两种积累型番茄对不同难溶态Cd活化与吸收的差异*

张玉坤, 高夕彤, 王小敏, 2, 段亚军, 吕 诗, 王 雪, 路倩影, 冯圣东, 杨志新, 2**

(1. 河北农业大学资源与环境科学学院 保定 071000; 2. 省部共建华北作物改良与调控国家重点实验室 保定 071000;3. 河北农业大学实验农场 保定 071000)

据2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示, Cd点位超标率达7.0%, 土壤Cd污染较为突出, 导致生态环境质量明显下降。蔬菜作为日常生活中必不可少的食物, Cd通过根系进入茎、叶、果实并吸收积累, 经食物链对人体健康产生严重危害。重金属在环境中一般以多种形态存在, 尤其是有效态在很大程度上决定了其生物有效性和富集风险。土壤中难溶态Cd有效性或活化差异直接影响了蔬菜的吸收积累, 其影响因素主要包括化合物组成、土壤pH、土壤可溶性有机质、土壤理化性质、土壤微生物以及植物根系分泌物等。研究证实, 2种生态型东南景天()能够活化难溶态的ZnO、ZnCO和Zn(PO), 而对难溶态ZnS却没有明显的活化作用, 活化效果截然不同。同样地, 关于难溶态Cd的有效性差异也可能受到自身组成结构的影响。然而, 文献研究中更多地揭示了CdCO的活化效果, 有关土壤中两种常见难溶态CdS和CdCO的活化差异并没有相关的数据资料佐证。

不同植物品种根系分泌物种类和含量有较大差异, 导致其活化与吸收重金属的能力也存在差异。Cd高积累油菜() 品种‘新4号’对土壤中难溶性Cd的溶解能力较强, 增加了Cd吸收。水稻()品种活化效果也得出了类似的结论, 杂交稻和高镉水稻品种对难溶性Cd的吸收率均高于常规和低Cd水稻品种, 水稻品种活化差异显著。这些研究结果均说明不同植物品种对重金属存在一定的活化作用, 且活化特性差异明显。课题组前期也发现了番茄()品种对难溶态Cd的吸收积累特性, 在难溶性CdS处理下, 高积累性番茄品种地上部和地下部的积累量分别是低积累品种的1.39倍和1.97倍。但不同积累型番茄品种对不同难溶态Cd的活化差异尚不清楚。深入揭示不同番茄品种对不同难溶态Cd的活化效果, 对于蔬菜Cd吸收积累调控以及土壤Cd污染农艺修复具有重要的意义。

本研究以两种Cd积累型番茄品种幼苗为研究对象, 以土壤中存在的两种常见难溶态Cd−CdS和CdCO为污染物, 通过水培试验, 研究两个番茄品种对难溶性Cd的活化效果及其吸收差异, 以期为Cd轻度污染土壤中合理选择番茄品种进行安全生产以及保证食物链安全提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验植物与营养液

供试番茄品种为课题组前期筛选出的两种积累型品种: ‘普罗旺斯’(Cd低积累型)和‘合作8’(Cd高积累型)。供试营养液为霍格兰德营养液, 用KOH或HNO调节pH至6.5。

1.2 试验方案

试验于2017年10月在河北农业大学光照实验室进行。在石英砂中先培养‘普罗旺斯’和‘合作8’番茄幼苗, 之后选择长势良好且生长均匀的植株, 用去离子水浸洗除去根部营养土, 将其移栽至直径×高=11 cm×16 cm的PVC罐中进行培养试验。Cd源为难溶性的CdS和CdCO, 纯Cd添加量均为0.58 g∙L。试验共设置8个处理, 分别为: 不添加Cd+低积累型番茄(CK)、不添加Cd+高积累型番茄(CK1)、添加CdS+不种植番茄(S)、添加CdCO+不种植番茄(C)、添加CdS+低积累型番茄(PS)、添加CdS+高积累型番茄(HS)、添加CdCO+低积累型番茄(PC)、添加CdCO+高积累型番茄(HC), 每个处理3次重复, 共24罐。每个PVC罐中装有1 L霍格兰德营养液, 在25 ℃温室下培养, 每天光照12～14 h, 进行完全随机放置, 每天对水培罐的摆放位置随机调整, 以避免光照强度造成的较大差异。培养10 d后测定溶液中有效态Cd含量、植株地上部与根部Cd含量以及植物生长指标。

1.3 样品的采集与测定

培养10 d后, 收获所有植株样品, 立即将溶液转移至塑料瓶中, 低温密封保存, 用于溶液中有效态Cd浓度的测定。用10 mmol∙L的EDTA浸泡除去样品根系表面吸附的Cd后, 再用蒸馏水洗净擦干, 量取株高和根长, 分离地上部和根系。一部分样品经液氮速冻后保存于−20 ℃冰箱备用; 其余样品105 ℃杀青30 min后于65 ℃下烘干后称取干重并粉碎, 用于Cd含量分析测定。

溶液中有效态Cd含量、植株地上部与根部的Cd含量测定采用双氧水-硝酸微波消解-原子吸收分光光度法。

1.4 数据统计分析

试验数据采用Excel 2016进行整理和制图, 相关性分析采用SPSS 24.0完成。

2 结果与分析

2.1 低积累和高积累型番茄品种对溶液中两种难溶性Cd活化的效果

图1反映了添加2种难溶性Cd培养植株幼苗10 d后溶液中有效态Cd浓度变化规律。在添加难溶性CdS溶液中, 高积累型‘合作8’处理(HS)的溶液有效态Cd浓度为1.45 mg∙L, 比未种植番茄处理S(0.96 mg∙L) 高51.0% (0.05); 低积累型‘普罗旺斯’处理(PS)的溶液有效态Cd浓度为1.08 mg∙L, 未种植处理为0.96 mg∙L, 两者差异未达显著水平。在添加难溶性CdCO的溶液中, 种植‘普罗旺斯’ (PC)和‘合作8’ (HC) 10 d后溶液有效态Cd浓度分别为1.84 mg∙L和2.14 mg∙L, 与未种植番茄幼苗的处理C(1.32 mg∙L)相比, 分别提高39.4%和62.1% (0.05), 其中, ‘合作8’对CdCO的活化效果显著高于‘普罗旺斯’(0.05)。‘合作8’的这一结果与添加CdS处理的结论基本一致, 而对于‘普罗旺斯’品种来说，只有在添加CdCO处理时才有显著性差异。

图1 不同番茄品种对两种难溶性Cd处理溶液中有效态Cd含量的影响Fig.1 Concentrations of available Cd in solution of different insoluble Cd planting with different tomato varieties

此外, 从同一番茄品种对两种难溶态Cd的活化效果比较看, ‘合作8’对CdCO的活化效果比CdS显著提高47.6%(<0.05), ‘普罗旺斯’对CdCO的活化效果比CdS显著提高70.4% (<0.05), 两种积累型番茄幼苗对CdCO的活化效果均显著高于CdS。

综上, 在溶液介质下, ‘合作8’和‘普罗旺斯’对难溶性CdCO均具有显著促进活化溶解的作用; 而对难溶性CdS的活化两个品种却表现出极大的差异, 高积累型‘合作8’显著高效促进了CdS的溶解, 提高了CdS的生物有效性, 而‘普罗旺斯’对CdS未表现出活化溶解的效果。同时, 高积累型‘合作8’对CdS和CdCO的活化作用均显著高于低积累型品种‘普罗旺斯’, 且两种植株对CdCO的活化效果远高于CdS。

2.2 两种积累型番茄对难溶性Cd的吸收差异特征

由图2可知, 在添加难溶性CdS的溶液中培养10 d后, 低积累型‘普罗旺斯’地上部与根部Cd吸收量分别为1.31 mg∙kg和4.36 mg∙kg, 分别比未添加CdS处理提高20.83倍和8.48倍(<0.05); 高积累型‘合作8’地上部与根部Cd吸收量分别为2.36 mg∙kg和9.23 mg∙kg, 比未添加CdS处理提高32.71倍和18.23倍(<0.05)。此外, ‘合作8’地上部与根部Cd吸收量分别是‘普罗旺斯’的1.80和2.12倍, 差异显著(<0.05)。说明不同积累型番茄品种对难溶态CdS的活化及吸收存在明显差异, 高积累型‘合作8’显著强于低积累型‘普罗旺斯’。

图2 不同番茄品种在两种难溶性Cd处理溶液中地上部和根部的Cd含量Fig.2 Cd contents in shoots and roots of different tomato varieties planting in solution of different insoluble forms of Cd

在添加难溶性CdCO的溶液中培养10 d后, 低积累型‘普罗旺斯’地上部与根部Cd吸收量分别为2.33 mg∙kg和6.02 mg∙kg, 比未添加CdCO处理分别提高37.83倍和12.09倍(<0.05); 高积累型‘合作8’地上部和根部Cd吸收量分别为4.78 mg∙kg和15.28 mg∙kg, 比未添加CdCO处理分别提高67.29倍和30.83倍(<0.05); 此外, ‘合作8’地上部和根部Cd吸收量比‘普罗旺斯’提高1.05倍和1.54倍, 差异均达显著水平(<0.05), 与添加CdS处理的规律相一致。

综上所述, 在溶液介质下, ‘普罗旺斯’和‘合作8’与未添加Cd的对照相比均显著提高了Cd生物有效性, 而高积累型‘合作8’对难溶态CdS和CdCO的吸收均显著高于低积累型‘普罗旺斯’, 使二者的吸收量表现出显著差异性。

2.3 难溶性Cd条件下两种积累型番茄幼苗生长的差异分析

图3反映了溶液中添加2种难溶性Cd对两种积累型番茄幼苗株高、根长和生物量的影响。在难溶性CdS处理下, 低积累型‘普罗旺斯’株高为27.2 cm, 显著高于未添加CdS处理(CK)和高积累型‘合作8’处理(<0.05); 而高积累型‘合作8’与对照相比无显著性差异。在难溶性CdCO处理下, 低积累型‘普罗旺斯’株高与未添加CdCO处理差异不显著, 而高积累型‘合作8’株高(16.5 cm)却显著低于未添加CdCO处理(CK1)和低积累‘普罗旺斯’处理, 分别降低8.8%和30.5%。该结果反映出不同积累型番茄品种由于对不同难溶性Cd的活化效果不同, 溶液中有效态Cd含量使高积累型‘合作8’地上部吸收量显著高于低积累型‘普罗旺斯’, 由此可能对植株株高产生了显著影响, 表现出添加CdCO对‘合作8’株高有显著的抑制作用, 而CdS对‘普罗旺斯’株高却有显著的刺激作用。

图3 不同番茄品种对两种难溶性Cd处理溶液中植株幼苗生长指标的影响Fig.3 Growth indicators in solution of different insoluble Cd planting with different tomato varieties

在添加CdS处理下, 低积累型‘普罗旺斯’根长为18.1 cm, 比未添加CdS (CK)和高积累型‘合作8’处理分别提高10.1%和47.2% (<0.05), 高积累型‘合作8’根长比未添加CdS处理(CK1)降低9.8% (<0.05)。添加难溶性CdCO, ‘合作8’根长显著低于其他处理, 降幅为24.3%～49.9%。

在添加CdS处理下, 低积累型‘普罗旺斯’的生物量为3.37 g, 显著高于未添加CdS处理(CK)和高积累型‘合作8’ (<0.05); 高积累型‘合作8’的生物量则显著低于未添加CdS处理(CK1)。在添加CdCO处理下, 高积累型‘合作8’的生物量显著低于其他处理。生物量的变化与植株株高和根长的变化规律相吻合。

以无污染处理的番茄植株生长指标作为参照, 进一步计算了难溶态Cd处理下每种番茄植株生长指标的变化幅度, 如表1所示。结果表明, 4个处理的株高、根长、生物量变化增幅度均表现为PS>PC>HS>HC, 差异显著(<0.05)。从株高增幅来看, 添加难溶性CdS和CdCO条件下, ‘普罗旺斯’分别增加15.0%和0.7%, 均显著高于‘合作8’ (<0.05)。从根长增幅来看, 添加难溶性CdS对低积累‘普罗旺斯’有促进作用, 根长提高10.14%, 而其余3个处理均受到显著抑制, 降幅为0.8%～19.6%。而对于品种‘合作8’来说, CdS和CdCO条件下, 根长均受抑制。从生物量增幅来看, 依然是 添加CdS的‘普罗旺斯’处理增幅最高, 达15.5%, 显著高于其余3个处理。可见, 难溶性CdS处理显著提高了低积累型‘普罗旺斯’的生长, 而其余处理基本上对植株生长呈抑制作用。

表1 两种难溶态Cd处理下番茄植株生长指标比无污染对照的变化幅度Table1 Increase range of growth indexes in two tomato varieties under different treatments %

综上, 不论是在添加难溶性CdS还是CdCO处理下, 低积累型品种‘普罗旺斯’株高、根长和生物量均显著高于高积累型‘合作8’, 说明添加难溶性Cd对品种‘普罗旺斯’植株生长具有显著的促进作用, 而对‘合作8’生长有显著的抑制作用。

3 讨论

本研究利用课题组前期筛选出的Cd高积累型‘合作8’和低积累‘普罗旺斯’, 通过水培试验明确了2种番茄品种对难溶性CdCO均具有显著活化溶解作用, 对难溶性CdS, ‘合作8’表现了明显的促溶效果, ‘普罗旺斯’却无明显作用, 且高积累型‘合作8’对CdS和CdCO的活化作用均显著高于低积累型‘普罗旺斯’。两个品种对难溶性Cd活化效果的差异可能与不同品种的根系分泌物存在显著差异有关。相关研究表明, 植物根系通过根系分泌物以及根际pH的变化促进土壤中氧化物态Cd的溶解, 从而释放不同形态的Cd, 且与根系分泌物发生作用, 从而改变土壤中Cd的存在形态。吴志超研究证实, 不同品种油菜品种由于根系分泌能力不同, 对重金属Cd的生物有效性影响不同。龚玉莲等对不同基因型蕹菜()的研究发现, 两种基因型蕹菜对Cd的响应差异与各低分子量有机酸的分泌量有关。邹素敏和肖亚涛的研究发现不同积累型叶用芥菜()和小麦()品种植株体内及根系分泌物中成分的检出情况存在显著差异。这些研究均表明植物不同品种的根系分泌物存在着明显差异, 这可能是影响Cd生物有效性的重要因素。另有一些研究还证实, 根系分泌的有机酸可以促进难溶态重金属溶解, 能够和重金属离子形成比较易溶的配合物而使Cd活化, 但不同有机酸对Cd的活化能力不同, 魏佳等通过试验证实, 有机酸的种类和浓度会影响对难溶态碳酸Cd的活化, 低分子量有机酸对碳酸镉的活化作用强于酚酸和氨基酸, 且各种酸对土壤中Cd的活化量随浓度的升高而增大, 有机酸对土壤难溶态Cd的活化能力差异显著。然而, 目前对于番茄植株根系分泌物种类以及对Cd生物有效性的作用机制仍需进一步深入研究。除根系分泌物外, 土壤pH也是影响重金属生物有效性的重要因子, 廉梅花研究了不同pH对东南景天()根际土壤Cd分子形态的影响, 结果表明, 根际土壤为酸性时, Cd主要以腐殖酸络合态和土壤无机矿物的外层配合物形态为主, 当土壤pH为中性或碱性时, Cd形态以内层络合物或沉积态为主。

本研究中高积累型‘合作8’植株地上部与根部的Cd吸收量显著高于低积累型‘普罗旺斯’, 同时‘合作8’的株高、根长和生物量均显著低于‘普罗旺斯’, 这一结果与‘合作8’对难溶性Cd的活化效果强, 提高植株对有效态Cd吸收, 导致植株体内大量Cd积累会抑制植株生长的结论相吻合; 而添加难溶性CdS处理下, ‘普罗旺斯’对其活化无明显效果, 对植株生长表现出刺激作用。苏德纯等表明, 印度芥菜()可以活化、吸收难溶态Cd, 且随着印度芥菜对CdCO活化的增加, 植株地上部和根系中的Cd含量显著增加。刘文菊等证实缺铁水稻、小麦的根分泌物能有效活化难溶性Cd (CdS), 促进植株对活化后Cd的吸收和运输。这些研究结果均与本文的研究结果一致。

4 结论

1)高积累型番茄品种‘合作8’使难溶性CdS和CdCO溶液中有效态Cd含量增加51.0%和62.1%, 活化效果显著; 低积累型番茄品种‘普罗旺斯’只显著促进了难溶性CdCO的溶解, 比对照增加39.4%, 对CdS无显著活化作用。‘合作8’对难溶性Cd活化的促进效果远高于‘普罗旺斯’。

2)在难溶性CdS处理下, ‘合作8’地上部与根部的Cd吸收量分别比 ‘普罗旺斯’提高80.2%和111.7%;在难溶性CdCO处理下‘合作8’地上部和根部的Cd吸收量分别比‘普罗旺斯’高105.2%和153.8%, 差异均达显著水平。

3)与未添加难溶性Cd处理相比, 添加难溶性CdS对低积累型番茄品种‘普罗旺斯’植株生长具有显著的促进作用, 株高、根长和生物量分别提高15.0%、10.1%和15.5%, 难溶性CdCO对‘普罗旺斯’植株生长未产生显著影响; 难溶性CdS和CdCO对高积累型番茄品种‘合作8’生长均产生了显著的抑制作用, 株高、根长和生物量分别降低5.0%、9.8%和11.3%。2种难溶性Cd处理下‘合作8’的株高、根长和生物量均显著低于‘普罗旺斯’。