向文平，楊 穎，崔榮龍，王俊飛

（1.四川中環(huán)聯(lián)量環(huán)境咨詢服務(wù)有限公司，四川 成都 610100；2.中鐵二十三局集團(tuán)第四工程有限公司，四川 成都 610091；3.中華全國(guó)供銷合作總社天津再生資源研究所，天津 300191）

引言

土壤重金屬的危害一直是我國(guó)重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)境危害之一。有資料顯示，目前我國(guó)因鎘、砷、鉛、鉻、鋅等重金屬而污染的耕地面積約有2.5×104hm2，約占我國(guó)總耕地面積的1/5[2]，具體見圖1。

圖1 我國(guó)土地污染情況餅狀圖

密度高于4.5g/cm3的金屬被稱為重金屬，其中包括鉻、銅、汞、鐵、鉛、鋅等。我國(guó)重金屬危害主要是由污水灌溉、工業(yè)“三廢”的排放、金屬礦山廢水污染、農(nóng)業(yè)活動(dòng)、大氣沉降、交通污染等引起的[3]。

鋅是植物必需的微量元素之一，缺Zn 會(huì)導(dǎo)致植物缺乏營(yíng)養(yǎng)，引起生理病害，而Zn 過量則會(huì)導(dǎo)致植物代謝失衡，對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用，Zn 對(duì)植物的毒害作用主要表現(xiàn)在破壞葉綠素的生成，降低植物光合作用強(qiáng)度[4]。

本文通過研究在重金屬鋅污染下石榴的耐性特征以及重金屬鋅在石榴體內(nèi)的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)，探究重金屬鋅對(duì)植物的影響機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)材料：成都龍泉驛區(qū)某工業(yè)園區(qū)內(nèi)土壤、有機(jī)泥炭營(yíng)養(yǎng)土、花盆若干、石榴幼苗若干。

實(shí)驗(yàn)儀器：千分位電子天平、球磨機(jī)、烘箱、消解儀、TAS 火焰原子吸收分光光度計(jì)、鋅空心陰極燈、雙光束紫外分光光度計(jì)等。

實(shí)驗(yàn)試劑：硝酸、氫氟酸、蒸餾水等。

1.2 檢測(cè)方法

鋅的測(cè)量：用千分位電子天平各稱取前處理后的各實(shí)驗(yàn)組培養(yǎng)土和石榴根、莖、葉0.5 g（精確至0.01 g），并裝入容量為25 mL 的帶蓋聚四氟乙烯坩堝中，加入少量純凈蒸餾水后加入10 mL 濃鹽酸。

在電熱板上以450±5 ℃的溫度消解2 h。然后加入濃硝酸15 mL，繼續(xù)加熱待坩堝中消解物約為5 mL時(shí)，加入氫氟酸5 mL 繼續(xù)加熱，以除去樣品中的硅化物。最后加入高氯酸5mL 加熱到坩堝內(nèi)的消解物顏色為淡黃時(shí)，打開蓋，繼續(xù)加熱蒸發(fā)消解物至近干。取下冷卻，加入1 mL 硝酸溶解坩堝中的殘?jiān)笠迫?0 mL 容量瓶中，定容。全程序空白實(shí)驗(yàn)與樣品同時(shí)進(jìn)行。儀器的使用條件見下頁(yè)表1。

表1 儀器條件

葉綠素的測(cè)量：本實(shí)驗(yàn)采用乙醇提取法提取樣本中的葉綠素。準(zhǔn)確稱量0.1 g（精確至0.01 g）新鮮石榴葉片，加入少量95%的乙醇，避光用瑪瑙研缽研磨成均勻漿糊狀，過濾后用10 mL 具塞比色管定容；使用雙光束紫外可見分光光度計(jì)，以95%的乙醇較零，分別在649 nm、665 nm 處測(cè)量樣品吸光度。石榴葉片葉

綠素計(jì)算公式如式（1）～式（3）：

葉綠素a 質(zhì)量濃度，mg/L：

葉綠素b 質(zhì)量濃度，mg/L：

葉綠素質(zhì)量濃度：

葉綠素a、b 質(zhì)量濃度比值為ρa(bǔ)/ρb。

式中：A649、A665分別為試樣在649 nm、665 nm 波長(zhǎng)下所測(cè)得吸光度值。

葉綠素對(duì)植物的生長(zhǎng)起著至關(guān)重要的作用，植物中的葉綠素利用光合作用吸收光能生成有機(jī)物和少量的能量使植物得以生長(zhǎng)發(fā)育。葉綠素的含量直接決定了植物光合作用強(qiáng)度，因此，通過檢測(cè)葉綠素含量的多少可以間接地確定植物的健康程度。

1.3 石榴栽培和測(cè)定方法

本文研究?jī)?nèi)容是采用盆栽實(shí)驗(yàn)，Zn 處理各設(shè)置5種質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度[w（Zn）：0、100、500、1 000、1 500 mg/kg]見表2，研究石榴在Zn 污染下的生理和生化響應(yīng)以及Zn 在石榴體內(nèi)的富集特征，通過研究石榴抵御重金屬脅迫的抗性機(jī)理，探究重金屬鋅的脅迫機(jī)理。

表2 重金屬鋅處理濃度

首先，通過火焰原子吸收分光光度法測(cè)量各實(shí)驗(yàn)組培養(yǎng)前、后土壤和石榴各器官中鋅的含量。通過計(jì)算在不同濃度鋅污染土壤中石榴對(duì)鋅的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)，探究鋅在石榴體內(nèi)的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律。同時(shí)，通過雙光束紫外可見分光光度計(jì)測(cè)量葉片中的葉綠素含量，間接確定石榴對(duì)鋅的耐受能力和健康狀況

具體步驟如下：

（1）2021 年1 月至3 月：取若干（18 個(gè)以上）個(gè)花盆，將成都龍泉驛區(qū)某工業(yè)園區(qū)內(nèi)土壤、有機(jī)泥炭營(yíng)養(yǎng)土按18 ∶2 的質(zhì)量比例混合均勻通過后過網(wǎng)篩（10 目，0.25 mm），然后將過篩后的土（培養(yǎng)土）分別裝入花盆中，每個(gè)花盆裝土8.0 kg（精確至0.1 kg）。

選取適量的培養(yǎng)土、石榴的根、莖、葉，稱重記錄后放入烘箱，以80 ℃烘4 h，烘干后再稱量記錄質(zhì)量并計(jì)算樣品濕度及干物質(zhì)的量。然后將樣品放入球磨機(jī)粉碎后過篩（0.18 mm），取過篩樣品按照檢測(cè)方法1.2，測(cè)定樣品濕度及鋅含量的本底值。

將若干石榴幼苗栽種到裝好土的花盆中。等到石榴幼苗生長(zhǎng)狀態(tài)穩(wěn)定后，將配好的鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液按照表2 加入到各盆石榴中，4 個(gè)梯度實(shí)驗(yàn)組各設(shè)5 盆，空白對(duì)照組設(shè)3 盆。

（2）2021 年4 月至9 月：觀察并記錄石榴植株的生長(zhǎng)狀態(tài)，取適量土壤和石榴各器官樣品，重復(fù)1 月至3 月培養(yǎng)土和植株樣品的本底值測(cè)量步驟，測(cè)定鋅的含量，濕度變化，記錄和分析測(cè)量的數(shù)據(jù)。

（3）2021 年10 月：整理并分析本實(shí)驗(yàn)所有數(shù)據(jù)和資料，探究在重金屬鋅5 種濃度梯度污染下木本植物石榴對(duì)鋅的抵御脅迫的抗性機(jī)理以及鋅在石榴體內(nèi)的富集特征。

2 結(jié)果及討論

2.1 土壤本底值

測(cè)定剛培養(yǎng)土中重金屬鋅的本底值（表3、表4）。

表3 土壤重金屬鋅本底值

表4 土壤本底值其他指標(biāo)

2.2 耐性特征

石榴的空白對(duì)照組（CK）發(fā)芽時(shí)間為5～7 天，實(shí)驗(yàn)組石榴的發(fā)芽時(shí)間如表5 所示。

表5 重金屬鋅處理下石榴發(fā)芽情況

由表5 可知，在鋅的高濃度脅迫下各實(shí)驗(yàn)組石榴的發(fā)芽時(shí)間相比于空白組發(fā)芽時(shí)間有明顯的延后，且鋅的濃度越高，發(fā)芽時(shí)間延后越明顯。而鋅的濃度較低時(shí)發(fā)芽時(shí)間較空白組有略微的提前。由此可知高濃度鋅會(huì)對(duì)石榴的發(fā)芽產(chǎn)生抑制作用，低濃度時(shí)有促進(jìn)作用，整體體現(xiàn)為高抑低促的趨勢(shì)。

由下頁(yè)表6 可知，在重金屬鋅污染的土壤下，除處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)為500 mg/kg 和1000 mg/kg 之間變化不明顯外，石榴葉片葉綠素a 和葉綠素a&b 含量隨處理濃度升高均呈先升高后降低趨勢(shì)，且在鋅添加量為100 mg/kg 時(shí)達(dá)到最大值，分別比對(duì)升高了0.037、0.094、0.042 mg/kg，說明鋅對(duì)石榴葉片中葉綠素含量的影響也有高抑低促的作用，說明高濃度重金屬鋅會(huì)對(duì)石榴的光合作用產(chǎn)生抑制作用，而低濃度的鋅反而對(duì)石榴的生長(zhǎng)有益。

表6 重金屬鎘處理下石榴葉片內(nèi)葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù) mg/kg

2.3 富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

利用檢測(cè)方法2.2 測(cè)量石榴體內(nèi)的鋅的含量，再利用下列公式計(jì)算出鋅在石榴體內(nèi)的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。

富集系數(shù)=植物體內(nèi)某重金屬所占得質(zhì)量分?jǐn)?shù)/環(huán)境中某金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[5]

根-莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=植物莖和葉中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)/植物根部重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)[5]

由表7 可知，在重金屬鋅的處理下，與對(duì)照相比，在石榴的根莖葉中重金屬鋅含量均隨處理濃度的升高而增大。低濃度處理時(shí)，鋅在根莖葉中沒有呈現(xiàn)明顯的分布規(guī)律，但通過表7 可以看出，鋅濃度在第二組（500±56.7 mg/kg）以上時(shí)，鋅在葉片中的含量明顯多于根部，說明在高濃度鋅的污染下鋅會(huì)向石榴的莖葉中轉(zhuǎn)移并富集，此時(shí)的果實(shí)不宜使用。

表7 石榴根莖葉中鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù) mg/kg

由表8 可知，石榴根莖葉的富集系數(shù)均隨土壤中鋅濃度的升高而變小，除了一號(hào)實(shí)驗(yàn)組以外，石榴的根對(duì)鎘的富集系數(shù)高于空白組，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于對(duì)照，說明高質(zhì)量分?jǐn)?shù)下（＞100 mg/kg+56.7 mg/kg）鋅的加入均能促進(jìn)石榴體內(nèi)的鋅從石榴的根部向遷移到莖葉的能力。此時(shí)石榴體內(nèi)的重金屬鋅主要會(huì)富集在石榴的莖葉中，對(duì)石榴可食用部分的影響較大。

表8 石榴根-莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)及富集系數(shù)

3 結(jié)論

本文以鋅和石榴作為研究對(duì)象，通過在鋅處理后的培養(yǎng)土中栽種石榴幼苗，測(cè)定生長(zhǎng)在重金屬鋅污染的土壤下的石榴葉綠素、鋅含量等，研究石榴在鋅污染下的生理和生化響應(yīng)以及鋅在石榴體內(nèi)的富集特征，通過研究石榴抵御重金屬脅迫的抗性機(jī)理，探究重金屬鋅的脅迫機(jī)理。取得了一定的研究成果：高濃度鋅會(huì)對(duì)石榴的發(fā)芽產(chǎn)生抑制作用，低濃度時(shí)有促進(jìn)作用，整體體現(xiàn)為高抑低促的趨勢(shì)；高濃度重金屬鋅會(huì)對(duì)石榴的光合作用產(chǎn)生抑制作用，而低濃度的鋅反而對(duì)石榴的生長(zhǎng)有益；在高濃度鋅的污染下鋅會(huì)向石榴的莖葉中轉(zhuǎn)移并富集；w（Zn）＞100+56.7 mg/kg 時(shí)鋅的加入均能促進(jìn)石榴體內(nèi)的鋅從石榴的根部向遷移到莖葉的能力。

本研究可以對(duì)提高植物重金屬污染的適應(yīng)能力、改善重金屬污染現(xiàn)狀、開發(fā)培育重金屬鋅超富集植物、土壤植物修復(fù)、以及重金屬污染土壤的治理提供數(shù)據(jù)依靠和理論支撐。