王瑾豐，宋小飛*，牛曉君，吳浩，于敏，李麗，劉塵

1. 華南理工大學環(huán)境與能源學院，廣東 廣州 510006；2. 工業(yè)聚集區(qū)污染控制與生態(tài)修復教育部重點實驗室，廣東 廣州 510006

電子垃圾拆解區(qū)土壤上空心菜的毒理響應

王瑾豐1,2，宋小飛1,2*，牛曉君1,2，吳浩1,2，于敏1，李麗1,2，劉塵1,2

1. 華南理工大學環(huán)境與能源學院，廣東 廣州 510006；2. 工業(yè)聚集區(qū)污染控制與生態(tài)修復教育部重點實驗室，廣東 廣州 510006

電子垃圾拆解區(qū)對當?shù)丨h(huán)境造成嚴重污染，電子垃圾拆解區(qū)重金屬在土壤農(nóng)作物體系中有一定遷移性，并可通過食物鏈進入人體，對人體健康造成威脅。深入探究作物的積累重金屬的機理，可為調(diào)控食物鏈的重金屬傳遞，減少重金屬對人體健康的威脅提供一定的理論和實踐依據(jù)。以廣東省梅州市貴嶼島某電子垃圾拆解區(qū)為中心，沿半徑方向2、20、40、50 m采集土壤，同時以未受電子垃圾拆解區(qū)的土壤作為參照，在室內(nèi)采用盆栽實驗方法研究空心菜（Ipomoea aquatica）對電子垃圾污染的土壤中重金屬Cd、Cu、Pb、Zn、Cr的毒理響應。結(jié)果表明：受電子垃圾污染土壤中栽種的空心菜，五種重金屬的含量在空心菜體內(nèi)的分布為根＞莖＞葉，根部的富集系數(shù)最高，同時空心菜根部對Cu，Zn的生物積累作用最強烈，在水稻土上空心菜對重金屬的富集最為明顯；空心菜的生長高度受重金屬的污染不明顯，重金屬對空心菜的主要影響表現(xiàn)在葉面形態(tài)上；受到污染脅迫后，空心菜中葉綠素的含量明顯降低，距電子垃圾2、20、40、50 m的土壤和水稻土壤上種植的空心菜的葉綠素量平均是對照汕頭土壤的44.0%、74.2%、75.4%、88.7%、74.1%；空心菜對于土壤中重金屬的污染有較好的自身調(diào)節(jié)能力，其體內(nèi)的過氧化氫酶和過氧化物酶表現(xiàn)的相似，土壤受重金屬的污染越嚴重，空心菜的CAT和POD的含量相應也較高。

電子垃圾拆解區(qū)；重金屬；土壤；空心菜

電子廢物的不當拆解、回收活動會對環(huán)境造成嚴重污染，這一現(xiàn)象已經(jīng)引起國內(nèi)外的廣泛關注（荊維，2009）。電子垃圾拆解區(qū)的有毒有害物質(zhì)如重金屬，難降解持久性有機物（POPs）等能夠從垃圾填埋場滲濾到土壤中（Binns等，2006），不僅直接毒害土壤生物、破壞土壤結(jié)構(gòu)，還會間接造成水體污染，并通過食物鏈直接或間接危害人體健康（李開軍，2011）。羅勇等（羅勇，2008）調(diào)查、分析了電子廢物不當處置對區(qū)域和流域環(huán)境介質(zhì)中重金屬的含量、分布和遷移的影響，發(fā)現(xiàn)受到電子垃圾污染的土壤遭到不同程度的重金屬污染。電子垃圾中有害物質(zhì)在介質(zhì)中轉(zhuǎn)化吸收以及在生物體中的富集，是一個比較緩慢的過程，其危害可能在數(shù)年以至數(shù)十年后才能被發(fā)現(xiàn)（周玲，2014）。王婷（王婷，2007）對廣東省汕頭市貴嶼鎮(zhèn)農(nóng)作物中的重金屬分析結(jié)果顯示，農(nóng)作物樣品中Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Zn的水平普遍較高，同時采樣點的水稻樣品中的重金屬含量總體高于其他植物，并且稻根部位的積累現(xiàn)象明顯。目前對電子垃圾浸出物的毒性研究，主要是對土壤以及植物的重金屬進行測定，以評估電子垃圾的浸出物對植物的影響。一般認為，但是在受電子垃圾污染的土壤上植物的各個生長階段所受的影響，未作深入的研究。

空心菜(Ipomoea aquatic)作為我國南方常見食用蔬菜，是一年生植物，適應性強，種植成本低。本文利用電子垃圾拆解區(qū)污染土壤在室內(nèi)培育空心菜，觀察空心菜的生長形態(tài)、重金屬在植物各器官的分布特點、研究植物體內(nèi)的葉綠素含量及過氧化酶的變化，探討植物對電子垃圾污染土壤的生理生態(tài)響應，可為調(diào)控食物鏈的重金屬傳遞，減少重金屬對人體健康的威脅提供一定的理論和實踐依據(jù)。

1　材料與方法

1.1土壤的采集

土壤采集于廣東省梅州市貴嶼鎮(zhèn)（東經(jīng)116°21′，北緯23°20′）的某電子垃圾拆解區(qū)。貴嶼鎮(zhèn)主要為第四系全新統(tǒng)海陸交互相沉積層，基巖為花崗巖，埋深較大，區(qū)內(nèi)無基巖出露；海陸交互相沉積層由粉質(zhì)黏土、黏土、粉砂、細砂、淤泥、淤泥質(zhì)土互層組成。區(qū)內(nèi)土壤類型單一，均由三角洲沉積土田潴育水稻土組成。采集的供試土壤分別距電子垃圾堆卸物2、20、40、50 m以及附近100 m水稻田的土壤。另外在廣東省汕頭市選取汕頭梅溪河岸（東經(jīng)116°18′，北緯23°32′）沒有受電子垃圾污染的土壤作為對照。土壤中重金屬元素的含量見表1。

表1　土壤在中重金屬元素含量Table 1　Content of heavy metals in soils　　mg·kg-1

1.2土培盆栽實驗

將采集回來的土壤風干后混合均勻，除去植物殘根、石塊等雜質(zhì)，在每個直徑為20 cm、高為15 cm的塑料盆中放入3 kg土壤，每種土壤均設置3個重復。播種前，將空心菜種子（購于廣東省農(nóng)業(yè)科學院）用50 ℃清水浸泡30 min，再用清水室溫浸泡24 h。每盆播入16粒經(jīng)過催芽，以露白的空心菜種子，再覆蓋100 g相應的土壤，每2 d澆灌1次蒸餾水，播種1周后進行間苗，每盆保留12株均勻一致的幼苗。溫室溫度為35～55 ℃。

植物的生長狀態(tài)以及各種指標在7 d內(nèi)測試1次。分別測試植物的株高、葉片的情況、葉片的葉綠素（葉綠素a以及總?cè)~綠素）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）。在空心菜達到60 d的收獲期后，將空心菜從盆栽中移出，放入清水中洗凈根部的泥土，晾干后分別稱取空心菜的菜根、菜莖和菜葉，經(jīng)消解后測定植物體內(nèi)相應部位的重金屬含量。

1.3分析方法

重金屬含量采用HNO3-HCl-HClO4-HF全量消解土壤進行前處理，原子吸收分光光度法測定，原子熒光光度計測定Hg含量。空心菜樣品(可食用部位) 中加入10 mL HNO3，通過微波消解儀( MARS5)消解，用原子吸收分光光度計(島津AA7000原子吸收光譜儀) 測定重金屬含量（張露尹等，2013）。

過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）活性的測定采用比色法(Niu等，2013)?？招牟说娜~片葉綠素采用體積比為95%乙醇和丙酮的混合液提取，分光光度法于663、645 nm處測定吸光值，并計算葉綠素a和總?cè)~綠素含量。

1.4數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析和繪圖均采用Origin 8.0進行。

2　結(jié)果與討論

2.1空心菜生長過程中土壤中重金屬含量的變化

汕頭土是沒有受過電子垃圾拆卸物污染的土壤，其他的土壤則均采于電子垃圾周圍。表1所示的土壤，重金屬含量均超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》中的二級標準。在栽種的過程中，分別在第42天和56天對土壤中的重金屬的含量進行了測定。土壤中重金屬的變化如圖1所示。

隨著空心菜種植天數(shù)的增加，土壤中重金屬Cd、Cu、Pb、Zn、Cr的含量呈現(xiàn)出降低的趨勢。同時，土壤中Cd和Zn的含量隨著空心菜生長天數(shù)的增加下降趨勢比較明顯。而且土壤中重金屬的初始含量越高，在空心菜的生長過程中降幅越大。

造成土壤中重金屬含量降低的主要原因，可以認為是灌溉過程中土壤中重金屬被淋溶洗脫和空心菜在生長過程中富集了土壤中的重金屬。

2.2空心菜根、莖、葉不同部位中五種重金屬含量

表2表明，5種重金屬（Zn、Pb、Cu、Cd、Cr）其含量在空心菜中的分布規(guī)律為根＞莖＞葉，這與前人的報道基本一致（Bernal等，1994；Ye等，1997）。分析本實驗的空心菜樣品的5種重金屬富集系數(shù)，以距電子垃圾20 m土上種植的空心菜來看，在生菜的根部，生物富集系數(shù)分別為r（Cd）=0.012，r（Cu）=0.039，r（Pb）=0.009，r（Zn）=0.444，r（Cr）=0.008。說明空心菜在污染較嚴重的土壤中，對重金屬的富集的程度為Zn ＞Cu＞Cd ＞Pb＞ Cr。對于空心菜莖的重金屬順序為Zn（r=0.261）＞ Cu（r=0.027）＞Cd（r=0.01）＞Pb（r=0.008）＞Cr（r=0.006）；葉的順序為：Cu（r=0.028）＞Zn（r=0.014）＞Cd（r=0.009）＞ Pb（r=0.008）＞Cr（r=0.006）。Zn在空心菜的生物富集系數(shù)分別比其他重金屬稍高，表明Zn在生菜體內(nèi)的遷移強度及吸收利用程度較高,同時空心菜富集系數(shù)也表現(xiàn)為根部＞莖＞葉。說明重金屬在空心菜中的遷移過程是從根部逐漸運輸?shù)巾敳? 且隨著空心菜的生長，主要集中在空心菜的根部。除鋅外，空心菜各部位的重金屬的總富集系數(shù)同土壤的污染程度負相關。

圖1　土壤鎘、銅、鉛、鋅、鉻含量變化Fig. 1　change of cadmium, copper, lead, zinc and chromium content of soil

以距電子垃圾20 m土壤樣本上生長的空心菜中重金屬的含量為例，Cu主要集中在根部（18.18 mg·kg-1），高于莖（13.73 mg·kg-1）和葉（13.30 mg·kg-1）；另外，Zn也主要集中在根部（169.64 mg·kg-1），遠高于莖（82.91 mg·kg-1）和葉（67.89 mg·kg-1）。說明在距電子垃圾20 m土壤樣本上栽種的空心菜根部對Cu，Zn的生物積累作用較強。Zn在空心菜各部位中的含量均比其他金屬高，其次是Cu和Pb。Cr和Cd在空心菜各部位含量較低。其他供試土壤上栽種的空心菜也類似于距電子垃圾20 m土中重金屬的分布。從表2中可以看出，水稻土栽種的空心菜對重金屬的富集程度最高，特別表現(xiàn)為對Cu和Pb的富集效果。土壤的理化性質(zhì)直接影響重金屬在土壤中的形態(tài)，這些因素直接或者間接的影響植物吸收重金屬(Zeng等，2011)?？赡芩就林械挠袡C質(zhì)和pH等理化性質(zhì)能提高重金屬的生物有效性，提高了植物對重金屬的吸收積累。

2.2空心菜的生理生態(tài)響應

2.2.1 空心菜的生長響應

在空心菜的生長過程中，從圖2可以看出空心菜生長高度對于重金屬的污染不敏感，在各個受電子垃圾污染土壤中生長的空心菜，只有在成熟時期生長高度低于對比組汕頭土壤中生長的空心菜。但是在葉片的形態(tài)上，受電子垃圾拆卸物污染的土壤上栽種的空心菜和對照組空心菜的區(qū)別明顯。在整個空心菜的生長過程中，未受污染的汕頭土壤上種植的空心菜沒有出現(xiàn)出菜葉萎蔫和枯死的情況，但是受電子垃圾堆卸物污染最嚴重的距電子垃圾2 m土的空心菜葉片從發(fā)芽開始就出現(xiàn)部分發(fā)黃，并伴隨著植物的生長，至26 d左右，出現(xiàn)部分葉片枯萎掉落，且伴隨整個種植過程。由于距電子垃圾2 m土中種植的空心菜從發(fā)芽開始就受到重金屬的損傷，相對于其他土壤盆栽上的空心菜，其受損時間最長，因此枯萎葉片最多。土壤受電子垃圾堆卸物污染程度不同，空心菜葉片形態(tài)也隨生長過程而變化。在前期20 d，空心菜的形態(tài)與土壤的污染狀況相關不顯著，但是在生長比較旺盛的中期，由于植物大量吸收養(yǎng)分，葉面形態(tài)對土壤中的重金屬含量表現(xiàn)敏感。在距電子垃圾20 m土、距電子垃圾40 m土和水稻土中，空心菜種植20 d后均出現(xiàn)部分葉片枯萎狀況，特別是在第26到第40天，由于溫室氣溫較高，空心菜生長速度較快，葉片的受損的程度最為嚴重。在受污染較輕的距電子垃圾50 m土中，空心菜在溫室室溫超過40 ℃時，出現(xiàn)了部分葉片萎蔫。從空心菜種植過程中其株高和葉片變化情況來看，重金屬對空心菜有明顯的抑制作用。但是各種重金屬對空心菜的主要損傷途徑各不相同，空心菜受重金屬的傷害程度、傷害癥狀與重金屬的種類關系密切，研究表明(黃國勇等，2010)，Cd、Pb處理可使葉綠體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，破壞了葉綠體的膜系統(tǒng)，而對葉綠體結(jié)構(gòu)破壞的直接結(jié)果就是導致葉片發(fā)黃等。眾多學者認為重金屬能與植物體內(nèi)不同器官組織中的-SH結(jié)合，對植物生長發(fā)育造成不同程度的影響，如大囊酶活性中心的-SH被結(jié)合導致其活性下降，失去催化功能，從而干擾細胞的正常代謝等（刁維萍等，2004）。

表2　空心菜的各部位重金屬含量及富集系數(shù)Table 2　Heavy metal concentrations and enrichment factors in various parts of Water spinach

圖2　不同土壤上空心菜的生長高度Fig. 2　Heights of Water spinach in different soils

2.2.2 空心菜葉綠素的響應

圖3　不同土壤上空心菜葉綠素a的含量Fig. 3　Chlorophyll a contents of Water spinach in different soils

圖4　不同土壤上空心菜葉綠素的總含量Fig. 4　The total content of Chlorophyll of Water spinach in different soils

圖3和圖4是各種土壤上生長的空心菜的葉綠素a和葉綠素總量的含量的變化，土壤受污染的程度越大，相應時期的葉綠素含量也相應較低。在植物的生長過程中葉綠素的含量也在逐漸降低，葉綠素a、葉綠素總量都呈現(xiàn)下降趨勢，且在同一時期，葉綠素的平均含量表現(xiàn)為距電子垃圾2 m土＜距電子垃圾20 m土＜ 距電子垃圾40 m土＜水稻土＜ 距電子垃圾50 m土＜汕頭土。距電子垃圾2 m土、距電子垃圾20 m土、距電子垃圾40 m土、水稻土、距電子垃圾50 m土的生菜葉片生長過程中平均葉綠素含量分別是對照值汕頭土的21.2%、23.0%、64.3%、62.9%、74.1%，空心菜失綠癥狀明顯。說明電子垃圾所造成的污染會可以使生菜葉片的葉綠素含量明顯降低。葉綠素含量在一定程度上反映了植物光和作用的水平，植物葉片中葉綠素含量與光和速率、營養(yǎng)狀況等密切相關，因此常用葉綠素含量的高低表征植物在逆境下受傷害的程度。眾多研究表明（Gupta等，1995；陳國祥等，1999），重金屬對植物光合作用的影響是通過影響光合過程中的電子傳遞和破壞葉綠體的完整性而實現(xiàn)的，而重金屬脅迫對植物的光合作用都是抑制的，且抑制效果與處理時間的延長和濃度的加大成正相關。

2.2.3 空心菜過氧化氫酶（CAT）的響應

電子垃圾拆解區(qū)土壤對過氧化氫酶從圖5中可以得出，空心菜體內(nèi)過氧化氫酶的含量與土壤的重金屬污染程度密切相關。本研究中，距電子垃圾2 m土上的空心菜CAT值基本上是對比汕頭土壤上空心菜同期值的1.2到1.6倍；其次是距電子垃圾20 m土上栽種的空心菜，CAT的值是對比汕頭土壤上空心菜同期值的1.2到1.4倍；距電子垃圾40 m土、距電子垃圾50 m土和水稻土上栽種的空心菜CAT值總體上則略高于對比土壤上栽種的空心菜。說明在土壤污染較為嚴重時，空心菜受到脅迫的程度，植物體內(nèi)的過氧化氫酶的活性在變化，土壤中重金屬含量越多，對應的CAT活性也相應越高。土壤受重金屬的污染越嚴重，空心菜的CAT的含量相應越高。這是由于植物在逆境時，由于體內(nèi)活性氧代謝加強而使H2O2積累，H2O2可以直接或間接地氧化細胞內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子，并使細胞膜遭受損害，從而加速細胞的衰老和解體（孫瑞蓮等，2005）。過氧化氫酶可以消除H2O2，植物組織中的CAT活性與植物的抗逆性密切相關。

圖5　不同土壤上空心菜的CAT活性Fig. 5　CAT in different soil of Water spinach

圖6　不同土壤上空心菜的POD活性Fig. 6　POD in different soil of Water spinach

2.2.4 空心菜過氧化物酶(POD)的響應

空心菜體內(nèi)過氧化物酶的表現(xiàn)和過氧化氫酶有所相同，土壤受重金屬的污染越嚴重，空心菜的POD的含量相應也較高。從圖6中可以得出，距電子垃圾2 m土上栽種的空心菜POD值是汕頭土壤上空心菜同期值的1.2到1.9倍。距電子垃圾20 m土上栽種的空心菜POD的值是汕頭土壤上空心菜同期值的1.1到1.7倍。從總體上看，在不同的土壤上空心菜的值，隨著栽種的時間，呈現(xiàn)出先下降，后上升的趨勢。表明植物在生長的初期，對土壤中的重金屬比較敏感，空心菜內(nèi)的過氧化物酶比較高，表明空心菜在受到脅迫時做出反應，通過調(diào)節(jié)自身的POD活性以減輕活性氧的傷害作用。隨著空心菜的生長，在生長旺期的20到45 d的時間內(nèi)，空心菜抵抗重金屬脅迫的能力逐漸增強，POD值在下降。到空心菜的栽種后期，由于空心菜的衰老和體內(nèi)重金屬的不斷累積，POD的值又在逐漸升高。在種植過程中空心菜的一系列的生理生化指標的變化趨勢表明：在不同濃度的重金屬污染下，空心菜能夠調(diào)節(jié)體內(nèi)的各種抗氧化酶來抵御重金屬的損傷。

3　結(jié)論

在空心菜種植的整個生長周期內(nèi)，空心菜體內(nèi)的重金屬含量的分布為根＞莖＞葉，且測試的5種重金屬在根的富集系數(shù)也最高?？招牟烁繉u，Zn的生物積累作用最強烈。水稻土更利于空心菜對重金屬的富集。

在土壤受到電子垃圾不同程度的污染時，空心菜的生長速度幾乎一樣，只是植物在葉片的形態(tài)上受土壤重金屬的影響，表現(xiàn)出土壤污染越嚴重，葉片褪色、萎蔫、枯萎的也就越多。

在土壤受到電子垃圾不同程度的污染時，空心菜的葉綠素含量受到的較大的影響，距電子垃圾2、20、40、50的土壤和水稻土壤上種植的空心菜的葉綠素量平均是對照汕頭土壤的44.0%、74.2%、75.4%、88.7%、74.1%。電子垃圾所造成的污染會可以使空心菜葉片的葉綠素含量明顯降低。

空心菜體內(nèi)的過氧化氫酶和過氧化物酶表現(xiàn)的有所相同，土壤受重金屬的污染越嚴重，空心菜的CAT和POD的含量相應也較高。但其含量與對照汕頭組栽種相差不大，說明空心菜對于土壤中重金屬的污染有較好的自身調(diào)節(jié)能力。

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Toxicology Studies on Soil of Electronic Waste Recycling Site to Spinach

WANG Jinfeng1,2, SONG Xiaofei1,2*, NIU Xiaojun1,2, WU Hao1,2, YU Min1, LI Li1,2, LIU Chen1,2

1. College of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China; 2. The Key Lab of Pollution Control and Ecosystem Restoration in Industry Clusters, Ministry of Education, Guangzhou 510006, China

Hazardous environmental pollution metal materials caused by electronic waste recycling site could transport between the soil and crop system, and the metal also threatened human health through the food chain. In-depth study of the mechanism of heavy metal accumulation attributes to the theory and practical basis for controlling metal to transport during food chain and lessening the healthy threaten derived from heavy metal. The soil was collected with a distance of 2, 20, 40 and 50 m separately from e-waste dump sites and the uncontaminated soil was also collected for comparing. The toxicological Cd, Cu, Pb, Zn, and Cr response of Ipomoea aquatica was conducted in the laboratory with plastic basin. The results indicated that five heavy metals distribution in water spinach planted on e-waste contaminated soil was root＞ stem＞ leaf and the highest enrichment factor was belonged to root which also acuminate Cu and Zn at a higher level. Furthermore, the paddy soil contributed to a higher bio-concentration; under the stress of the heavy metal contamination, the leaf form changed dramatically while the heightamong the plant was not significant, and photosynthetic capacity of spinach decreased obviously at the same time: the content of chlorophyll in the plant planted on the soil of 2, 20, 40 and 50 m from the e-waste dump sites were 44.0%, 74.2%, 75.4%, 88.7%, and 74.1%, separately, to the control group’s; the plant could well adjusted to the heavy metal polluted soil and the parameter of catalase and peroxidase activities were similar: the activity of catalase and peroxidase increased with the higher level of soil polluted by e-waste.

electronic waste disassembling area; heavy metal; soil; Ipomoea aquatica

X171.5

A

1674-5906（2014）10-1664-07

王瑾豐，宋小飛，牛曉君，吳浩，于敏，李麗，劉塵. 電子垃圾拆解區(qū)土壤上空心菜的毒理響應[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2014, 23(10): 1664-1670.

WANG Jinfeng, SONG Xiaofei, NIU Xiaojun, WU Hao, YU Min, LI Li, LIU Chen. Toxicology studies on soil of electronic waste recycling site to spinach [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(10): 1664-1670.

國家自然科學基金項目（41071305）

王瑾豐（1990年生），男，碩士研究生，主要從事水處理理論及技術研究。郵箱：jfwang25@gmail.com

*通信作者：宋小飛，實驗師，博士，主要從事污染物的環(huán)境生態(tài)效應研究。郵箱：songxf@scut.edu.cn

2014-09-14