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挺水植物水田芥对镉的积累特性研究



全 文 : 
第24卷第4期
2015年4月
长江流域资源与环境
Resources and Environment in the Yangtze Basin
Vol.24No.4
Apr.2015
 
挺水植物水田芥对镉的积累特性研究
林立金1,2,罗 丽1,廖明安1*,张 潇1,杨代宇1
(1.四川农业大学园艺学院,四川 雅安625014;2.雅安水土保持生态环境监测分站,四川 雅安625000)
摘 要:通过前期的初步研究发现,挺水植物水田芥(Nasturtium officinale R.Br.)地上部分镉含量超过了超富
集植物的临界值(100mg/kg),可能是镉超富集植物。为进一步了解水田芥在不同镉浓度梯度条件下的镉积累特
性,通过盆栽试验研究了不同土壤镉浓度(0、25、50、75、100mg/kg)对水田芥生长特性、镉耐性和镉积累特性的影
响。结果表明:随土壤镉浓度的增加,水田芥根系和地上部分镉含量增大,分枝数量、根系生物量、地上部分生物
量、抗性系数及叶绿素SPAD值均呈降低的趋势。当土壤镉浓度大于0mg/kg时,随着土壤镉浓度的增加,水田芥
的根冠比呈增加的趋势。土壤镉浓度为50~100mg/kg时,水田芥地上部分镉含量均大于100mg/kg,最大值为
214.84mg/kg(土壤镉浓度为100mg/kg),地上部分富集系数(BCF)大于1,但转运系数(TF)小于1。在土壤镉浓
度为50mg/kg时,水田芥地上部分镉积累量达到最大值,为192.233μg/株。因此,水田芥是一种镉富集植物,适
合用于土壤镉污染浓度在50mg/kg以内的水田修复。
关键词:水田芥(Nasturtium officinale R.Br.);镉;积累特性
中图分类号:X173;S647  文献标识码:A  文章编号:1004-8227(2015)04-0684-06
DOI:10.11870/cjlyzyyhj201504021
收稿日期:2014-01-19;修回日期:2014-03-25
基金项目:国家农业科技成果转化资金项目(2011GB2F000006)
作者简介:林立金(1980~ ),男,工程师,博士研究生,主要从事水土保持及果树生理生态研究.E-mail:lj800924@163.com
*通讯作者E-mail:lman@sicau.edu.cn
  随着社会经济的发展,耕地土壤重金属污染面
积不断扩大,污染程度也不断加重[1]。耕地土壤重
金属污染主要来自工业“三废”排放,生活污水和垃
圾的污染以及含有重金属农药、化肥的不合理使
用[2,3]。目前,重金属植物修复技术普遍被认为具
有物理、化学修复方法所无法比拟的费用低廉、不破
坏场地结构、不造成二次污染等特点[4,5],已成为修
复土壤重金属污染研究领域的一项新兴技术,并在
全球范围内开展超富集植物的筛选,特别是在农田
杂草中的筛选取得了很好的成果[6,7]。
水田芥(Nasturtium officinale R.Br.),又称
西洋菜、豆瓣菜,属多年生十字花科挺水草本植
物[8]。水田芥的幼嫩茎叶可作为野菜食用,具有重
要的营养价值和药用价值[9,10]。水田芥生长迅速,
分枝能力强,对水体中的氮、磷等养分吸收量大[11],
已经在水体富营养化治理中得到应用[12]。有研究
表明,在镉胁迫下,水田芥叶片叶绿素含量随水体中
的镉含量升高而降低。在水体中的镉浓度低于0.5
mg/L时,水田芥体内的SOD、POD及CAT活性随
镉浓度的增加而升高;在水体中的镉浓度高于0.5
mg/L时,水田芥体内的SOD、POD及CAT活性随
镉浓度的增加而降低[13]。在铜的胁迫下,水田芥也
表现出与镉胁迫相似的生理变化规律[14]。然而,
Aslan等[15]研究表明,水田芥在镉浓度为0.1~5.0
ppm的水溶液中培养14d后,可溶性蛋白和叶绿素
含量均随镉浓度的增加而降低,而根系、茎杆和叶片
的镉含量随水溶液中镉浓度的增加而增加,最大值
分别为11.50、3.54和6.10mg/kg。在更高的镉浓
度条件下的水田芥的镉研究特性尚未见报道。
在本课题组的前期初步研究中发现,水田芥能
够在浓度约为60mg/kg的土壤中生长,且对镉的
富集能力强,地上部分镉含量达133.52mg/kg,超
过了超富集植物的临界值(100mg/kg),可能是一
种镉超富集植物。为此,本文就水田芥是否为镉超
富集植物做进一步鉴定,研究水田芥在土壤不同镉
浓度梯度条件下的生长特性、对镉的耐性和积累特
性,以期能发现一种新的镉超富集植物,进而为水田
土壤及水体镉污染修复提供新的材料。同时,作为
野生蔬菜,为研究镉对于水田芥的生物可利用性,降
低水田芥摄取镉的风险,保障食品安全奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料来源
本课题组在野外调查中发现,水田芥(Nastur-
tium officinale R.Br.)在四川农业大学雅安校区
附近的一条生活污水排污沟中生长旺盛,为该沟渠
中的优势植物,几乎布满整个沟渠。随后,将水田芥
直接种植在镉污染浓度为60mg/kg的废弃土壤
中,一个月后,测定其镉含量。测定结果显示,水田
芥地上部分的镉含量达133.52mg/kg,超过了超富
集植物的临界值100mg/kg,可能是一种镉超富集
植物。
1.2 浓度梯度初步试验
1.2.1 试验设计
试验于2013年6~8月在四川农业大学雅安校
区农场(29°59′N,102°59′E)进行。供试土壤为紫色
土,取自四川农业大学雅安校区农场农田,其基本理
化性质:pH 值 7.02,有机质 41.38g/kg,全氮
3.05g/kg,全磷0.31g/kg,全钾15.22g/kg,碱解
氮165.30 mg/kg,速效磷 5.87 mg/kg,速效钾
187.03mg/kg,镉全量0.101mg/kg,镉有效态含
量0.021mg/kg。土壤理化性质及重金属含量均按
照参考文献[16]的方法测定。2013年6月,将土壤
风干、压碎、过5mm筛后,分别称取12.0kg装于
20cm×27cm(高×直径)的塑料桶内,加入分析纯
CdCl2·2.5H2O溶液,使其与土壤充分混匀,保持
淹水状态,自然放置平衡4周后再次混合备用。土
壤中加入的镉浓度设置参照 Wei等[17]的研究,分别
为0、25、50、75、100mg/kg,水田芥幼苗取自四川农
业大学雅安校区附近的一条生活污水排污沟中。
2013年7月,选择长势一致,约3cm高的幼苗扦插
至桶中,每桶种植2株,每个处理重复6次。水田芥
生长初期(两周内)保持水面高出土壤表面2cm,两
周后保持水面高出土壤表面 5cm。盆间距为
10cm,完全随机摆放。在整个生长过程中不定期
的交换盆与盆的位置以减弱边际效应的影响,并及
时去除其它杂草。
1.2.2 测定项目与方法
2013年8月,待植物生长40d后,用叶绿素仪
(SPAD-502PLUS,日本产)测定完全展开的成熟新
叶叶片末端中心位置SPAD值,每株测定2片。之
后整株收获,记录每株中长度大于1cm的主茎一级
分枝数量后,用自来水洗净,再用去离子水冲洗3
次,根系和地上部分分开,并于110℃杀青15min,
75℃烘干至衡重,粉碎,过100目筛。称取0.500g
样品,加入硝酸-高氯酸(体积比为4∶1)放置12h
后消化至溶液透明,过滤,定容至50ml,用iCAP
6300型ICP光谱仪测定(Thermo Scientific,USA)
镉含量[16]。
1.3 数据处理方法
数据采用DPS系统进行方差分析(Duncan新
复极差法进行多重比较)。抗性系数=处理组总生
物量/对照组总生物量[18],富集系数(BCF)=根系
Cd含量(地上部分Cd含量)/土壤Cd含量[19],转运
系数(TF)=植物地上部分 Cd含量/根系 Cd含
量[20]。
2 结果与分析
2.1 不同镉浓度对水田芥镉含量的影响
随土壤镉浓度的增加,水田芥根系及地上部分
的镉含量均呈增加的趋势(表1)。在土壤镉浓度为
50mg/kg时,水田芥根系镉含量达125.554mg/
kg,地上部分含量达到106.504mg/kg,达到了镉超
富集植物临界值100mg/kg的标准。与对照相比,
土壤镉浓度为25、50、75和100mg/kg的水田芥根
系镉 含 量 分 别 增 加 了 127.161% (P<0.05)、
379.562%(P<0.05)、1 125.503%(P<0.05)和
2 184.794%(P<0.05),地上部分镉含量分别增加
了187.001%(P<0.05)、466.240%(P<0.05)、
758.036%(P<0.05)和1042.198%(P<0.05)。
由此可见,水田芥根系镉含量随土壤镉浓度的增加
幅度远远大于地上部分的增加幅度。就富集系数
(BCF)而言,水田芥根系BCF随土壤镉浓度的增加
而增大,且根系及地上部分BCF全部大于1(表1)。
不同土壤镉浓度处理的水田芥转运系数(TF)值均
小于1(表1)。除对照外,随着土壤镉浓度的增加,
水田芥TF值呈降低的趋势。
2.2 不同镉浓度对水田芥镉积累量的影响
从图1可知,水田芥根系镉积累量随土壤镉浓
度的增加而增加,差异达显著水平(P<0.05)。与
根系不同,水田芥地上部分镉镉积累量随土壤镉浓
度的增加呈先增后降的趋势,最大值达到192.233
μg/株(土壤镉浓度 50 mg/kg),较对照增加了
256.449%(P<0.05),说明水田芥对镉污染土壤的
586 第4期         林立金,等:挺水植物水田芥对镉的积累特性研究
修复潜力较大。同时,水田芥地上部分镉积累量均
表1 水田芥镉的含量
Tab.1 Cd Content in N.officinale
处理浓度(mg/kg) 根系(mg/kg) 地上部分(mg/kg) 根系BCF 地上部分BCF  TF
0  26.181±2.382e 18.809±0.991e - - 0.718
25  59.473±4.831d 53.982±2.021d 2.379  2.159  0.908
50  125.554±4.954c 106.504±3.902c 2.511  2.130  0.848
75  320.849±9.947b 161.388±8.312b 4.278  2.152  0.503
100  598.182±19.679a 214.836±6.444a 5.982  2.148  0.359
大于相应浓度的根系镉积累量,这也有利于污染土
壤的镉提取修复。
2.3 不同镉浓度对水田芥分枝数量的影响
由图2可以看出,在镉处理后,水田芥的分枝能
力受到抑制,分枝数量随土壤镉浓度的增加而降低。
最高分枝数量18.5枝,最低分枝数量7.0枝,两者
相差11.5枝。与对照相比,土壤镉浓度为25、50、
75和100mg/kg的水田芥分枝数量分别下降了
17.117% (P <0.05)、24.324% (P <0.05)、
37.838%(P<0.05)和62.162%(P<0.05)。
图1 水田芥的镉积累量
Fig.1 Cd Accumulation in N.officinale
图2 水田芥的分枝数量
Fig.2 Branche Number of N.officinale
2.4 不同镉浓度对水田芥生物量的影响
由表2可知,随土壤镉浓度的增加,水田芥根
系、地上部分生物量及总生物量均呈现降低的趋势。
与对照相比,土壤镉浓度为25、50、75和100mg/kg
的水田芥根系生物量分别下降了40.858%(P<
0.05)、47.804%(P<0.05)、69.254%(P<0.05)和
80.490%(P<0.05),而地上部分生物量分别下降
了23.753% (P<0.05)、37.042% (P<0.05)、
64.981%(P<0.05)和78.340%(P<0.05)。在土
壤镉浓度大于50mg/kg时,水田芥叶片出现发黄
的现象,且随土壤镉浓度的增加叶片黄色面积增大,
说明此时的水田芥已经受到镉的严重毒害。
从根冠比来看(表2),各个镉处理的水田芥根
冠比均低于对照。但除对照外,随着土壤镉浓度的
增加,水田芥的根冠比呈增加的趋势,说明了水田芥
能增加根系生物量所占的比重以增强对镉的耐性。
就抗性系数而言(表2),随土壤镉浓度的增加,水田
芥的抗性系数呈降低的趋势,且降低幅度越来越大。
在土壤镉浓度为75和100mg/kg时,水田芥的抗
性系数降低到0.339和0.211,这也说明了此时的
水田芥已经受到镉的严重毒害。
2.5 不同镉浓度对水田芥叶绿素SPAD值的影响
从图3可以看出,随土壤镉浓度的增加,水田芥
叶片叶绿素SPAD值呈降低的趋势。与对照相比,
土壤镉浓度为25、50、75和100mg/kg的水田芥叶
片叶绿素SPAD值分别下降了1.705%(P>0.05)、
4.583% (P >0.05)、9.545% (P <0.05)和
18.409%(P<0.05)。
表2 水田芥的生物量
Tab.2 Biomass of N.officinale
处理浓度(mg/kg) 根系(g/株) 地上部分(g/株) 根冠比 总生物量(g/株) 抗性系数
0  0.979±0.036a 2.867±0.245a 0.341  3.846±0.281a 1.000
25  0.579±0.034b 2.186±0.377b 0.265  2.765±0.411b 0.719
50  0.511±0.078b 1.805±0.151b 0.283  2.316±0.073c 0.602
75  0.301±0.025c 1.004±0.102c 0.300  1.305±0.127d 0.339
100  0.191±0.008d 0.621±0.066c 0.308  0.812±0.058e 0.211
686 长江流域资源与环境 第24卷 
图3 水田芥的叶绿素SPAD值
Fig.3 Chlorophyl SPAD Value of N.officinale
3 讨论
按照Brooks对超富集植物的定义[21,22],镉超
富集植物的临界值是 100 mg/kg,且富集系数
(BCF)和转运系数(TF)均大于1。本试验研究表
明,在土壤镉浓度为50mg/kg时,水田芥地上部分
镉含量为106.504mg/kg,达到镉超富集植物的临
界值;土壤不同镉浓度的水田芥根系及地上部分
BCF均大于1,但TF小于1。因此,水田芥没有达
到镉超富集植物的标准,不是镉超富集植物。水田
芥地上部分镉积累量大于根系镉积累量,地上部分
镉积累量最大值达到192.233μg/株(土壤镉浓度
50mg/kg),具有较强的修复潜力,能够用于镉污染
土壤的修复。水田芥的这些镉积累特性与少花龙葵
(Solanum photeinocarpum)[19]极其相似,因而水田
芥是一种镉富集植物。
在重金属胁迫下,植物生长受到抑制,其体内的
抗氧化酶活性降低,叶绿素含量减少,导致一系列的
生理毒害作用产生[23]。重金属超富集植物是一种
对重金属具有较强耐性的植物[24],而抗氧化酶系统
在重金属超富集植物抵御胁迫中起到了重要作
用[25]。前人研究表明,在镉胁迫下,镉超富集植物
的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过
氧化氢酶(CAT)活性均呈升高的趋势[26],从而使镉
的生物毒性作用大大降低。本研究表明,在镉处理
条件下,水田芥的分枝数量、根系生物量、地上部分
生物量及抗性系数均随土壤镉浓度的增加而降低,
但在土壤镉浓度不高于50mg/kg时,其降低幅度
相对较小,且能够正常生长。同时,当土壤镉浓度大
于0mg/kg时,随着土壤镉浓度的增加,水田芥的
根冠比呈增加的趋势。这些说明水田芥对镉也具有
较强的耐性,使其能够在较高镉浓度(50mg/kg以
内)条件下正常生长。叶绿素是反映植物光合能力
大小的指标,水田芥的叶绿素SPAD值随土壤镉浓
度的增加而降低,这与前人[13~15]研究一致,说明在
高浓度镉条件下,水田芥的光合作用受到抑制。
通过本课题组的野外调查发现,水田芥除了具
有生长迅速,分枝能力强[11]等特点外,还具有繁殖
力强、嫩枝扦插极易成活、适合刈割等特点,且在中
国南方地区几乎一年四季均可生长。这些特点是其
它镉超富集植物[19,26,27]无法比拟的。此外,水田芥
在欧洲、亚洲及北美均有分布[8]。在众多已筛选出
的镉超富集植物中,大多数为旱生植物,属于水生的
较少[28],而作为挺水植物的水田芥能够弥补水田镉
污染修复材料的不足,特别是富营养化的水体[12]镉
污染。
4 结论
(1)在镉处理条件下,随土壤镉浓度的增大,水
田芥根系及地上部分的镉含量均呈增加的趋势,地
上部分镉含量达到镉超富集植物的临界值,根系及
地上部分富集系数(BCF)大于1,但转运系数(TF)
小于1,是一种镉富集植物。
(2)在镉处理条件下,水田芥的分枝数量、根系
生物量、地上部分生物量、抗性系数及叶绿素SPAD
值均随土壤镉浓度的增加而降低。
(3)水 田 芥 适 合 用 于 土 壤 镉 污 染 浓 度 在
50mg/kg以内的水田修复。在镉污染区域,水田芥
不能作为野生蔬菜食用。
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886 长江流域资源与环境 第24卷 
CADMIUM ACCUMULATION CHARACTERISTICS OF EMERGED
PLANT NASTURTIUM OFFICINALE R.BR.
LIN Li-jin1,2,LUO Li 1,LIAO Ming-an1,ZHANG Xiao1,YANG Dai-yu1
(1.Colege of Horticulture,Sichuan Agricultural University,Ya’an 625014,China;
2.Ya’an Soil and Water Conservation Monitoring Substation,Ya’an 625000,China)
Abstract:The emerged plant Nasturtium officinale R.Br.is a wild vegetable widely distributed in
Europe,Asia and North America,and can grow rapidly in nutritious water.In a preliminary study,the
cadmium content in shoot of N.officinale reached 133.52mg/kg when the dose of cadmium was 60mg/kg
in soil,exceeding the critical value of a Cd-hyperaccumulator(100mg/kg),indicating that this plant
might be a Cd-hyperaccumulator. To further the understanding on the cadmium accumulation
characteristics of N.officinale under various concentrations of cadmium and identify whether this plant is
a Cd-hyperaccumulator,apot experiment with cadmium concentration gradient(0,25,50,75,100mg/
kg)in soil was conducted to study the growth characteristics,the cadmium tolerance and the cadmium
accumulation characteristics of N.officinale.The results were showed as folows.The cadmium contents
in root and shoot of N.officinale increased with the increase of cadmium concentration in soil,while the
number of branches,the root biomass,the shoot biomass,the chlorophyl SPAD value and the resistance
coefficient decreased.The leaves of N.officinale appeared yelow when the concentration of cadmium in
the soil was greater than 50mg/kg,and the area of yelow leaf increased with the increasing cadmium
concentration in soil,indicating that N.officinale had been seriously poisoned by cadmium at these high
doses.When the cadmium concentrations in soil were greater than 0mg/kg,the root/shoot ratio of
N.officinale showed an increasing trend with the increasing concentration of cadmium in soil,indicating
that N.officinale could increase the proportion of root biomass to enhance the tolerance to cadmium
stress.The cadmium content in shoot of N.officinale exceeded 100mg/kg when the dose of cadmium was
more than 50mg/kg in soil,up to the maximum of 214.84mg/kg(100mg/kg cadmium in soil).The
shoot bioconcentration factor(BCF)of N.officinale was greater than 1and increased with the increase of
cadmium concentration in soil.The translocation factor(TF)of N.officinale was less than 1and
decreased with the increase of cadmium concentration in soil.The cadmium extraction in root of N.
officinale was increased with the increase of cadmium concentration in soil.The cadmium extraction in
shoot of N.officinale was increased when the dose of cadmium was no more than 50mg/kg in soil,and
decreased when the dose of cadmium was more than 50mg/kg in soil.The amount cadmium extraction of
N.officinale got the maximum at the dose of 50mg/kg cadmium in soil,reached 192.23μg/plant.In
field investigation,we found that N.officinale had strong tilering ability,easily survived by cutting,and
suitable for mowing.Therefore,N.officinale is a Cd-accumulator,and could be used to remediate Cd-
contaminated less than 50mg/kg paddy field soil.In addition,N.officinale could not be as wild vegetable
to eat in cadmium contaminated areas.
Key words:Nasturtium officinale R.Br.;Cd;characteristics of accumulation
986 第4期         林立金,等:挺水植物水田芥对镉的积累特性研究