不同浓度的外源镉污染土壤中辣椒对镉的累积效应

　　前言

　　由于现代工业的快速发展及农药的大量使用，大量的重金属造成的污染日趋严重． Cd 是环境介质中的有毒物质，在土壤中滞留时间长，易在土的表层积累，同时被植物所吸收． Cd 易通过农作物进入人体造成毒害，世界卫生组织( WHO) ( 2003) 和美国环保局( USEPA) ( 1994) 所规定 Cd 的每日最大允许摄入量( ADI值) 均为 1 μg ﹒ kg－ 1． 近年来我国关于重金属的污染也越来越多，中国各大城市菜园土壤和蔬菜已普遍受到了一定程度的重金属污染，尤其是 Cd 污染现状令人担忧． 因此，一些学者将 Cd 污染列为我国土壤污染的最重要和典型的重金属污染物．优良的土壤修复技术中，种植植物是最好的土壤修复方式． 既可以吸收土壤里的重金属，也不会带来新的污染，而且还可以有效地利用已被污染了的土壤，以达到最大的经济效益，实现环境治理与经济共同发展的目的． 探寻植物对土壤重金属污染的响应是生产绿色蔬菜的基础研究工作，也是保障食品安全的重要研究内容．本项研究旨在通过考察在不同浓度的外源 Cd 污染确环境介质中辣椒对 Cd 的累积效应，寻求绿色辣椒生产要求的土壤 Cd 污染阈值，为无公害辣椒的生产提供理论与技术依据． 并进一步探讨辣椒是否适合作为 Cd 污染土壤修复植物，与治理、修复污染环境问题联系起来，发挥更大的作用．
　　
　　1 实验部分
　
　　1． 1 仪器
　　电热鼓风恒温干燥箱，( 101 －1A，沪南电炉烘箱厂) ; 电热炉，( FL －1，北京永光明医疗仪器厂) ; 电子分析天平，( EL －104，梅特勒 － 托利多仪器上海有限公司) ; 原子吸收分光光度计，( TAS －990，北京普析通用有限责任公司) ．
　　
　　1． 2 试剂
　　硝酸 ( G． R． ，成都科龙化工试剂厂) ，高氯酸( G． R． ，天津科密欧试剂有限公司) ，盐酸 ( G． R． ，天津科密欧试剂有限公司) ，氢氟酸( G． R． ，成都科龙化工试剂厂) 3，0%过氧化氢( G． R． ，成都科龙化工试剂厂) ，镉粉( G． R． ，99． 99%，天津市丰越化学品有限公司) ，实验用水为二次蒸馏水，自配制的镉标准系列溶液．
　　
　　1． 3 辣椒的种植
　　1． 3． 1 试验材料辣椒种子为丰源 8 号，盆栽所用的土壤为绵阳市游仙区街子乡蔬菜基地禾康公司土壤，其基本理化条件; pH6． 3 重金属 Cd 含量 0． 25 mg·kg－ 1．
　　
　　1． 3． 2 土壤处理 称取 10． 0 kg 供试土壤于 PVC 塑料盆中( 盆底套塑料袋，防止外源添加镉渗出污染土壤) ，然后把镉粉配成溶液，均匀地浇灌土壤中，搅拌均匀，浓度以纯 Cd 计，单位为 mg·kg－ 1，以浇灌清水为对照． 重金属的起始浓度参考国家土壤环境质量二类标准( GB15681 －1995 土壤环境质量标准) ． 镉的添加浓度设定为6 个 ( 0、0． 5、1． 0、1． 5、4． 5、9． 0 mg·kg－ 1) ，其中0 添加为空白试验( 土壤中的 Cd 为0． 25 mg·kg－ 1) ．
　　
　　1． 3． 3 育苗辣椒种子先放入 55 ℃左右的温水中浸泡15 min，再用1%高锰酸钾浸泡15 min，捞出用自来水反复冲洗干净，均匀平铺在干净纱布上，置于 30 ℃的玻璃温室中，待 80% 的种子发芽后转入石英砂中继续生长( 期间定期供应适量的水分) ．
　　
　　1． 3． 4 盆栽待辣椒长出两片真叶后，选择长势一样的健壮幼苗移栽到已经添加 Cd 的土壤中，外源 Cd 添加平行质量浓度为: 0、0． 5、1． 0、1． 5、4． 5、9． 0 mg·kg－ 1． 在辣椒成长过程中，适时添加清水，保证辣椒的正常生长． 定期观察辣椒的长势，记录不同镉含量土壤的辣椒的生长情况．
　　
　　1． 3． 5 取样( 1) 蔬菜样品: 当辣椒样品的可食用部位达到上市标准以后，将整株辣椒从土壤中移出，辣椒的根系先用 0． 1%的 EDTA( 乙二胺四乙酸) 交换根系表面的重金属 Cd 3 ～4 min，然后用自来水，蒸馏水反复多次的冲洗，最后按照辣椒的根、茎、叶、果实分别取样( 实验中凡是涉及到的切割部分均用木质刀片完成，每取一个样品都应将刀片彻底洗净，严防交叉污染) ，根据样品依次贴上对应的标签． 待风干各样品表面的水分后，鲜样称质量，并记录，然后放入105 ℃的烘箱中杀青0． 5 h，再在60 ℃恒温下烘干至恒重． 烘干后的辣椒样品一式两份: 一份密封保存，一份手工研磨过 60 目筛，备用．
　　
　　1． 4 样品的处理
　　1． 4． 1 辣椒样品的消解本次实验所用消解方法参考国标法，消解体系采用硝酸 － 高氯酸． 主要影响消解结果的是硝酸和高氯酸的比例． 分别采用 V( 硝酸):V( 高氯酸) = ( 1:1，2:1，3:1，4:1，5:1) 进行消解条件优化试验，结果见表 1．【表1】

　　
　　结果表明，当硝酸与高氯酸体积比为 4:1时消解效果最好．参照 GB/T5009． 15 －2003，将待消解的样品依次编号，称取 1． 0000 ～5． 0000 g 样品于烧杯中，加数粒玻璃珠，然后加入 10 mL 混酸( 硝酸∶ 高氯酸 = 4∶ 1) ，加表面皿盖住浸泡过夜． 浸泡完全后在 80 ～120 ℃下进行消解． 消化过程中若变棕黑色，再加混合酸，直至冒白烟，消化液呈无色透明或者略带黄色表示消化完全，可停止消化． 室温下冷却，将试样消化液洗入或者过滤到( 视消化后试样的盐分而定) 25 mL 比色管，定容至刻度，混合均匀，备用，同时做试剂空白．
　　
　　1． 4． 2 土壤样品的消解参照 GB/T17141 －1997，称取 0． 1000 ～0． 3000 g 土壤样品于聚四氟乙烯坩埚中，用水润湿后加 5 mL盐酸，于通风橱内的电热板上低温加热，使样品初步得到分解，取下稍冷，然后加入 5 mL 硝酸，2 mL 氢氟酸，2 mL 高氯酸，加上坩埚盖于电炉上中温加热 1 h 左右，然后开盖，继续加热除硅． 当加热到冒浓厚的高氯酸白烟时，加盖继续加热，使黑色的有机碳化物充分分解，待坩埚上的黑色有机物完全分解消失后，开盖驱赶白烟并蒸至样品成粘稠状( 视消解情况，可继续加入 5 mL 硝酸，2 mL 氢氟酸，2 mL 高氯酸，可重复上述消解步骤) ，当白烟再次基本冒尽且样品呈粘稠状时，取下坩埚冷却，用水冲洗坩埚盖和内壁，并加入 1mL 的硝酸低温加热熔解残渣，冷却，最后将溶液转移至 25 mL 比色管中，定容，摇匀被测．
　　
　　1． 5 标准曲线的绘制及样品的测定
　　用火焰原子分光光度计测定不同金属时，不同的元素灯要使用不同的工作条件，测重金属镉的工作条件选择: 波长为 228． 8 nm、狭缝为0． 7 nm、氩气流量为250 mL·min－ 1、灯电流为4 mA、灯类型为空心阴极灯、背景校正为塞曼效应、进样量为 20 μL、基体改进剂用量为 2 μL． 调整好火焰原子吸收分光光度计参数后，先测定镉标准溶液吸光度值，绘制出镉标准曲线． 当标准曲线精度在 99． 0% 以上后，才可以对样品液进行测定．先随机挑选几个样品进行粗测，确定辣椒中镉的大致含量范围，再分别配制该含量范围内的镉标准溶液绘制标准曲线． 随机做几个样品的加标回收溶液，测定加标回收率．
　　
　　1． 6 数据处理公式及方法
　　1． 6． 1 辣椒样品中镉含量的计算公式【1】

　　
　　式中: W － 辣椒样品重金属含量，μg·g－ 1; C1－ 辣椒样品测定值，μg·L－ 1; C0－ 空白样测定值，μg·L－ 1; V－ 样品溶液的定容体积，L; m － 称取样品重量，g;
　　
　　1． 6． 2 样品加标回收率计算公式【2】

　　
　　式中: R － 样品加标回收率; C1－ 加标试样测定值，μg·L－ 1; C2－ 试样测定值，μg·L－ 1; m － 加标量，μg．
　　
　　2 结果与讨论

　　2． 1 土壤镉含量对辣椒生长的影响
　　经对 6 种不同浓度土壤中辣椒生长状况( 平均株高、生物量) 的统计，其结果见图 1、图 2:【图1-2.略】
　　
　　2． 2 镉系列溶液的标准曲线镉标准曲线回归方程为 y = 0． 219x + 0． 003，R2= 0． 998
　　
　　2． 3 评价标准
　　蔬菜中 Cd 限量值参照 GB2762 －2005 食品中污染物限量，土壤中 Cd 限量值采用国家土壤环境质量二级标准．盆栽试验结束后，按照 1． 4． 2 操作步骤测定每盆土壤中的 Cd 含量，不同浓度梯度下的试验土壤中 Cd含量结果见表 2:【表2】

　　
　　由表 2 可知，辣椒栽培实验后，土壤中的 Cd 含量仍呈现一定的浓度梯度，与试验预设的 Cd 浓度值相对比较接近，变化比较小，因此可以得出辣椒不适合作为镉污染土壤的修复植物．
　　
　　2． 4 盆栽辣椒不同部位镉含量
　　按 1． 4． 1 的操作步骤测定辣椒不同器官根、茎、叶、果实中 Cd 的含量，试验结果，见图 4:【图.略】
　　
　　既在土壤镉含量相同的条件下辣椒不同部位重金属 Cd 的浓度大小不同，根部最高，果实、茎、叶中的镉含量接近． 辣椒茎、叶、果实中镉的含量与土壤中的镉浓度呈现线性关系，具有很好的相关性，而辣椒根与土壤中的镉浓度线性关系较差，可能是由于土壤中镉的分布不均匀引起．
　　
　　2．5 土壤中 Cd 阈值的确定
　　根据辣椒果实中镉含量与土壤中的镉含量列表建立线性关系，见图 5:【图.略】
　　
　　根据辣椒盆栽试验结果建立线性关系，得线性方程 y = 21． 10x － 0． 211，即在试验设计的镉污染浓度范围类，随着土壤中镉含量的增加，辣椒中各部位的镉含量也稳定增加． 参照 GB2762 －2005 食品中污染物限量标准，即辣椒安全食用的 Cd 含量为 0． 05 mg·kg－ 1进行计算，可以得出土壤中 Cd 含量的最大限定值，即阈值． 在盆栽试验条件下模拟得出辣椒安全生产的土壤 Cd 全量阈值为 0． 844 mg·kg－ 1． 辣椒在土壤 Cd浓度超出国家土壤环境质量二级标准的情况下仍能达到国家食品卫生标准( GB2762 －2005 食品中污染物限量标准) ，这说明了辣椒可以在轻度 Cd 污染的土壤上进行种植．
　　
　　2． 6 加标回收试验
　　根据测定结果，镉样品加标回收率实验数据见表 3．【表3】

　　
　　根据表 3 可知: Cd 的加标回收率为 83． 6% ～91． 4%，测定准确度基本符合要求．
　　
　　3 结论

　　重金属在土壤一植物系统中的迁移转化过程是非常复杂的． 本试验通过盆栽试验方法研究了土壤在不同程度 Cd 污染下辣椒的长势、产量以及 Cd 在辣椒各部位的累积，得出如下结论:( 1) 通过种植过程中的观察统计得出，随着土壤中镉浓度的增加，辣椒的生长会不同程度的受阻，表现为: 辣椒的株高明显小于低浓度的辣椒株高，辣椒的叶子变黄，果实的产量较小．( 2) 辣椒栽培实验后，土壤中的 Cd 含量仍呈现一定的浓度梯度，与试验预设的 Cd 浓度值相对比较接近，变化比较小，因此可以得出辣椒不适合作为镉污染土壤的修复植物．( 3) 随着外源 Cd 浓度的增加，辣椒中各部位的 Cd 含量也都呈现增加趋势．( 4) 辣椒不同部位对 Cd 的吸收存在一定的差异，其中辣椒的根对镉的吸收能力最强，其次依次为果实、茎、叶，且辣椒果实、茎、叶吸收镉的能力与土壤中镉浓度呈一定的线性关系．( 5) 参照 GB2762 －2005 食品中污染物限量标准，在盆栽试验条件下模拟得出种植辣椒的土壤 Cd 污染的阈值为 0． 844 mg·kg －1． 辣椒可以在轻度 Cd 污染的土壤上进行种植．
　　
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