崔星怡,秦俊豪,李智鳴,黎華壽*

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；2.廣東省現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)與循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣州 510642；3.廣東省高等學(xué)校農(nóng)業(yè)生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642)

不同品種空心菜對(duì)重污染土壤砷的吸收累積及其亞細(xì)胞分布

崔星怡1,2,3,秦俊豪1,2,李智鳴1,2,黎華壽1,2,3*

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；2.廣東省現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)與循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣州 510642；3.廣東省高等學(xué)校農(nóng)業(yè)生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642)

采用水泥池小區(qū)試驗(yàn)研究了土壤As污染(66.4 mg·kg-1)脅迫對(duì)19種空心菜生長(zhǎng)、As累積以及As的亞細(xì)胞分布的影響。結(jié)果表明，各品種空心菜均能生長(zhǎng)，但不同品種空心菜生物量及As累積量存在顯著差異(P<0.05)，地上部As含量范圍為0.73～191.12 mg· kg-1，均超出食品中污染限量的標(biāo)準(zhǔn)(0.5 mg·kg-1)。臺(tái)灣白骨柳葉空心菜、泰國(guó)白梗柳葉空心菜、油青空心菜3個(gè)品種為相對(duì)低累積品種；臺(tái)灣大葉白骨空心菜、菜農(nóng)D-95空心菜、港種青綠梗葉空心菜、泰國(guó)竹葉空心菜4個(gè)品種為相對(duì)高累積品種。19個(gè)品種空心菜亞細(xì)胞中固持As含量大小順序?yàn)榘|(zhì)(49.06%～77.44%)>細(xì)胞器(19.90%～46.82%)>細(xì)胞壁(2.22%～16.73%)。

空心菜品種；As累積；亞細(xì)胞;As污染土壤

Project supported：T卜e National Hig卜Tec卜nology Researc卜and Development Program of C卜ina(2013AA102402)；T卜e National Natural Science Foundation of C卜ina(41271469)；T卜e Science and Tec卜nology Planning Project of Guangdong Province，C卜ina(2013B020303001，2015B090903077)

砷(As)是一種毒性較強(qiáng)且具有致癌作用的類金屬[1]。隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，As和含As化合物的大量使用，使土壤As污染問(wèn)題日益嚴(yán)重[2]。土壤是As凈化和累積的主要場(chǎng)所，土壤As的世界平均含量約5 mg·kg-1，中國(guó)為(11.2±7.9)mg·kg-1，且顯現(xiàn)出從西南到東北逐漸由高到低的趨勢(shì)[3]，即西南和華南地區(qū)As本底值和污染較高。與世界土壤As含量水平相比，我國(guó)As含量較高，《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國(guó)土壤中As的點(diǎn)位超標(biāo)率為2.7%，在調(diào)查的砷、鎘、鈷、鉻、銅、氟、汞、錳、鎳、鉛、硒、釩、鋅等多種無(wú)機(jī)污染物中，As的超標(biāo)率排行第三。土壤中的As可被農(nóng)作物吸收，并通過(guò)食物鏈累積放大，最終嚴(yán)重危害人類健康[4]。

蔬菜是人們?nèi)粘Ｉ钪兴匦璧母笔称罚醒芯勘砻?，蔬菜食用是As進(jìn)入人體的主要途徑之一[5-6]。空心菜又名蕹菜、通菜、竹葉菜、藤菜等，可食用部分為76%，適宜生長(zhǎng)在熱帶多雨地區(qū)，夏秋季普遍栽培，主要分布于嶺南地區(qū)，是南方較為常見(jiàn)的一種葉菜類蔬菜。要據(jù)調(diào)查，我國(guó)As污染區(qū)的蔬菜中48.2%的樣本As含量超過(guò)0.25 mg·kg-1限量值，32.2%的樣本As含量超過(guò)0.5 mg·kg-1的限量值，其中葉菜類超標(biāo)率為47.9%，要莖類蔬菜超標(biāo)率為12.8%[7]。有研究表明，不同種類蔬菜如蘿卜、胡蘿卜以及馬鈴薯的不同品種對(duì)As富集積累能力差異很大[8]。宋波等[9]在桂林市13個(gè)縣區(qū)蔬菜種植基地和蔬菜批發(fā)市場(chǎng)共采集71種566個(gè)蔬菜樣品，檢測(cè)結(jié)果表明，葉菜類蔬菜中的As含量高于要莖類和瓜果類。肖細(xì)元等[7]研究表明，不同種類蔬菜的As含量依次為葉菜類>要莖類>茄果類>鮮豆類，而空心菜在葉菜中也屬于抗As污染能力較弱的物種。Mathieu等[10]在研究幾種葉類蔬菜對(duì)As吸收及累積特性中發(fā)現(xiàn)，5種葉菜對(duì)As的累積順序是空心菜>芹菜>莧菜>生菜>萵苣，對(duì)砷的轉(zhuǎn)移系數(shù)均值分別為0.02、0.03、0.06、0.08和0.15，空心菜對(duì)砷的轉(zhuǎn)移系數(shù)最大。不同培養(yǎng)液砷濃度下5種蔬菜對(duì)砷富集系數(shù)的均值以空心菜(18.67)最高，而萵苣和生菜僅為2.75和2.66，且在1 mg·L-1As的條件下，空心菜的As含量就已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值。通過(guò)前人的研究可以知道空心菜較容易吸收累積土壤中的As，篩選和培育低累積As的空心菜品種，可充分利用輕、中度重金屬污染土壤來(lái)生產(chǎn)安全的食物，以期降低普通人群通過(guò)食物鏈對(duì)As的攝入，減少人類As攝取風(fēng)險(xiǎn)。

植物體隔離、積累和耐受重金屬的一種重要解毒機(jī)制是細(xì)胞區(qū)隔化，因此植物體中As的亞細(xì)胞組分的分布也可以提供有關(guān)積累、耐受、解毒As的信息[11]。有關(guān)砷在植物細(xì)胞組織微區(qū)及亞細(xì)胞分布層面的研究較多[12-13]，但砷在空心菜細(xì)胞組織微區(qū)及亞細(xì)胞分布層面的研究較少，通過(guò)亞細(xì)胞分級(jí)方法分離出亞細(xì)胞組分后，用化學(xué)分析手段測(cè)定各組分中As的濃度，可以提供As的亞細(xì)胞分布信息，因此探討As對(duì)不同品種空心菜的細(xì)胞活動(dòng)的影響及其生物化學(xué)作用具有重要意義[14-15]。

本試驗(yàn)通過(guò)收集生產(chǎn)上使用的19種空心菜品種進(jìn)行栽培分析，研究在As脅迫狀態(tài)下各空心菜品種的生物量變化、As累積差異，并采用組織分離-差速離心的方法，對(duì)As在亞細(xì)胞中的分布進(jìn)行了探討，以期揭示不同品種空心菜對(duì)As的吸附特征及As對(duì)空心菜的毒害效應(yīng)，為空心菜品種的選擇以及保障農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全提供重要的參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試的19個(gè)空心菜(Ipomoea aquatica)品種購(gòu)于廣東省農(nóng)科院蔬菜研究所，品種名詳見(jiàn)表2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)系農(nóng)場(chǎng)15個(gè)水泥池(長(zhǎng)1 m×寬1 m×高0.65 m)中進(jìn)行。將水泥池內(nèi)部均分成4個(gè)小區(qū)(每個(gè)小區(qū)尺寸0.5 m×0.5 m)，共有小區(qū)60塊，19個(gè)供試空心菜品種均重復(fù)3次共需57塊小區(qū)(空余3塊不種植物)，將19種不同空心菜的種子各20粒隨機(jī)播種于各小區(qū)中，待植株長(zhǎng)出第1片真葉后定苗4株。試驗(yàn)期間不定期(1～2 d)向水泥池中加入等量自來(lái)水。定植60 d(2015年4至6月)后，取樣測(cè)定19個(gè)空心菜品種的生物量。

1.3 供試土壤

供試水泥池土壤來(lái)自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)學(xué)系農(nóng)場(chǎng)的耕作層。土壤采集后剔除碎石、枯葉等雜物，自然風(fēng)干，過(guò)2 mm篩后混勻備用。水泥池小區(qū)As污染土壤濃度設(shè)置為人工添加As 50 mg·kg-1(以三氧化二砷加入，按耕作層30 cm計(jì)算)，種植一季水稻老化As后，取樣檢測(cè)其基本理化性質(zhì)，見(jiàn)表1。

1.4 樣品處理與分析

1.4.1 樣品的處理

從成熟期的4株空心菜中隨機(jī)取2株(全株取回)。選取其中1株，將整株空心菜地上部與地下部(要系)分開(kāi)，依次用自來(lái)水、蒸餾水、去離子水完全洗凈，最后用吸水紙把植株表面水分吸干，裝入信封，編號(hào)后置于60℃烘箱中烘干至恒重，稱干重后用粉碎機(jī)將空心菜地上部及地下部粉碎，貯存于封口袋中供總As含量分析。另1株空心菜洗凈后，置于封口袋中保存于-20℃的冰箱中供植株的亞細(xì)胞分布測(cè)定。

表1 供試土壤的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

1.4.2 樣品的分析

總As的測(cè)定：稱取0.2 g植物干樣，加8 mL硝酸+2 mL 30%過(guò)氧化氫，經(jīng)微波消解(CEM Mars6)后，用雙道原子熒光光度計(jì)(AFS-230E，北京科創(chuàng)海光儀器有限公司)測(cè)定消解液中As含量。

As的亞細(xì)胞分布的測(cè)定：操作參照Hans[16]方法，取新鮮空心菜地上部或地下部的樣品0.5 g置于研缽中，加入預(yù)冷的提取緩沖液(250 mmol·L-1蔗糖、50 mmol·L-1Tris-HCl-pH7.5和1 mmol·L-1二硫赤鮮糖醇)20 mL，充分研磨成勻漿液。將勻漿液在3000 r· min-1下離心15 min，沉淀即為細(xì)胞壁組分；上清液在15 000 r·min-1下離心30 min，沉淀為細(xì)胞器組分，上清液則為胞質(zhì)組分(包括細(xì)胞質(zhì)及液泡)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程均在4℃下進(jìn)行。將分離出的胞質(zhì)、細(xì)胞壁、細(xì)胞器組分微波消解后，用雙道原子熒光光度計(jì)測(cè)定提取液中As含量。

1.4.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2013進(jìn)行處理；利用SPSS 20.0中的單因素方差分析(One-way ANOVA)對(duì)每個(gè)測(cè)定項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行顯著性方差分析，對(duì)生物量、As含量以及亞細(xì)胞各組分固持As含量進(jìn)行相關(guān)性分析，歐式聚類對(duì)地上部As含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果

2.1 As脅迫對(duì)不同品種空心菜生物量的影響

由表2可知，19個(gè)品種空心菜地上部生物量(以干重計(jì))為1.22～19.43 g，均值為9.26 g，生物量最大的品種是泰國(guó)尖葉空心菜，生物量最小的品種是青骨柳葉空心菜，相差15.93倍。泰國(guó)尖葉空心菜生物量與泰國(guó)竹葉空心菜、臺(tái)灣白骨柳葉空心菜、江西大葉空心菜、999青骨柳葉空心菜、青骨柳葉空心菜這5個(gè)品種生物量差異達(dá)顯著水平(P<0.05)；臺(tái)灣青梗竹葉空心菜生物量與999青骨柳葉空心菜、青骨柳葉空心菜這2個(gè)品種生物量差異達(dá)顯著水平(P<0.05)；其余品種生物量之間沒(méi)有顯著差異(P>0.05)。地下部生物量為0.63～4.12 g，最大與最小之間相差5.6倍，均值1.79 g，19種空心菜品種間地下部生物量差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

表2 19個(gè)品種空心菜的生物量Table 2 Biomass of 19 Ipomoea aquatica cultivars

2.2 不同品種空心菜As含量的差異

由表3可知，空心菜不同品種之間As積累量呈顯著性差異(P<0.05)，19個(gè)品種空心菜地上部As含量范圍為0.73～191.12 mg·kg-1，最高與最低之間相差261.81倍。對(duì)照GB 2762—2012對(duì)蔬菜中As的限量標(biāo)準(zhǔn)(0.5 mg·kg-1)全部超標(biāo)，說(shuō)明在重污染土壤種植的空心菜均不適宜食用。此外，空心菜品種間As含量差異很大，其中：地上部As含量最高的是港種青綠梗葉空心菜，為191.12 mg·kg-1，As含量最低的是油青空心菜，為0.73 mg·kg-1；地下部As含量最高的是臺(tái)灣白骨柳葉空心菜，為229.76 mg·kg-1，含量最低品種為青骨柳葉空心菜，達(dá)78.57 mg·kg-1。19個(gè)空心菜品種的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)差異明顯，最低的臺(tái)灣白骨柳葉空心菜為0.004，最高的港種青綠梗葉空心菜為2.19，其中臺(tái)灣大葉白骨空心菜、菜農(nóng)D-95空心菜、港種青綠梗葉空心菜、泰國(guó)竹葉空心菜4個(gè)品種的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于1。

表3 空心菜地上部與地下部中As累積的品種差異Table 3 Cultivar differences with As accumulation on aboveground and under-ground portion of Ipomoeaaquatica

通過(guò)聚類分析(圖1)得知，泰國(guó)白梗柳葉空心菜、油青空心菜、臺(tái)灣白骨柳葉空心菜、臺(tái)灣青梗竹葉空心菜、泰國(guó)空心菜、河北大葉空心菜、玉帥竹葉青空心菜、999青骨柳葉空心菜、白梗柳葉空心菜9個(gè)品種相對(duì)于其他品種累積As含量較少，其中臺(tái)灣白骨柳葉空心菜、泰國(guó)白梗柳葉空心菜、油青空心菜地上部累積As含量均低于1 mg·kg-1；臺(tái)灣大葉白骨空心菜、菜農(nóng)D-95空心菜、港種青綠梗葉空心菜、泰國(guó)竹葉空心菜4個(gè)品種相對(duì)于其他品種積累As含量較高，含量范圍是141.18～191.12 mg·kg-1。

圖1 19個(gè)品種空心菜地上部As含量聚類樹(shù)形圖Figure 1 Clustering tree of above-ground portion of As concentration in 19 Ipomoea aquatica cultivars

本試驗(yàn)中積累As含量較高的4個(gè)品種(臺(tái)灣大葉白骨空心菜、菜農(nóng)D-95空心菜、港種青綠梗葉空心菜、泰國(guó)竹葉空心菜)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于1，即地上部As含量高于地下部，其中只有泰國(guó)竹葉空心菜轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為1.08，地上部As含量略高于地下部，且臺(tái)灣大葉白骨空心菜、菜農(nóng)D-95空心菜、港種青綠梗葉空心菜地上部生物量較高，均大于10 g。因此，綜合來(lái)看，相對(duì)高累積As的空心菜品種是臺(tái)灣大葉白骨空心菜、菜農(nóng)D-95空心菜、港種青綠梗葉空心菜。在As含量較低的9個(gè)品種中，除河北大葉空心菜以外其余品種的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均在0.01以下，且泰國(guó)空心菜、白梗柳葉空心菜、臺(tái)灣青梗竹葉空心菜、玉帥竹葉青空心菜、油青空心菜的生物量較大，綜合來(lái)看，泰國(guó)空心菜、白梗柳葉空心菜、臺(tái)灣青梗竹葉空心菜、玉帥竹葉青空心菜、油青空心菜為相對(duì)低累積As的品種。

2.3 不同品種空心菜As的亞細(xì)胞分布

由表4可知，19個(gè)品種空心菜地上部亞細(xì)胞中固持As含量呈現(xiàn)胞質(zhì)>細(xì)胞器>細(xì)胞壁，其中地上部胞質(zhì)中固持As含量占亞細(xì)胞As總量的49.06%～ 77.44%，細(xì)胞器中固持As含量占亞細(xì)胞As總量的19.90%～46.82%，而細(xì)胞壁中固持As含量最少，僅占總量的2.22%～16.73%。19個(gè)品種中地下部胞質(zhì)中固持As含量占亞細(xì)胞As總量的47.61%～84.95%，細(xì)胞器為2.18%～39.32%，細(xì)胞壁為1.04%～29.49%。此外，油青空心菜地下部的胞質(zhì)、細(xì)胞器與細(xì)胞壁中固持As含量為19個(gè)空心菜品種中最高，分別達(dá)到20.39、9.99、10.47 mg·kg-1。進(jìn)一步分析表4發(fā)現(xiàn)，19個(gè)空心菜品種地上部及地下部間各亞細(xì)胞固持As含量差異不顯著(P>0.05)，但同一品種間細(xì)胞壁、細(xì)胞器與胞質(zhì)中固持As含量差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。此外，19個(gè)空心菜品種地下部各亞細(xì)胞固持的As含量均高于地上部。

表4 空心菜亞細(xì)胞中As累積的品種差異Table 4 Cultivar differences with As accumulation on subcellular fractions of Ipomoea aquatica

對(duì)不同品種空心菜亞細(xì)胞各部分所固持的As含量與生物量及As含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果(表5)顯示，地上部細(xì)胞壁中固持的As含量與生物量之間有顯著的正相關(guān)(P<0.05)，但與地上部的As含量之間沒(méi)有顯著相關(guān)性；地上部胞質(zhì)中固持的As含量與地上部生物量之間呈極顯著的正相關(guān)(P<0.01)，其與地上部的As含量之間無(wú)顯著相關(guān)性。細(xì)胞器中固持的As含量與地上部生物量及地上部As含量之間均無(wú)顯著相關(guān)性。地下部亞細(xì)胞各部分所固持的As含量與地下部生物量及地下部As含量均無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05)。

表5 空心菜亞細(xì)胞各組分固持As含量與生物量及As含量的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis between the As accumulation on subcellular fractions of Ipomoea aquatica and biomass/As accumulation

3 討論

3.1 不同品種空心菜生長(zhǎng)差異分析

有研究表明，土壤中低濃度的As可以刺激植物的生長(zhǎng)，但當(dāng)土壤中的As含量達(dá)到一定程度時(shí)則會(huì)危害植物的生長(zhǎng)[17]，過(guò)量的As可降低植物蒸騰作用、呼吸作用，抑制要系活性，進(jìn)一步影響植物對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收，最終通過(guò)植株的受害癥狀、生長(zhǎng)狀況和產(chǎn)量變化表現(xiàn)出來(lái)[18-19]。本研究分析了19種空心菜在66.40 mg·kg-1的土壤As濃度脅迫下地上部、地下部生物量的變化，結(jié)果表明不同品種空心菜對(duì)As的耐性表現(xiàn)出一定的差異，且地上部與地下部的生物量之間呈顯著正相關(guān)。999青骨柳葉空心菜、青骨柳葉空心菜這兩個(gè)品種生物量較低，對(duì)As的耐受性較差，不適于在重度As污染的土壤上種植。

3.2 不同品種空心菜累積As的差異分析

空心菜對(duì)As的吸收富集因品種的不同而有所差異。在50 mg·kg-1As脅迫下，19個(gè)品種空心菜地上部As含量為0.73～191.12 mg·kg-1，均超過(guò)國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值(0.5 mg·kg-1)，為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的1.46～ 382.24倍。這說(shuō)明在As 66.40 mg·kg-1的土壤中，空心菜易受到As污染。肖細(xì)元等[7]研究表明空心菜屬于抗As污染能力較弱的物種；Mathieu等[10]在研究中發(fā)現(xiàn)在1 mg·L-1As的條件下空心菜As含量就已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值。因此，本試驗(yàn)中在外源添加As 50 mg·kg-1的土壤條件下，空心菜超標(biāo)率為100%，與前人的研究相符。

前人研究表明葉菜類蔬菜植株累積重金屬的規(guī)律是地上部<地下部[20]，但也有研究表明其規(guī)律是地上部>地下部[21-22]，可見(jiàn)葉菜類蔬菜地上部、地下部積累重金屬量不僅與蔬菜種類有關(guān)，也與蔬菜品種有關(guān)，同一種類蔬菜的不同品種之間也有差異。本試驗(yàn)中有4個(gè)品種空心菜的地上部As含量大于地下部，即轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于1，綜合生物量考慮，臺(tái)灣大葉白骨空心菜、菜農(nóng)D-95空心菜、港種青綠梗葉空心菜被確定為高累積As的品種。

由于不同植物對(duì)As的耐性存在差異，目前的研究多集中于兩個(gè)方向：一個(gè)方向是篩選超積累植物，通過(guò)植物的富集作用提取土壤中過(guò)量的As，而后收獲植物而達(dá)到減少土壤As污染的目的；另一個(gè)研究方向是篩選As抗型作物，使其在輕度As污染土壤中生長(zhǎng)發(fā)育不受影響[22-25]。因此，由本試驗(yàn)所篩選出的高積累品種臺(tái)灣大葉白骨空心菜、菜農(nóng)D-95空心菜、港種青綠梗葉空心菜，可在中、高度As污染土壤中種植，然后通過(guò)反復(fù)收獲來(lái)減少土壤As污染，將受污染的收獲物直接作垃圾填埋處理或作為能源植物等工業(yè)原料；而篩選出的臺(tái)灣白骨柳葉空心菜、泰國(guó)白梗柳葉空心菜、油青空心菜等5個(gè)低累積品種則可以在輕度As污染土壤中種植，以期獲得可以安全食用的空心菜。

3.3 不同品種空心菜亞細(xì)胞累積As的差異分析

研究表明，重金屬積累通常會(huì)破壞植物的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)[26-28]。本試驗(yàn)研究分析了在50.00 mg·kg-1As脅迫下，As在19個(gè)品種空心菜地上部、地下部亞細(xì)胞中的分布，結(jié)果表明亞細(xì)胞中固持As含量規(guī)律為胞質(zhì)>細(xì)胞器>細(xì)胞壁。空心菜所吸收的As主要儲(chǔ)存在胞質(zhì)中，地上部胞質(zhì)中的As含量占亞細(xì)胞總As含量的49.06%，地下部胞質(zhì)中的As含量占亞細(xì)胞總As含量的47.61%。對(duì)不同品種空心菜亞細(xì)胞各部分所固持的As含量與生物量及植株As含量進(jìn)行相關(guān)性分析可以發(fā)現(xiàn)，地上部細(xì)胞壁中固持的As含量與生物量之間呈顯著的正相關(guān)(P<0.05)，地上部胞質(zhì)中固持的As含量與地上部生物量之間呈極顯著的正相關(guān)(P<0.01)。這反映了細(xì)胞壁與胞質(zhì)固持As的能力與解毒作用有關(guān)，細(xì)胞壁和胞質(zhì)固持As的能力越強(qiáng)，As對(duì)空心菜的毒害作用越弱，植株生長(zhǎng)就越好。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了白梗柳葉空心菜地下部細(xì)胞器中固持的As含量最高，為11.93 mg·kg-1，而其地下部的生物量是最低的，僅為0.63 g，可見(jiàn)若是細(xì)胞器中固持太多的As，會(huì)影響細(xì)胞正常的代謝活動(dòng)，危害植株生長(zhǎng)。

植物的胞質(zhì)組分由細(xì)胞質(zhì)和液泡組成，細(xì)胞液是細(xì)胞新陳代謝的主要場(chǎng)所[29]；液泡的主要功能是參與細(xì)胞的水分代謝，同時(shí)也是植物細(xì)胞代謝副產(chǎn)品及廢物囤積的場(chǎng)所[30]。有研究表明，某些超富集植物的解毒機(jī)理是通過(guò)液泡的區(qū)隔化來(lái)實(shí)現(xiàn)的[31-33]。在本試驗(yàn)中，細(xì)胞壁固持As的能力不強(qiáng)，僅占總量的2.22%～ 16.73%。這與陳璐等[12]對(duì)三七積累As的研究結(jié)論相同，他們發(fā)現(xiàn)As積累量為細(xì)胞液>細(xì)胞壁>細(xì)胞質(zhì)，以細(xì)胞液組分中As的相對(duì)比例最高，大幅高于細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞壁所占的分布比例。上述結(jié)果與Ernst等[34]和陳同斌等[35]所認(rèn)為的細(xì)胞壁具有重金屬的束縛作用和解毒能力的結(jié)論不相符。陳同斌等[35]研究超富集植物蜈蚣草中As的亞細(xì)胞分布時(shí)發(fā)現(xiàn)，在低As濃度時(shí)，細(xì)胞壁會(huì)優(yōu)先與As結(jié)合，將As固定來(lái)限制其向內(nèi)部轉(zhuǎn)運(yùn)，但蜈蚣草細(xì)胞壁對(duì)As的貯存能力有限，因此當(dāng)體內(nèi)As濃度過(guò)高時(shí)，絕大部分As都會(huì)向上轉(zhuǎn)移至羽葉中，然后通過(guò)區(qū)隔化作用來(lái)減輕As對(duì)其的傷害。本試驗(yàn)表明空心菜對(duì)As的解毒機(jī)理主要是通過(guò)液泡的區(qū)隔化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

4 結(jié)論

在As的重污染土壤小區(qū)種植的南方常見(jiàn)19種空心菜均可生長(zhǎng)，但不同品種空心菜生物量及As累積量存在顯著差異(P<0.05)，且As均超出GB 2762—2012的安全限量標(biāo)準(zhǔn)(0.5 mg·kg-1)。泰國(guó)空心菜、白梗柳葉空心菜、臺(tái)灣青梗竹葉空心菜、玉帥竹葉青空心菜、油青空心菜為相對(duì)低累積As的品種，適合在輕度As污染土壤上進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；而相對(duì)高積累As品種為臺(tái)灣大葉白骨空心菜、菜農(nóng)D-95空心菜、港種青綠梗葉空心菜，可考慮通過(guò)收獲生長(zhǎng)較快的地上部逐步修復(fù)污染土壤中的As。空心菜累積As主要在胞質(zhì)中，其解毒機(jī)制與液泡的區(qū)隔化有關(guān)，而空心菜的細(xì)胞壁對(duì)As的累積能力有限。

參考文獻(xiàn):

[1]Matschullat J.Arsenic in the geosphere：A review[J].The Science of the Total Environment,2000,249：297-312.

[2]胡省英,冉偉彥.土壤環(huán)境中As元素的生態(tài)效應(yīng)[J].物探與化探, 2006,30(1)：83-86.

HU Sheng-ying,RAN Wei-yan.Ecological effects of arsenic in soil environmental[J].Geophysical&Geochemical Exploration,2006,30(1)：83-86.

[3]翁煥新,張霄宇,鄒樂(lè)君,等.中國(guó)土壤中As的自然存在狀況及其成因分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版,2000,34(1)：88-92.

WENG Huan-xin,ZHANG Xiao-yu,ZOU Le-jun,et al.Natural existence of arsenic in soil of China and its cause of formation[J].Journal of ZhejiangUniversity：EngineeringScience,2000,34(1)：88-92.

[4]Tiwari K K,Singh N K,Patel M P,et al.Metal contamination of soil and translocation in vegetables growing under industrial wastewater irrigated agricultural field of Vadodara,Gujarat,India[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2011,74(6)：1670-1677.

[5]李筱薇,高俊全,王永芳,等.2000年中國(guó)總膳食研究——膳食As攝入量[J].衛(wèi)生研究,2006,35(1)：63-66.

LI Xiao-wei,GAO Jun-quan,WANG Yong-fang,et al.2000 Chinese total dietary study：The dietary arsenic intakes[J].Journal of Hygiene Research,2006,35(1)：63-66.

[6]陳同斌,宋 波,鄭袁明,等.北京市蔬菜和菜地土壤As含量及其健康風(fēng)險(xiǎn)分析[J].地理學(xué)報(bào),2006,61(3)：297-310.

CHEN Tong-bin,SONG Bo,ZHENG Yuan-ming,et al.A survey of arsenic concentrations in vegetables and soils in Beijing and the potential risks to human health[J].Acta Geographica Sinica,2006,61(3)：297-310.

[7]肖細(xì)元,陳同斌,廖曉勇,等.我國(guó)主要蔬菜和糧油作物的As含量與As富集能力比較[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(2)：291-296.

XIAO Xi-yuan,CHEN Tong-bin,LIAO Xiao-yong,et al.Comparison of concentrations and bioconcentration factors of arsenic in vegetables, grains and oil crops in China[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2009, 29(2)：291-296.

[8]周 芬,黃貴鳳,丁昌峰,等.適于As輕度超標(biāo)土壤種植的要菜品種的篩選[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2013,32(10)：1984-1991.

ZHOU Fen,HUANG Gui-feng,DING Chang-feng,et al.Screening of suitable rootstalk vegetable cultivars for the adaptation to slightly As contaminated soils[J].Journal of Agro-Environment Science,2013,32 (10)：1984-1991.

[9]宋 波,伏鳳艷,張學(xué)洪,等.桂林市菜地土壤和蔬菜As含量調(diào)查與健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(3)：728-735.

SONG Bo,FU Feng-yan,ZHANG Xue-hong,et al.A survey of arsenic concentrations in vegetables and soils in Guilin and the human health risks assessment[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2014,34(3)：728-735.

[10]Mathieu N K,曾希柏,李蓮芳,等.幾種葉類蔬菜對(duì)As吸收及累積特性的比較研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2013,32(3)：485-490.

Mathieu N K,ZENG Xi-bai,LI Lian-fang,et al.A screening study of five leafy vegetable species for tolerance and accumulation of toxic inorganic arsenic(V)under hydroponic conditions[J].Journal of Agro-Environment Science,2013,32(3)：485-490.

[11]陳 璐,米艷華,萬(wàn)小銘,等.砷在藥用植物三七要部組織及其亞細(xì)胞分布特征[J].植物學(xué)報(bào),2015,50(5)：591-597.

CHEN Lu,MI Yan-hua,WAN Xiao-ming,et al.Distribution characteristics of arsenic in medicinal plants Panax notoginseng′s taproots tissue and subcellular components[J].Chinese Bulletin of Botany,2015, 50(5)：591-597.

[12]Zheng M Z,Cai C,Hu Y,et al.Spatial distribution of arsenic and temporal variation of its concentration in rice[J].New Phytologist,2011, 189：200-209.

[13]肖細(xì)元,廖曉勇,陳同斌,等.As超富集植物蜈蚣草中磷和鈣的亞細(xì)胞分布及其與耐As毒的關(guān)系[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2006,26(6)：954-961.

XIAO Xi-yuan,LIAO Xiao-yong,CHEN Tong-bin,et al.Subcellular distributions of phosphorus and calcium in arsenic hyperaccumulator Pteris vittataL.and its tolerance to phytotoxicity of arsenic[J].ActaScientiae Circumstantiae,2006,26(6)：954-961.

[14]Ramos I,Esteban E,Lucena J J,et al.Cadmium uptake and subcellular distribution in plants of Lactuca sp.Cd-Mn interaction[J].Plant Science,2002,162：761-767.

[15]萬(wàn) 敏,周 衛(wèi),林 葆.鎘積累不同類型的小麥細(xì)胞鎘的亞細(xì)胞和分子分布[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2003,36(6)：671-675.

WAN Min,ZHOU Wei,LIN Bao.Subcelluar and molecular distribution of cadmium in two wheat genotypes differing in shoot/root Cd partitioning[J].ScientiaAgriculturaSinica,2003,36(6)：671-675.

[16]Hans J W.Subcellular distribution and chemical form of cadmium in bean plant[J].Plant Physiology,1980,46：480-482.

[17]Smith E,Juhasz A L,Weber J.Arsenic uptake and speciation in vegetables grown under greenhouse conditions[J].Environmental Geochemisty Health,2009,31：125-132.

[18]黃益宗,朱永官,胡 瑩,等.不同品種大豆對(duì)As吸收積累和分配的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2006,25(6)：1397-1401.

HUANG Yi-zong,ZHU Yong-guan,HU Ying,et al.Uptake and accumulation of arsenic by different soybean cultivars[J].Journal of Agro-Environment Science,2006,25(6)：1397-1401.

[19]Sun Y B,Zhou Q X,Wang L,et al.Cadmium tolerance and accumulation characteristics of Bidens pilosaL.as a potential Cd-hyperaccumulator[J].Journal of Hazardous Materials,2009,161：808-814.

[20]姜志艷,王建英,任曉麗.不同作物對(duì)As吸收累積特性分析[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2013,44(5)：793-796.

JIANG Zhi-yan,WANG Jian-ying,REN Xiao-li.Arsenic uptake accumulation characteristics in varied crops[J].Journal of Southern Agriculture,2013,44(5)：793-796.

[21]邱 丘.菜心Cd積累的品種間差異及Cd污染控制方法研究[D].廣州：中山大學(xué),2011.

QIU Qiu.Genotype variation of Cd accumulation and control methods for Cd pollution in Chinese flowering cabbage(Brassica parachinensis) [D].Guangzhou：Sun Yat-Sen University,2011.

[22]蘇德純,黃煥忠.油菜作為超累積植物修復(fù)鎘污染土壤的潛力[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2002,22(1)：48-51.

SU De-chun,HUANG Huan-zhong.The phytoremediation potential of oilseed rape(B.juncea)as a hyperaccumulator for cadmium contaminated soil[J].ChinaEnvironmental Science,2002,22(1)：48-51.

[23]駱永明.金屬污染土壤的植物修復(fù)[J].土壤,1999,31(5)：261-265. LUO Yong-ming.Phytoremediation of metal contaminated soil[J].Soil, 1999,31(5)：261-265.

[24]蔣先軍,駱永明,趙其國(guó).土壤重金屬污染的植物提取修復(fù)技術(shù)及其應(yīng)用前景[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),2000,19(3)：179-183.

JIANG Xian-jun,LUO Yong-ming,ZHAO Qi-guo.Plant extraction and remediation technology of heavy metal contaminated soil and its application prospect[J].Agro-environmental Protection,2000,19(3)：179-183.

[25]Li Y M,Channey L R,Schneiter A A.Genotypic variation in kernel cadmium concentration in sunflower germplasm under varying soil conditions[J].Crop Science,1995,35：137-141.

[26]施國(guó)新,杜開(kāi)和,解凱彬,等.汞、鎘污染對(duì)黑藻葉細(xì)胞傷害的超微結(jié)構(gòu)研究[J].植物學(xué)報(bào),2000,42(4)：373-378.

SHI Guo-xin,DU Kai-he,XIE Kai-bin,et al.Ultrastructural study of leaf cells damaged from Hg2+and Cd2+pollution in Hydrilla verticillata [J].ActaBotanicaSinica,2000,42(4)：373-378.

[27]施國(guó)新,解凱彬,杜開(kāi)和,等.Cr6+、As3+污染對(duì)黑藻葉細(xì)胞傷害的超微結(jié)構(gòu)研究[J].南京師大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,24(4)：93-97.

SHI Guo-xin,XIE Kai-bin,DU Kai-he,et al.Ultrastructural study of leaf cells damaged from Cr6+and As3+pollution in Hydrilla verticillata [J].NanjingNormal University(Nat Sci Edn),2001,24(4)：93-97.

[28]鄭國(guó)锠.細(xì)胞生物學(xué)[M].2版.北京：高等教育出版社,2000：127.

ZHEN Guo-chang.Cell biology[M].2nd Edition.Beijing：Higher Education Press,2000：127.

[29]汪良駒,劉友良.植物細(xì)胞中的液泡及其生理功能[J].植物生理學(xué)通訊,1998,34(5)：394-400.

WANG Liang-ju,LIU You-liang.Vacuoles of plant cells and their physiological functions[J].Plant Physiology Communication,1998,34 (5)：394-400.

[30]Hall J L.Cellular mechanisms for heavy metal detoxification and tolerance[J].Journal of Experimental Botany,2002,53：1-11.

[31]Brooks R R,Shaw S,Asensi M A.The chemical form and physiological function of nickel in some Iberian Alyssum species[J].Plant Physiology, 1981,51：167-170.

[32]Kramer U,Pickering I J,Prince R C.Subcellular localization and speciation of nickel in hyperaccumulator and non-accumulator Thlaspi species[J].Plant Physiology,2000,122：1343-1353.

[33]Frey B,Keller C,Zierold K,et al.Distribution of Zn in functionally different leaf epidermal cells of the hyperaccumulator Thlaspi caerulescens [J].Plant Cell and Environment,2000,23(7)：675-687.

[34]Ernst W H O,Verkleij J A C,Schat H.Metal tolerance in plants[J]. ActaBot Neerlandica,1992,41(3)：229-248.

[35]陳同斌,閻秀蘭,廖曉勇,等.蜈蚣草中As的亞細(xì)胞分布與區(qū)隔化作用[J].科學(xué)通報(bào),2006,50(24)：2739-2744.

CHEN Tong-bin,YAN Xiu-lan,LIAO Xiao-yong.et al.Subcellular and compartmentalization of arsenic in Pteris vittata L.[J].Chinese Science Bulltin,2005,50(24)：2739-2744

Accumulation and subcellular distribution of arsenic in water spinach(Ipomoea aquatica)cultivars from arsenic contaminated soil

CUI Xing-yi1,2,3,QIN Jun-hao1,2,LI Zhi-ming1,2,LI Hua-shou1,2,3*
(1.Key Laboratory of Agro-Environment in the Tropics,Ministry of Agriculture,P.R.China,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;2.Guangdong Engineering Research Center for Modern Eco-agriculture and Circular Agriculture,Guangzhou 510642,China; 3.Key Laboratory of Agroecology and Rural Environment of Guangdong Regular Higher Education Institutions,Guangzhou 510642,China)

Comparison of uptake and distribution of arsenic(As)accumulation in different cultivars of water spinach and its mechanisms are poorly investigated.A plot experiment in soil pools was conducted to study the effect of soil As stress on plant growth,As accumulation and As distribution in subcellular fraction of nineteen water spinach(Ipomoea aquatica)cultivars.The results showed that all those 19 Ipomoea aquatica cultivars could be growth under 66.4 mg·kg-1As of soil stress treatment.However,there was significant difference in the biomass, As accumulation among Ipomoea aquatica cultivars.And the concentration of above-ground portion of Ipomoea aquatica cultivars varied from 0.73 to 191.12 mg·kg-1As,all beyond the limits of the standard GB 2012—2762.In addition,four high As accumulating cultivars and three low As accumulating cultivars from 19 cultivars of Ipomoea aquatica were screened out.During the 66.4 mg·kg-1As exposure,the proportion of each constituent was in the order of soluble fraction(49.06%～77.44%)〉cell organ(19.90%～46.82%)〉cell wall(2.22%～16.73%), and cytoplasmic organelles and the cell wall maintained low levels of As.

Ipomoea aquatica cultivars;As accumulation;subcellular fraction;arsenic contaminated soil

X171.5

A

1672-2043(2017)01-0024-08

10.11654/jaes.2016-1009

2016-08-06

崔星怡(1992—)，女，碩士研究生，主要從事土壤重金屬和污染水體的生態(tài)修復(fù)。E-mail:starcui620@foxmail.com

*通信作者：黎華壽 E-mail：lihuashou@scau.edu.cn

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863計(jì)劃”)項(xiàng)目(2013AA102402)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41271469)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013B020303001，2015B090903077)

崔星怡，秦俊豪，李智鳴,等.不同品種空心菜對(duì)重污染土壤砷的吸收累積及其亞細(xì)胞分布[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36(1)：24-31.

CUI Xing-yi,QIN Jun-hao,LI Zhi-ming,et al.Accumulation and subcellular distribution of arsenic in water spinach(Ipomoea aquatica)cultivars from arsenic contaminated soil[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36(1)：24-31.