小麥中重金屬的富集與遷移特征

小麥中重金屬的富集與遷移特征

1環(huán)境科學(xué)新熱點(diǎn)農(nóng)業(yè)廢水、農(nóng)藥、雜草和化肥的使用會導(dǎo)致土壤中重金屬的污染。一旦土壤中重金屬污染，重金屬顆粒、莖、葉和谷物中的大量重金屬積被稀釋，這不僅嚴(yán)重影響植物的生長和發(fā)育，而且還影響到作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。通過食物鏈的富集作用進(jìn)一步危害人類的生命和健康。近20年以來,國內(nèi)外一些學(xué)者進(jìn)行了單一重金屬在土壤-植物系統(tǒng)的遷移轉(zhuǎn)化的研究[1~4]。但在自然環(huán)境下,環(huán)境污染多是由多個元素共存與作用造成,元素之間交互作用使復(fù)合污染對生態(tài)系統(tǒng)的效應(yīng)有別于單元素污染,因而重金屬復(fù)合污染的研究逐漸成為近年來環(huán)境科學(xué)的新熱點(diǎn)。在我國,從20世紀(jì)90年代開始,一些研究者就Cd、Pb、Cu、Ni、Zn、As等元素對水稻、油菜等影響進(jìn)行了盆栽苗期試驗(yàn),認(rèn)為元素間聯(lián)合作用對作物生長和產(chǎn)量有一定影響[5~7]?？傮w看,研究工作仍比較零散,定量化研究不足且只限于模擬條件,與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合方面還存在差距。本次通過蛭石培養(yǎng)基無土種植試驗(yàn)研究了四種重金屬(Cu、Pb、Zn、Cd)在小麥中的遷移與轉(zhuǎn)化情況。2栽培試驗(yàn)和測試2.1種植材料及密度本次試驗(yàn)以小麥為受試作物,采用蛭石為基質(zhì),進(jìn)行無土栽培試驗(yàn)。通過對小麥不同時(shí)期(幼苗期、成熟期)的生理生化指標(biāo)進(jìn)行觀察、測定,對小麥植株不同時(shí)期、不同部分重金屬含量的分析,探討重金屬對小麥的影響機(jī)理和重金屬對小麥的富集特點(diǎn)和規(guī)律。試驗(yàn)場地為麥田的一角,長和寬分別為3m和1m,種植分2個小區(qū),2個小區(qū)的原料為蛭石24kg,雞糞3kg,蛭石厚度0.12m。小區(qū)1無重金屬,小區(qū)2中含有重金屬Cu、Pb、Zn、Cd,重金屬的含量是根據(jù)徐州北郊地區(qū)重金屬污染的程度確定的,目前,徐州北郊工業(yè)區(qū)由于污水灌溉、工業(yè)與生活垃圾、大氣沉降等原因,土壤受到不同程度的重金屬污染,Cd、Pb、Cu、Zn的在土壤中的含量分別為0.3~1.0mg/kg、48.02~230.1mg/kg、45~137mg/kg和165.8~989.2mg/kg,另外,北郊河流底泥中重金屬含量很高,Cd、Pb、Cu、Zn的含量分別為0.3~3.0mg/kg、42.52~586.90mg/kg、50.38~398.5mg/kg和213.4~3330.6mg/kg,為此,將實(shí)驗(yàn)小區(qū)重金屬Cd、Pb、Cu、Zn的含量定為5.0mg/kg、140.0mg/kg、70.0mg/kg和210.0mg/kg。2.2優(yōu)化期和成熟根、莖、葉、穎殼、果實(shí)重金屬總量本次試驗(yàn)采用TAS-980型火焰原子吸收儀對小麥幼苗期和成熟期根、莖、葉、穎殼、果實(shí)中重金屬總量進(jìn)行測試(利用硝酸-高氯酸消解法消解)。在測定過程中,為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠、精確,進(jìn)行加標(biāo)回收率測定和平行樣測定。3小麥莖部和中小級dna含量的變化規(guī)律小麥于2002年10月12日播種,分別于2002年11月14日、2003年3月1日、2003年4月26日和2003年5月30日采集小麥樣品,樣品經(jīng)預(yù)處理后對小麥的不同部位中Cu、Pb、Zn、Cd的含量進(jìn)行測定,測試結(jié)果見表1,不同時(shí)期、不同部位重金屬的變化見圖1~圖6。從所述資料可以看出,小麥根部的重金屬含量在生長早期較高,Cd、Zn在第一個采樣時(shí)間點(diǎn)含量較高,分別為1.1846mg/kg和13.2181mg/kg,而銅在第二個采樣時(shí)間點(diǎn)含量較高,為70.2803mg/kg,隨著小麥的進(jìn)一步生長,重金屬含量有所下降,到成熟期時(shí)重金屬含量又逐漸上升至最大值,Cd、Pb、Cu、Zn分別為3.0191、36.7262、113.144、18.7596mg/kg。這是因?yàn)樾←湼吭诔砷L早期由于生長旺盛使重金屬含量較大,隨著生長發(fā)育,根部重金屬由于進(jìn)入根部后向上遷移,致使根部重金屬有所下降,到成熟期蛭石對重金屬的固定作用較小,因而重金屬含量升高到最大值。重金屬在出芽期進(jìn)入小麥根部后,首先會與蛋白質(zhì)、多糖類和核酸等結(jié)合,然后會向植株地上部分遷移,作物在重金屬的脅迫下會通過回避機(jī)制減少對重金屬的吸收,在生長期通過抗性作用加強(qiáng)作物對重金屬的耐受性,代謝機(jī)制減少對重金屬積累,同時(shí)降低重金屬的毒性[8~9]。小麥莖部的重金屬含量在生長早期含量較大,一般在第一個采樣時(shí)間點(diǎn)和第二個采樣時(shí)間點(diǎn)達(dá)到最大值,Cu的含量在第一采樣點(diǎn)最大,為11.5454mg/kg,Cd和Zn含量的最大值在第二采樣點(diǎn)最大,分別為1.1034和7.5134mg/kg。而后有較大幅度下降,此后逐步緩慢上升。上述規(guī)律可以認(rèn)為小麥早期生長旺盛,從根部傳輸上來的重金屬較多,中后期小麥莖部對重金屬的耐受性有所提高,同時(shí)小麥新陳代謝加強(qiáng),使重金屬含量降低,隨著進(jìn)一步生長重金屬在莖部逐漸積累。小麥葉片中重金屬含量的變化與莖中大部分類似,Cu的含量在第一采樣點(diǎn)最大,為13.7731mg/kg,Pb和Zn含量的最大值在第二采樣點(diǎn)最大,分別為14.655和9.1594mg/kg。重金屬含量達(dá)到最大后逐步下降,與莖部規(guī)律有所不同的中后期葉片中重金屬含量趨于平穩(wěn)而不是逐步增加?？梢哉J(rèn)為小麥植株對葉片的傳輸作用相對較小。4小麥不同部位的重金屬元素富集分析由表1可以看出,重金屬被小麥吸收以后,大部分停留在根部,少量向地上部分遷移。重金屬在小麥植株不同部位的含量為:根>莖>葉片>穎殼>果實(shí),此結(jié)果說明重金屬在植物體內(nèi)的分布規(guī)律是在新陳代謝旺盛的器官蓄積量較大,而營養(yǎng)儲存器官如果實(shí)、籽粒中蓄積量較少;Cd、Pb、Cu、Zn分別為0.2131、1.0438、6.7859、5.1322mg/kg根據(jù)無公害食品標(biāo)準(zhǔn),小麥中重金屬最大允許濃度為:Cd為0.2mg/kg、Pb為0.4mg/kg、Cu為10mg/kg、Zn為50mg/kg(GB15201-94、GB14935-94、GB15199-94、GB13106-91),可見小麥籽實(shí)中銅、鋅的含量沒有超標(biāo),而鎘、鉛的含量超過了無公害食品標(biāo)準(zhǔn),四種金屬中鉛超標(biāo)量最大,鎘略有超標(biāo)。根據(jù)表1,我們計(jì)算了重金屬在小麥植株不同部位的富集系數(shù),即重金屬元素在小麥植株的濃度與培養(yǎng)基質(zhì)中對應(yīng)元素之比(表2)。從表2和圖7看出,小麥成熟后,除Zn外,其他三種重金屬Cd、Pb、Cu的富集系數(shù)在根中最大,而Zn在穎殼中的富集系數(shù)最大;根中富集能力是Cd>Cu>Pb>Zn,莖富集能力是Cd>Cu>Zn>Pb,葉片富集能力是Cd>Cu>Pb>Zn,穎殼的富集系數(shù)是Zn>Cu>Cd>Pb,籽實(shí)的富集能力是Cu>Zn>Cd>Pb,需要注意的是,Cd在根、莖中富集能力強(qiáng),而在穎殼、籽實(shí)中富集能力較弱。5小麥不同部位的重金屬含量分布及富集能力4種復(fù)合污染的重金屬被小麥吸收后,在小麥不同部位中積累規(guī)律有所不同:根部在成長早期重金屬含量較大,隨著生長發(fā)育,重金屬含量有所下降,成熟期升高到最大值;莖部累積的重金屬在生長早期含量較大,而后有較大幅度下降,此后逐步緩慢上升;小麥葉片中重金屬含量的變化與莖中大部分類似,只是在后期葉片中重金屬含量趨于平穩(wěn)而不是逐步增加。小麥不同部位重金屬的積累量不同,不同時(shí)期根、莖、葉片、穎殼、籽實(shí)對不同重金屬是不同的,總的來看,大部分重金屬滯留在根部,少量向地上部分遷移,重金屬在小麥植株不同部