当前世界环境

介绍

工业化的发展和人类活动导致重金属积累增加，导致土壤污染。¹一般来说，重金属是不可生物降解的，因此可以在环境环节中维持更长的时间。由于这种生物蓄积性，重金属可能改变食物链，对植物、人类和动物造成各种毒性影响。在环境中，最常见的有毒金属是镉、铅、汞、砷、铬和铜。²铬在土壤中通常以两种氧化态存在，其中高剂量的铬(VI)对植物和动物具有高度毒性，并负责诱发癌症和致畸，导致肝脏和肾脏损害。环境中镉很容易被生物吸收。^3.镉和铬在土壤-植物系统中具有高度可迁移性。⁴因此，有毒重金属污染土地的修复对环境保护至关重要。修复可以通过许多不同的技术来完成，但是这些过程既费力又昂贵。⁵光修复是一种有效的土壤重金属提取技术，利用植物对土壤中的重金属进行吸收。光修复是最有效、最简单、最经济、最环保的修复方法之一(6)。一些植物物种是金属铁土壤特有的，可以耐受大于重金属或其他化合物的使用量。利用植物在污染土壤中提取重金属是一种非常古老的做法，已有300年历史，因为植物具有提取高浓度重金属的能力，即超蓄能器。^7、8因此，对于植物修复的进展，需要寻找新的超蓄积物，以克服生长速度慢，抗性低，与可在不利条件下生存的本地植物竞争力差的限制。⁹目前，植物修复技术主要有植物提取、植物过滤、植物稳定、植物挥发和植物降解等。¹⁰植物抽提是在不破坏土壤组成和肥力的前提下，实现重金属从根向地上部积累和转运，修复土壤的最佳方法。¹¹植物提取可以在许多方面受益，如恢复土壤肥力和减少淋滤。植物修复的研究大多基于盆栽试验和水培，很少有研究在田间试验中评价超积累器的植物提取潜力。¹²本研究旨在分析污染土壤中镉、铬的积累和迁移。本研究的目的是:(1)分析植物的生长性能;(2)根据土壤的理化参数，评价所选植物在不同重金属浓度土壤中重金属积累的潜力;(3)研究植物根、芽中镉和铬的积累;(4)比较所选植物中镉和铬的生物积累和转运因子。

材料与方法

计划进行一项调查，以确定受污染土壤中镉和铬的吸收紫茉莉(图(1).植物物种应具有繁殖快、茎部干物质大、耐金属性强、生物利用度高、生命周期短、分布广等生态适应性强的特点。

图1:Mirabilis的示意图jalapa 点击此处查看图

Phytoextraction实验

一项温室研究是在人工改良的沙质土壤中进行的，土壤中镉和铬的浓度不同(0、25、50、75和100ppm)。所选土壤PH值为8.02,EC0.116ms，有机碳0.41%，总镉、总铬浓度分别为2.29 mg/kg和2.5 mg/kg，有效镉、总铬浓度分别为0.57mg/kg和0.6 mg/kg。利用园林土壤进行盆栽试验。风干土壤5kg，与盐(CdCl)混合后移入每盆₂．5 h₂O和K₂Cr₂O₇．将已知浓度的盐与风干的土壤填充罐混合，静置2天。每个处理考虑3个重复。为了使所有植物保持相同的生长条件，没有额外的光照供应，在自然条件下生长。在研究过程中，不添加人工肥料以促进重金属的生长和积累。

生长性能 生理研究

单株的生长研究在类似的条件下进行，每个浓度收获9株，时间间隔为15天，从0天到45天，不破坏根。每盆测量从根叶到植株顶部的株高(cm)。植株根和茎在65℃的热风烘箱中干燥^oC处理72小时，每隔15天记录样品(根和茎)的茎长、根长(cm)和干物质(g)。在所有收获日测量试验种叶片的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素。取0.5 g新鲜物料称重，用研钵和杵精确研磨成细浆，加入80%丙酮，离心后将清清上清转移到50ml容量瓶中。重复这一过程，直到残留物变为无色，整个溶液与80%的丙酮组成标记，在UV-VS分光光度计上读取值。¹³

金属分析

将烘箱干燥的植物碎料0.5gm准确称量，用凯氏定氮瓶消化测定金属，用混合酸消化法缓慢消化¹³与硝酸(HNO3)和高氯酸(HClO4)的混合物(2:1)在一个封闭的系统中。将消化液放在热板上加热，直到它变得清澈，然后冷却，用瓦特曼滤纸过滤。滤液收集于50ml容量瓶中，用蒸馏水稀释至标记。然后将滤液用于分析样品溶液中的金属镉和铬，用原子吸收分光光度计定量，结果一式三份。采用混合酸消化法测定土壤中总镉和总铬含量，原子吸收分光光度法测定土壤中有效金属即2.5% m 1:1的乙酸可提取金属。

生物浓度和转运因子的计算 生物浓缩系数(BCF)

生物富集因子提供了植物积累特定金属的能力指数，相对于其在土壤基质中的浓度。它是植物组织(根、茎)中重金属浓度与土壤中重金属浓度的比值。它的计算如下。¹⁴


转运因子(Translocation factor, TF)转运因子是指植物在不同浓度下将金属从根部转运到地上部的能力。它是茎部重金属浓度与根部重金属浓度的比值。计算方法如下。¹⁵



转运特性描述了植物在茎部积累的重金属含量应该高于其根，即，TF>1被认为是积累植物，而比率总是<1的是非积累植物。¹⁶

结果与讨论 镉胁迫对植物生长和生理的影响

在研究过程中，未观察到任何测试浓度的毒性症状。与对照相比，茎长和根系干物质没有显著减少。在所有收获日，平均值都随着土壤镉的增加而增加，表明没有抑制作用(图2(a)和2(b))。TC4土壤第45 d的最大茎长37.5cm，茎干物质3 mg/kg。而TC4土壤的根长和根干物质显著减少。在第45天观察到最大的减少，图2(a)和2(b)。随着土壤镉含量的增加，根长和根干物质的抑制作用逐渐减小，这在早期的报道中得到了证实。如图3(a)至3(c)所示。生理参数也有同样的趋势。叶片色素的平均值随着土壤镉的增加而降低，这与以往的研究相似(17)。 The maximum reduction in leaf pigments were 0.54mg/g, 0.35mg/g and 0.23mg/g on day 45 in TC4 soils respectively.

铬胁迫对植物生长和生理的影响

植株根系与对照有显著差异。根长和根干物质随铬用量从25 ppm增加到100 ppm而减少。图4(a)和4(b)中最高的植物在对照盆中。TC4土壤的根长和根干物质在第45天减少最多。在植物图4(a)和图4(b)的茎系中也观察到同样的趋势。在茎部系统中，随着试验浓度stc1 ~ TC4铬添加量的增加，茎部长度和茎部干物质均增加。随着土壤铬含量的增加，平均值有所增加，但对茎系无抑制作用。

图2(a):镉污染土壤中不同浓度、不同收获日的植株长度。 点击此处查看图

图2(b):不同浓度下植株干重 镉污染土壤的不同收获日 点击此处查看图

图3(a):叶绿素a含量不同 不同收获时的浓度(mg/g) 镉污染土壤 点击此处查看图

图3(b):叶绿素b含量不同 不同收获时的浓度(mg/g) 镉污染土壤 点击此处查看图

图3(c):类胡萝卜素含量不同 不同收获时的浓度(mg/g) 镉污染土壤 点击此处查看图

如图5(a)至5(c)所示，总叶绿素和类胡萝卜素值受到影响，这与之前的一些研究相似。¹⁸第45天，tc4土壤叶片色素的最大降幅分别为0.4mg/g、0.28mg/g和0.12mg/g。平均值有所下降，表明试验浓度对生理参数有抑制作用。

紫茉莉对镉的吸收

由表(1)和图6(a)至图6(c)所示，TC4土壤第45天根和芽的最大累积量分别为36.2mg/kg和48.62 mg/kg。在所有收获日，平均值随土壤镉的增加而增加，与对照相比没有显著降低。镉在茎部的积累量高于茎部，表明镉在茎部得到了有效的转运。

图4(a):植株长度不同 不同收获的浓度 在被铬污染的土壤里待上几天 点击此处查看图

图4(b):不同植株干wt 不同收获的浓度 在被铬污染的土壤里待上几天 点击此处查看图

紫茉莉对铬的吸收

表(2)和图7(a)至图7(c)所示，TC4土壤第45天根和芽的最大累积量分别为34.8 mg/kg和23.5 mg/kg。铬在根中的积累量高于在茎中的积累量。根与茎对铬的积累差异不大。可能的原因可能是有一些其他的生理原因导致这种现象。在所有收获日，平均值随土壤铬的增加而增加，与对照相比没有显著降低。

图5(a):叶绿素a含量不同 不同收获时的浓度(mg/g) 在铬污染土壤中 点击此处查看图

图5(b):叶绿素b含量在不同 不同收获时的浓度(mg/g) 铬污染土壤 点击此处查看图

图5(c):类胡萝卜素含量不同 不同收获时的浓度(mg/g) 在铬污染土壤中 点击此处查看图

镉的生物浓度因子与易位因子

从表(3)中可以看出，在镉处理下，TC4处理第45天茎部和根的最大BCF分别为2.15和1.60。试验中BCF值随土壤镉浓度的增加而增加，均大于1.0，表明Mirabilisjalapa具有稳定的镉积累特性。根和茎的BCF随时间的增加而增加，表明植物正在吸收更多的金属。随着时间的推移，BCF的增加是积极的，这在早期的报告中得到了证明。¹⁹在实验中，易位值分别为1.25 ~ 1.37。总体结果表明，TC4在第45天最大。在不同的试验浓度下，在不同的收获日，镉的转运值都大于1.0，表明镉具有从根向茎的转运能力。

铬的生物浓度因子与转运因子

如表(3)所示，在铬中，TC4在第45天观察到的茎部和根的最大BCF分别为2.08和1.68。它们都高于1.0表明奇迹jalapa具有稳定的积铬特性。根和茎的BCF随时间的增加而增加，表明植物正在吸收更多的金属。随着时间的推移，BCF的增加是积极的，这在早期的报告中得到了证明。实验易位值为0.76 ~ 0.81。TC4在第45天观察到最大TF。不同收获日不同试验浓度下均低于1.0，表明铬从根向茎的转运能力较差。

表1:镉的摄入量 镉浓度变化 在不同的收获日 点击这里查看表格

图6(a):地上部镉的累积 第15天不同浓度的根 点击此处查看图

图6(b):茎部镉累积量 并在第30天用不同浓度的根 点击此处查看图

图6(c):茎部镉的累积 在第45天用不同浓度的根 点击此处查看图

表2:不同收获日镉浓度不同的铬采量 点击这里查看表格

图7(a):茎部铬的累积 第15天不同浓度的根 点击此处查看图

图7(b):茎部铬的累积 并在第30天用不同浓度的根 点击此处查看图

图7(c):茎部铬的累积 在第45天用不同浓度的根 点击此处查看图

表3:镉和铬中的BCF和TF 点击这里查看表格

结论

在所有试验浓度下，随着剂量的增加，茎部和根部的镉和铬浓度均显著升高。在盆栽研究中，试验植物种类紫茉莉对其积累表现出积极的响应。植株对镉和铬的耐受性表现为植株茎高和茎干物质的增加。然而，随着土壤中镉和铬浓度的增加，根干物质大大减少，在此过程中，没有发现中毒症状。然而，镉和铬在紫茉莉诱导应激并导致叶绿素损失。结果表明，叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量随重金属暴露时间的增加而降低，这可能与重金属胁迫有关。总的来说，植物吸收镉和铬的平均值随着土壤中金属浓度的增加而增加，这与早期的研究一致。^20.TC4对镉的吸收在第45天达到最大值(48.6 mg/g和36.2 mg/g)。化学分析结果表明，镉中的BCF和TF值均大于1.0。而在铬中，BCF值大于1.0，而TF值小于1.0。因此，可以得出结论，试验植物种紫茉莉可作为镉而非铬的高蓄能器。然而，当BCF值大于1.0时，可以认为它对金属的植物稳定性很好。作为紫茉莉它分布广泛，种子繁殖容易，生态适应性强，修复潜力大，是镉污染土壤的超蓄能器。

确认

作者S.A. Shahanaz首先感谢印度新德里大学教育资助委员会(UGC)通过毛拉·阿扎德国家奖学金提供的财政援助，在该奖学金下开展了本工作。

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