土添加量为12.5、25、50、75 g，每个梯度3个平行，同时设置空白组，淹水培育半个月。每盆种植水稻幼苗一株，施肥、除草、灌溉等田间管理与正常种植方式一致。在水稻分蘖期采集水稻植株和土壤样本，进行测定。土壤有效态镉含量测定参照《GB/T 23739—2009土壤质量有效态铅和镉的测定原子吸收法》方法；分蘖期水稻CAT、SOD和POD酶活性测定参照《植物生理学指导》的方法。

2 结果与讨论

2.1 巯基化膨润土对土壤有效态镉的影响

图1是水稻种植前土壤总镉，水稻分蘖期土壤有效态镉随巯基化膨润土添加量的变化趋势图，可以看出，各实验系列总镉含量在5.42-5.96 mg/kg之间，说明镉在土壤中混合均匀；添加巯基化膨润土12.5、25、50、75 g后，土壤中有效态镉的含量逐渐下降，与空白相比，土壤中有效镉含量分别下降了14.53%，22.30%，38.85%，50.34%。

分蘖期土壤有效镉与空白组的显著性差异分析显示：随着巯基化膨润土的添加量增加，各梯度间有效镉的含量逐渐下降，当添加量达到25g时，有效镉含量与空白组出现了显著差异，当添加量大于50g后达到了极显著水平，在添加量达到75g时，土壤中有效镉含量最低，约为1.47mg/kg，与空白相比下降了50%左右，说明添加巯基化膨润土有效地钝化了土壤中的镉，降低了镉的有效性，对土壤中的镉有良好的钝化作用。

膨润土带负电，可以吸附带正电的镉离子，膨润土层间或表面的羟基对镉具有一定的络合作用，层间的阳离子也能与镉离子发生离子交换[3]，本次使用的钝化剂是膨润土经硅烷偶联的方式嫁接巯基，嫁接的巯基易于与土壤中镉结合，形成了植物更加难以利用的形态，使土壤中有效态镉浓度显著降低。

图1 土壤有效镉含量变化

图 2 水稻叶片中 CAT（U·g-1FW·min-1）、SOD（U·g-1FW·h-1）和 POD（μg·g-1FW·min-1）酶活性的变化

2.2 巯基化膨润土对水稻叶片酶活性的影响

植物如果受到重金属胁迫，通过增加对某些矿质元素的吸收以增强抗氧化酶系统的活性，来应对重金属对植物的影响[4-6]。巯基化膨润土能钝化土壤中重金属，减缓重金属对植物的胁迫作用。因此，在镉污染水稻土中添加巯基化膨润土，一方面能显著降低土壤中有效镉的含量（图1），另一方面，对水稻叶片中的抗氧化酶活性也产生显著的影响（图2）。未添加巯基化膨润土的空白样品，水稻叶片的酶活性较高，CAT、SOD和 POD三种酶活性分别为 168±0.03U·g-1FW·min-1、105±1.41 U·g-1FW·h-1、199±2.70μg·g-1FW·min-1。随着巯基化膨润土添加量的增加，水稻叶片CAT和SOD活性均下降，POD活性在添加量为12.5 g时升高，随后随着巯基化膨润土的添加量增加而降低。SOD的活性下降分为两个阶段，在巯基化膨润土添加量小于25 g时急剧下降，添加量在25-75 g下降较为平稳。与空白组相比，CAT、SOD、POD活性最大分别下降了70.83%、29.42%、43.82%。

分蘖期水稻叶片中抗氧化酶与空白组的显著性差异分析显示：随着巯基化膨润土的添加量增加，叶片中抗氧化酶活性与空白组的抗氧化酶活性均表现为显著或极显著差异。当巯基化膨润土添加量达到最大75 g时，SOD、POD活性与空白组相比表现为极显著差异。特别是过氧化氢酶（CAT）的活性在巯基化膨润土添加量大于50 g时急剧下降到60 U·g-1FW·min-1以下，与空白相比就达到极显著差异，这与分蘖期有效态镉与空白比具有极显著差异是一致的。结果表明，添加巯基化膨润土能显著降低叶片中抗氧化酶的活性，有效改善镉对水稻的胁迫作用，降低了镉对水稻的影响。

2.3 土壤有效态镉、水稻叶片SOD、CAT和POD酶活性、巯基化膨润土添加量的相关性

土壤有效态镉、水稻叶片SOD、CAT和POD酶活性、巯基化膨润土添加量之间的Pearson相关性分析结果如表1所示。水稻叶片中3种酶活性与巯基化膨润土添加量呈负相关，SOD活性达到了显著水平，POD和CAT活性达到了极显著水平；土壤中有效态镉含量与巯基化膨润土添加量呈极显著负相关；土壤中有效态镉的量与SOD、CAT和POD活性具有正相关关系，且均达到极显著水平；水稻叶片中三种抗氧化酶活性之间也是具有一定的正相关关系，特别是CAT的活性与其他两种酶的活性也达到了显著和极显著水平。

表1 添加巯基化膨润土后水稻三种酶活性与土壤镉相关性分析

可以看出土壤有效态镉，SOD、CAT和POD三种酶活性的大小与巯基化膨润土的添加量关系密切，巯基化膨润土上巯基能捕获土壤中镉，改变其形态，降低土壤中有效镉的含量，减缓土壤中镉对水稻的胁迫作用，影响水稻本身的酶保护机制，表现为SOD、CAT和POD活性随着巯基化膨润土添加量的增加显著降低。相关性分析进一步表明，巯基化膨润土是一种很好的土壤镉钝化材料，可望作为土壤重金属钝化剂进行大田应用。