全 文 ：收稿日期:2007-02-13　　　接受日期:2007-04-29
基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB410809)资助。
作者简介:范洪黎(1969—),女 ,浙江海宁人 ,副研究员 ,博士,主要从事土壤重金属污染生物修复研究。
Tel:010-68918635 , E-mai l:honglifan23@yahoo.com.cn。＊通讯作者 Tel:010-38918671 , E-mail:wzhou@caas.ac.cn
添加有机酸对土壤镉形态转化及苋菜
镉积累的影响
范洪黎 , 王 旭 , 周 卫＊
(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 , 农业部植物营养与养分循环重点开放实验室 , 北京 100081)
摘要:植物根系分泌的低分子量有机酸能够与土壤中的镉形成镉—有机酸复合体 ,从而影响根际镉的移动性。本
文通过添加有机酸对土壤镉形态转化的研究 , 阐明有机酸与镉生物积累的关系 。采用盆栽试验及土壤培养等方
法 ,研究了添加苹果酸 、柠檬酸对赤红壤和黄棕壤中镉的形态转化以及超积累型苋菜天星米镉生物积累的影响。
结果表明 ,与 Cd 25 mg/ kg处理比较 , Cd 25 mg/kg+苹果酸 、Cd 25 mg/ kg+柠檬酸处理对苋菜生物量未产生影响 , 但
显著增加苋菜根系及地上部镉含量;添加苹果酸 、柠檬酸处理显著降低土壤专性吸附态 Cd 含量 ,却显著增加了交
换态 Cd、碳酸盐结合态 Cd 和有机结合态 Cd含量 。说明添加苹果酸 、柠檬酸还能够通过影响土壤镉形态转化而促
进苋菜对镉的积累。
关键词:苹果酸;柠檬酸;土壤镉形态;镉积累;苋菜
中图分类号:S636.4;S153.6　　　文献标识码:A　　　文章编号:1008-505X(2007)06-0132-07
Effect of malic acid and citric acid addition on Cd transformations
in soil and Cd uptake in amaranth
FAN Hong-li , WANG Xu , ZHOU Wei＊
(Institute of Agricultural Resources and Regional Planning , Chinese Academy of Agricultural Sciences ,
Key Laboratory of Plant Nutrition and Nutrient Cycling , Ministry of Agriculture , Beijing 100081 , China)
Abstract:The low-molecular-weight organic acids (LMWOAs)secreted by plant roots can modify the mobility of Cd
through formation of soluble complexes in the soil rhizosphere.Studies are needed to determine Cd transformations and
bioaccumulations as influenced by organic acid addition.The present work highlights Cd-LMWOAs interactions with spe-
cial reference to their plant availability.Pot experiment and laboratory culture were carried out to investigate the effect of
malic acid and citric acid addition on transformations of Cd forms in latosolic red soils and yellow brown soils , as well as
Cd accumulation in amaranth(c.v.Tianxingmi , a high Cd accumulator).Compared with Cd 25 mg/kg treatment , Cd
25 mg/kg+malic acid , and Cd 25mg/kg+citric acid treatment had no effect on amaranth biomass , but significantly in-
creased Cd accumulation in both amaranth root and shoot.Further , malic acid and citric acid addition could lower con-
centration of specific adsorbed Cd , but increase exchangeable Cd , carbonate bound Cd and organic bound Cd significant-
ly.Above results demonstrated that malic acid and citric acid addition could significantly modify Cd forms to enhance Cd
accumulation in amaranth.
Key words:malic acid;citric acid;soil Cd species;cadmium accumulation;amaranth
　　随着工农业的发展 ,大量矿产资源被开发和利
用 ,但同时由于一些不合理的开采和利用也使得土
壤重金属污染日益严重 ,其中镉的污染以其隐蔽性 、
毒性高以及易于被植物吸收而倍受关注[ 1-2] 。重金
植物营养与肥料学报 2008 , 14(1):132-138
Plant Nutrition and Fertilizer Science
属在土壤中自然消解过程十分漫长 ,通常采用的人
工治理措施有物理 、化学修复技术 ,如客土法 、填埋
法 、化学淋溶法等 ,还有一些施用有机肥或化学改良
剂等农艺措施[ 3] 。但由于这些方法工程量大 ,费用
昂贵 ,并且治理过程中对土壤的生态功能易造成破
坏 ,在应用过程中常常受到限制 。通过超积累植物
的吸收和转化 ,降低土壤中的重金属即植物修复技
术(Phytoremediation)是近年来兴起的一种廉价 、高效
的原位绿色修复技术 ,目前是最具发展前景的修复
镉污染土壤的方式[ 4] 。寻找具有镉超积累特性的植
物资源 ,并研究其超积累镉的相关机理 ,是该方法得
以有效应用的关键。
超积累植物耐受重金属毒害的机理非常复杂 ,
其中根系分泌物对重金属的吸收 、运输 、累积等过程
是当前的研究热点之一[ 5] 。根系分泌物进入土壤后
以多种方式改变根际可溶离子和分子水平[ 6] ,分泌
物组分中以低分子量有机酸最为常见。低分子量有
机酸在大多数土壤中以带负电荷的阴离子形态存
在 ,能够与水相和固相的重金属离子反应[ 7-8] ,形成
“镉-低分子有机酸”复合物 ,从而促进土壤中镉的
释放和植物对镉的吸收[ 9-11] 。因此 ,土壤 —植物体
系有机酸与金属离子的相互作用对于难溶性重金属
的溶解和迁移至关重要[ 11] 。
Kramer
[ 12]等研究发现 ,植物根际区域螯合重金
属的有机酸主要包括柠檬酸 、苹果酸和草酸等 ,我们
在前期试验中已证实 ,镉胁迫下镉超积累苋菜天星
米根系主要分泌苹果酸及柠檬酸 ,分泌量大大高于
普通苋菜紫背苋[ 13] ,但有关添加有机酸对土壤镉形
态转化的影响以及与镉生物积累的关系还有待阐
明 。本文采用土壤培养及盆栽试验 ,研究添加苹果
酸 、柠檬酸对土壤镉形态的影响及其与超积累苋菜
镉生物积累的关系 ,以期为从土壤化学方面提高镉
超积累植物修复效率提供理论依据和技术途径 。
1　材料与方法
1.1　供试土壤
供试土壤为赤红壤和黄棕壤发育的水稻土 ,分
别采自广东省肇庆 、浙江省嘉兴 0—20cm 未受污染
耕层土壤 。试验用所有土壤均过 2 mm筛 。供试土
壤主要理化性质见表 1。
表 1　供试土壤的理化性质
Table 1　Basic properties of the soil used in this study
土壤类型
Soil type
有机质
OM
(g/kg)
pH
碱解氮
Avail.N
(mg/ kg)
速效磷
Avail.P
(mg/kg)
速效钾
Avail.K
(mg/ kg)
阳离子交换量
CE
cmol(+)/kg
全镉
Tot.Cd
(mg/kg)
有效镉
Avail.Cd
(μg/ kg)
赤红壤
Latosolic red soils
23.0 6.32 86.0 9.30 20.0 10.1 0.03 0.02
黄棕壤
Yellow brown soils
35.6 5.74 140 14.2 90.0 16.1 0.06 0.06
1.2　盆栽试验
本试验采用的苋菜品种天星米 ,为前期实验筛
选出来的镉超积累品种。该品种在水培镉浓度为 3
mg/L条件下 ,地上部镉含量为 260 mg/kg;在土培
镉浓度为 25 mg/L 条件下 , 地上部镉含量为 118
mg/kg ,达到镉超积累植物地上部镉含量大于 100
mg/kg的标准 。
盆栽试验每盆装土 700 g , 参照 Nigam 等的方
法[ 11] ,设置 Cd 0(CK)、Cd 25 mg/kg(T1)、Cd 25
mg/kg+苹果酸(T2)、Cd 25 mg/kg+柠檬酸(T3)4个
处理 ,重复 3次。苹果酸和柠檬酸加入量为:Cd∶有
机酸等于 1∶50(w/w)。装盆前均按 Cd 25 mg/kg 用
量加入 Cd(NO3)2 溶液 ,基肥施入量为 N 0.15 g/kg
土 ,P2O5 0.15 g/kg 土 , K2O 0.1g/kg 土 。装盆培养 1
个月后播种 ,每盆播种 10粒 ,定植 5株。培养期间
环境温度为光照/黑暗 25℃/20℃, 相对湿度 60%
～70%,光照/黑暗时间为 14h/10h ,土壤湿度保持在
80%田间持水量 。
苹果酸和柠檬酸于苋菜出苗 10 d 后开始以溶
液形式分次加入 ,每次浇灌 50 mL ,每 3 d浇 1次 ,分
10次浇灌;Cd 0和Cd 25 mg/kg 处理在培养期间用
等体积去离子水浇灌 ,出苗后 45 d收获。将苋菜分
为根和地上部 ,先用自来水冲洗 ,再用蒸馏水洗净 ,
于 70～80℃烘干 ,称重 ,磨碎后测定全镉含量 。
1.3　土壤培养试验
试验处理及有机酸添加方法同 1.2 ,但不施基
肥 ,不种植苋菜 。土壤装盆加镉培养 1个月后采用
苹果酸 、柠檬酸或去离子水浇灌 ,培养 45 d后风干 ,
1331 期　　　 范洪黎 ,等:添加有机酸对土壤镉形态转化及苋菜镉积累的影响
研磨过 0.25 mm 筛 ,进行镉形态分级 。土壤培养试
验环境条件同 1.2。
1.4　测定方法
1.4.1　土壤镉形态分级:采用改进的连续提取方
法 ,操作要点列于表 2[ 14] 。由于是连续提取 ,每一步
离心后 ,需用涡漩搅拌器将土壤与下一步提取液完
全搅均后 ,再进行振荡 。
1.4.2　土壤全镉和有效镉含量:有效镉含量采用
DTPA提取 ,全镉含量用 HCl/HNO3/HClO4(3/1/1)混
合消化[ 15] ,原子吸收分光光度计测定[ 16] 。
1.4.3　植株全镉含量:样品采用 HNO3 —HClO4 混
合消化 ,原子吸收分光光度计测定[ 17] 。
表 2　土壤 Cd形态分级的连续提取方法
Table 2　Method of sequential extraction for fractionation of Cd form
形态 Species 提取剂 Extraction agent 操作方案 Fractionation procedure
交换态
Exchangeable Cd
0.5 mol/L Mg(NO3)2 ,
pH 7.0
液土比 10∶1 ,振荡 2h ,离心分离。
Solution∶Soil=10∶1 , shake for 2h , centrifugalization.
专性吸附态
Specific adsorption Cd
1%Na2EDTA-1mol/L NH4OAc,
pH 8.3
液土比 10∶1 ,振荡 2h ,离心分离。
Solution∶Soil=10∶1 , shake for 2h , centrifugalization.
碳酸盐结合态
Carbonate bound Cd
0.5 mol/L NaOAc　0.5 mol/ L HOAc ,
pH 4.74
液土比 10∶1 ,振荡 3h ,离心分离。
Solution∶Soil=10∶1 , shake for 3h , centrifugalization.
铁锰氧化物结合态
Fe-Mn oxide bound Cd
0.175 mol/L(NH4)2C2O4　0.1 mol/ L H2C2O4 ,
pH 3.25
液土比 10∶1 ,振荡 3h ,离心分离。
Solution∶Soil=10∶1 , shake for 3h , centrifugalization.
有机结合态
Organic bound Cd
30% H2O2 ,
0.5 mol/L NaOAc-0.5 mol/ L HOAc ,
pH 4.74
加入 H2O2 , 液土比 2.5∶1 , (85±2)℃消化蒸干 2 次;再加
入0.5 mol/L NaOAc-0.5 mol/ L HOAc , pH 4.74 , 液土比 10∶
1 ,振荡 1h ,离心分离。
Addtion H2O2 , 2 times digestion and evaporation at(85±2)℃,
addition 0.5 mol/L NaOAc-0.5 mol/ L HOAc , pH 4.74 ,
Solution∶Soil=10∶1 , shake for 1h , centrifugalization.
残余态
Residual Cd
总投入 Cd量减去上述各形态Cd量之和。
Total add.Cd -Total of every form Cd above.
1.5　数据处理
采用 SAS软件进行方差(ANOVA)统计分析[ 18] ,
Excel软件拟合图形 。
2　结果与分析
2.1　植株生物量
表3显示 ,两种土壤中 ,Cd 0 、Cd 25 mg/kg 、Cd 25
mg/kg+苹果酸 、以及 Cd 25 mg/kg +柠檬酸四个处
理之间苋菜根系和地上部的生物量没有显著性差
异 ,一方面说明超积累苋菜品种天星米对镉具有较
好的耐性 ,这与前期品种筛选结果一致 。同时也证
明供试有机酸浓度对苋菜没有毒害作用 ,未对其生
长造成影响 。
表 3　有机酸对苋菜生物量的影响
Table 3　Effects of organic acids on amaranth biomass
处理
Treatment
根生物量(g /plant , DW)
Root biomass
地上部生物量(g/plant , DW)
Shoot biomass
赤红壤
Latosolic red soils
黄棕壤
Yellow-brown soils
赤红壤
Latosolic red soils
黄棕壤
Yellow-brown soils
CK 0.0128±0.0010 a 0.0145±0.0011 a 0.2070±0.0152 a 0.2518±0.0250 a
T1 0.0120±0.0011 a 0.0132±0.0006 a 0.2007±0.0052 a 0.2399±0.0055 a
T2 0.0132±0.0001 a 0.0149±0.0026 a 0.2117±0.0181 a 0.2486±0.0257 a
T3 0.0133±0.0013 a 0.0155±0.0009 a 0.2076±0.0238 a 0.2542±0.0097 a
　　注(Note):CK —Cd 0 , T1—Cd 25 mg/ kg ,T2—Cd 25 mg/ kg+苹果酸 Cd 25 mg/ kg+Malic acid , T3—Cd 25 mg/ kg+柠檬酸 Cd 25 mg/kg+Citric
acid;数字后字母不同者表示显著(P <5%),下同 The values followed by different letter are significantly different at 5% level , and the same symbol was
used for other tables.
134 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 14 卷
2.2　植株镉含量和镉累积量
与Cd 25mg/kg 处理比较 ,Cd 25mg/kg+苹果酸
和Cd 25mg/kg+柠檬酸处理显著增加苋菜根系和地
上部镉含量和镉累积量(表 4),而 Cd 25mg/kg +柠
檬酸处理苋菜镉含量和累积量高于 Cd 25mg/kg+苹
果酸处理 ,但未达到显著性差异。与 Cd 25mg/kg 处
理相比 ,添加苹果酸处理根系镉累积量赤红壤提高
1.26倍 ,黄棕壤提高 1.24倍 ,地上部镉累积量赤红
壤提高 1.18 ,黄棕壤提高 1.20倍;柠檬酸处理根系
镉累积量赤红壤提高 1.23 ,黄棕壤提高 1.29倍 ,地
上部镉累积量赤红壤提高 1.20 , 黄棕壤提高 1.31
倍 。可见 ,添加苹果酸和柠檬酸均能显著促进苋菜
对镉的吸收 。
表 4　有机酸对苋菜镉含量和累积量的影响
Table 4　Effects of organic acids on Cd concentration and Cd accumulation in amaranth
处理
Treatment
根系 Roots 地上部 Shoots
赤红壤
Latosolic red soils
黄棕壤
Yellow-brown soils
赤红壤
Latosolic red soils
黄棕壤
Yellow-brown soils
镉含量
Cd conc.
(mg/ kg)
镉累积量
Cd accum.
(μg/ plant)
镉含量
Cd conc.
(mg/ kg)
镉累积量
Cd accum.
(μg/plant)
镉含量
Cd conc.
(mg/kg)
镉累积量
Cd accum.
(μg/ plant)
镉含量
Cd conc.
(mg/ kg)
镉累积量
Cd accum.
(μg/ plant)
CK — — — — — — — —
T1 190±5.51 b 2.28±0.15 b 225±4.36 b 2.97±0.09 b 107±8.50 b 21.5±2.63 b 128±9.64 b 30.7±2.46 b
T2 208±8.02 a 2.75±0.10 a 257±6.43 a 3.83±0.22 a 124±2.65 a 26.3±2.35 a 143±7.00 a 35.5±3.86 a
T3 209±4.62 a 2.78±0.13 a 264±7.02 a 4.09±0.12 a 132±10.2 a 27.4±2.19 a 152±4.00 a 38.6±2.40 a
　　注(Note):“ —”表示未检出 Indicate no detectable。
2.3　镉生物富集系数与净化率
生物富集系数为地上部镉含量/土壤全镉含
量[ 19] ,由于 2种土壤均是无污染土壤 ,土壤镉背景
值很低 , 因此土壤全镉含量采用镉处理浓度 25
mg/kg 。土壤净化率=植物吸镉总量(镉累积量)/土
壤总镉量 ×100%[ 19] 。表 5 显示 ,添加苹果酸及柠
檬酸能够大大增加苋菜的镉生物富集系数和净化
率 ,提高镉超积累苋菜对镉污染土壤的修复效率 ,其
中柠檬酸的效果优于苹果酸 。
表 5　有机酸对苋菜生物富集系数及净化能力的影响
Table 5　Effects of organic acids on bioaccumulation factor and purification rate in amaranth
处理
Treatment
富集系数 Bioaccumulation factor 净化率 Purification rate(%)
赤红壤
Latosolic red soils
黄棕壤
Yellow-brown soils
赤红壤
Latosolic red soils
黄棕壤
Yellow-brown soils
T1 4.28 5.12 0.16 0.16
T2 4.96 5.72 0.19 0.19
T3 5.28 6.08 0.20 0.21
2.4　土壤镉形态变化
添加苹果酸或柠檬酸后对镉污染土壤的镉形态
分布产生显著影响(图 1)。与 Cd 25 mg/kg 处理比
较 ,Cd 25 mg/kg+苹果酸和 Cd 25 mg/kg+柠檬酸处
理显著降低了两种土壤专性吸附态Cd含量 ,而交换
态Cd 、碳酸盐结合态 Cd和有机结合态 Cd含量有显
著增加 ,铁锰氧化物结合态 Cd和残余态 Cd含量没
有显著变化。
添加柠檬酸处理的专性吸附态 Cd含量低于添
加苹果酸处理 ,而交换态Cd 、碳酸盐结合态 Cd 和有
机结合态 Cd高于添加苹果酸处理 ,这可能是 Cd 25
mg/kg+柠檬酸处理苋菜镉含量高于 Cd 25 mg/kg+
苹果酸的原因。
两种土壤碳酸盐结合态 Cd和残余态Cd分布基
本相同 ,但专性吸附态 Cd黄棕壤低于赤红壤 ,而交
换态Cd 、铁锰氧化物结合态 Cd以及有机结合态 Cd
黄棕壤高于赤红壤 ,黄棕壤苋菜镉含量高于赤红壤
苋菜镉含量可能与之有关。
1351 期　　　 范洪黎 ,等:添加有机酸对土壤镉形态转化及苋菜镉积累的影响
图 1　添加有机酸对赤红壤(A)和黄棕壤(B)镉形态分布的影响
Fig.1　Effects of organic acids addition on distribution of Cd forms in latosolic red soils(A)and yellow brown soils(B)
3　讨论
存在于植物体内及根际环境的有机酸是一种带
有一个或多个羧基功能团的低分子量碳氢化合物 ,
易与金属发生螯合作用。有机酸一般具有成对的
OH/COOH依附在两个相邻的碳原子上(如柠檬酸),
或两个 COOH直接相连(如草酸),能与重金属形成
五元或六元环状结构[ 20] 。这种结构的形成增加了
重金属在植物内的移动性。Nigam 等研究发现 ,随
着添加有机酸浓度的增加 ,玉米植株吸镉量增加 ,主
要原因是形成了有机复合态镉[ 11] 。Peterson 和 Al-
loway证实 ,植物体内有机复合态镉比离子态镉更易
于移动[ 21] 。本实验结果也得出同样结论 ,对比单纯
Cd 25 mg/kg 处理 ,添加苹果酸和柠檬酸显著提高了
苋菜地上部镉含量和镉累积量 。
前人研究发现 ,游离的 Cd2+比镉-有机复合物
对植物体的毒害作用更强[ 22-23] ,通过有机酸与镉形
成金属螯合物不仅增加了植物体内镉的移动性[ 5] ,
而且能够缓解 Cd2+对植物体的毒害[ 9] 。Aravind 和
Prasad发现 ,苹果酸 、草酸和柠檬酸能够与 Cd2+强烈
结合 ,添加有机酸后植物镉积累增加 ,但镉毒害症状
消失[ 9] , Nigam 等在小麦中也观察类似结果[ 24] 。
Chen等实验证明有机酸与镉结合后提高了镉离子
在木质部中的移动性 ,并促进植物地上部对镉的积
累 ,同时也降低了植物体内游离Cd2+的含量以及对
植物的毒性[ 25] 。本实验结果中 ,添加苹果酸和柠檬
酸虽显著提高了苋菜体内镉含量 ,但其生物量并未
减少 ,因此提高了苋菜镉累积量 。
Krishnamurti等研究显示 ,土壤颗粒中的镉与低
分子有机酸结合进入溶液后 ,有机酸分解 ,溶液中的
镉随即被土壤颗粒表面吸附 ,这一松结合态的镉易
于成为交换态镉[ 22] 。Ru等发现镉耐性油菜根际碳
酸盐结合态Cd和有机结合态Cd显著高于非耐镉性
油菜 ,是造成不同基因型油菜对镉耐性的原因[ 26] 。
本文试验结果得出 ,苹果酸和柠檬酸可降低土壤专
性吸附态 Cd ,同时又能够增加交换态 Cd 、碳酸盐结
合态 Cd以及有机结合态 Cd。添加苹果酸及柠檬酸
可使土壤难溶性镉向可溶性镉转化 ,对土壤中的镉
有明显活化作用 ,同时降低了植物体镉的毒害。
苹果酸和柠檬酸已经报道可作为金属螯合
剂[ 27-28] 。Krishnamurti等研究显示 ,持续添加有机酸
后土壤交换镉的释放持续增加 ,显示根系分泌有机
酸对于土壤镉释放的重要性[ 22] 。有机酸对重金属
镉的溶解能力取决于有机酸的溶解常数 ,柠檬酸的
溶解常数(7.1×10-4)高于苹果酸(3.9×10-4)[ 11] ;
White 等得出 ,柠檬酸与金属的螯合能力高于苹果
136 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 14 卷
酸[ 29] 。Krishnamurti等研究显示 ,土壤经有机酸浸提
后 ,土壤残余的交换态镉以柠檬酸处理为最高[ 22] 。
对Zn超积累植物研究表明 ,柠檬酸对 Zn有较高的
亲和力(稳定常数 logK=6.1),可能作为 Zn超积累
植物体内 Zn的螯合基团[ 30] 。本文中苋菜的镉累积
量 、生物富集系数以及净化率也具有添加柠檬酸的
效果优于苹果酸的趋势。
4　结论
通过添加苹果酸和柠檬酸可使土壤专性吸附态
Cd向交换态 Cd 、碳酸盐结合态 Cd 、有机结合态 Cd
转化 ,不仅对土壤中的镉有明显活化作用 ,而且能够
缓解 Cd2+对植物体的毒害。苹果酸 、柠檬酸与镉形
成金属螯合物 ,增加了植物体内镉的移动性 ,并且显
著提高植物体内镉累积量 。因此 ,可以通过添加有
机酸提高植物的修复效率 ,这一研究结果将为镉污
染土壤的治理修复提供理论依据和技术参考 。
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