重金属Cd、Cu、Zn在小麦全生育期中的富集规律

重金属Cd、Cu、Zn在小麦全生育期中的富集规律孙芳立;张金恒;孙永红;郭庆增;苏忠亮【摘要】为研究土壤重金属污染对小麦的胁迫机理,通过系统的田间小区控制试验,研究了铜、锌、镉3种重金属在小麦不同生长期干样中3种重金属的含量,以及小麦干样根细胞和叶细胞中的重金属分布规律.研究表明:3种重金属对小麦均具有不同程度的毒害作用,其中重金属铜对小麦的毒害作用最强.根是重金属的主要富集器官,重金属向地上部分的转移很少.除成熟期外,重金属含量在不同时期的不同器官中由多到少的分布浓度为根＞茎＞叶.在成熟期Cd、Zn含量在不同器官中由多到少为茎叶＞穗,Cu在不同器官中含量由多到少为穗＞茎叶.不同的重金属在籽粒和茎叶中的富集浓度几乎相同.不同重金属在小麦的不同器官及不同生育期表现出不同的富集规律,在同一处理水平下,Cd在小麦根和茎叶中的富集浓度都呈现出先上升,后下降,在灌浆期又再次上升的趋势;Cu在根细胞中的富集浓度是在低浓度处理下呈现出先降低后增加的趋势,在高浓度处理水平下呈现出先增加后降低的趋势,Cu 在叶细胞中的富集浓度与处理水平、生长周期没有太大的关系,呈现出持平的状态;Zn在小麦根和茎叶中的富集浓度是随着生长期的延长而降低,在分蘖期重金属的富集浓度最高.【期刊名称】《青岛科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(039)005【总页数】8页(P34-41)【关键词】镉;铜;锌;小麦;全生育期;富集规律【作者】孙芳立;张金恒;孙永红;郭庆增;苏忠亮【作者单位】青岛科技大学环境与安全工程学院,山东青岛266042;青岛科技大学环境与安全工程学院,山东青岛266042;青岛市农业科学研究院中心实验室,山东青岛266042;青岛科技大学环境与安全工程学院,山东青岛266042;青岛科技大学环境与安全工程学院,山东青岛266042【正文语种】中文【中图分类】X503.2环境污染与食品安全问题一直都是各方人士关注的重点。

食品的重金属污染问题也是目前亟待解决的难题。

土壤中的重金属，尤其是溶解态的重金属很容易通过质外体和共质体这两种途径进入到作物的根系中，然后通过植物木质部薄壁细胞进入到导管，再在导管中运输到植物的地上部分，最后在植物的地上部分累积或者是分配到各个细胞器中[1]。

重金属在土壤中有不同的存在状态[2]，在此基础上很多学者研究了重金属在作物中的富集规律。

Cd[3]、Cu[4]、Zn[5]是重金属中的“五毒”成员，因极易被植物富集且极易对动植物机体造成损伤，因为研究它们在重要的粮食作物小麦中的富集是十分有必要的。

在小麦的不同生长期，Cd、Cu、Zn在不同器官中的富集规律也是存在很大差异。

有学者曾经报道，重金属主要是富集在器官根中[6-8]，并且重金属的富集浓度随着处理浓度的增加而增加[9-10]；也有学者指出，低浓度Cd处理会促进小麦的生长发育[11]，重金属主要富集于小麦生长旺盛的器官中[12]。

目前文献报道的重金属在小麦中的富集规律及对生长发育的影响主要侧重于小麦的某个发育期[13]或某个器官[14-15]，在小麦不同生育期乃至全生育期重金属的富集与分布规律的研究文献报道很少[16]。

了解重金属在小麦不同生育期的分布对于进一步研究小麦重金属损伤机理是十分必要。

另外，文献报道的重金属对小麦中的富集及生长发育的影响主要采用了盆栽[12,17-18]或者水培[7-19]的方法，并不能体现出在实际生长的大田环境中重金属对小麦生长发育的影响及重金属的富集规律。

针对以上不足，本研究通过开展田间小区控制试验,施加不同浓度重金属模拟重金属对土壤的污染，然后对不同生长期的小麦进行采样，测量小麦不同器官干样中重金属含量，试图在器官水平揭示重金属在小麦全生育期中的富集规律，并分析其原因，以便为阐明重金属对小麦的损伤机理奠定基础。

1 实验部分1.1 试剂与仪器实验供试材料为济麦22号。

硝酸、高氯酸、盐酸、蔗糖、三异丙基乙磺酰、盐酸、二硫赤鲜糖醇，中国天津市巴斯夫化工有限公司；去离子水。

石墨炉原子吸收仪，AA600型，美国PE公司；火焰原子吸收仪，AA400型，美国PE公司；粉碎机，飞利浦公司。

1.2 实验设计试验田位于青岛市城阳区京口村。

土壤本底理化性质：棕壤，pH 6.15，有机质含量，2.26%，总铜28.1 mg·kg-1，总锌73.0 mg·kg-1，总镉0.10 mg·kg-1。

试验田共设置45个小区，每个小区面积为6 m2，在小区之间设有PVC隔板，不同重复之间同时设置田埂隔离。

以Cu、Zn、Cd为研究对象，参照土壤环境质量标准(GB15618—1995)，每种重金属设置5个梯度：对照(CK)、低剂量(L1)、中剂量(L2)、高剂量(L3)以及超高剂量(L4)；其浓度梯度分别是：铜浓度为0，100，300，600，900 mg·kg-1；锌浓度为0，250，500，750，1 000 mg·kg-1；镉分别为0，1，3，5，8 mg·kg-1。

重金属Cu、Zn、Cd分别以CuSO4、ZnSO4和CdSO4溶液喷洒于每个小区，并翻土混匀。

小麦于2014年10月8日播种,每小区播种量为110 g。

在小麦的分蘖期、拔节-孕穗期、抽穗-扬花期、灌浆期、成熟期、收获期进行采样，测定不同器官中重金属含量。

1.3 实验方法小麦鲜样用自来水清洗干净，擦干，剪下根和茎叶，分别放入牛皮信封中，备用。

将小麦鲜样放入烘箱，120 ℃下杀青1 h，然后将烘箱温度调节为70 ℃，继续烘干12 h。

将烘干后的小麦样品先粉碎成粉，再配置成匀浆，方法如下：分别取小麦的根和茎叶干样1.000 0 g，加入20 mL预冷的提取液(250 mmol·L-1蔗糖，50 mmol·L-1 Tris-HCl缓冲溶液(pH=7.5)和1.0 mmol·L-1的二硫赤藓糖醇)，研磨成匀浆。

然后向匀浆中加入10 mL HNO3-HClO4(1+9)，对匀浆后的组织样品进行消化，酸化反应一段时间后，将其转移到250 mL的锥形瓶中，转移后用5 mL(1+9)的HNO3-HClO4洗涤研钵，并将洗涤液一并转移到锥形瓶中。

在锥形瓶上放入漏斗，然后将样品用电加热板加热。

加热的程序：先120 ℃加热30 min，后180 ℃，加热30 min，再220 ℃加热1 h后，取下漏斗，再加热到近干。

向锥形瓶中加入2 mL的H3PO4(1+3)，并用10～20 mL去离子水冲洗锥形瓶壁，将锥形瓶放到电加热板上加热10 min，冷却后，将消化好的溶液转移到带有刻度的离心管中，用去离子水多次洗涤锥形瓶壁，将冲洗液一并转移到离心管中，最后用去离子水定容到40 mL。

用石墨炉原子吸收仪测定Cd的含量，用火焰原子吸收仪测定Cu和Zn含量[18]。

2 结果与讨论2.1 Cd的富集规律2.1.1 Cd在小麦不同器官中的富集特征图1为Cd在小麦的不同生长时期不同器官中的富集分布。

在分蘖期到扬花期，Cd在小麦不同器官中的富集浓度均是随着处理水平的增加呈现出增加的趋势，在器官中分布规律：根>茎>叶。

这与肖昕等的研究结果是一致的[17-18，20]。

在这几个时期，小麦主要是进行根的生育与茎的长高，小麦根部吸收的大部分的营养物质都主要是用于自身的生长发育。

根对重金属的截留，可以避免重金属对地上部分的毒害，防止叶片发黄、干枯等，从而避免光合作用减弱。

图1 不同生长时期小麦不同器官中Cd的浓度分布Fig.1 Cd concentration distribution in different organs灌浆期，Cd在小麦不同器官中的分布规律：根>叶>茎>穗，大部分的重金属依然固定在根里。

但是随着处理水平的增加，Cd在小麦不同器官中的富集浓度均呈现出先增加后降低的趋势，在L3处理水平达到最大。

在处理浓度为L4时，过高浓度的Cd对小麦植株产生了毒害作用，因此植株对Cd的点的富集浓度相对于L3减少。

在小麦的成熟期，由于小麦根部老化脆弱，难以取样，只测得在地上部分Cd的分布。

Cd在茎叶中的富集浓度要高于穗中的富集浓度。

重金属Cd在经过根吸收、茎叶的转运之后，最终的富集部位是麦穗，这种富集现象，正好体现了Cd的一个转移过程。

同时，重金属在转移的过程中，经过根、茎、叶的截留，有效的减少在籽粒中的富集，这有利于保证食品安全。

在这一时期，Cd的临界浓度为L2处理水平。

收获期Cd在小麦各器官中的浓度分布可见，Cd在小麦的茎叶、麦粒和麦糠中的富集浓度随着处理水平的增加呈现出上升的趋势，不同器官中Cd的分布规律:茎叶>麦粒>麦糠。

在小麦的不同生育期，Cd的主要富集器官是根，茎、叶或穗中的富集浓度较低。

这是小麦对自身保护的一种表现。

因为小麦的生殖器官都是在地上部，重金属大部分富集在根中，可以减少地上部分的损伤。

其机理主要是：Cd进入根部细胞后，与根细胞壁上的蛋白质、糖类等物质结合，形成大分子的不溶络合物，阻止了Cd 向地上部分的转移[9]。

2.1.2 Cd在小麦部分生育期的富集特征Cd在小麦不同生育期中的富集规律见图2。

从图2可以看出，同一处理水平下，在小麦的不同生育期，重金属Cd在小麦根和茎叶中的富集浓度均呈现出先下降，在灌浆期又上升的趋势。

分析其原因，可能是小麦在苗期对重金属的防御机制发育还不完善，重金属很容易随着营养物质被根吸收，因此在这个时期小麦对Cd的富集浓度最大。

随着小麦的生育与成熟，小麦体内对重金属的抵御机制逐渐完善，所以在拔节-孕穗期、抽穗-扬花期小麦对Cd的富集浓度相对于分蘖期的富集浓度反而呈现出降低的现象。

另外一个原因可能是，在拔节孕穗期，抽穗-扬花期，小麦的进入一个快速生育的时期，对重金属的转运速率要低于其生育速率，因此对重金属的累积量呈现出下降的趋势。

在灌浆期开始，小麦的根部开始衰老，导致重金属向地上部分的转移降低，在根部的积累量开始增加。

由此可见，Cd对小麦苗期的损伤更大一些。

这一现象与肖昕、邵云等的结论是一致的[10，19]。

图2 Cd在小麦不同生育期中的富集规律Fig.2 Cd concentration distribution in different growth duration2.2 Cu的富集规律2.2.1 Cu在小麦不同器官中的富集特征图3为小麦分蘖期、拔节-孕穗期及抽穗-扬花期的Cu在各器官中的富集规律。

总体来看，Cu在小麦根和茎叶中的富集浓度随着处理水平的增加呈现出增加的趋势。

在小麦灌浆期，Cu富集浓度随着处理水平的增加呈现处先增加后降低的趋势，在处理浓度为L2时富集浓度最大。

在小麦成熟期，只测的地上部分Cu的分布。