镉菲交互作用对玉米吸收转运土壤中镉菲的影响特征

2024-02-22高佳圆张玉坤孟庆宇张光伟王小敏杨志新

河北农业大学学报 2024年1期

高佳圆，张玉坤，孟庆宇，张光伟，王小敏，杨志新,2，李橙

（1.河北农业大学资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室，河北保定 071001；2.河北农业大学华北作物改良与调控国家重点实验室，河北保定 071001；3.河北省生态环境科学研究院，河北石家庄 050037）

随着工农业生产的发展，各种污染物通过不同途径不断进入土壤环境，致使土壤污染愈发严重［1］。据统计，无机污染在土壤污染中据主导地位，有机污染次之［2］。无机污染中以重金属污染最为突出，其中镉（Cd）是污染最严重的重金属元素；多环芳烃（Polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）是有机污染的典型代表［3］，其中菲（Phe）在环境中含量较高且存在广泛［4］。同时，在实际环境中两种污染物多以复合污染形式存在。污染物之间的相互作用导致复合污染形成机理与环境效应比单一污染土壤更加复杂，不仅对作物生长产生不利影响，而且对人体健康产生严重威胁［5-7］。

重金属和多环芳烃复合污染对作物生长和污染物积累存在着明显的的交互作用影响［8］。相关研究发现，与单一污染相比，锌和苯并芘复合污染可显著抑制小麦幼苗的生长，二者具有明显协同作用［9］。而镉与多环芳烃（菲、荧蒽和苯并芘）复合污染对小白菜生长的影响却不显著［10］。重金属和多环芳烃对作物体内污染物积累也产生了不同的交互作用。镍-芘复合污染对小麦草根部和茎部芘镍吸收互为抑制，两者呈现拮抗效应［11］，而菲与砷复合污染对砷菲在蜈蚣草根部的积累却互为促进［12］，表现为协同作用。此外，污染物含量也会影响污染物积累的交互作用差异。高含量苯并芘（10 mg/kg）共存使玉米幼苗地上部铬积累量显著增加82%，而低含量芘的存在则抑制了玉米幼苗地上部对铜的积累［13-14］。由此可见，多环芳烃和重金属复合污染时，污染物在作物体内的交互作用明显，既有协同作用又有拮抗作用，且这种交互作用受植物种类、污染物种类及其含量影响而产生变化。然而，目前针对广泛存在的土壤镉菲复合污染对玉米生长以及污染物吸收积累的交互作用影响尚不清楚。

因此，本文以课题组前期筛选的耐抗性强的‘郑单958’玉米品种为研究对象，通过Cd-Phe 复合污染玉米盆栽试验，研究Cd-Phe 复合污染对‘郑单958’玉米吸收积累Cd 和Phe 的交互作用，探讨交互作用影响下的生物量变化规律，为重金属和多环芳烃复合污染土壤的农业安全利用及其作物种类的种植优化提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试土壤供试土壤采自保定周边无污染的农田表层土壤（0 ～20 cm），土壤类型为潮褐土，有机质含量为20.92 g/kg ,全氮含量为0.95 g/kg ，全磷含量0.30 g/kg，碱解氮含量为72.80 mg/kg，速效磷含量为62.03 mg/kg，pH 为7.80，Cd 含量为0.19 mg/kg，Phe 含量为0.02 mg/kg。于室温下自然阴干，去除动植物残体以及树枝、石块等杂物，过筛2 mm，用于盆栽试验。

1.1.2 供试植物课题组前期筛选的耐抗Cd、Phe强的玉米品种‘郑单958’。

1.1.3 化学试剂菲（纯度＞95%，北京百灵威科技有限公司）；CdCl2·2.5H2O（分析纯，北京百灵威科技有限公司）；正己烷、二氯甲烷、甲醇等有机溶剂（色谱纯，北京百灵威科技有限公司）；SPE 硅胶净化柱（上海安谱实验科技股份有限公司）；丙酮、硝酸（优级纯，天津科密欧试剂有限公司）；其余分析纯化学试剂（保定万科试剂有限公司）。

1.1.4 模拟污染土壤制备 Phe 污染土壤：取1 200 g清洁土壤分为3 份，将100 mg 菲标准品溶于100 mL丙酮中，定容至100 mL，总量浓度为1 000 mg/L（母液）。将不同量的Phe 母液分别加入到100 g 第一母体土壤中，间断性搅拌至丙酮挥发干，再分别加入到200 g 第二母体污染土壤中，充分搅拌后放置1 d。之后将第二母体污染土壤加入到剩下的900 g 土壤，反复搅拌充分混合，过筛2 mm。最终使土壤Phe 含量分别达1 mg/kg、50 mg/kg，备用。

Cd 污染土壤：取1 200 g 清洁土壤分为3 份，将100 mg CdCl2·2.5H2O 标准品溶于100 mL 水溶液中，定容至100 mL，使总量浓度为1 000 mg/L（母液）。将不同量的Cd 母液加入到土壤中。按照上述的Phe 污染土壤的制备步骤分级污染土壤，最终使土壤Cd 含量分别达2.5 和5.0 mg/kg，备用。

Cd 和Phe 复合污染土壤：在Phe 污染土壤基础上，分别将Cd 母液加入Phe 污染土壤，逐级混匀，形成Cd-Phe 复合污染土壤，备用。

1.2 盆栽试验方案

试验共设9 个处理，利用1.1.4 的Cd 污染土壤分别设置2.5、5 mg/kg Cd 2 个处理；利用1.1.4的Phe 污染土壤分别设置1 和50 mg/kg 2 个处理；利用1.1.4 的Cd-Phe 复合污染土壤设置4 个复合污染；同时设不添加Cd、Phe 污染物为对照处理（CK）。每个处理3 次重复，详见表1。试验所用盆钵尺寸为内径17 cm×高15 cm。每盆盛装表1处理的污染土壤1.2 kg，同时每盆施用底肥1 g/kg（N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶1），保持土壤含水率达60%左右，于室温下平衡2 周。选取饱满、大小均匀一致的玉米种子播于盆中，每盆播种10 粒，出苗后间苗，每盆留8 株。定时定量用去离子水浇灌，幼苗生长28 d 收获。整个培养期间维持室内温度白天/夜间20 ～25 ℃。

表1 镉菲复合污染处理下玉米盆栽试验方案Table 1 Experimental scheme of corn pot under Cd-Phe combined pollution treatment

1.3 测定指标及方法

1.3.1 测定指标玉米幼苗株高、生物量；玉米幼苗根部和茎叶部Cd、Phe 含量。

1.3.2 测定方法玉米幼苗株高用直尺测量其高度。

玉米生物量：将盆栽的玉米在土壤湿润情况下取出，保留完整的玉米植株。将根上黏附的泥土小心地用水冲洗干净，用滤纸将植株上附着的水分吸干。用不锈钢剪刀剪开玉米幼苗茎叶部和根部，将茎叶部和根部置于105 ℃烘箱中杀青10 分钟，再用80 ℃烘至恒重，称重并记录各处理茎叶部和根部的干重［15］。

玉米幼苗Cd 含量：取研磨过60 目筛的玉米样品0.2 g置于微波消解罐，依次加入5 mL HNO3（65%，v/v，优级纯）和1 mLH2O2（30%，v/v，分析纯），放入微波消解仪进行微波消解。消解结束后将消解罐置于赶酸仪上赶酸，定容至25 mL 容量瓶，过0.45 μm 滤膜后采用电感耦合等离子体- 质谱法（ICP-MS）测定［16］。

玉米幼苗Phe 含量：取经烘干研磨过筛的玉米样品0.1 g 于50 mL 离心管中，加10 mL 丙酮和正己烷（1∶1，V/V）溶液，超声萃取30 min，重复此过程3 次，然后以4 000 r/min 离心10 min，将3次合并后的上清液收集转移至氮吹管中，40 ℃下氮吹至干，用正己烷定容至2 mL，然后取1 mL 过硅胶柱净化，用15 mL 的二氯甲烷和正己烷（1∶1，V/V）溶液进行洗脱，洗脱液收集至氮吹管中浓缩至干，用甲醇定容至1 mL，过0.22 μm 孔径滤膜后，用HPLC 分析［17］。

HPLC 分析条件：色谱柱为ø4.6 mm×250 mm C18反相柱，柱温设定为30 ℃，流动相为甲醇/水（85/15），流速为1.0 mL/min，进样量设置为10 µL，Phe 的紫外检测波长为254 nm。

质量保证与质量控制：玉米幼苗Cd 含量测定是以国家一级标准物质（植物：GBW10012玉米）进行准确度和精密度控制，其回收率为90.9% ～104.9%［18］。玉米幼苗Phe 含量测定是以氘代三联苯与4-溴-2-氟联苯两种替代物质进行准确度和精密度控制，保证替代物质回收率在70%～130%［19］。同时，两种污染物均同步分析空白样品以去除试剂干扰，Cd 和Phe 的测定均符合质量控制要求。

1.3.3 数据统计分析

(1)利用Abott 公式模型计算Cd 与Phe 之间的交互作用类型，公式如下：

Cexp=A+B-A×B/100

RI=OB/Cexp

其中，Cexp表示Phe 与 Cd 产生的生态效应预测值，A 和B 分别表示试验测到的Cd 与Phe 单一胁迫时的生态效应。A 和B 为处理组测定的生长指标相对于空白对照组增加或减少的百分比。OB表示复合胁迫产生的生态效应。RI 表示复合效应与Cexp的比值。若RI＞1，交互作用类型为协同；若RI＜1，交互作用类型为拮抗［20-21］。

(2)转运系数是一种用来评价植物将污染物从根部向茎叶部的运输和富集能力的一种指标。富集系数反映了植物从土壤中提取某种污染物并在体内积累的能力,富集系数越大,表明植物富集某种污染物的能力越强［22］，计算公式分别如下：

转运系数（TF）=玉米茎叶部污染物含量/玉米根部污染物含量

采用Microsoft Excel 2021 进行数据统计与作图，SPSS 23.0 统计软件进行方差分析，并用最小显著差异法(LSD)进行不同处理均值的差异显著性比较。

2 结果与分析

2.1 镉菲复合污染对玉米积累镉菲的影响

2.1.1 Phe 对玉米Cd 积累的影响特征图1 反映了Cd-Phe 复合污染下玉米Cd 的吸收积累特征。由图1（A、B）可知，在Cd 单一污染时，根部和茎叶部Cd含量均随土壤Cd 含量升高呈增加趋势。土壤中Cd 含量从2.5 mg/kg 提高至5.0 mg/kg 时，根部Cd 含量从16.99 mg/kg 增至31.60 mg/kg，显著增加了86.01%；茎叶部Cd 含量从3.97 mg/kg 增至9.10 mg/kg，显著增加了128.98%。说明Cd 单一污染时Cd 玉米根部和茎叶中的积累受Cd 污染含量影响较大。

图1 高积累玉米‘郑单958’中Cd 的积累特征Fig.1 Accumulation characteristics of Cd in high-accumulation maize ‘Zhengdan 958’

Cd 和Phe 复合污染时，低Cd（2.5 mg/kg）处理根部Cd 含量随Phe 添加量升高呈降低趋势，高Cd（5.0 mg/kg）处理根部Cd 含量随Phe 添加量升高呈先降低后升高趋势。与低Cd 单一污染相比，添加1 mg/kg Phe 和50 mg/kg Phe 后的复合污染根部Cd 含量分别显著降低了16.63%和29.40 % 。与高Cd 单一污染相比，添加1 mg/kg Phe 和50 mg/kg Phe 后的复合污染根部Cd 含量显著降低32.70%和17.48%。可见，Phe 的存在可显著抑制玉米根部对Cd 的吸收积累，拮抗作用明显。

Cd 和Phe 复合污染时，随Phe 添加量升高，低Cd（2.5 mg/kg）处理茎叶部Cd 含量随Phe 添加量升高呈上升趋势，高Cd（5.0 mg/kg）处理茎叶部Cd 含量随Phe 添加量升高呈先降低后升高趋势。与低Cd 单一污染相比，添加1 mg/kg 和50 mg/kg Phe后的复合污染茎叶部Cd 含量分别显著增加12.46%和22.22%；与高Cd 单一污染相比，添加1 mg/kg和50 mg/kg Phe 后的复合污染处理茎叶部Cd 含量没有显著性差异。可见，在低Cd 污染下，Phe 的存在显著促进了玉米茎叶部Cd 的吸收积累。

2.1.2 Cd 对玉米Phe 积累的影响特征图2 反映了Cd-Phe 复合污染下玉米Phe 的吸收积累特征。由图2（A、B）可知，在Phe 单一污染时，根部和茎叶部Phe 含量均随土壤Phe 含量升高呈增加趋势。土壤中Phe 含量从1 mg/kg 提高至50 mg/kg 时，根部Phe 含量从1.69 mg/kg 增至3.75 mg/kg，显著增加了121.89%；茎叶部Phe 在土壤Phe 含量为50 mg/kg时最高，为1.63 mg/kg。说明Phe 单一污染时玉米根部和茎叶部Phe 积累受Phe 污染含量影响较大。

图2 高积累玉米‘郑单958’中Phe 的积累特征Fig.2 Accumulation characteristics of Phe in high-accumulation maize 'Zhengdan 958'

Cd 和Phe 复合污染时，低高Phe 处理（1 和50 mg/kg）下，根部Phe 含量随Cd 添加量升高呈先上升后降低趋势。与低Phe 单一污染相比，添加2.5 mg/kg Cd 后的复合污染根部Phe 含量显著增加61.84%，二者协同作用明显，而添加5.0 mg/kg Cd后复合污染根部Phe 含量无显著差异性；与高Phe单一污染相比，分别添加2.5 mg/kg Cd 和5.0 mg/kg Cd 后的复合污染根部Phe 含量稍有提高，分别提高了9.91%、15.06%。可见，Cd 的存在一定程度上促进了玉米根部Phe 的吸收积累。

Cd 和Phe 复合污染时，低Phe 处理（1 mg/kg）下，随Cd 添加量升高，茎叶部Phe 含量呈逐渐上升趋势；高Phe 处理（50 mg/kg）下，茎叶部Phe 含量呈先升高后降低的趋势。与低Phe 单一污染相比，添加2.5 mg/kg Cd 后复合污染茎叶部Phe 含量无显著性差异，而添加5.0 mg/kg Cd 后复合污染茎叶部Phe 含量显著增加了187.53%；与高Phe 单一污染相比，添加2.5 mg/kg Cd 后的复合污染茎叶部Phe 含量显著增加了134.56%，两者协同作用明显，而添加5.0 mg/kg Cd 后差异不显著。可见，低Cd 的存在促进了高Phe 污染下茎叶部对Phe 的吸收积累，而高Cd的存在促进了低Phe 污染下茎叶部对Phe 的吸收积累。

2.2 镉菲复合污染对玉米吸收转运镉菲的影响

2.2.1 吸收转运Cd 特征转运系数变化可较好地反映不同含量污染物向玉米地上部转移能力的影响，转移系数越大说明污染物越容易向地上部转移，越有利于植物通过地上部分收割后的提取修复效果。表2 反映了Cd-Phe 复合污染对玉米吸收转运Cd 的影响效果。与低Cd 单一污染相比，添加1 mg/kg 和50 mg/kg Phe 的复合污染处理Cd 从根到茎的转运系数分别显著增加了35.43%和73.77%。与高Cd 单一污染处理相比，添加1 mg/kg Phe 和50 mg/kg Phe的复合污染处理Cd 从根到茎的转运系数显著增加了47.22%和22.22%。可见，Phe 的存在一定程度上加剧了Cd 从根到茎的转运能力，增加了Cd 籽粒的污染风险。

表2 镉菲复合污染对玉米吸收转运镉的影响Table 2 Effects of Cd-phe combined pollution on Cd uptake and transport in maize

2.2.2 吸收转运Phe 特征表3 反映了Cd、Phe 单一及复合污染对玉米吸收转运Phe 的影响效果。与低Phe 单一污染相比，添加5 mg/kg Cd 的复合污染使Phe 从根到茎叶的转运系数显著升高了281.37%，而添加2.5 mg/kg Cd 时无显著性差异；与高Phe 单一污染（50 mg/kg）相比，添加2.5 mg/kg Cd 的复合污染使Phe 从根到茎叶的转运系数显著升高107.76%，而添加5.0 mg/kg Cd 的Phe 转运系数差异不显著。可见，低 Cd 可显著加剧高Phe从根到茎叶的转运能力，高Cd 显著加剧低Phe 从根到茎叶的转运能力，增加Phe 对籽粒的污染风险。

表3 镉菲复合污染对玉米吸收转运菲的影响Table 3 Effects of Cd-phe combined pollution on Phe uptake and transport in maize

2.3 镉菲复合污染对玉米生长的影响

图3 反映了Cd 和Phe 单一及复合污染对玉米‘郑单958’株高的影响。与低Cd 单一污染相比，添加 1 mg/kg Phe 的复合处理对玉米株高的影响差异不显著，而添加50 mg/kg Phe 后的复合处理株高显著增加8.22%；与高Cd 单一污染相比，添加1 mg/kg Phe 的复合处理对玉米株高的影响差异不显著，而添加50 mg/kg Phe 后的复合处理株高显著增加5.90%。

图3 镉菲共存污染对玉米 ‘郑单958’株高的影响Fig.3 Effects of co-contamination of Cd-Phe on plant height of maize ‘Zhengdan 958’

与低Phe 单一污染相比，添加2.5 mg/kg Cd 和5.0 mg/kg Cd 后的复合处理使株高分别显著降低了6.09%和13.65%；与高Phe 单一污染相比，添加2.5 mg/kg Cd 和5.0 mg/kg Cd 后的复合处理差异不显著。进一步对表现显著的复合处理运用Abott 公式分析交互作用类型。由表4 可知，各处理RI分别为0.688 1、0.418 3 和-0.203 0，表明对株高的影响交互作用类型为拮抗作用。

表4 镉菲复合污染对玉米‘郑单958’株高影响的交互作用Table 4 Interaction types of effects of Cd-Phe combined pollution on plant height of maize ‘Zhengdan 958’

综上，Cd 和Phe 复合污染一定程度上会抑制玉米生长，二者交互影响表现为拮抗作用。

图4 反映了Cd 和Phe 单一及复合污染下对高积累玉米‘郑单958’茎叶部生物量的影响。与低高Phe 单一污染处理相比，添加2.5 和5.0 mg/kg Cd后复合处理的玉米茎叶部生物量各处理间差异均不显著。可见，复合污染对生物量的影响并不明显。

图4 镉菲复合污染对玉米‘郑单958’茎叶部生物量的影响Fig.4 Effects of combined pollution of Cd-Phe on on stem and leaf biomass of maize 'Zhengdan 958'

3 讨论

重金属和多环芳烃之间交互作用复杂。本研究发现，Phe 和Cd 共存与Cd 单一污染相比，根部Cd含量显著降低，二者之间表现为拮抗作用。Wang等［23］得出类似结论，当芘铜和镉高浓度共存的情况下，玉米根部铜显著降低44%～46%。这一结果可能的原因是共存时，Phe 可与Cd 形成络合物，从而降低了自由Cd 离子含量，进一步降低了根部Cd的吸收积累。因此，两者之间表现出拮抗作用。当高含量Cd 和Phe 共存时，茎叶部Cd 含量却显著升高。赵娟娟等人［24］也得出了高含量PAHs 促进玉米茎叶积累Cu 的类似结论，同样Chigbo 等［13］发现，高含量苯并芘（10 mg/kg）共存使玉米幼苗地上部铬积累量显著增加82%。随着Phe 含量的不断升高形成的Cd 和Phe 络合物毒性增强，导致根部的完整性被破坏，更多的Cd 向茎叶部转运，这可能是高含量Cd 和Phe 共存时茎叶部Cd 积累量高的原因之一［25］。

Cd 的存在一定程度上促进了玉米幼苗根部和茎叶部Phe 的积累。Song 等人［26］得出了Cd 和PAHs复合胁迫促进百慕大草各部位PAHs 积累的类似结论，而与陈静等人［11］得出的镍抑制小麦草芘积累的结论相反，推测不同种类的多环芳烃和重金属在作物体内可能具有共同吸收途径，二者存在竞争吸收关系，亦或者是污染物在作物体内的转运受不同转运体调控所形成，带来了不同的交互作用效应［27］，甚至和污染物含量以及不同作物种类本身的吸收特性高度相关。另外，Cd 和PAHs 交互作用效应还可能与不同类型作物基因对复合污染胁迫的响应有关，尚需要进一步深度研究。因此，掌握不同作物资源对多环芳烃和重金属复合污染胁迫的吸收积累特征，对于指导农业污染土壤的安全利用非常重要。

植物的生长是其生命活动受到胁迫时最直观的反映。本研究发现，Cd、Phe 共存显著抑制了玉米的株高生长，与单一Phe 处理相比使株高显著降低。有学者认为［9］，Zn 和苯并芘复合胁迫相比单一Zn或苯并芘胁迫对小麦幼苗生长抑制作用更显著，与本研究结论相似。尽管Cd、Phe 共存对株高产生了一定的负作用，但对生物量的影响并不明显。这可能是在Cd 和Phe 胁迫时，为提高逆境下对养分和水分等的吸收能力，可能降低了株高，增加了玉米茎粗和根系生物量的比例［28］。