海藻寡糖对镉、铅单一污染的小油菜及土壤的影响

张朝霞，许加超*，盛泰, 刘晓琳, 杨海征, 李建林, 郭亮, 高昕,付晓婷

(1中国海洋大学食品科学与工程学院，青岛266003；2 青岛丰泰海洋生物科技有限公司,青岛266071）

我国环境中重金属污染，尤其是土壤的重金属污染已越来越严重。Zeng等人[1]的研究表明我国东部蔬菜种植土壤中的重金属污染较为严重，且主要元素为Cd、Hg、Zn，郊区蔬菜种植土壤中，以Pb污染最严重；Liu等人[2]对山东省土壤重金属污染的研究表明山东大棚中土壤的重金属污染主要元素为Cd的种植土壤，而露天土壤中则为Cu。土重金属污染具有长期性，稳定性和隐蔽性[3,4]。土壤中重金属可导致地下水污染，并可通过水、植物或其它介质在食物链中富集，从而在人体某一部位积累，使人慢性中毒，严重危害人体健康[5-7]。

海藻酸钠在去除水溶液中重金属方面的研究较多，Park等人[8]的研究表明海藻酸钠固定化活性炭可有效地吸附水溶液中的Pb2+、Mn2+、 Cd2+、Cu2+等八种重金属离子；Chen等人[9]的研究表明海藻酸钠和羟乙基纤维素固定化腐殖酸能有效去除Cd2+; Maxim等人[10]的研究表明海藻酸钠可有效吸附Pb2+，且效果优于海藻酸钙；Singh等人[11]的研究表明海藻酸钠对Cu2+的去除效果较好。而关于海藻酸钠及其寡糖对土壤中重金属的影响的研究较少。本文采用Cd、Pb对土壤进行单一污染，研究海藻寡糖对土壤中重金属、受污土壤上小油菜（Brassica）产量及品质的影响。为土壤重金属浸染修复及蔬菜重金属污染的研究提供了重要依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

供试土壤为即墨市华山镇青岛丰泰海洋生物科技有限公司周边土壤，类型为潮土，取样深度为 0～20cm。土壤风干后过 2mm筛，备用；供试海藻寡糖由青岛丰泰海洋生物科技有限公司提供；供试作物为小油菜（Brassica chinensis L.）。

原子吸收光谱仪(FAAS-240),由安捷伦科技（中国）有限公司提供；KDN-8消化炉，由上海新家仪器有限公司提供；SHA-B恒温振荡器，由常州国华电器有限公司提供；浓硫酸、高氯酸、氢氧化钠、硝酸钾、EDTA二钠、硝酸等试剂均为国产分析纯。

1.2 试验方法

采用土培盆栽试验，分别以 CdCl2溶液、PbCl2溶液与土壤混合的形式对土壤进行Cd、Pb单一污染，使Cd污染土壤中Cd浓度为20mg/kg，Pb污染土壤中Pb浓度为400mg/kg。

海藻寡糖在肥料中的含量分别为0（对照组）、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%。将充分溶胀的海藻酸钠溶液（含有1%的H2O2）于121℃中进行降解 2h,取出降解液过滤即得到海藻寡糖提取液，取不同量的海藻寡糖提取液与待施用的肥料混合均匀后，再将其与Cd、Pb单一污染的土壤充分混合，最后转移到塑料盆中。其中每盆约4.5kg土，每盆施肥量为复合肥2.9g（底肥）、尿素1.25g（苗期追肥），湿度为田间持水量的60%，平衡2天后播种，每个处理4次重复，随机区组排列。待出苗一周后间苗，每盆保留8株。生长过程中用自来水灌溉，保持田间持水量。

小油菜成熟时，采收后分类：地上部和根部用自来水冲洗干净，再用超纯水各清洗一次，105℃杀青 30min，晾一天，装入烘样袋，65℃烘至恒重，记录干重。根部和地上部分用不锈钢粉碎机粉碎，过60目尼龙筛，装于密封袋中待测。根际土、非根际土要阴干晾晒至恒重，过100目筛后装袋待测。

1.3 Pb、Cd的测定

采用火焰原子吸收分光光度法（FAAS-240）测定Pb、Cd含量。

1.3.1 植物中Pb、Cd含量的测定 检测项目：不同海藻寡糖处理下小油菜地上部和根部Pb、Cd含量的测定。

1.3.2 土壤中Pb、Cd形态的测定 检测项目：按照Sposito连续提取方法[12]提取，即先取适量的土样于水中，配制成 1：10（w/v）的土水混合液，然后加入相应的提取剂进行提取。分别以0.5mol/L KNO3、0.5mol/L NaOH、0.05mol/L Na2EDTA、4mol/L HNO3作为提取剂于20℃振荡16h、20℃振荡16h、20℃振荡6h、89℃振荡16h提取水溶态和交换态、有机结合态、无机结合态及残渣态 Pb、Cd，再对这四种形态进行测定。其中，水溶态和交换态金属易迁移，对植物的有效性或活性影响较大;有机结合态金属指金属硫化物沉淀及与各种形态有机质结合的重金属，较稳定，通常不能被植物利用;无机结合态金属可被吸持于碳酸盐表面及以共沉淀存在[13]，易受pH、氧化还原电位（Eh）影响而被释放出来被植物利用；残渣态金属指存在于石英、粘土矿物等晶格里，通常不能被植物利用。根际土和非根际土中 Pb和Cd含量的测定。

2 结果与分析

2.1 海藻寡糖对重金属污染土壤植物生物量的影响

重金属通过破坏植物生物膜、抑制其光合作用、呼吸作用等影响植物的正常生长代谢，从而造成植物生物量的下降。海藻寡糖可通过调节植物生长代谢及对重金属的络合作用减少重金属对植物造成的伤害，对其生物量产生一定的影响。

从表1中可以看出，对于Cd污染程度相同的土壤，小油菜干重随着肥料中海藻寡糖含量的增加呈现一定的波动，除海藻寡糖对重金属有一定的络合含量为 0.6%时的小油菜干重略低于对照组外，其它实验组均高于对照组，且在海藻寡糖含量达到 0.8%时，收获的小油菜干重最大为38.07g，比对照组增加了15.97%，说明在Cd污染的土壤上，在肥料中添加海藻寡糖能够增加小油菜产量；对于Pb污染的土壤，小油菜干重随着肥料中海藻寡糖含量的增加变化趋势不明显，在海藻寡糖含量达到 0.4%时，收获的小油菜干重最大为 56.87g，比对照组增加了 3.33%。而且在海藻寡糖为 0.2%、0.6%、0.8%时，收获小油菜干重反而有所下降，说明在Pb污染的土壤上，在肥料中添加海藻寡糖对小油菜几乎没有增产作用。

表1 不同海藻寡糖浓度对重金属污染土壤植物生物量的影响Table 1 Effect of ADO on the biomass of the plant in heavy metal contaminated soils

2.2 海藻寡糖对植物中重金属含量的影响

图1. 海藻寡糖对小油菜吸收Cd的影响Fig. 1 Effect of alginate-derived oligosaccharide on the Cd in the rape

图2. 海藻寡糖对小油菜吸收Pb的影响Fig. 2 Effect of alginate-derived oligosaccharide on the Pb in the rape

从图 1可以看出，随着海藻寡糖在肥料中含量的增加，小油菜地上部和根部Cd含量都呈现降低的趋势。在海藻寡糖含量为1.0%时达到最低，小油菜地上部和根部 Cd含量分别为 224.32、149.88mg/kg，相对于对照组分别降低 7.45%、27.52%。说明在肥料中添加海藻寡糖能够显著地降低小油菜对Cd的吸收。

从图2可以看出，小油菜地上部Pb含量随着海藻寡糖含量的增加呈现上升的趋势，在海藻寡糖含量为1.0%时，小油菜地上部Pb含量达到 63.92mg/kg，而在海藻寡糖含量为 0.2%～0.6%时则增加不大。小油菜根部Pb含量随着海藻寡糖含量的增加而降低，在海藻寡糖含量达到1.0%时小油菜根部Pb含量达到160.85mg/kg，相比于对照组，降低了 12.96%，可能是随着海藻寡糖在肥料中含量的增加，促进了小油菜对肥料的吸收，同时增加了小油菜对重金属 Pb的吸收，致使小油菜地上部Pb含量逐渐增加。随着植物对Pb运输转移到地上部分，而其余土壤中绝大部分Pb经土壤胶体吸附、络合和化学反应而被固定[14]，不易被植物吸收和利用，从而导致根部Pb含量逐渐降低。

由图1、图2可知，在Cd污染中，小油菜地上部Cd含量高于根部，而在Pb污染中，则相反，这可能是因为Cd在小油菜体内易从根部向茎部迁移，而Pb的迁移却受到其它过程的制约[15]。此外，小油菜中Cd的含量较高，这可能与小油菜本身对Cd的吸收和累积能力大于Pb有关[16]。

2.3 海藻寡糖对土壤中重金属含量的影响

图3. 海藻寡糖对土壤中Cd含量的影响Fig. 3 Effect of alginate-derived oligosaccharide on the Cd in siol

图4. 海藻寡糖对土壤中Pb含量的影响Fig. 4 Effect of alginate-derived oligosaccharide on the Pb in soil

从图3可以看出，在Cd污染的土壤中，小油菜根际土中Cd含量比非根际土中要高一些，可能与小油菜根系分泌物有关，这些根系分泌物一方面通过改变植物根际环境的pH、Eh等理化性质,经螯合、沉淀等作用将重金属滞留在根外；另一方面，通过改变根际微生物的组成及活性改变根际环境中重金属的数量和活性,降低重金属的有效性,从而减少植物对根际环境中重金属的吸收[17]。且随着在肥料中海藻寡糖含量的增加，根际土和非根际土中Cd含量没有太大的变化，其中，对照组的根际土和非根际土中 Cd含量分别为 21.30、19.58mg/kg，而海藻寡糖含量达到1.0%时，根际土和非根际土中Cd含量分别为21.29mg/kg，19.47mg/kg。

从图 4可以看出，非根际土中 Pb的含量整体上比根际土中 Pb的含量要高，可能是由于肥料中的海藻寡糖及小油菜根系分泌物对重金属的活化作用[18]使得根际土中的较为稳定形态的 Pb释放而被植物吸收利用造成的。此外，非根际土中Pb含量变化不规则，可能与小油菜根系分布不规则有关。

2.4 海藻寡糖对土壤中重金属形态的影响

图5.海藻寡糖对土壤中Cd各形态的影响Fig. 5 Effect of alginate-derived oligosaccharide on the forms of Cd in soil

图6.海藻寡糖对土壤中Pb各形态的影响Fig. 6 Effect of alginate-derived oligosaccharide on the forms of Pb in soil

从图5中可以看出，实验组土壤中溶态和交换态Cd均低于对照组，且随着海藻寡糖在肥料中含量的增加，呈现先增加后下降的趋势。对照组中水溶态和交换态 Cd含量为 6.01mg/kg，海藻寡糖含量为1.0%时，水溶态和交换态Cd含量为4.69mg/kg，降低了21.97%。这可能与小油菜对Cd的较强的吸收能力有关。有机结合态Cd含量呈现先降低后增加的趋势，变化不明显。无机结合态Cd含量在海藻寡糖含量较低时随海藻寡糖含量的增加而降低，且均低于对照组；而在海藻寡糖含量偏高时，其含量呈先增加后减少的变化趋势，且总体高于对照组。在海藻寡糖含量为 0.4%时，无机结合态 Cd含量为5.79mg/kg，较对照组降低了11.47%。随着海藻寡糖含量的增加，土壤中残渣态 Cd含量呈现增加的趋势，对照组中残渣态 Cd含量为0.89mg/kg，海藻寡糖含量增加到 1.0%时，残渣态 Cd含量为1.42mg/kg，较对照组增加59.55%。

从图 6可以看出，随着海藻寡糖在肥料中含量的增加，水溶态和交换态呈现增加的趋势，可能与小油菜的对Pb的吸收有关。有机结合态Pb含量的增加可能与海藻寡糖含量的增加有关，因为海藻寡糖的基团中带有负电荷，可作为金属螯合剂吸附带正电荷的 Pb2+,形成络合物[19]，使其滞留于土壤中。对照组中有机结合态 Pb含量为7.06mg/kg，海藻寡糖含量增加到 1.0%时，有机结合态 Pb含量为9.48mg/kg，增加了 34.28%。无机结合态 Pb含量整体呈现增加的趋势，而无机结合态重金属在土壤pH降低时，易被活化释放出来[20]，所以，无机结合态Pb的增加是一种潜在的危险。残渣态Pb含量随着海藻寡糖含量的增加没有什么较大的变化。

3 结论

3.1 在Cd污染的土壤上，在肥料中添加一定量的海藻寡糖能够有效增加小油菜产量。相比对照组，海藻寡糖含量为 0.8%时，小油菜干重增加了15.97%。但在Pb污染的土壤上增产不明显，说明不同重金属对同一作物及海藻寡糖对不同重金属的影响不同。

3.2 随着海藻寡糖含量的增加，小油菜地上部和根部中Cd及根部中的Pb含量逐渐降低，在海藻寡糖含量为1.0%时达到最低，分别为224.32、149.88、160.85mg/kg，较对照组分别降低了7.45%、27.52%、12.96%；而地上部的Pb含量则呈上升趋势，并在海藻寡糖含量达到1.0%时小油菜地上部Pb含量达到最大，为63.92mg/kg。说明海藻寡糖在减少植物重金属污染中，对Cd的作用优于Pb。

3.3 随着海藻寡糖含量的增加，土壤非根际土中Pb的含量整体比根际土中Pb的含量要大一些，但是土壤根际土中Cd含量整体比非根际土中Cd的含量要高一些，可能与海藻寡糖及小油菜根系分泌物等有关。

3.4 随着海藻寡糖含量的增加，土壤中水溶态和交换态Cd、残渣态Cd分别呈现降低、增加趋势，说明海藻寡糖能够修复土壤的Cd污染，抑制植物对Cd的吸收；而水溶态和交换态Pb、残渣态Pb则分别呈现增加、降低趋势。说明对于不同的重金属污染，海藻寡糖的抑制、吸收、修复效果不一样。

3.5 通过本试验的研究得出一些结论，也有发现一些问题，需要通过大量的实验不断完善，才能找出海藻寡糖对重金属的作用机理，从而更好地为农业生产和环境修复服务。

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