杨桃（Averrhoa carambola）对Cd富集特征与Cd污染土壤植物修复

摘要

镉(cadmium，Cd)是环境中对植物、动物以及人类毒性最强的重金属元素之一，Cd污染土壤的治理问题一直是备受全世界关注的热点课题。植物修复(phytoremediation)是20世纪80年代逐渐发展起来的一项重金属污染原位修复技术。而其中的植物提取技术(phytoextraction)，因其费用低、环境友好等特点，具有重大的发展前景。但是，由于缺乏理想的植物材料，植物提取技术目前还无法大规模应用于Cd污染土壤的修复。 杨桃(Averrhoa carambola L．，Oxalidaceae)是一种多年生常绿落叶木本植物，原产于亚洲热带地区(15°S-23°N)，目前在热带和亚热带地区(30°S-30°N)广为种植。它具有生物量大、生长迅速、易于繁殖等特点。本论文首先研究了不同品种杨桃富集Cd的特性及其相应的食品安全问题，并通过水培和土培试验验证了杨桃超富集Cd的能力，进而研究了与杨桃(超)富集Cd相关的部分机理，最后通过田间小区实验评估杨桃用于修复Cd污染土壤的效率。主要结果如下： 1.广州三个主要果园的土壤总Cd含量分别达到了1.27、1.84和0.68 mgkg-1，均超过了国家农业土壤质量标准。在三种[杨桃、龙眼(Dimocarpus longan)和黄皮(Clausena lansium)]被调查的果树中，花地(品种)杨桃富集Cd的能力最强。在土壤总Cd含量只有1.27 mg kg-1时，其根、枝、叶和果实中积累的Cd依次达到了7.57、10.84、9.01和2.15 mg kg-1(干重)，分别是龙眼和黄皮相应部位Cd含量的6-24和4-10倍。而且，来自不同果园的花地杨桃都有很高的Cd生物富集系数(bioconcentration factor,BCF)，分别为7.0、4.6和5.8。因此，花地杨桃很可能是一种新的木本Cd富集植物。此外，值得关注的是，这三种南方主要水果中，花地杨桃和黄皮果实Cd含量(0.06-0.25 mg kg-1，鲜重)均不同程度地超过了国家食品卫生标准(0.05 mg kg-1，鲜重)，其中，花地杨桃果实Cd含量超标近5倍。因此，食用杨桃对当地居民的潜在健康风险值得重视。 2.在珠江三角地区广泛种植的主要杨桃品种(包括马来西亚、台湾、泰国、花地以及惠东品种)富集重金属的能力均为Cd>Zn>Ni。台湾、泰国、花地、马来西亚以及惠东品种杨桃对Cd的BCF分别为27.9、15.4、14.3、13.1和6.74。来自该地区12个果园的杨桃枝和叶的Cd含量(不同品种的平均数)分别达到10和11.5 mg kg-1(干重)。而且在被调查的124个杨桃(果实)中，47％样品(58个)的Cd含量超过了国家食品卫生标准(0.05 mg kg-1，鲜重)，其中，来自PRD16的杨桃(n=10)Cd含量高达0.294 mg kg-1(鲜重)。由此可见，不同杨桃品种均具有很强的Cd富集能力，其果实对当地居民造成的潜在健康风险尤为值得重视。土壤总Cd低于0.19 mg．kg-1可能是生产符合国家食品卫生标准的杨桃所必需的。 3.不同品种的杨桃在Cd含量≥12 mg kg-1的污染土壤中生长5个月后，都能在地上部(枝和叶)富集超过100 mg kg-1 Cd，含量最高达到487 mg kg-1 Cd，且不同品种杨桃的Cd生物富集系数(BCF)和转运系数(translocation factor,TF)都大于1。在水培实验中，当溶液中Cd浓度≥1 mg kg-1时，杨桃就能在地上部富集超过100 mg kg-1Cd，最高的能达到615 mg kg-1。而且，当溶液中Cd浓度≤5 mg kg-1时，不同品种杨桃的Cd转运系数(TF)都大于1。上述结果表明：不同品种杨桃对Cd的富集特征都符合Cd超富集植物的界定标准。因此，杨桃是一种新的Cd超富集植物，也是目前所知的唯一的木本Cd超富集植物。 4.广州和香港两地市售杨桃中As、Pb、Hg、Cr等元素的含量通常低于检测限，Zn、Ni和Cd的含量则相对较高，而且都呈Zn>Ni>Cd的相同趋势。广州和香港两地市售杨桃在Zn含量方面差异不显著，而且都低于国家食品卫生标准的相关规定(5 mg kg-1，鲜重)。香港市售杨桃Ni的含量(0.477 mg kg-1，鲜重)显著(P<0.001)高于广州市售杨桃Ni的含量(0.257 mg kg-1，鲜重)，且两地市售杨桃Ni含量均高于国际上一些相关的标准。广州市售杨桃Cd的超标率为17.3％，Cd含量最高的达到0.104 mg kg-1，一个体重为40 k的人如果食用0.385kg这种受污染的杨桃，那么所摄进的Cd就超过世界卫生组织规定的每日可耐受摄入量(tolerable daily intake，TDI)。 5.植物超富集重金属的相关机理涉及重金属离子在根部区域的活化、植物根部对重金属离子的吸收、重金属离子向木质部和韧皮部中的装载过程、重金属离子向地上部运输、贮存以及解毒等方面。本研究发现，Cd处理4 h时，杨桃根部对Cd的累积吸收量达到7.27μM g-1 root(鲜重)，显著(P<0.05)高于黄皮根部对Cd的累积吸收量(4.23 μM g-1 root,鲜重)。这表明与黄皮相比杨桃根细胞质膜上可能存在更有效的Cd转运体。另外，杨桃向枝、叶转运Cd的速度分别是黄皮的4.5和49倍，表明杨桃可能存在更有效的向地上部转运Cd的系统。通过Zn-Cd互作实验，我们还发现杨桃对Cd的吸收以及转运在很大程度上是依赖于Zn的转运体系的，但与Ca和Fe的转运体系关系不大。 6.通过田间小区实验尝试将新发现的Cd超富集植物杨桃应用于轻度Cd污染土壤的修复，并进一步评价其修复的实际效果。研究结果发现，采用实生苗、高密度种植的杨桃在田间生长非常迅速，生长约170天后地上部生物量达到18.6ton ha-1，对Cd的去除量212.9 g ha-1，对土壤总Cd的去除率为5.28％，明显高于迄今报道的土壤Cd污染的植物修复效率。更重要的是，我们的研究还证实，这样的修复措施不但可以显著(P<0.05)降低土壤DTPA-Cd含量，而且可以极显著(P<0.001)降低后作蔬菜中Cd的含量。 综上所述，由于杨桃对Cd有很强的富集能力等原因，各种不同来源的杨桃果实都存在Cd含量超标较严重的现象，而且相关的食品安全以及健康风险问题值得高度关注。但是，这并不影响杨桃这种新的木本Cd超富集植物在Cd污染土壤植物修复中的应用前景，因为采用实生苗种植的杨桃在树龄小于5年时都不挂果。本研究发现采用实生苗、高密度种植的杨桃林不但生长迅速，而且对Cd的修复效率也非常高：在轻度Cd污染的实验小区生长约170天后地上部生物量达到18.6 ton ha-1，对土壤总Cd的去除率达到5.28％，高于迄今报道的土壤Cd污染的植物修复效率。更重要的是，这样的修复措施不但可以显著(P<0.05)降低土壤DTPA-Cd含量，而且可以极显著(P<0.001)降低后作蔬菜Cd的吸收量。杨桃具有生物量大、生长迅速、能超富集Cd等诸多优势，是用于Cd污染修复的理想植物材料之一(特别是在热带和亚热带地区)。在以后的研究中，可以通过延长杨桃生长期、优化施肥量等农艺措施以及土壤强化措施，进一步提高杨桃修复Cd污染土壤的效率。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章前言

1.1土壤镉(cadmium，Cd)污染的主要来源

1.2 Cd污染土壤的界定

1.3土壤Cd污染的现状以及相关的食品安全问题

1.3.1土壤Cd污染的现状

1.3.2土壤Cd污染与食品安全问题

1.4土壤Cd污染植物修复研究的现状与进展

1.4.1土壤Cd污染植物修复研究现状

1.4.2土壤Cd污染植物修复研究进展

1.5本研究的提出

第2章不同种类果树吸收Cd的特征

2.1前言

2.2材料与方法

2.2.1样地描述

2.2.2样品采集与预处理

2.2.3样品分析

2.2.4数据分析

2.3结果与分析

2.3.1果园土壤Cd污染

2.3.2不同种类果树吸收Cd的特征及其相应的食品安全问题

2.3.3杨桃组织Cd含量与土壤性质之间的关系

2.4 小结

第3章不同品种杨桃富集Cd的特征：野外调查

3.1前言

3.2材料与方法

3.2.1样品采集与预处理

3.2.2化学分析

3.2.3质量控制

3.2.4数据分析

3.3结果与讨论

3.3.1果园土壤的Zn、Ni、Cd含量

3.3.2不同品种杨桃组织的Zn、Ni、Cd含量及其相应的健康风险

3.3.3土壤与杨桃组织Zn、Ni、Cd含量之间的关系

3.4 小结

第4章不同品种杨桃富集Cd能力的验证

4.1前言

4.2材料与方法

4.2.1杨桃的生物学特性

4.2.2供试植物

4.2.3盆栽实验

4.2.4水培实验

4.2.5化学分析

4.2.6数据分析

4.3结果

4.3.1 Cd处理对杨桃生物量的影响

4.3.2土培条件下杨桃对Cd的富集能力

4.3.3水培条件下杨桃对Cd的富集

4.4讨论

4.4.1杨桃的Cd耐性

4.4.2杨桃的超富集Cd的特性

4.5 小结

第5章市售杨桃Cd等重金属的含量及其食品安全问题

5.1前言

5.2材料与方法

5.2.1样品的收集与预处理

5.2.2化学分析

5.2.3质量控制

5.2.4数据分析

5.3结果与分析

5.3.1市售杨桃Zn的含量及其相应的潜在健康风险

5.3.2市售杨桃Ni的含量及其相应的潜在健康风险

5.3.3市售杨桃Cd的含量及其相应的潜在健康风险

5.4 小结

第6章杨桃富集Cd的动力学与Cd-Zn相互作用

6.1前言

6.2材料与方法

6.2.1供试植物

6.2.2杨桃根系吸收Cd的动态

6.2.3杨桃向地上部转运Cd的动态

6.2.4 Zn对杨桃吸收Cd的影响

6.2.5化学分析

6.2.6数据分析

6.3结果与分析

6.3.1杨桃根部吸收Cd的特性

6.3.2杨桃向地上部转运Cd的特性

6.3.3 Zn与杨桃超富集Cd的关系

6.4 小结

第7章杨桃修复Cd污染土壤的效率

7.1前言

7.2材料与方法

7.2.1研究样地

7.2.2实验设计

7.2.3取样与分析

7.2.4数据分析

7.3结果与分析

7.3.1不同种植方式对杨桃修复土壤Cd污染效率的影响

7.3.2不同生长年份杨桃修复土壤Cd污染效率的变化

7.3.3杨桃修复土壤Cd污染的效果评价

7.4 小结

第8章结论

8.1本论文的主要结论

8.2本论文的创新之处

8.3本论文的不足之处

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致 谢