论文部分内容阅读
叶类蔬菜是重金属高度富集的物种,它们比其他作物更容易受到重金属污染。在中轻度污染土壤上,作物虽然未出现明显的生理紊乱,但可食用部分的镉和砷可能已经远远超过安全阈值,因此蔬菜中镉和砷的富集正在威胁着人类健康。本文研究了叶类蔬菜对土壤重金属Cd和As的吸收累积特征,探索复合污染对叶类蔬菜生长的影响与机制,筛选适合在轻度污染土壤上栽培的低累积性蔬菜,为Cd和As污染土壤合理与安全利用提供基础资料和理论依据。另外,从镉对铁、锰、铜、锌等微量营养元素吸收,以及保护性酶活性、植物螯合剂（PCs）和硫醇库（thiol pool）的稳衡性等方面来探讨不同耐性的叶菜对重金属累积与胁迫之抗性机制。本研究采集了西安市12个不同镉、砷污染程度的菜地耕层土壤,通过盆栽试验研究了复合污染土壤上七种叶菜（菠菜、油菜、生菜、油麦菜、苋菜、空心菜和茼蒿）产量、Cd和As含量与吸收累积量、富集系数等,并用线性回归模型研究了不同蔬菜栽培的土壤Cd和As安全临界值。本文还通过水培试验研究了茼蒿（Chrysanthemum coronarium L.）,菠菜（Spinacia oleracea L.）和生菜（Lactuca sativa L.）等三种叶菜的Cd积累、转运以及Cd耐性机制;研究了氧化应激标记物（MDA、可溶性蛋白、GSH:GSSG）,抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性和硫醇库（半胱氨酸,γ-谷氨酰半胱氨酸,谷胱甘肽和植物螯合素）含量对Cd胁迫的响应;以及镉胁迫对蔬菜微量元素Fe、Mn、Cu、Zn等吸收的影响。主要研究结果如下:（1）在供试污染土壤(土壤的总Cd浓度为0.3-2.4 mg kg-1,土壤As浓度为12.6～28.3 mg kg-1)上,菠菜、油菜、苋菜叶、生菜可食部Cd含量均超出食品安全限量标准(0.2 mg kg-1),其中菠菜和油菜Cd最高超标4倍以上;而茼蒿和空心菜茎秆Cd未超标。供试叶菜As含量没有超标,但蔬菜砷含量随着土壤砷含量增加有升高趋势。（2）7种蔬菜Cd富集系数为0.083～0.491,不同蔬菜高低顺序为:油菜、菠菜、生菜和苋菜叶>油麦菜、苋菜茎和空心菜叶>>空心菜茎和茼蒿。菠菜、油菜、生菜、油麦菜、苋菜、空心菜和茼蒿土壤Cd安全临界值分别为0.33、0.38、0.46、1.15、0.59～1.79、1.49～8.16和8.98～17.11 mg kg-1,其中菠菜、油菜和生菜阈值与现行标准相当,而油麦菜、苋菜、空心菜和茼蒿均大于农用地土壤污染风险筛选值。As富集系数为0.002～0.006,空心菜叶和茼蒿叶片As富集系数显著性高于其他蔬菜。7种蔬菜的土壤As临界阈值分别为:62.31、70.35、70.21、67.41、67.86～90.43、57.21～75.70和72.43～105.06 mg kg-1,均高于现行标准。（3）随着营养液中Cd2+浓度的增加,茼蒿、菠菜和生菜等三种蔬菜的植株总耐性指数、地上部和根部镉耐性指数也同时降低。蔬菜地上部中的Cd浓度为菠菜>生菜>茼蒿;植物根部中的Cd浓度水平为茼蒿>菠菜>生菜。茼蒿的镉转运系数（TF）和Cd吸收量的地上部与根部分配比例（SR）均显著性低于菠菜和生菜。蔬菜SR比率的排序恰好与植株耐性指数（TI）的相反。氧化胁迫标记物方面的研究显示,Cd胁迫下生菜体内氧化胁迫程度最大,菠菜次之,而茼蒿较小。茼蒿,菠菜和生菜的生长量减半时的镉浓度（EC50）分别为5.1,3.2和2.3mg L-1。因此,茼蒿耐受Cd胁迫,生菜对Cd胁迫敏感,而菠菜是介于二者之间。（4）Cd胁迫下,除生菜地上部γ-EC和根部GSH含量显著性下降外,其他蔬菜地上部和根部的cys、γ-EC和GSH含量均保持稳定或增加。蔬菜根部的植物螯合素（PC）浓度的排序与植物耐受性指数（TI）的顺序一致:茼蒿>菠菜>生菜。菠菜地上部中的植物络合素（PC）总含量高于茼蒿和生菜。（5）在Cd胁迫下,生菜根中的超氧化物歧化酶（SOD）,过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性均显著下降。然而,菠菜和生菜根部的这些酶活性并没有降低,有的甚至还有增强。此外,生菜根部SOD酶活性和地上部CAT含量均是三种蔬菜中最低的,而茼蒿根部POD和CAT活性是三种蔬菜中最高的。（6）Cd胁迫下,蔬菜吸Cd量与吸Fe、Zn、Mn量都是正相关关系,但蔬菜根向地上部转运Fe、Mn、Cu、Zn与转运Cd之间都是负相关关系。Cd胁迫下,不仅供试蔬菜地上部Fe和Zn吸收累积间原有的拮抗作用消失,供试蔬菜间其它养分离子根向地上部的转运也变得没有差别。综上所述,不同蔬菜的镉、砷富集系数各异,其对污染土壤的镉和砷的响应也不同。蔬菜产量、污染程度和安全阈值等也有显著差异。因此选择低富集,抗污染蔬菜品种是利用中、低重金属污染土壤的一条可行途径。本研究结果表明,空心菜和茼蒿对镉富集系数低,可推荐在中、低污染土壤上种植。植物中重金属的转运分配能力,抗氧化防御能力和PC稳态水平,均在蔬菜的Cd耐受性中发挥着重要的作用。本研究结果显示,茼蒿等对Cd的高耐受性可能是由于ROS清除酶（SOD,POD和CAT）活性较强,并且根部中重金属螯合能力较强,导致根系向地上部转运Cd的系数处于较低的水平。