（植物营养学专业论文）苋菜超积累镉的生理机制研究.pdf

摘要 土壤镉污染对生态环境及人类健康所造成的潜在危害己引起日益广泛的关注。植物修复作为 一种新兴、高效的绿色修复技术是镉污染土壤治理的重要手段。现有镉超积累植物或由于生物量 小而应用受限，或由于地域性强，生长受环境条件限制，发掘适合当地生态环境条件的用于镉污 染修复的植物资源已成为各国竟相研究的热点。苋菜在我国的分布很广，品种资源丰富，生长快 且生物量大，适于作为植物修复资源加以发掘。本研究在筛选镉超积累苋菜品种基础上。研究根 系分泌有机酸以及外加有机酸对苋菜镉吸收和积累的影响，苋菜根系镉吸收和运输特性以及相关 分子机制。论文取得的主要结果与进展如下： 1 采用溶液培养方法，从2 3 个苋菜品种( a m a r a n t h u sm a n g o s t a n u sl ) 中筛选镉富集能力强的 品种。结果显示，苋菜品种天星米在加镉水平3m e j l 条件下，总吸镉量、地上部吸镉量在所有 供试品种中均最高，地上部镉浓度为2 6 0r n g k g 。采用土壤培养试验方法，研究镉污染的赤红壤、 黄棕壤和菜园土天星米生长及修复效果。结果表明，在土壤c d 浓度2 5m g k g 条件下，其地上部 镉浓度最大，达到2 1 2m g k g ，富集系数最大为8 5 ，地上部净化率最大为3 8 。各加镉水平下 天星米总生物量和地上部生物量均未显著降低，具备了镉超积累植物的特征。 2 采用溶液培养方法，研究低镉积累型苋菜紫背苋和高镉积累型苋菜天星米在镉胁迫下低分 子量有机酸分泌特征及其与苋菜镉生物积累的关系。结果表明，随供镉浓度增加，紫背苋根、茎 和叶生物量显著降低，而天星米生物量未发生明显改变。不同供镉浓度条件下，苋菜分泌的有机 酸总量表现为天星米远高于紫背苋，有机酸含量均表现为柠檬酸 苹果酸 7 - - , 酸 丙酸 丁酸，且以 柠檬酸和苹果酸为主。两品种各有机酸数量占有机酸总量的比例基本一致。随供镉浓度增加，两 个苋菜品种根分泌的各有机酸量增加，各有机酸分泌量的增幅均表现为天星米大大高于紫背苋， 植株根、茎和叶镉浓度与积累最也相应表现为天星米大大高于紫背苋。苋菜镉的生物积累与有机 酸种类没有特异性关系，但与有机酸的总量有关。镉胁迫诱导根系分泌有机酸的数量，在引起两 品种对镉吸收的差异方面起重要作用。 3 采用盆栽试验及土壤培养等方法，研究添加苹果酸、柠檬酸对赤红壤和黄棕壤中镉的形态 转化以及苋菜天星米镉生物积累的影响。结果表明，与c d2 5 m g k g 处理比较，c d2 5 m g k g + 苹 果酸、c d2 5 m g k g - k 柠檬酸处理对苋菜生物量未产生影响，但显著增加苋菜根系及地上部镉含量； 添加苹果酸以及柠檬酸处理显著降低土壤专性吸附态c a 含量，却显著增加了交换态c d 、碳酸盐 结合态c d 和有机结合态c d 含量。说明添加苹果酸以及柠檬酸能够通过影响土壤镉形态转化而促 进苋菜对镉的积累。 4 采用1 d 示踪方法，研究c d 顸收动力学特征以及缺铁对苋菜根系c d “吸收和运输的影 响。结果表明，【c d 2 1 小于1 3 “r n o l l 下，根系c p 的吸收动力学符合m i c h a e l i s - m e n t e n 饱和动力 学模型；【c d 2 1 大于1 3 “m o l l 下，根系c d “吸收线性增加。加铁和缺铁条件下根系c d 顸收k 。 分别为2 0 i u u o l l 和1 5 p m o f l ，最大吸收速率v 。分别为4 5 和1 3 0 n m o l g ( d w ) h ，说明苋菜 根系c 矿吸收受缺铁诱导而增强。研究还发现，从形态学上完整的根细胞壁只观察到线性吸收现 象，c a “通道抑制剂l a c l 3 能够部分抑制饱和及线性吸收过程，代谢抑制剂c c c p 仅抑制饱和吸 收过程，说明线性吸收反映了c 矿结合在根细胞壁的过程，而饱和吸收指示了跨根细胞原生质膜 的主动运输过程。 5 采用e d n a 末端快速扩增的方法( r a c e ) ，从超积累苋菜品种分离到一个腰 基因，其 长度为6 6 2 b p 。序列比对及系统进化树分析表明：苋菜服 基因部分序列编码的蛋白与其它i r t 类蛋白具有较高的同源性( 6 3 0 4 ) ，并且与拟南芥锌转运蛋白和拟南芥铁转运蛋白聚类在一起。 生物信息学分析表明：苋菜上r 基因编码蛋白含有3 个跨膜结构域，具有金属转运蛋白p f a m ：z i p 功能结构域。n o r t h e r n 杂交试验表明。苋菜i r t i 基因的表达受环境缺铁胁迫所诱导。本试验结 果初步证明了从苋菜中分离的鹏丌基因是z i p 家族的一员，缺铁诱导该基因表达增强，其调控 苋菜镉的吸收。 关键词：苋菜，镉，超积累，低分子量有机酸，镉吸收，腰玎基因 a b s t r a c t t h ep o t e n t i a lh a r mo fs o i lc a d m i u mp o l l u t i o nt oe c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dh u m a nh e a l t hh a s b e e ni n c r e a s i n g l yw i d e l yc o n c e r n e d p h y t o r e m e d i a t i o n a sak i n do fn e wa n de f f e c t i v et e c h n o l o g y , h a s b c c o l n ca l l i m p o r t a n tm e t h o df o rc l e a n i n gu pc a d m i u mi nc o n t a m i n a t e ds i t e s c u r r e n td o c u m e n t e d c a d m i u mh y p e r a e e u n m l a t o r sw e 佗n o tw i d e l yu s e d b e c a u s eo ft h e i rl o wb i o m a s s , r e g i o n - s p e c i f i c c h a r a c t e r s , o re n v i r o n m e n t a ld e p e n d e n c e t h u s ，s c r e e n i n gc a d m i u mh y p e r a c c u m u l a t o rt h a ts u i t sl o c a l e c o l o g i c a le n v i r o n m e n tc o n d i t i o n s h a sb o l mt h er e s e a r c hf o c u s t h ea m a r a n t h ( a m a r a n t h u s m a n g o s t a n u sl 1i sw i d e l yd i s t r i b u t e da n dh a sa b u n d a n tv a r i e t i e si nc h i n a , i t sr a p i dg r o w t ha n dl a r g e b i o m a s sc a l lb es e r v e da sc a n d i d a t ef o rc a d m i u mh y p e r a c e u m u l a t o r sf o rp h y t o r e m e d i a t i o n i nt h i sp a p e r , b a s e do ns c r e e n i n go fc a d m i u mh y p e r a c c u m u l a t o ri na m a r a n t hf r o md i f f e r e n te c o l o g i c a lr e g i o n s ，t h e e f f e c to fr o o te x u d a t e s ( l m w o a s ) a n di b i w o a sa d d i t i o no i lc da c u l n u i n t i o ni na m a r a n t h ，a n d c h a r a c t e r i s t i c so fc a d m i u mu p t a k e , t r a n s p o r ta n dt h e i rm o l e c u l a rm e c h a n i s mi na m a r a n t hw e r e i n v e s t i g a t e d t h em a i nf i n d i n g so b t a i n e da f ea sf o l l o w s ： 1 t oo b t a i nc a d m i u mh y p e r - a c c u m n i a t o r , c du p t a k ei n2 3a m a r a n t hc u l t i v a r sf r o md i f f e r e n t e c o l o g i c a lr e # o nw a si n v e s t i g a t e du n d e rh y d r o p o n i cc u l t u r ec o n d i t i o n ，a n ds o i lc u l t u r ee x p e r i m e n tw a s e s t a b l i s h e dt op r o b ep h y t o r e m e d i a t i o np o t e n t i a l i t yo fc dc o n t a m i n a t e ds o i lb ya m a r a n t h t h er e s u l t s s h o w e dt h a tu n d e rh y d r o p o n i cc u l t u r ew i t hc d3i n g lt h ec a d m i u mc o n c e n t r a t i o ni nt h es h o o t so ft h e c u l t i v a rt i a n x i n g m ir e a e b e d2 6 0m e k g ，a n di t st o t a lc a d m i u mu p t a k ew a st h eh i g h e s ta m o n gv a r i o u s e u l t i v a r s p o t e x p e r i m e n t w a sc a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fc u l t i v a r f i a n x i n g m i p h y t o r e m e d i a t i o no nc dc o n t a m i n a t e ds o i l t h r e et r e a t m e n t ( c d5 ，1 0a n d2 5m g k g ) w c r ei m p o s e dt o r e ds o i l ，y e l l o wb r o w ns o i la n dv e g e t a b l es o i l i nt h et r e a t m e n tc d2 5m g & g ，t h ec a d m i u m c o n c e n t r a t i o ni nt h es h o o t so ft h ee u l t i v a rt i a n x i n g m ir e a c h e d2 1 2m e # g ，w h i l eb i o c o n e e n t r a t i o n f a c t o ra n ds h o o tp u r i f i c a t i o nr a t er e a c h e d8 5 0a n d3 8 r e s p e c t i v e l y f u r t h e r , t h et o t a lb i o r n a s sa n d s h o o tb i o m a s sw e r en o td e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yu n d e re i t h e rc de x p o s u r e t h e s er e s u l t ss u g g e s t e dt h a t c u l t i v a rt i a n x i n g m ii sat y p i c a lc dh y p e r a e c u m u l a t o r , a n dmb e e x p e c t e dt ob eu s e di n p h y t o r e m e d i a t i o no fc d c o n t a m i n a t e ds o i l 2 t oe x a m i n ew h e t h e rl o w m o l e c u l a rw e i g h to r g a n i ca c i d s ( l m w o a s ) i nm e te x u d a t e so f a m a r a n t h p l a yar o l e i nc dh y p e r a c e u m u l a t i o n ，w ec o m p a r e dt h ea m o u n t sa n dc o m p o s i t i o no f l m w o a sc o l l e c t e df r o mt w oc u l t i v a t so fa m a r a n t h ( a m a r a n t h u sm a n g o s t a n u sl ) ，z i b e i x i a n ，al o w c da c e u m e l a t o r ，a n dt i a n x i n g m i ，ah i 【g bc da c c u m u l a t o r p l a n t sw e r eg r o w nh y d r o p o n i c a l l ya n dt h r e e t r e a t m e n t ( c a0 ，1a n d2 5n l g 几) w e r el a t e ri m p o s e df o r1w kb e f o r ec o l l e c t i o no fl m w o a s w i t ht h e i n c r e a s eo fs o l u t i o nc dc o n c e n t r a t i o n t h eb i o m a s so fz i b e i x i a nd e c r e a s e dd r a m a t i c a l l y , w h i l et h o s eo f t i a n x i n g m ir e m a i n e ds t a b l e i na l lt r e a t lt o t a la m o u n to fl m w o a si nr h i z o s p h e r eo f 啊a n x i n g m i w a ss i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h a ti nz i b e i x i a n ，a n dt h ec o n t e n to f l m w o a si nt w oc u l t i v a r sf o l l o w e d t h es a l mt e n d e n c y , i e c i t r i ca c i d m a l i ea c i d a c e t i ca c i d p r o p i n o n i ca c i d b u t y r i ca c i d a n dc i t r i c a c i da n dm a l i ca c i dp r e d o m i n a t e dt h ec o m p o s i t i o no fl m w o a s t h ep e r c e u td i s t r i b u t i o no ft o t a l l m w o a so fz i b e i x i a nw a sv e r ys i m i l a rt ot i a n x i n g m i w i t ht h ei n c r e a s eo fs o l u t i o nc ds u p p l y , t h e 1 1 1 c o n t e n to fl m w o a si nr h i z o s p h e r ei n c r e a s e dd r a m a t i c a l l yf o rb o t ht w oc u l t i v a 璐a n dt h ei n c r e m e n to f l m w o a so ft i a n x i n g m iw a sf o u n dt ob eg r e a t l yh i g h e rt h a nt h a to fz i b e i x i a n m e a n w h i l e ，c d a c c u m u l a t i o ni nr o o t s ，s t e m sa n dl e a v e sf o rb o t ht w oe u l t i v a r si n c r e a s e do b v i o u s l yw i t ht h ei n c r e a s eo f l m w o a s ，a n di n c r e m e n to fc di na l a n x i n g m iw a ss i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h a to fz i b e i x i a n t h e r e f o r e , c da c c u m u l a t i o ni na m a r a n t hw a sh i g h l yr e l a t e dt ot h et o t a la m o u n to fl m w o a si n r h i z o s p h e r e , a n dt h ed i f f e r e n t i a li n c r e m e n to fl m w o a si nt h er h i z o s p h e r ei n d u c e db yc de x p o s u r e m a yp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nc ab i o a c c u m u l a t i o nb yt h eh i g h 锄dl o wc da c c u m u l a t i n gc u l t i v a r so f a m a r a n t h 3 p o te x p e r i m e n ta n dl a b o r a t o r yc u l t u r ew g l ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fm a l i ca c i da n d c i t r i ca c i da d d i t i o no i lt r a n s f o r m a t i o no fc ds p e c i e si nr e ds o i la n dy e l l o wb r o w ns o i l ，a sw e l la sc d a c c u m u l a t i o ni na m a r a n t h ( c t i a n x i n g m i ，ah i g hc da c c u m u l a t o r ) c o m p a r e dt oc d2 5 f r i g ，k g t a m t n n lc d2 5 m g k g + m a l i ca c i d a n dc d 2 5 m g k g + c i n i ca c i dt r e a t m e n th a dn 0e f f e c to nb i o m a s si n a m a r a n t h ，w h i l es i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e dc da c c u m u l a t i o ni nb o t hr o o ta n ds h o o to fa m a r a n t h f u r t h e r , m a l i ca c i da n dc i t r i ca c i da d d i t i o nc o u l dl o w e rc o n c e n t r a t i o no fs p e c i f i ca d s o r p c d ，b u ti n c r e a s e e x c h a n g e a b l ec a c a r b o n a t eb o u n dc da n do r g a n i cb o u n dc ds i g n i f i c a n t l y a b o v er e s u l t sd e m o n s t r a t e d t h a tm a l i ca c i da n dc i t r i ca c i da d d i t i o nc o u l ds i g n i f i c a n t l ym o d i f yc ds p e c i e st 0e u h a n c oc d a c c u m u l a t i o ni na m a r a n t h 4 r a d i o t r a c e rt e c h n i q u e sw e r eu s e dt oi n v e s t i g a t ek i n e t i c so f1 0 9 c d “i n f l u xa n dt h ei n f l u e n c eo ff e d e f i c i e n c yo nc d z + u p t a k ea n dt r a n s p o r ti nr o o t so fa m a r a n t h i tw a sf o u n dt h a tc o n c e n t r a t i o nd e p e n d e n t l o g c d “i n f l u xk i n e t i c sc o u l db ed e s c r i b e db yac u r v e w h i c hc o u l db ed i s s e c t e di n t oas a t u r a t i o ns e c t i o n ( 【c d l0 - 1 3p m o v l ) a n dal i n e a rs e c t i o n ( 【c d l 1 3l j _ m o l l ) n ef o r m e rr e p r e s e n t e dc a r r i e r - m e d i a t e d c di n f l u xa c 】t o s sr o o t - c e l lp l a s m am e m b r a n eb ym i c h a e l i se q u a t i o nw i t h2 0a n d1 5 n o l l o f c o n s t a n t ( k i n ) a n d4 5a n d 1 3 0n m o f g ( d w ) ho fm a x i m u mi n i t i a lv e l o c i t y0 1 m a x ) i nb o t hf e - s u f f i c i e n ta n d f e - d e f i c i e n ts e e d l i n g s ，r e s p e c t i v e l y c d 2 + u p t a k ei nf e - d e f i c i e n ts e e d l i n g sw a sn e a r l y3 - f o l dh i g h e rt h a n t h a t o f i n f e - s u f f i c i e n t , i n d i c a t i n g t h a t c d ”u p t a k e c a n b e i n d u c e d b y f e - d e f i c i e n c y i nr o o t s o f a m a r a n t h r e s u l t sa l s os h o w e dt h a to n l yal i n e a rk i n e t i c sp h a s eo f1 0 9 c db i n d i n gw a so b s e r v e dw i t h m o r p h o l o g i c a l l yi n t a c t r o o tc e l lw a l lp r e p a r a t i o n s k rp a r t i a l l yi n h i b i t e db o t ht h es a t u r a t e da n dt h e l i n e a rc o m p o n e n to fc d ”i n f l u x a n da b o l i s h e dt h es a m r a t e dc o m p o n e n tb yt h em e t a b o l i ci n h i b i t o r c c c p t h e r e f o r e , t h e l i n e a r c o m p o n e n tr e f l e c t e da p o p l a s t i c a l l y b o u n d c d z + i nc e l l w a l l o f r o o t s 5 ac d n ae n c o d i n gap u t a t i v ei r o n - r e g n l a t e dt r a n s p o r t e rw i t ht h el e n g t ho f6 6 2 b pw a si s o l a t e d f r o ma m a r a n t h wm a n g o s t a n u sb yu s i n gr a c em e t h o da n dd e s i g n a t e da m r t t h es e q u e n c eb l a s t a n dp h y l o g e n e t i ct r e ea n a l y s i si n d i c a t e dt h a ta m r t p r o t e i ns h a r e dah i g hs e q u e n c es i m i l a r i t yw i t h o t h e ri r t ip r o t e i n s ( 6 3 0 4 ) a n dw a sc l u s t e r e di n t oa r a b i d o p s i st h a l i a n az i n ct r a n s p o r t e ra n di r o n f f a n s p o r t e r t h ea m i r t ip r o t e i nc o n t a i n e dap f a m ：z i pd o m a i na n dt h r e et r a n s m e m b r a n em o t i f s n o r t h e r n - b l o ta n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ea b u n d a n c eo fa m r t m r n ai n c r e a m e dg r e a t l yu n d e r f e - d e f i c i e n tc o n d i t i o n s t h ep r e s e n tr e s u l t ss u g g e s tt h a tt h ea m i r t lp r o t e i nm a yb ean o v e lm e m b e ro f t h ez i pf a m i l y a m r t g e n ee x p r e s s i o nc a nb ee n h a n c e du n d e rf ed e f i c i e n c y , a n dc du p t a k ei s r e g u l a t e db yt h i sg e n ei na m a r a n t h i v k e yw o r d s ：a m a r a n t h ，c a d m i u m ，h y p e r a c c u m u l a t i o n ，l o w - m o l e c u l a rw e i g h to r g a n i ca c i d s ( l m w o a s ) ， c a d m i u m u p t a k e 1 r t lg e n e v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业科学院或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：嚆泼藤 时间：2 。游占月 ，j 日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解中国农业科学院有关保留、使用学位论文的规定，即：中国农业科 学院有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业科学院可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 论文作者签名 导师签名 时间：2 0 。7 年占月7 占日 帅：干6 月加日 中国农q k f ：【| 学院博卜学位论文第一章绪论 第一章绪论 重金属是密度大于5 0g ，c l n 3 的一组金属元素，其中包括镉( c d ) 、汞f h g ) 、砷( a s ) 、铅( p b ) 、 铬( c o 、铜( c u ) 、锌( 办) 、锰( m n ) 铝( a 0 、银( a g ) 、锡( s n ) 等约4 0 多种金属元素。这些元素在 岩石形成过程中主要以分散的形式存在。由于工业革命和工业的发展对重金属的需要量增加，导 致人为大量重金属释放到生物圈中( 2 血o u 等，2 0 0 5 ) 。在我国，目前受镉，砷、铬、铅等重金 属污染的耕地面积近2 0 0 0 万h m 2 ，约占总耕地面积的1 5 ( 祖艳群等，2 0 0 3 ) 。由于重金属污染， 全国粮食每年减产1 0 0 0 多万吨，另外被重金属污染的粮食每年也多达1 2 0 0 万吨，合计经济损失 至少2 0 0 亿元。全国矿山附近和长期污水灌溉的农田，也形成了许多的典型的重金属污染区，沈 阳、天津、重庆、南京、上海、杭州等市郊蔬菜地重金属污染超标率达5 0 以上，珠江三角洲地 区的广州市锌、镉、汞超标率分别高达4 9 、8 2 、7 7 ，严重影响了产地生态环境与农产品质 量安全( 周乃元等，2 0 0 2 ：w e i 等2 0 0 6 ) 。 目前重金属污染研究主要集中在镉、汞、铅、铬、砷、铜、锌等，而镉以毒性高和移动性大 最受关注( s i m o n 等，1 9 9 8 ：m o m n o - c a s e l l e s 等，2 0 0 0 ；w e i 等，2 0 0 6 ) 。镉不能被微生物降解， 在土壤中滞留时间长。镉又是生物迁移性很强的重金属，易被植物吸收并积累，并可通过食物链 严重危害人类健康。2 0 世纪6 0 年代在日本的富山县神通川流域发现“痛痛病”，其症状为周身 剧烈疼痛，甚至连呼吸都要忍受巨大的痛苦。后来研究证实，这种“痛痛病”是由于镉污染所引 起的，其主要原因是由于当地居民长期食用被镉污染的大米所致。到1 9 7 9 年为止，这一公害事 件先后导致舳多人死亡，直接受害者则人数更多。赔偿的经济损失超过2 0 多亿日元( 陈同斌， 2 0 0 3 ) 。这一事例引起世界各国对重金属镉污染的广泛关注。 我国镉污染状况也相当严重。我国污灌农田已扩大到1 4 0 万h m 2 ，其中1 4 万h m 2 耕地受到 镉污染，涉及1 1 个省市的2 5 个地区( 陈怀满等，1 9 9 6 ) 。据农业部农业环境监测总站1 9 9 6 1 9 9 8 年的监测结果，污灌区镉污染面积最大，占重金属超标面积的5 6 9 ，污灌区生产的农产 品镉超标率达1 0 2 ( 曹仁林等，2 0 0 1 ) 。全国有不少地区已经发展到生产“镉米”的程度，沈 阳张士污灌区用污水灌溉2 0 多年后，被污染的耕地已多达25 0 0h m 2 ，其中可能产生的稻米c d 含量1 0m g k g 的严重污染面积占1 3 ，江西大余县污灌引起的c d 污染面积为55 0 0h m 2 ，其 中严重污染面积占1 2 ( 刘发欣等，2 0 0 6 ) 。此外，浙江遂昌县和温州地区也相继出现过镉中毒 事件病因出自当地农田的镉污染，两地糙米镉含量分别为1 1 7m g k g 和1 3 0m g k g ，大大超过 f a o w h o ( 1 9 9 5 ) 推荐的最高限额0 1m g k g 。重金属污染具有隐蔽性、潜伏性、长期性和不可 逆性，土壤重金属污染的治理已成为国际研究的难点和热点( 陈怀满等，1 9 9 6 ；m c g r a t h 等，2 0 0 6 ) 。 中国农业科学院博卜学位论文 第一章绪论 1 1 土壤镉污染的成因 1 1 1 土壤中镉的分布及形态 镉在自然界中分布很广，在地壳中含量较少。地球上没有单独的镉矿，在自然界以硫镉矿存 在，并常与z n 、p b ，c u 、m n 等矿共存，所以在这些金属的精炼过程中排出大量的镉，造成环 境污染。与锌矿共生时，其含量介于( 0 0 1 0 5 ) 之间，一般以c d s 和c d c 0 3 的形式存在。 中国科学院南京土壤研究所微量元素组研究( 1 9 7 9 ) 表明，正常土壤含镉为( o 0 3 0 3 ) m g k g ， 通常不超过1 m g k g 。 镉是一种稀有分散元素，未污染土壤中的镉主要来源于成士母质。世界范围内。土壤中含镉 量为( o 0 1 2 ) m g k g ，平均值为0 3 5m g k g ( 许嘉林等，1 9 9 5 ) 。我国土壤镉含量背景值平均为0 0 9 7 m g k g ，略低于某些发达国家，如美国农业土壤镉含量( o 0 5 2 4 ) m g k g ， 欧共体国家( o 0 1 2 5 ) m g k g ，加拿大( 0 5 5 1 8 ) m g k g ，瑞典( o 0 3 2 3 ) m g k g ，日本农田平均镉含量0 3m g k g ( 孟凡乔等，2 0 0 0 ) 。 植物对重金属的吸收与重金属的赋存形态有关( 王新等，1 9 9 7 ) 。土壤中重金属可分为水溶 态、可还原态、交换态、d t p a 可提取态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机态和残渣态 等形态( x i a n 等，1 9 8 9 ；周卫等，2 0 0 1 ) ，对植物起危害作用的主要是水溶态和交换态镉( r u 等，2 0 0 6 ) 。 1 1 2 土壤中镉污染的来源 土壤中自然存在的镉，一般不至对人类造成危害。正常条件下，镉在土壤中是一种痕量元素， 但随着近代工业技术上镉的广泛应用，使镉在土壤中积累以至形成污染。镉的污染源于人为活动， 很多工业加工过程如电镀、颜料、塑料、合金、电池业均用到大量的镉，占镉总消耗量的9 0 。 有色金属的冶炼、矿石的锻烧、煤和石油的燃烧、各种含镉物质的燃烧( 如垃圾、塑料的焚烧) 、 汽车轮胎和润滑油中的镉、镀镉工艺、彩色荧光粉、塑料热稳定剂等生产或排放过程均可将含镉 废物排入环境造成镉污染( 杨若明等，2 0 0 0 ；c h e r t 等， 2 0 0 3 ) 。 大气污染可造成不同程度的镉污染，工业废气是大气沉降镉污染的主要来源。大气镉的沉 积率一般仅为( 0 0 6 4 4 9 ) g h a la 1 ，但在一些冶炼厂附近可高达1 3 5 6g h a 1 a - 1 。大气镉通过降雨 或干沉降进入土壤，其中少部分可直接被植物叶片吸收。因此，在工业污染地区，土壤和植物叶 片会累积大量的镉( i v o n i n 等，1 9 9 1 ；a r a v i n d 等，2 0 0 5 ) a r t h u r 等( 2 0 0 0 ) 报道，英国农田 土壤镉污染来自大气沉降的占5 0 ，冶炼锌矿的过程中，近4 5 的镉进入大气中。 磷肥及其它含镉肥料的施用也会造成镉污染( a r a v i n d 等，2 0 0 5 ) 。磷肥中的镉来自磷矿， 其镉含量因磷矿类型、加工流程不同而有很大差异。磷肥含镉量变动在( 5 5 0 ) m g k g 范围，但 个别高的可达2 0 0m g k g 。据报道，澳人利亚的磷肥镉含量高达( 1 8 9 1 ) m g k g ，加拿大为( 2 1 9 3 ) m g k g ，美国为( 7 4 1 5 9 ) m g k g ，荷兰为( 9 6 0 ) m g k g ，瑞典为( 2 3 0 ) m g k g 。我国的磷矿 含镉大多较低，所以磷肥的镉含量较低，如广州市施用的磷肥镉含量为( 2 3 ) m g k g 。磷肥中镉 大部分以c d ( h 2 p 0 4 ) 2 和c d h 2 p 0 4 的形态存在。 2 中国农业科学院博l 学位论文第一章绪论 污灌和污泥农用是重金属进入土壤的一种主要形式( r a s h m i 等，2 0 0 1 ；q u m a c c i 等。2 0 0 5 ) 。 污水中工业废水占6 0 8 0 ，矿区开发、镀锌厂以及与染料、塑料的稳定剂，油漆的着色；f ! 及轮胎生产有关的工厂是含镉污水的主要来源( 郭笃发，1 9 9 4 ) 。我国利用污水灌溉的农田有3 0 的土壤已受到不同程度的重金属污染，其中以镉污染尤为严重( 李森照等。1 9 9 5 ；刘发欣等， 2 0 0 6 ) 。在美国，污泥平均含镉量( 1 0 1 6 ) m g k g 1 ，在全球范围内，污泥对土壤镉的供给量虽远 小于大气沉降和磷肥施用，但施用污泥对区域性土壤镉的积累也是不容忽视的( 吴双桃等，2 0 0 5 ) 。 据欧共体统计，进入环境的镉共约6 1 1 8 吨，其中2 进入大气，4 进入水体，9 4 进入 土壤。其中，来自生产镉工业的占6 ，来自使用镉为原料的占5 7 ，其它工业来源为3 7 美国l o 年中进入环境的镉为7 6 1 3 吨，其中1 3 进入大气，5 5 进入水体，8 1 8 进入土壤。 这些镉的来源也是主要来自使用含镉原料的工业。可见，土壤是环境中镉的主要消纳场所，只要 土壤中镉的含量稍有增加，就会使作物体内镉的含量增加，与其它重金属铅、铜、锌、砷等相比 较，镉的土壤环境容量小得多( l a s a t 等，2 0 0 2 ) 。因此，预防和治理镉污染土壤显得更为紧迫。 1 2 土壤对镉的吸附与解吸特性 1 2 1 土壤镉吸附的特点 控制和修复镉污染土壤，就必须了解镉在土壤中的化学行为，土壤对镉的吸附与解吸是影响 镉在土壤溶液中的浓度、生物有效性及其向地表和地下水迁移的重要因素之一( 张会民等，2 0 0 6 ) 。 土壤镉的吸附类型分为非专性吸附和专性吸附。非专性吸附指离子通过在双电位层中以简单库仑 作用力与土壤结合，速度较快；专性吸附指土壤颗粒与金属离子形成螯合物，金属离子在土壤颗 粒表面沉淀或与铁锰氧化物产生共沉淀，金属原子在土壤颗粒内层与氧原子或羟基结合，专性吸 附的速度较慢( s e l i m 等，1 9 9 2 , n a i d u r 等，1 9 9 4 ) 。镉与土壤接触时间变长后，非专性吸附的镉 有向专性吸附转变的趋势( l i m 等，2 0 0 2 ) ，因此，土壤对镉的吸附机理主要是专性吸附，专性 吸附加大了镉污染土壤的治理难度。 一般描述土壤吸附过程的数学方程有l a n g m u i r 方程、f r e u n d l i c h 方