2018, Vol. 39
2. 重庆市三峡库区农业面源污染控制工程技术研究中心, 重庆 400716;
3. 重庆市农业资源与环境研究重点实验室, 重庆 400716
2. Chongqing Engineering Research Center for Agricultural Non-Point Source Pollution Control in the Three Gorges Reservoir Area, Chongqing 400716, China;
3. Chongqing Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment, Chongqing 400716, China
Hg是具有高毒性的微量重金属元素, 它可经过生物及非生物作用转化成毒性更强的有机化合物形态, 即MeHg[1], 而MeHg具有极高的神经毒性, 可以通过生物富集和食物链放大对人类健康产生更大威胁[2].已有研究表明, 沉积物、土壤、沉积物-水界面等厌氧环境是自然界Hg甲基化的主要场所[3, 4].近年的研究也发现, 稻田作为一种水生生态系统, 淹没的湿地土壤为Hg的甲基化提供了厌氧环境, 增强了Hg甲基化微生物的活性, 促进了MeHg的产生[5].因此, 水稻相较于其他旱地作物, 可能更易富集MeHg.
紫色土在我国南方诸省均有分布, 其中以四川盆地分布面积最广, 同时四川盆地又是我国西南地区主要的耕作区, 也是我国水稻的主产区.然而, 西南地区也是我国的主要的酸沉降区之一, 随着酸沉降的积累以及农田过量且不均衡地施肥导致土壤酸化的情况日趋严峻.土壤的酸化势必会导致土壤理化性质的变化(如土壤pH、阳离子交换量、盐基饱和度降低), 进而导致土壤的贫瘠、有毒重金属的活化等.有研究指出, Hg2+在酸性(pH 2~6)土壤中的化学行为与其它二价重金属不同, 且在pH < 4.5时, 土壤中的腐殖质增加导致土壤对Hg2+的吸附量较大[6].因而, 本文选取酸性紫色水稻土, 采用盆栽试验, 研究酸性紫色水稻土中Hg的甲基化及水稻MeHg的富集特征, 以期为深入研究稻田生态系统中Hg的迁移转化规律提供理论参考.
1 材料与方法 1.1 试验材料供试土壤取自重庆市江津区四面山镇(28°38′58.65″N, 106°24′21.10″E), 由白垩纪飞仙关组红紫色砂岩发育的酸性紫色土稻田, 土壤基本理化性质见表 1.土壤经研磨, 过2 mm筛用于盆栽试验.盆栽试验在重庆市西南大学国家紫色土肥力监测基地网室中(30°26′N, 106°26′E)进行.
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表 1 供试土壤的基本理化性质 Table 1 Physicochemical properties of soils in this study |
1.2 试验设计
试验设两组处理, 分别为加Hg组(AH)和对照组(CK).其中, 加Hg组将HgCl2作为外源Hg按1 mg·kg-1土加入酸性紫色土样中混匀, 平衡30 d; 同时, 将未添加Hg的酸性紫色土作为对照处理.将土壤分别装入直径25 cm、高30 cm陶瓷盆中, 每组处理装5盆, 每盆5 kg.在所有盆中施入基肥(硫酸钾：1.535 g, 尿素：1 g, 过磷酸钙：1.171 g), 添加自来水, 形成约5 cm高的水层, 平衡2 d.移栽苗龄一致, 长势相近的水稻幼苗, 每盆3株.水稻生长期间按时浇灌, 使盆内保持约5 cm高的水层.
采样根据水稻生长周期进行, 分别在插秧前、返青期、分蘖期、拔节期、抽穗期、乳熟期、完熟期采集土样, 共计7次; 在插秧前(秧苗)、拔节期、乳熟期、完熟期采集水稻植株, 共计4次.土样采集表层土和底层土, 装于自封袋内.植物样品采集整株水稻, 用去离子水洗净后, 区分根、茎、叶、穗4部分, 分装于自封袋内.样品采集后立即放置于低温保温箱内, 于2 h内送回实验室处理.
1.3 样品分析方法与质量控制土样经冻干机避光冻干和玛瑙研钵磨细过100目筛, 土壤THg直接采用意大利Milestone公司生产的DMA-80(检测限5 ng)固体进样自动测Hg仪测定.土壤MeHg分析采用萃取-乙基化结合GC-CVAFS法测定[7](检测限为0.6 pg·g-1).水稻经冻干机避光冻干, 完熟期稻米脱壳得到籽粒, 分别将根、茎、叶、穗、籽粒、穗壳研磨后过0.1 mm孔径筛.植物THg用DMA-80固体进样自动测Hg仪直接测定.植物MeHg采用KOH/CH3OH溶液萃取, 并结合水相乙基化等温气相色谱-冷原子荧光法(GC-CVAFS)测定.
试验过程采用空白试验、平行试验和标准物质进行质量控制.土壤THg测样中使用标准物质GBW07428(GSS-16)进行质量控制, 植物THg使用GBW10020(GSB-11)进行质量控制, 土壤及植物MeHg使用Brooks Rand LLC生产的methylmercury(Ⅱ)chloride标准物质进行质量控制.所测浓度值与标准值相差均小于8%, 标准物质的加标回收率为96%~104%.所用化学试剂硝酸、盐酸均为优级纯, 水为超纯水.试验数据采用OriginLab 2017等软件进行处理.
2 结果与讨论 2.1 水稻土中Hg的变化特征 2.1.1 水稻土中THg的变化特由图 1(a)可知, AH组的土壤THg含量随着水稻的生长具有较小的波动, 范围值为664.95~774.19 μg·kg-1(均值为709.79 μg·kg-1).土壤在淹水初期, THg含量有下降的趋势, 这可能是因为淹水后土壤THg向水体释放[8]. CK组土壤THg含量较为稳定, 均值为98.98 μg·kg-1(范围为89.80~117.81 μg·kg-1), 在水稻生长期内, 水稻土中THg的含量变化可能和土壤再吸附、植物富集以及大气沉降有关. AH组的土壤THg含量变化较大, 说明土壤初始Hg含量对土壤中Hg的平衡、吸附、解吸有影响, 土壤系统中的Hg处于吸附和解吸的动态平衡中[9], 也有研究指出, 当重金属离子浓度增大时, 它们与土壤颗粒表面碰撞的几率增多, 因而较易被土壤吸附[10].
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图 1 土壤中THg和MeHg含量变化 Fig. 1 Variation of THg and MeHg levels in soil |
土壤MeHg含量的变化趋势与土壤THg含量有较大差异[图 1(b)].在水稻生长期内, AH组土壤MeHg含量在淹水后随时间不断增加, 这与贺春凤等[11]的研究结果类似, 可能是因为淹水后逐渐形成的厌氧环境有利于汞甲基化微生物的甲基化行为.抽穗期, 添加Hg的处理组土壤MeHg产生速率较快, 此后速率有所减缓.完熟期土壤中的MeHg含量为54.70 μg·kg-1, 是插秧前的280.54倍. CK组土壤MeHg含量在拔节期之前较为稳定, 在拔节期后有所增加, 在抽穗期达到最大值9.11 μg·kg-1, 是插秧前的50.61倍, 而后产生速率逐渐降低, 趋于稳定.
2.1.3 水稻土MeHg/THg比例MeHg占THg的含量比值可用来评判土壤Hg的甲基化能力[12, 13].在水稻生长周期内, 土壤MeHg/THg含量比值见表 2, 其变化范围为0.03%~9.48%. CK组在抽穗期达到最大值9.48%, AH组在完熟期达到最大值8.04%, 可以看出土壤MeHg/THg比例的变化趋势和土壤中MeHg含量的变化趋势一致, 这是由于土壤THg的变化较小, 而随着时间的增加土壤中的无机汞在微生物的作用下向MeHg转化, 导致土壤中MeHg含量的升高进而导致MeHg/THg比值变大.对比AH组和CK组, 除完熟期外, AH组土壤MeHg/THg比值一直低于CK组, 这是由于AH组土壤添加了较高含量的土壤初始Hg, 而土壤中MeHg的含量是随着土壤微生物的生长时间以及丰度等慢慢积累而逐渐升高, 完熟期时, AH组土壤已经经过了长时间的MeHg累积, 进而导致MeHg/THg比值的增大; 相较AH组, CK组的土壤本底THg含量较低, 土壤中MeHg含量可以在较短时间达到峰值, 然后随着水稻植株对土壤中MeHg的吸收有所下降.黄中伟等[14]的研究结果显示在旱地土壤中MeHg/THg比值为0.23%, 远小于本试验结果, 表明稻田淹水环境有利于MeHg的产生. Hg在土壤中的甲基化过程取决于多方面因素, 种植水稻后, 根系活动能改变根际环境、植物对MeHg的富集、土壤的理化性质以及微生物种类和活性的变化, 都可能对土壤Hg的甲基化造成影响[15].
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表 2 土壤MeHg含量占THg含量比值/% Table 2 Proportion of MeHg in THg in soil/% |
2.2 水稻中Hg的分布特征 2.2.1 水稻中THg的分布特征
从图 2可以看出, 在水稻生长周期内, 不同部位THg含量的变化趋势并不一致. AH组根部THg含量先增加后降低, 在乳熟期达到最大值5595.73 μg·kg-1, 是幼苗期的93.56倍.在乳熟期之前, THg含量具有从植物下部往上部减少的趋势, Xu等[16]和Meng等[17]的研究指出水稻植株的根对Hg的吸收具有一定的“阻碍”作用, 同时在水稻根部时Hg就已经和蛋白质、氨基酸等结合, 然后随着水稻的新陈代谢向植株的上部转移, 进而导致Hg在水稻体内的由下向上的一个递减趋势.乳熟期后, 根中THg含量下降, 茎、叶有所增加, 随着籽粒的成熟THg具有往上部转移的趋势.完熟期THg含量在水稻中的分布状况为：根＞籽粒＞茎＞叶＞穗壳[图 2(d)], 水稻根和籽粒中的THg含量比茎、叶中均高了一个数量级.乳熟期时, 穗中THg的含量为1378.45 μg·kg-1, 是同时期茎和叶的4.54倍和10.69倍.在完熟期, 籽粒中THg含量为1734.60 μg·kg-1是穗壳中的14.19倍, 说明籽粒成熟后, 穗中的THg基本转移到水稻籽粒中.
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图 2 不同时期水稻中THg的累积 Fig. 2 Variation of THg levels in rice plants during different periods |
本试验结果与周俊等[18]用pH值为7.7的土壤水稻盆栽试验结果(根＞叶＞茎＞穗＞籽粒)并不一致, 这可能和土壤理化性质以及水稻品种有关.本试验中, 紫色水稻土pH值在完熟期时升高到5.2, 此时弱酸性的土壤促进了碳酸盐的水解, 有利于有效态Hg的累积, 便于被根部吸收.而在黄中伟[14]的研究中, 水稻中THg的分布为叶＞梗＞根＞米＞杆＞壳, 这可能是因为水稻生长在大气Hg浓度高的环境中, 叶片中的Hg不仅有来自根部吸收土壤Hg的转移, 还有大量叶片通过气孔富集大气沉降带来的Hg.
2.2.2 水稻中MeHg的分布特征从图 3可以看出, 在乳熟期之前, MeHg含量同样具有从植株下部往上部减少的趋势, 说明土壤MeHg可能是水稻植株MeHg的主要来源. AH组, 根、茎中MeHg含量变化为先增大后降低, 而叶中MeHg含量变化与根、茎有所不同, 这可能是因为叶片中的Hg与大气Hg交换有关.乳熟期, 穗中MeHg的含量为452.98 μg·kg-1[图 3(c)], 分别是同时期茎、叶的2.04和32.80倍.在完熟期, MeHg含量在水稻体内各部位具有和THg含量不一样的分布状况, 籽粒＞根＞茎＞叶＞穗壳[图 3(d)].到完熟期时, 籽粒中MeHg含量为560.36 μg·kg-1, 而穗壳中只有76.61 μg·kg-1, 说明随着籽粒成熟, 地上组织部分的MeHg主要富集在籽粒中, 这和周俊等[18]、Meng等[19]的研究结果相似.
THg和MeHg在水稻植株内不同的分布趋势, 说明无机汞(IHg)和MeHg在植物体内具有不同的累积机制. Krupp等发现[20], 植物体内的植物络合素可以隔离Hg2+, 却不能隔离MeHg; Schwesig等[21]的研究也指出, 有机汞比IHg更易在植物体内传输.
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图 3 不同时期水稻中MeHg的累积 Fig. 3 Variation of MeHg levels in rice plants during different periods |
水稻植株中MeHg/THg的含量比值见表 3, 可比较水稻各部位对MeHg的累积能力.比值变化范围为6.81%~62.69%, 均值为24.03%, 大于土壤中MeHg/THg的含量比值(均值为3.05%), 说明水稻植株中Hg的富集能力远高于土壤.在不同生长时期, 水稻各部位累积MeHg的能力并不一致：拔节期, 茎具有较强的MeHg累积能力; 乳熟期, 茎、穗的累积能力大于根、叶; 完熟期, 穗壳和籽粒的MeHg累积能力最大, 这可能和水稻不同器官的生长代谢有关, 器官生长代谢越旺盛越利于MeHg的累积[22].另外, 根部虽然累积的MeHg含量较高, 但MeHg/THg的比值并不高, 而穗壳中的MeHg含量不高, 但MeHg/THg的比值却较高, 可能是因为根部的生物量随时间增加而有较大的增加, 而穗壳的生物量较小.对比AH组和CK组的植物MeHg累积能力, 没有明显的规律, 这可能是因为影响植物对重金属吸收及重金属在植物体内分布的因素, 除了与重金属在土壤中的含量有关外还与土壤重金属有效态含量、土壤氧化还原状态、作物种类、阳离子代换量等有关.
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表 3 水稻中MeHg占THg比例/% Table 3 Proportion of MeHg in THg in rice plants/% |
2.3 水稻中Hg的富集能力
生物富集系数(bioconcentration factors, BCF)可以反映植物对土壤中某种重金属的富集能力.图 4为水稻植株中THg和MeHg的富集系数.可以看出, 水稻根、籽粒的THg的富集系数大于1, 说明THg在这些部位具有富集效应, 且根中THg的富集系数均大于籽粒.水稻中MeHg富集系数具有和THg不一样的分布, 除乳熟期叶中MeHg富集系数小于1, 没有明显的富集效应, 其他时期均大于1.在水稻生长周期内, 水稻中MeHg富集系数的均值为8.16, 大于THg的富集系数均值2.31, 说明水稻对MeHg的富集能力强于THg.籽粒中的MeHg富集系数大于根、茎、叶, 进一步说明在酸性紫色水稻土中籽粒更易富集MeHg.根据PerelMan[23]对BCF的分组, 水稻籽粒中THg的BCF值属于强吸收(0~10), MeHg的BCF值属于强烈吸收(10~100), 这也和Krupp等[20]的研究结果一致.
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图 4 水稻植株中THg和MeHg的富集系数 Fig. 4 Bioconcentration factors of THg and MeHg in rice plants |
有研究认为根部吸收的Hg难以向其他部位迁移, 因为根部与其他器官间存在较强的阻碍Hg迁移的机制, 但也有人认为这种迁移方式是存在的, 通常认为重金属进入水稻根部先与蛋白质、多糖、核酸等结合, 再往地上部位迁移[21, 24, 25].转移系数(translocation factors, TF)可以比较植物地下部位到地上部位重金属的转移能力, TF值越大, 植物根向上部器官的运输能力越强.由图 5可以看出, 在水稻生长期内, 水稻体内MeHg转移系数均大于THg, 且THg转移系数均小于1, 而籽粒中MeHg的转移系数大于1, 这也进一步证明了MeHg比THg更易在水稻体内转移, 且籽粒中易富集MeHg, 这一点也和Schwesig等[21]的研究结果一致.有研究认为[22], 作物受重金属胁迫, 会产生以下几种对抗机制：回避机制减少对重金属的吸收, 抗性机制增加对重金属的耐受, 代谢机制减少对重金属的积累和消除毒性.水稻生长过程中对重金属迁移富集的变化, 可能与水稻各器官这些机制的强弱有关, 但具体的情况还有待更进一步研究.
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图 5 水稻中THg和MeHg的转移系数 Fig. 5 Translocation factors of THg and MeHg in rice plants |
(1) 在水稻生长期间, 酸性紫色水稻土THg含量的变化较为平稳, 而MeHg的含量随时间增加而增加; 另外, CK组水稻土中MeHg/THg含量比值在抽穗期达到峰值, 而AH组水稻土中MeHg/THg含量比值在试验期内一直处于增加的趋势.
(2) THg和MeHg在水稻体不同部位的分布并不一致, THg在水稻植株中的分布为:根＞籽粒＞茎＞叶＞穗壳, 而MeHg的分布为：籽粒＞根＞茎＞叶＞穗壳, 其中MeHg在籽粒中较高的含量, 表明水稻籽粒对MeHg具有较强的累积效应.
(3) 水稻中MeHg的富集系数和转移系数均大于THg, 籽粒中的MeHg富集系数大于根、茎、叶, 且籽粒中的MeHg转移系数大于1, 大于THg的转移系数, 进一步说明MeHg更易在水稻体内富集和转移, 且籽粒中最易富集MeHg.
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