全 文 ：农业环境科学学报 2007,26(4):1386-1389
JournalofAgro-EnvironmentScience
摘 要:超富集植物是重金属污染土壤植物提取修复的基础,超富集植物的筛选一直都是污染土壤植物修复研究的热点及前沿。
采用盆栽实验对7种农作物积累Cd的特征进行研究,结果表明,叶用红菾菜对Cd具有较高的富集系数和转移系数。在此基础上,
采用盆栽浓度梯度试验对叶用红菾菜对Cd的富集潜力及富集特征进行了系统研究。结果表明,在Cd污染水平为20mg·kg-1条
件下,叶用红菾菜地上部Cd含量超过了100mg·kg-1这一国际公认的Cd超积累植物应达到的临界含量标准;且其对 Cd的富集系
数和转移系数均大于 1;同时,与对照相比,植物的生长未受到抑制,这表明叶用红菾菜是一种 Cd超积累植物,为 Cd污染土壤的
植物修复提供了一种新的种质资源。
关键词:叶用红菾菜;植物提取修复;镉;超富集植物
中图分类号:X172,X53 文献标识码:A 文章编号:1672-2043(2007)04-1386-04
收稿日期:2006-11-02
基金项目:国家973项目(2004CB418506);国家自然科学基金项目
(20477029);辽宁省教育厅高校科研项目攻关计划项目
(05L262)
作者简介:李玉双(1978—),女,硕士,讲师,主要从事环境地球化学及
分子生态学方面研究。E-mail:liyushuang@syu.edu.cn
通讯联系人:孙丽娜
土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一,也是
人类生态环境的重要组成部分。随着工业、城市污染
的加剧和农用化学物质种类、数量的增加,土壤重金
属污染日益严重。据报道,目前我国受 Cd、Cr、Pb等
重金属污染的耕地面积近2000万hm2,约占总耕地
面积的1/5。
植物提取修复技术(phytoextraction)是20世纪90
年代发展起来的一种通过金属富集植物去除土壤或
水体中有害金属的一种低成本、有效的绿色环境净化
技术[1~3]。因其具有治理效果的永久性、治理过程的原
位性、治理成本的低廉性、环境美学的兼容性、后期处
理的简易性等特点而迅速得到了公众和学术界的广
泛认可和关注[4、5]。超富集植物(Hyperaccumulator)是植
超富集植物叶用红菾菜(Betavulgarisvar.ciclaL.)
及其对Cd的富集特征
李玉双,孙丽娜,孙铁珩,王 洪
(沈阳大学 沈阳环境工程重点实验室,辽宁 沈阳 110044)
CadmiumHyperaccumulatorBetavulgarisvar.ciclaL.andItsAccumulatingCharacteristics
LIYu-shuang,SUNLi-na,SUNTie-heng,WANGHong
(ShenyangKeyLaboratoryofEnvironmentalEngineering,ShenyangUniversity,Shenyang110044,China)
Abstract:Hyperaccumulatorsarethebaseofphytoextraction.Itisdificulttoscreenoutidealhyperaccumulatorsthatcanremediatesoil
contaminatedwithheavymetalsefectively.ApotexperimentwasconductedtoinvestigatethecharacteristicsofaccumulatingCdbyseven
crops.TheresultsshowedthatCdinshootofBetavulgarisvar.ciclaL.wasthehighestamongalplants,andCdconcentrationinshootofBeta
vulgarisvar.ciclaL.washigherthanthatinroot.AnotherpotexperimentwasarangedwithvariousCdconcentrationstostudyCdaccumula-
tion,toleranceofBetavulgarisvar.ciclaL.anditspotentialforphytoremediation.TheaverageconcentrationofCdinshootsofBetavulgaris
var.ciclaL.treatedwith20mg·kg-1(Cd)wasmorethantheacceptedcriticalconcentrationof100mg·kg-1.TheCdenrichmentcoeficient
(EC)andtranslocationfactor(TF)ofBetavulgarisvar.ciclaLwerehigherthan1.Moreover,comparedwiththecontrol,thegrowthofBetavul-
garisvar.ciclaL.inthetreatmentof20mg·kg-1(Cd)wasnotinhibited,so,Betavulgarisvar.ciclaL.wasacadmiumhyperaccumulatorand
couldbeappliedtophytoremediateCd-contaminatedsoils.
Keywords:Betavulgarisvar.ciclaL;phytoextraction;cadmium;hyperaccumulator
第26卷第4期 农 业 环 境 科 学 学 报
物提取修复技术的基础,但是现已发现的 Cd超富集
植物种类较少,且大多生长慢、地上部生物量小,地域
性较强,加之农艺性状、病虫害防治、育种潜力以及生
理学的研究不完备而成了实际应用中的瓶颈[3~5]。因
此,寻找更多更为理想的超富集植物仍然是当前植物
修复研究的一项重要任务。
作者在对7种具有较大生物量的农作物积累Cd
特征研究时发现叶用红菾菜对 Cd具有较高的富集
系数和转移系数,具有超富集植物的2个典型特征;
在此基础上,采用盆栽浓度梯度试验系统研究了叶用
红菾菜对Cd的富集潜力及富集特征。
1 材料与方法
1.1试验材料
供试植物:蓖麻 (RicinuscommunisL.)、向日葵
(HelianthusannuusL.)、玉米(ZeamaysL.)、叶用红菾
菜(Betavulgarisvar.ciclaL.)、花椰菜(Brassicaoler-
aceaL.var.botrylisL.)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)、
芥菜(Brassicajuncea(L.)Czern.)。
土壤Ⅰ:Cd长期污染土壤,土壤样品采自沈阳张
士灌区,采样深度为0～20cm,经室温风干后过 5mm
筛备用。土壤样品pH6.72,有机质含量为19.6g·kg-1,
全Cd含量为4.73mg·kg-1。
土壤Ⅱ:清洁土,采自沈阳市农田,经室温风干后
过 5mm筛备用。土壤样品 pH6.64,有机质含量为
17.5g·kg-1,全Cd含量为0.14mg·kg-1。
1.2盆栽实验
盆栽实验Ⅰ:盆栽试验在白色塑料盆中进行,每
盆装土壤Ⅰ3kg,分别播种7种植物种子各20粒,萌
发1周后间苗,每盆保留5株,每个处理3个重复,同
时作空白对照。
盆栽试验Ⅱ:向土壤Ⅱ中以溶液态施入分析纯
CdCl2,制成一定浓度的污染土壤。试验共设6个处
理,投加Cd的浓度(mg·kg-1)分别为:0(CK)、5(T1)、20
(T2)、50(T3)、100(T4)。搅拌均匀,室温风干一个月后装
盆,每盆装3kg土壤。将叶用红菾菜种子播种在盆
中,每盆20粒,浇适量水,成活后,保留5株。每天观
察1次,根据植物生长需要浇水。60d后,收集植物的
地上部;用水浸泡,洗出根系。植物样品先用自来水冲
净表面污物,然后用蒸馏水和超纯水分别冲洗3次,
90℃杀青 30min,65℃烘 48h,称重,过 40目筛,备
用。
1.3样品分析
植物样品采用干法灰化,HNO3-HClO4(V∶V=4∶1)
消煮,火焰原子吸收分光光度法测定消解液中 Cd的
含量[6]。
2 结果与分析
2.1不同农作物对Cd的积累特征
富集系数(EnrichmentCoeficient,EC)是指植物
体内某种重金属含量与土壤中该种重金属原有含量
的比值,是评价植物富集重金属能力的重要指标之
一,它反映了植物对某种重金属元素的富集能力,EC
越大,其富集能力越强[7、8]。转移系数(Translocationfac-
tor,TF)是植物地上部和根部重金属含量的比值,可以
体现植物从根部向地上部运输重金属的能力[9]。
7种植物中Cd含量分析结果及其对Cd的EC和
TF列于表1。由表1可见,在该实验条件下,叶用红菾
菜对 Cd的富集系数最大,高达 7.81,并且其地上部
Cd含量明显高于根系 Cd含量,其对 Cd的转移系数
高达4.84。这说明叶用红菾菜对Cd具有较好的富集
能力及从根系向地上部转运的能力。向日葵、芥菜对
Cd的富集系数也达到了1,但是其地上Cd的含量均
远小于其根系Cd的含量,即转移系数较小。这说明
向日葵和芥菜对 Cd虽具有一定的吸收能力,但是其
转运能力较差。
2.2叶用红菾菜对Cd的耐性及富集特征
2.2.1不同浓度Cd处理对叶用红菾菜生长的影响
图 1给出了不同 Cd浓度处理条件下叶用红菾
菜地上部及根系生物量(干重)。差异显著性分析表明,
与对照(CK)相比,在 Cd投加浓度为 5mg·kg-1和 20
mg·kg-1的处理中,叶用红菾菜地上部及根系生物量
均无显著变化;但在 Cd污染水平较高时,即投加浓
度为50mg·kg-1和100mg·kg-1情况下,其地上部及
表1植物中Cd的含量及其对Cd的EC和TF
Table1Cdconcentration,enrichmentcoeficient(EC)and
translocationfactor(TF)ofsevencropsgrowninlong-termCd
contaminatedsoil
1387
2007年7月
根系生物量显著下降(P<0.05)。该结果表明叶用红菾
菜对Cd具有较强的耐性,但是其耐性有限。也就是
说,在土壤Cd含量低于20mg·kg-1情况下,叶用红菾
菜对Cd有较好的耐性。
2.2.2叶用红菾菜对Cd的富集特征
不同浓度Cd处理下叶用红菾菜中Cd的含量及
其EC和TF列于表2。由表2可以看出,在所有处理
中,叶用红菾菜地上部Cd含量均大于其根系Cd含
量,即转移系数均大于1,为1.64～4.96。当土壤中Cd
投加浓度为20mg·kg-1时,叶用红菾菜地上部Cd含
量为159.79mg·kg-1,超过了Cd超富集植物应达到的
临界含量标准(植物地上部Cd含量大于100mg·kg-1),
而且叶用红菾菜对 Cd的富集系数和转移系数分别
达到了 7.99和 2.83(明显大于 1),因此从植物对 Cd
的积累特性来看已经满足了 Cd超富集植物的临界
含量特征和EC及TF特征[8、10、11]。
随着土壤Cd污染水平的增加,植物体内Cd含
量也在升高,并在Cd投加浓度为100mg·kg-1时达到
最大。但是,随着土壤中 Cd含量的增大,植物对 Cd
的EC和TF则大体呈现出下降的趋势,这可能是由
于根部积累的Cd增多,根部的代谢和吸收机能受到
了抑制[12]。
3 讨论
我国是一个植物种质资源十分丰富的国家,但现
已发现的超富集植物却较少。具有我国自主知识产权
的超富集植物近年来已有陆续报道,如As超富集植
物蜈蚣草[13]、Cd超富集植物龙葵[14]和宝山堇菜[15]、Zn
的超富集植物东南景天[16]以及Mn超富集植物商陆[17]
等,但这相比于我国丰富的植物资源来说还远远不
够。超富集植物是一种珍贵资源,应加快我国本土超
富集植物的筛选工作,并妥善加以保护和利用,以免
被其他国家抢占基因资源。
叶用红菾菜这一植物,在土壤Cd投加浓度为20
mg·kg-1时,地上部Cd含量达到了 Cd超富集植物应
达到的临界含量标准;而且其对Cd的EC和TF均达
到了1以上;同时其生物量未受限制,具有超富集植
物应具有的耐性特征,由此可见,叶用红菾菜完全具
备目前国际上公认的 Cd超富集植物的 3个主要特
征,可以判定叶用红菾菜属于Cd的超富集植物。
叶用红菾菜又称红牛皮菜,为黎科菾菜种的变
种,为一年生草本植物,栽培适应性强,春、夏、秋均可
播种,植物生长强健,株高 40cm左右,亩产量可达
2500kg以上,有利于弥补现有修复植物生长周期长
以及生物量较小等缺点,是较理想的植物修复种质资
源。由于叶用红菾菜是一种农作物,农艺措施和病虫
害防治方法等较完备,这将大大节约这方面的研究时
间和经费,对其能够迅速应用于污染土壤修复具有重
要的实践意义。
叶用红菾菜具有菜用、饲料、观赏等多种用途,但
是其对 Cd的超富集能力可能会引起相应的健康风
险,因而应该严格限制其在Cd污染土壤中以食用为
目的的栽培活动,防止其进入食物链而导致健康风
险。花椰菜和芥菜虽然不属于 Cd超富集植物,但由
于其对Cd也具有较高的富集系数,因而在Cd污染
土壤中栽培也存在健康风险问题。
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CK T1 T2 T3 T4
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
生
物
量
/g·
盆
-1
地上部
根系
图1 不同浓度Cd处理下叶用红菾菜地上部及根系的生物量
Figure1ShootandrootbiomassofBetavulgarisvar.ciclaLgrown
insoiladdedvariousCdconcentrations
表2不同浓度Cd处理下叶用红菾菜中Cd的含量
及其对Cd的EC和TF
Table2Cdconcentration,enrichmentcoeficient(EC)and
translocationfactor(TF)ofBetavulgarisvar.ciclaL.growninsoil
addedvariousCdconcentrations
注:括号中数字为标准差。
李玉双等:超富集植物叶用红菾菜(Betavulgarisvar.ciclaL.)及其对Cd的富集特征1388
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