王建兵, 王金濤,顏可昕,郭小蘭,王 盾,戴洪文

(1.惠州學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院,廣東 惠州 516007; 2.中山大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510631; 3.肇慶學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院,廣東 肇慶 526061)

豆瓣菜(NasturtiumofficinaleR. Br.),又名西洋菜,是我國從國外引進(jìn)的適生濕地葉類蔬菜,原產(chǎn)于地中海東部,是十字花科豆瓣菜屬草本植物,其主要食用部分為嫩莖葉,質(zhì)地脆嫩多汁,富含人體所必需的18種氨基酸和9種微量元素,具有清熱解燥、潤肺止咳、平肝火、利尿、清除疲勞等食療作用,以及重要的藥用價(jià)值。Cruz等[1]認(rèn)為,豆瓣菜具有重要的防癌功能。豆瓣菜對土壤的要求不嚴(yán),葉菜供應(yīng)期為每年的10月—次年6月,產(chǎn)量一般在60～75 t·hm-2,經(jīng)濟(jì)效益良好,在我國各地均有種植。

多年來,由于使用受污染地表水甚至生活污水或工業(yè)廢水灌溉農(nóng)田,以及“三廢”(廢氣、廢水、固體廢棄物)、農(nóng)業(yè)化學(xué)品、大氣沉降等所帶來的污染影響,珠江三角洲有將近40%的農(nóng)田土壤受到各種程度的污染,而生長在這些污染農(nóng)田土壤上的蔬菜極易吸收其中的重金屬,并轉(zhuǎn)移到植物體積累[2～8]。2007年廣東省江門市發(fā)生豆瓣菜地受Pb污染事件[9],蔬菜的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)引起社會各界的廣泛關(guān)注。Zhou等[10]在廣州市抽測591個(gè)葉用蔬菜樣品,分析Cd、Pb含量,發(fā)現(xiàn)對照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18406.1—2001《農(nóng)產(chǎn)品安全質(zhì)量 無公害蔬菜安全要求》和國際食品法典委員會(CAC)的標(biāo)準(zhǔn),豆瓣菜的Cd超標(biāo)率分別為21.43%和7.14%,最大超標(biāo)倍數(shù)分別為10.19倍和2.55倍,Cd、Pb綜合污染指數(shù)達(dá)重度污染等級[10]。由此可見,選育豆瓣菜重金屬低積累的品種、研究其相關(guān)機(jī)理,兼具理論意義和應(yīng)用價(jià)值[11-13]。

作者團(tuán)隊(duì)前期研究了不同基因型豆瓣菜對土壤Cd不同暴露水平的響應(yīng),并篩選獲得了豆瓣菜鎘低積累基因型,即鎘污染安全品種(Cd-PSC)。將Cd-PSC種植在低濃度Cd污染的土地地上,其可食部分的重金屬含量低于國家食品安全標(biāo)準(zhǔn),可降低因土壤重金屬超標(biāo)而對食物鏈造成的污染風(fēng)險(xiǎn)[14]。眾所周知,農(nóng)田土壤的重金屬污染一般都不是單一元素污染,而是由多種元素構(gòu)成的復(fù)合污染,其中,Cd、Pb的復(fù)合污染尤為嚴(yán)重[2,15-16]。篩選得到的Cd-PSC是否能夠應(yīng)對Cd、Pb復(fù)合污染,還取決于其是否同時(shí)也是鉛污染安全品種(Pb-PSC)。為此,特開展盆栽試驗(yàn),以前期篩選得到的部分Cd低積累和高積累基因型豆瓣菜為對象[14],在Cd、Pb復(fù)合污染條件下,探討其地上部生物量、Cd含量、Pb含量的基因型差異,以期篩選、鑒定可食部位Cd、Pb含量能滿足CAC標(biāo)準(zhǔn)(Cd含量不超過0.2 mg·kg-1,Pb含量不超過0.3 mg·kg-1)的鎘、鉛污染安全品種(Cd+Pb-PSC),為Cd、Pb復(fù)合污染農(nóng)田土壤上豆瓣菜的安全生產(chǎn)提供種質(zhì)資源。

1 材料與方法

1.1 供試豆瓣菜基因型

以前期試驗(yàn)篩選得到的8個(gè)Cd低積累基因型(G11、G14、G16、G17、G18、G19、G20、G25),和作為對照的2個(gè)Cd高積累基因型(G4、G5)作為試驗(yàn)材料[14]。

1.2 試驗(yàn)處理

供試土壤為前期試驗(yàn)[14]中的鎘處理土壤,Cd含量在0.56～0.58 mg·kg-1,屬于中度污染,與多數(shù)污染農(nóng)田的土壤Cd含量相近[6-7,17],根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì),補(bǔ)充少量原對照土壤,風(fēng)干碾碎后過5 mm篩備用。在此基礎(chǔ)上,設(shè)置3個(gè)Pb水平:低Pb(LPb),不外源添加Pb;中Pb(MPb),外源添加Pb污染土壤,土壤中Pb的目標(biāo)含量為60 mg·kg-1;高Pb(HPb),外源添加Pb污染土壤,土壤中Pb的目標(biāo)含量為100 mg·kg-1。

將準(zhǔn)備好的土壤置于溫室中,澆水,平衡2周后,再次混勻,采集土樣,測定土壤理化性質(zhì)(表1)。除土壤Pb含量外,各處理的其余理化性狀基本一致。對照HJ 332—2006《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》,3個(gè)處理的土壤Cd含量均超過了種植葉用蔬菜土壤Cd含量的最大限值(0.3 mg·kg-1);MPb、HPb處理的土壤Pb含量也超過了種植葉用蔬菜土壤中Pb含量的最大限值(50 mg·kg-1),屬于Cd、Pb復(fù)合污染土壤[15]。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)

1.3 植物栽培和取樣

栽培試驗(yàn)在廣東省惠州市蔬菜科學(xué)研究所的蔬菜種植大棚內(nèi)進(jìn)行,全光,無遮陰。試驗(yàn)采用盆栽方法(盆底不漏水),塑料盆直徑25 cm,高20 cm,每盆裝土2 kg。為提供足夠肥力,每盆施入復(fù)合肥(N、P2O5、K2O的含量分別為15%、15%、15%)4 g。施肥后混勻土壤,澆水,保持土面上有1～2 cm的水,平衡2周。所有處理(10個(gè)豆瓣菜基因型×3個(gè)Pb水平)均采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。

5月10日從母本采枝扦插育苗,5月13日每盆挑選扦插成活的健康均一的幼苗3株移入平衡后的土壤中,5月17日間苗,最后每盆保留1棵長勢健壯的幼苗。整個(gè)生長過程中適時(shí)澆水,并進(jìn)行1次追肥,(每盆加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的尿素水溶液100 mL)。6月7日收獲全部地上部植株。

1.4 指標(biāo)測定

參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[18],采用常規(guī)方法檢測土壤理化性質(zhì):土壤pH值采用雷磁PHS-3C型酸度計(jì)(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)測量,浸提液的土水質(zhì)量體積比為1∶2.5;土壤全N含量采用凱氏定氮法測定;土壤有機(jī)質(zhì)含量采用濕消化法測定;土壤速效磷含量采用鉬銻抗比色法測定(UV-1700型紫外-可見分光光度計(jì),上海美析儀器有限公司);土壤速效鉀含量采用Hitachi Z-5300型火焰原子吸收分光光度計(jì)(日本Hitachi)測量;土壤全Cd、全Pb含量用HNO3-HClO4-HF消解,火焰原子吸收分光光度計(jì)測量[19];土壤有效態(tài)Cd、Pb含量采用DTPA浸提[20],火焰原子吸收分光光度計(jì)測定。

用自來水將收集的植物樣品沖洗干凈,再用超純水潤洗3次,晾干后稱量鮮重,105 ℃殺青30 min,70 ℃烘至恒重,稱量干重。樣品粉碎后待用。稱取0.200 0 g粉碎后的樣本用MDS-2002A型微波消解系統(tǒng)(上海新儀微波化學(xué)科技有限公司)消解,消解試劑為5 mL 65%(體積分?jǐn)?shù))HNO3(優(yōu)級純)和1.5 mL 30%(體積分?jǐn)?shù))H2O2(優(yōu)級純)。用火焰原子吸收分光光度計(jì)測定Cd、Pb含量。采用國家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)(植物GBW-07605)進(jìn)行分析質(zhì)量控制。參比物質(zhì)Cd含量的標(biāo)準(zhǔn)值為0.057 mg.kg-1,測量值為0.059 mg.kg-1,經(jīng)t檢驗(yàn),二者無顯著差異(P>0.05),表明本研究所采用的樣本處理方法和儀器精度能夠滿足檢測要求(表1)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

為了比較供試豆瓣菜地上部生物量對Cd、Pb復(fù)合污染的響應(yīng),基于鮮重計(jì)算其相對生物量(BRS),即豆瓣菜在高鉛水平(HPb)和低鉛水平(LPb)下生物量的差值與低鉛水平(LPb)下生物量之比[21]。

為了評價(jià)Cd、Pb從土壤向豆瓣菜可食部位轉(zhuǎn)移的能力,引入富集系數(shù)(AF)作為評價(jià)指標(biāo),即豆瓣菜可食部位的Cd/Pb含量(以干重計(jì))與對應(yīng)土壤的全Cd/全Pb含量(以干重計(jì))之比[22]。

重金屬含量超標(biāo)與否,其中,Cd的最大限值為0.2 mg·kg-1,Pb的最大限值為0.3 mg·kg-1。

采用Excel 2003軟件整理數(shù)據(jù)。采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行雙因素方差分析,對有顯著(P<0.05)差異的,采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同Cd-Pb污染條件下豆瓣菜基因型的地上部生物量

雙因素方差分析結(jié)果表明,基因型、Cd-Pb處理,及二者的交互作用均對豆瓣菜的地上部生物量(鮮重)有極顯著(P<0.01)影響。在LPb水平下,單株豆瓣菜的地上部生物量(鮮重)在8.9～27.4 g(表2),平均值14.7 g;在MPb水平下,單株豆瓣菜的地上部生物量(鮮重)在8.3～21.6 g,平均值16.2 g;在HPb水平下,單株豆瓣菜的地上部生物量(鮮重)在11.1～23.2 g,平均值16.2 g。MPb、HPb水平下單株豆瓣菜地上部生物量的平均值較LPb水平下顯著增加,增幅均為10.2%,說明土壤中一定濃度的Pb促進(jìn)了豆瓣菜的生長,但MPb、HPb水平下單株豆瓣菜地上部生物量的平均值差異不顯著。

表2 不同處理下各基因型豆瓣菜的單株地上部生物量(鮮重)

與LPb水平相比,HPb水平下G20、G4、G11、G17基因型的地上部生物量極顯著(P<0.01)增高(圖1),G19基因型的地上部生物量顯著升高?？梢?Pb污染并不一定會抑制豆瓣菜的生長,反而可能表現(xiàn)出一定的刺激作用,因此僅憑豆瓣菜的表觀形態(tài)難以判斷其是否受到Pb污染,這與土壤Cd污染的情況是相似的,會導(dǎo)致受污染產(chǎn)品更容易進(jìn)入食物鏈。與LPb水平相比,HPb水平下G5、G18基因型的生物量極顯著降低,說明其對Cd-Pb復(fù)合污染比較敏感。G14、G16、G25基因型豆瓣菜的地上部生物量在LPb、HPb水平下無顯著差異。

ns、*和**分別表示地上部生物量在HPb、LPb水平下差異不顯著(P>0.05)、顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)。

2.2 不同Cd-Pb污染條件下豆瓣菜基因型的Cd含量

雙因素方差分析結(jié)果表明,基因型、Cd-Pb處理,及二者的交互作用均對豆瓣菜的地上部Cd含量有顯著影響。在LPb水平下,供試豆瓣菜基因型的地上部Cd含量在0.011～0.066 mg·kg-1(表3),平均值0.030 mg·kg-1;在MPb水平下,供試豆瓣菜基因型的地上部Cd含量在0.021～0.085 mg·kg-1,平均值0.043 mg·kg-1;在HPb水平下,供試豆瓣菜基因型的地上部Cd含量在0.026～0.092 mg·kg-1,平均值0.048 mg·kg-1。3個(gè)Pb水平下,供試豆瓣菜基因型的地上部Cd含量差異顯著。

表3 不同處理下各基因型豆瓣菜的地上部Cd含量(以干重計(jì))

在3個(gè)Pb水平下,供試的8個(gè)Cd低積累基因型的地上部Cd含量均顯著低于Cd高積累基因型(G4、G5)。值得注意的是,對同一豆瓣菜基因型(G14除外),MPb或HPb水平下的地上部鎘含量顯著高于LPb水平下,表明土壤中的Pb在一定程度上促進(jìn)了豆瓣菜對Cd的吸收和積累。

2.3 不同Cd-Pb污染條件下豆瓣菜基因型的Pb含量

雙因素方差分析結(jié)果表明,基因型、Cd-Pb處理對豆瓣菜的地上部Pb含量有極顯著影響,基因型與Cd-Pb處理的交互作用對豆瓣菜的地上部Pb含量有顯著影響。在LPb水平下,供試豆瓣菜基因型的地上部Pb含量在0.107～0.222 mg·kg-1(表4),平均值0.162 mg·kg-1;在MPb水平下,供試豆瓣菜基因型的地上部Pb含量在0.074～0.232 mg·kg-1,平均值0.119 mg·kg-1;在HPb水平下,供試豆瓣菜基因型的地上部Pb含量在0.150～0.276 mg·kg-1,平均值0.197 mg·kg-1。參照HJ 332—2006,本研究中MPb和HPb水平的土壤Pb含量已超過最大限量,但試驗(yàn)條件下供試豆瓣菜基因型的地上部Pb含量均低于CAC標(biāo)準(zhǔn)的限量值(0.3 mg·kg-1),可見,豆瓣菜對Pb的吸收和積累能力較弱。

表4 不同處理下各基因型豆瓣菜的地上部Pb含量(以干重計(jì))

值得注意的是,2個(gè)Cd高積累基因型(G4、G5)的地上部Pb含量在所有供試基因型中是偏低的,而地上部Pb含量超過0.2 mg·kg-1的均是Cd低積累基因型。因此,同一豆瓣菜基因型的Cd、Pb積累能力可能是相反的。

在本研究中,將10個(gè)豆瓣菜基因型種在Cd、Pb復(fù)合污染土壤(土壤全Cd、全Pb含量分別為0.58、105.56 mg·kg-1)上,其地上部Cd、Pb含量均未超過CAC規(guī)定的葉用蔬菜最大限值。參照GB 2762—2022《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》的相關(guān)要求,在LPb、MPb、HPb處理下所有參試基因型的Cd、Pb含量均未超標(biāo)。因此,所有參試基因型可以認(rèn)定為典型的Cd+Pb-PSC。

2.4 不同Cd-Pb污染條件下豆瓣菜基因型的Cd、Pb富集系數(shù)

在一定程度上,富集系數(shù)可以表征蔬菜從土壤中吸收和積累重金屬的能力。在LPb水平下,供試豆瓣菜基因型的Cd富集系數(shù)在0.849～4.878(表5),平均值2.221;在MPb水平下,供試豆瓣菜基因型的Cd富集系數(shù)在1.475～6.098,平均值3.127;在HPb水平下,供試豆瓣菜基因型的Cd富集系數(shù)在1.907～6.641,平均值3.425。

表5 不同處理下各基因型豆瓣菜的Cd富集系數(shù)

Cd高積累基因型(G4、G5)的Cd富集系數(shù)顯著高于其他8個(gè)Cd低積累基因型。

在LPb水平下,供試豆瓣菜基因型的Pb富集系數(shù)在0.043～0.075(表6),平均值0.056;在MPb水平下,供試豆瓣菜基因型的Pb富集系數(shù)在0.016～0.047,平均值0.025;在HPb水平下,供試豆瓣菜基因型的Pb富集系數(shù)在0.016～0.028,平均值0.023。對同一豆瓣菜基因型來說,3個(gè)Pb水平下的Pb富集系數(shù)最大值均出現(xiàn)在LPb水平,說明豆瓣菜在低Pb水平下對Pb的吸收和積累能力相對較強(qiáng)。在本試驗(yàn)條件下,豆瓣菜地上部的Pb富集系數(shù)均很小,最大值僅為0.075,說明豆瓣菜從土壤中吸收積累Pb的能力很弱,因而在一般情況下豆瓣菜受Pb污染的風(fēng)險(xiǎn)較弱。

表6 不同處理下各基因型豆瓣菜的Pb富集系數(shù)

3 討論

3.1 適當(dāng)濃度的重金屬對豆瓣菜生長有一定的促進(jìn)作用

本研究結(jié)果顯示,適當(dāng)濃度的Cd、Pb復(fù)合污染對豆瓣菜的生長有一定的促進(jìn)作用。關(guān)于重金屬對植物生長的促進(jìn)作用已有大量報(bào)道[23]。Qiu等[15]在研究鎘、鉛污染對菜薹(菜心)生長的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),在一定范圍內(nèi),單一的Pb處理對菜薹生物量積累具有一定的促進(jìn)作用。Dai等[24]在研究鎘、鉛復(fù)合污染處理對芥菜的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)Cd、Pb處理濃度分別達(dá)0.57、116.79 mg·kg-1時(shí),芥菜的地上部生物量積累才受到顯著抑制。Tomsett等[25]認(rèn)為,低濃度的重金屬對植物有積極的刺激作用,這是植物的一種適應(yīng)性反應(yīng),植物通過加速生理生化活動產(chǎn)生大量的代謝產(chǎn)物與金屬離子絡(luò)合以解毒,從而導(dǎo)致生長加速。武淑華等[26]的研究也發(fā)現(xiàn),低濃度的Cd處理增強(qiáng)了植物體內(nèi)的過氧化氫酶、過氧化物酶和酸性磷酸酶等的活性,促進(jìn)了植物生長。

3.2 Cd、Pb復(fù)合污染條件下Pb促進(jìn)了豆瓣菜對Cd的吸收和積累

土壤中的重金屬污染常常以復(fù)合污染的形式存在,并且重金屬之間的交互作用對植物有顯著影響[27]。本研究中,隨著土壤Pb濃度升高(在一定范圍內(nèi)),豆瓣菜地上部的Cd含量也相應(yīng)升高,說明適當(dāng)濃度的Pb可以促進(jìn)豆瓣菜對Cd的吸收和積累。這與許多研究的結(jié)果一致。Dai等[24]在研究鎘、鉛復(fù)合污染處理對芥菜Cd含量的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),隨著土壤Pb處理濃度的升高,芥菜地上部的Cd含量也相應(yīng)升高。呂建波等[28]發(fā)現(xiàn),當(dāng)多種重金屬元素共存時(shí),其復(fù)合作用可以大大改變重金屬的生物活性或毒性。Serrano等[29]的研究發(fā)現(xiàn),土壤對Pb的吸持能力要強(qiáng)于Cd,并且Pb能明顯降低土壤對Cd的吸附。黎佳佳等[30]研究表明,一定濃度的Cd、Pb同時(shí)存在時(shí),Pb可奪取Cd在土壤中的吸附位,使Cd的活性增加,提高土壤中Cd的有效性,而土壤對Pb具有很強(qiáng)的吸附能力,使Pb更易固定在土壤中,難于遷移,不易被植物吸收。Lin等[31]發(fā)現(xiàn),Pb的存在能提高土壤Cd的活性,從而增加水稻植株中的Cd含量。Madyiwa[32]發(fā)現(xiàn),較單施Cd或Pb,同時(shí)施加Cd和Pb的處理能增強(qiáng)Cynodonnlemfuensis對Cd的吸收積累,但對Pb無顯著影響。Zhou等[10]在對莧菜的研究中也有類似發(fā)現(xiàn)。但是,Qiu等[15]在研究鎘、鉛復(fù)合污染處理對菜薹的影響時(shí)卻發(fā)現(xiàn)相反的現(xiàn)象,即隨著土壤Pb濃度的提高,供試菜薹品種地上部的Cd含量顯著降低。因此,重金屬復(fù)合污染條件對不同植物生長和重金屬積累的影響和規(guī)律可能并不完全一致。

3.3 豆瓣菜在Cd、Pb復(fù)合污染條件下的鎘富集系數(shù)大于鉛富集系數(shù)

生物富集系數(shù)常被用來反映土壤-植物體系中元素遷移的難易程度,是評價(jià)植物將重金屬吸收轉(zhuǎn)移到體內(nèi)能力的重要指標(biāo)[22]。在LPb、MPb、HPb水平下,供試豆瓣菜基因型的Cd富集系數(shù)大都大于1,且隨著Pb濃度升高(在一定范圍內(nèi))而增加。相比之下,供試豆瓣菜基因型的Pb富集系數(shù)卻很小,且隨著Pb處理濃度的升高(在一定范圍內(nèi))而下降。這可能是由于過高濃度的Pb抑制了植物正常的生長和代謝,進(jìn)而影響了植物對Pb的吸收[33]。Dai等[24]在研究鎘、鉛復(fù)合污染處理對芥菜的影響時(shí)同樣發(fā)現(xiàn),供試芥菜品種的Pb富集系數(shù)很小(0.003 6～0.036 4),且同樣隨著Pb處理濃度的升高而下降。趙小蓉等[34]研究了成都平原6種蔬菜對重金屬的富集能力,結(jié)果表明,6種蔬菜對重金屬的富集能力總體表現(xiàn)為Cd>Hg>Pb>As>Cr,對Pb的富集系數(shù)在0.002～0.031,平均值為0.020,6種蔬菜對Pb的富集系數(shù)由高到低依次是花菜>白菜>萵筍>蓮白>蘿卜>馬鈴薯,花菜是馬鈴薯的12.9倍。高宗軍等[35]在山東省魚臺地區(qū)蔬菜上的研究表明,各類蔬菜的Pb富集系數(shù)在0.05～0.42,蘿卜、白菜、結(jié)球甘藍(lán)(卷心菜)的Pb富集系數(shù)分別為0.12、0.27、0.42。與現(xiàn)有研究報(bào)道的葉菜對Pb的富集系數(shù)相比,豆瓣菜對Pb的富集能力處于中等偏下水平。

結(jié)合本研究和本課題組前期研究結(jié)果判斷,總體上豆瓣菜具有相對較強(qiáng)的Cd積累能力,強(qiáng)于蔥、韭菜[13],而弱于莧菜[10]、蕹菜[36]、菜薹[15]、小白菜[37]、芥菜[24],而且不同豆瓣菜基因型的Cd積累能力不受土壤Pb含量的影響。豆瓣菜各基因型的Cd積累能力隨土壤中Pb濃度的上升而增強(qiáng),這有利于Cd、Pb復(fù)合污染條件下豆瓣菜的應(yīng)用。豆瓣菜對Pb的積累能力相對較弱,這與以往的調(diào)查結(jié)果有所不同[9-10]。從本研究結(jié)果來看,豆瓣菜受Cd污染的風(fēng)險(xiǎn)要遠(yuǎn)高于Pb。

致謝：感謝中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院楊中藝教授對本研究和論文寫作的精心指導(dǎo)!