何欣怡，孫 蓉，程 茜，陳生婷，鄭 毅

（攀枝花學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，四川攀枝花 617000）

土壤是環(huán)境體系的核心介質(zhì)，是大氣和水體兩者之間的關(guān)鍵橋梁，它攜帶著來自空氣中大部分的污染物和水污染物，最終集中在土壤中。隨著我國工業(yè)化和城市化的迅速發(fā)展，土壤重金屬污染形勢日益嚴(yán)峻。一般來說，重金屬是指密度大于4.5 g·cm-3的金屬，主要有銅、鉛、鋅、鎘、鉻、鈷、鎳、錳等[1]，土壤重金屬污染修復(fù)已成為一個重要的研究課題。在我國蔬菜種植地區(qū)的土壤存在的重金屬污染問題主要是鎘含量超標(biāo)，汞超標(biāo)率次之[2]。鎘具有高毒性與高遷移性，被植物吸收后可以通過食物鏈直接或間接進(jìn)入人體，威脅人的身體健康[3]。

攀枝花地區(qū)礦產(chǎn)資源極其豐富，礦業(yè)開發(fā)使土壤受到不同程度的重金屬污染[4]，其中As、Cd、Cr、T、V 元素含量和污染程度較高，且在不同的礦區(qū)，污染的來源不同[5]。前人研究表明，攀鋼地區(qū)土壤各種重金屬元素都表現(xiàn)出污染，Cd 污染最為嚴(yán)重[6]。馬家田尾礦區(qū)位于攀枝花東區(qū)銀江鎮(zhèn)，是攀鋼集團(tuán)的尾礦區(qū)[7]，其土壤中富集了多種重金屬元素，對環(huán)境和生物造成了一定的影響。因此開展該地區(qū)土壤污染修復(fù)研究具有重要意義，不僅有利于對重金屬元素污染的土壤進(jìn)行修復(fù)，也有利于部分資源的再利用。

植物修復(fù)技術(shù)是20 世紀(jì)90 年代初發(fā)展起來的一種對生態(tài)系統(tǒng)友好、經(jīng)濟(jì)合理的新興修復(fù)技術(shù)，它是利用某些植物及其微生物共存系統(tǒng)對重金屬、放射性元素等的過量耐受和積累來消除土壤污染。Brooks 在1977 年提出了超富集植物的定義[8]，直到后來Chaney在1983 年向世界宣布植物修復(fù)的想法后[9]，植物修復(fù)技術(shù)才被用來修復(fù)重金屬污染的土壤。我國鎘污染土壤修復(fù)技術(shù)無論是在治理模式、修復(fù)技術(shù)及相關(guān)法律很大程度上仍落后于其他發(fā)達(dá)國家[10]，在近幾十年來，隨著土壤污染問題逐步被重視，有關(guān)植物修復(fù)的研究也取得了較大的進(jìn)展。

籽粒莧（Amaranthus hypochondriacus）是莧科莧屬一年生草本植物，起源于中美洲和東南亞地區(qū)[11]，具有生物量大、耐鎘性強(qiáng)、鎘富集特性好等特點(diǎn)，主要包括多穗莧、尾穗莧和綠穗莧。周啟星等在1995年發(fā)現(xiàn)莧科植物具有很強(qiáng)的富鎘能力，因此可以利用莧科植物來治理鎘污染土壤[12]。Chunilall等研究也發(fā)現(xiàn)，食用紅葉莧菜和綠葉莧菜對鎘有很強(qiáng)的富集作用[13]。在鎘污染土壤中，鎘離子濃度會影響籽粒莧的生長發(fā)育，李凝玉等研究發(fā)現(xiàn)，兩個籽粒莧品種都對土壤中的鎘有吸收作用，并且土壤中的鎘離子濃度越大，籽粒莧的生物量就越少，同時，籽粒莧內(nèi)的鎘含量會隨土壤中鎘含量增加而增加，當(dāng)土壤中鎘濃度為16 mg·kg-1時，就達(dá)到了超富集植物的臨界標(biāo)準(zhǔn)[14]。如果鎘離子濃度很低的話，籽粒莧的抗氧化能力也會降低；鎘離子濃度很高時，籽粒莧會啟動活性氧防御機(jī)制，從而增加其對鎘的抗性。

籽粒莧具有數(shù)量多、容易栽培等優(yōu)點(diǎn)，吸收累積重金屬的能力較好，在修復(fù)重金屬污染土壤上具有較大的應(yīng)用潛力[15]。以攀枝花市阿署達(dá)地區(qū)的土壤為研究對象，將籽粒莧作為土壤修復(fù)植物，通過實(shí)驗(yàn)室盆栽試驗(yàn)及測定鎘脅迫下籽粒莧生理生化指標(biāo)的變化，來確定籽粒莧對該地區(qū)的含鎘土壤是否具有修復(fù)作用及其修復(fù)響應(yīng)機(jī)理，確定該技術(shù)在攀枝花阿署達(dá)地區(qū)是否具有應(yīng)用前景，對改善該地區(qū)土壤環(huán)境、避免鎘危害人體健康具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤：在攀枝花市阿署達(dá)地區(qū)，選擇10個土壤采樣點(diǎn)，包括A（水景休閑區(qū)）、B（休閑運(yùn)動區(qū)）、C（高檔休閑區(qū)）、D（集散服務(wù)區(qū)）、E（荷塘體驗(yàn)區(qū)）、F（宗教朝拜區(qū)）、G（花香果園區(qū)①）、H（花香果園區(qū)②）、I（商務(wù)接待區(qū)）、J（度假區(qū)）。相鄰采樣點(diǎn)之間的距離在500 m 以上。從表層土壤（10～20 cm）中取約10 kg 的土壤樣品，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室除去碎石、砂礫、異物殘?jiān)?，將各樣點(diǎn)土壤均分為2份，1份用于種植植株，待種植后再風(fēng)干，另1份直接風(fēng)干，將風(fēng)干的土樣在研缽中用棒壓碎，過0.150 mm（100目）孔徑的尼龍篩。過篩后的土壤混合均勻。

供試植物：通過種子育苗選擇生長一致、抽薹期生長良好、無病蟲害的籽粒莧植株為試驗(yàn)材料。

1.2 鎘吸附試驗(yàn)

選取實(shí)驗(yàn)室栽培的長勢一致、無病蟲害、莖高相同的籽粒莧，移栽到含有不同樣點(diǎn)土壤的盆缽中，1株1 盆，栽培于攀枝花學(xué)院實(shí)驗(yàn)室，每天定時澆水，每組設(shè)置3 次重復(fù)。兩個月后，從每組盆栽里取靠近籽粒莧的根際土壤樣品，用于鎘含量檢測。

1.3 土壤中鎘含量的測定

將待測土壤風(fēng)干后，揀去雜質(zhì)，利用研缽碾磨，過100 目尼龍篩，取過篩后的土壤約50 g，送攀枝花釩鈦檢驗(yàn)檢測所，用石墨爐原子吸收分光光度法測定土壤中鎘含量。

1.4 籽粒莧生理生化指標(biāo)測定

分別利用BoxBio（北京）公司的植物葉綠素（Chlorophyll）含量檢測試劑盒、丙二醛（MDA）含量檢測試劑盒、脯氨酸（Pro）含量檢測試劑盒、植物可溶性糖含量檢測試劑盒、超氧化物歧化酶（SOD）活性檢測試劑盒、過氧化物酶（POD）活性檢測試劑盒及過氧化氫酶（CAT）活性檢測試劑盒（紫外吸收法），測定鎘脅迫后籽粒莧葉片中葉綠素、丙二醛、游離脯氨酸、可溶性糖含量及SOD、POD、CAT活性。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 18.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，利用Excel整理數(shù)據(jù)，分析對比籽粒莧種植前后土壤中鎘含量的變化。評估籽粒莧對尾礦區(qū)的土壤修復(fù)情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 處理前的土壤鎘含量測定

處理前各采樣點(diǎn)的土壤鎘含量如表1 所示，所有地區(qū)的土壤鎘含量均低于土壤重金屬污染國家標(biāo)準(zhǔn)中的二級標(biāo)準(zhǔn)?？梢钥闯?，A 點(diǎn)土壤的鎘含量最高，為0.271 mg·kg-1，該地區(qū)處于鄉(xiāng)村地帶，經(jīng)營種植業(yè)和畜牧業(yè)，土壤鎘含量相對較高的原因可能是因化肥、農(nóng)藥的頻繁使用污染了土壤。此外，G、H、J 點(diǎn)的土壤鎘含量均＜0.01mg·kg-1，這些地區(qū)種植了許多果樹，土壤比較肥沃，土壤中的微生物豐富。還可以看出土壤鎘含量高低與環(huán)境好壞、所處地帶有很大的關(guān)系，一般來說綠化較好的地方，基本不存在土壤重金屬污染問題，相反，比較荒廢、人流量較多的地方，土壤可能存在重金屬污染。

表1 初始狀態(tài)下各采樣點(diǎn)的土壤鎘含量

2.2 處理后的土壤鎘含量測定

根據(jù)第一次檢測結(jié)果，E、G、H、J 點(diǎn)的土壤中鎘含量較低，不具有研究意義，因此去除了這4 個地區(qū)的土壤樣品，對其余6 個采樣點(diǎn)的土壤樣品進(jìn)行第二次鎘含量檢測。由圖1 可以看出，種植籽粒莧后，所有采樣點(diǎn)的土壤中鎘離子含量都降至0.01 mg·kg-1以下，表明籽粒莧對土壤中的鎘存在一定的吸附作用，并且處理效果良好。

圖1 處理前后的土壤中鎘含量對比

2.3 鎘脅迫對籽粒莧生理生化指標(biāo)的影響

2.3.1 對葉綠素含量的影響

葉綠素是植物葉片進(jìn)行光吸收、光傳遞和光轉(zhuǎn)化的場所，在一定程度上是反映植物光合能力受環(huán)境脅迫程度的重要指標(biāo)[16]。由表2 可知，在鎘脅迫下，籽粒莧葉片的葉綠素含量有所下降，下降率達(dá)32.8%。表明鎘被植物吸收后，抑制了葉綠素中幾種酶的活性，阻礙了葉綠素的合成，從而降低了植物的光合作用。

表2 鎘脅迫對籽粒莧生理生化指標(biāo)的影響

2.3.2 對丙二醛含量的影響

丙二醛可以反映膜脂過氧化情況，從而可以明確細(xì)胞膜系統(tǒng)受到侵害的情況。由表2 可知，在鎘脅迫下，籽粒莧的丙二醛含量有所升高，但是增幅較小，說明籽粒莧的耐受性比較強(qiáng)。

2.3.3 對脯氨酸含量的影響

脯氨酸對細(xì)胞質(zhì)滲透平衡起調(diào)節(jié)作用，在鎘脅迫下，植物中的脯氨酸大量積累，從而降低重金屬的毒害，增加了植物的抗逆能力。由表2 可知，籽粒莧的脯氨酸含量有所增加，說明籽粒莧的抗逆能力較強(qiáng)。

2.3.4 對可溶性糖含量的影響

可溶性糖同樣作為植物的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在植物受到鎘脅迫的時候，其細(xì)胞內(nèi)的可溶性糖含量增加，從而增加了細(xì)胞液的濃度，提高了細(xì)胞的吸水能力，增加了植物的適應(yīng)能力。由表2 可知，籽粒莧在受到鎘脅迫時，其細(xì)胞內(nèi)的可溶性糖含量顯著增加，提高了籽粒莧對鎘的適應(yīng)能力。

2.3.5 對抗氧化酶活性的影響

當(dāng)植物受到鎘脅迫時，體內(nèi)會生成大量的活性氧，抗氧化酶系統(tǒng)則可以通過消滅活性氧來減少植物受到的傷害?？寡趸赶到y(tǒng)主要由SOD、POD、CAT構(gòu)成，植物體內(nèi)的自由基在SOD 作用下生成過氧化氫，再通過POD 和CAT 生成水和氧氣。由表2 可知，當(dāng)籽粒莧受到鎘脅迫時，體內(nèi)的SOD、POD、CAT 含量都有不同程度的升高，表明籽粒莧在鎘脅迫時可以通過發(fā)揮抗氧化酶系統(tǒng)的作用來減少鎘的侵害。

3 小結(jié)與討論

籽粒莧具有易于栽培、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、富集能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有很大的土壤鎘污染修復(fù)的潛力。試驗(yàn)結(jié)果表明，鎘脅迫對籽粒莧葉綠素合成有顯著的阻礙作用，并且在鎘脅迫下，籽粒莧的丙二醛、脯氨酸、可溶性糖含量及抗氧化酶活性均有所升高。周際海等的研究也表明：在鎘脅迫下，香樟幼苗的脯氨酸、可溶性糖含量均有一定程度增加[17]。試驗(yàn)表明籽粒莧在鎘脅迫時可以發(fā)揮其作用來減少鎘的侵害，吸附土壤中的鎘離子，以達(dá)到土壤修復(fù)的目的。

污染土壤修復(fù)的目的是保障人們的健康，使土壤恢復(fù)生產(chǎn)力。就目前而言，關(guān)于籽粒莧吸附土壤中鎘離子的研究，大多是籽粒莧配合生物活化劑或者微生物共同修復(fù)鎘污染土壤。宋波等人在研究應(yīng)用籽粒莧修復(fù)鎘污染農(nóng)田土壤的潛力發(fā)現(xiàn)，在盆栽土壤中添加磷酸二氫鉀、EDTA 等生物活化劑能提高籽粒莧的生物量，改變土壤中鎘的形態(tài)，更能促進(jìn)籽粒莧對鎘的富集能力[18]。羅艷研究發(fā)現(xiàn)，可降解螯合劑（EDDS、NTA、APAM）施入后顯著增強(qiáng)了籽粒莧根系和地上部分對鎘的吸收，并且植物的根、莖、葉等組織對鎘的富集能力也得到加強(qiáng)[19]。本試驗(yàn)的土壤屬于輕度含鎘土壤，添加活化劑更能加快籽粒莧修復(fù)鎘污染土壤的時間，同時也能節(jié)約成本。因此添加生物活化劑比單一的籽粒莧修復(fù)更適合攀枝花地區(qū)。另外，相關(guān)學(xué)者采用生物炭對攀枝花地區(qū)的重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)的研究表明，土壤中添加生物炭，能有效降低土壤中重金屬的含量并增加土壤的肥力[20]。但是由于生物炭成本較高且有可能會改變土地的結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，會帶來不可估量的危害，因此植物修復(fù)的方法更適合在攀枝花地區(qū)推廣。

籽粒莧修復(fù)污染土壤研究有以下方面仍需完善：試驗(yàn)大多為室內(nèi)盆栽種植的形式，自然界實(shí)際應(yīng)用的卻很少[11]。未來應(yīng)采用室內(nèi)室外結(jié)合的方法進(jìn)行深入研究，通過現(xiàn)代生物技術(shù)，尋求控制籽粒莧吸收重金屬的關(guān)鍵基因，以此來培育出更強(qiáng)大的籽粒莧新品種。籽粒莧修復(fù)重金屬污染的機(jī)理研究及籽粒莧吸收重金屬的后續(xù)處理應(yīng)得到加強(qiáng)和完善，優(yōu)化籽粒莧修復(fù)技術(shù)，可與微生物、動物等結(jié)合，提高籽粒莧修復(fù)重金屬污染土壤的效率，開發(fā)出一套環(huán)境友好型的可持續(xù)修復(fù)技術(shù)。

綜上所述，通過對阿署達(dá)地區(qū)的土壤鎘含量檢測結(jié)果顯示，各個地點(diǎn)的土壤中都不同程度地含有鎘，但是未達(dá)到污染的程度。在鎘脅迫下，籽粒莧的葉綠素含量顯著降低，從而影響了光合作用，侵害了植物的生長，因此應(yīng)該提高抗性；籽粒莧的丙二醛、脯氨酸、可溶性糖在鎘脅迫下，含量都有不同程度的升高，以此來提高植物的抗逆性；鎘脅迫往往伴隨著氧化脅迫，因此植物的抗氧化能力在一定程度上反映其耐鎘能力[21]，籽粒莧體內(nèi)的SOD、POD、CAT 在鎘脅迫下，活性都有不同程度的升高，從而消滅活性氧來減少植物受到的傷害。比較前后兩次土壤中鎘含量檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)土壤中的鎘含量均有所降低，表明籽粒莧對土壤中的鎘具有吸附作用，可以用作土壤鎘污染的修復(fù)植物，并且效果較好。