烟草重金属镉的吸收积累规律及其影响机制研究

【摘要】烟草对镉的吸收积累具有一定的规律性，镉对烟草的毒害一方面受到不同部位镉的含量和赋存形态影响，另一方面受到外界的环境因素的影响。探明烟草对镉的吸收积累规律，有利于通过外界调控烟草对镉的吸收，减少镉对烟草的毒害。本研究通过盆栽试验和水培试验相结合的方式，研究了烟草对镉的吸收积累特性以及在吸收积累过程中，镉的主要化学形态分布特点，阐述了镉对烟草生长生理的影响，并通过超微电镜观察在细胞水平上揭示了烟草镉毒害的原因，揭示pH、温度和锌对镉吸收积累的调控效应，旨在为我国低危害烟叶的生产以及烟草镉污染的防治提供理论依据。1.烟草对镉的吸收具有一定的规律性：随着处理时间的延长，烟苗对镉的吸收量呈现先减少后升高，最终趋于稳定，而烟苗对镉吸收速率则呈现先降低后持续升高趋势。添加镉处理后，烟草叶片镉含量显著高于茎和根部；这与对照组内镉含量为根>茎>叶不一致。在烟草采收前，烟叶中的镉含量表现为：下部叶>中部叶>上部叶。烟草镉积累速率随着镉浓度的提高而提高。2.烟草品种对镉的敏感性存在差异，不同镉浓度处理对烟草光合性能存在较大的影响，且不同烟草品种之间差异明显。在本研究中，四个烟草品种的光合性能还存在相似性，均在镉含量达到64mg/kg时急剧降低，结合其他指标，可以断定64mg/kg的镉浓度是烟草移栽后生长的形态半致死浓度。在该浓度下烟草的干物质重量显著降低，光合性能降低，烟株死亡率达到50%左右。不同烟草品种对镉的积累特性存在共同的特点：下部叶>中部叶>上部叶>根、茎，而茎和根中的镉含量则因品种和生育期而存在一定差异。随着镉含量的提高，烟草各部位的镉含量均升高，四个烟草品种整体上对镉的吸收积累规律具有一致性，但是，中烟100镉的耐受性显著高于其他三个烟草品种。在4mg/kg和16mg/kg镉浓度处理下，其各部位镉含量均低于其他三个品种，在64mg/kg和128mg/kg镉浓度处理下，各部位的重金属含量也较低。镉在烟草体内不同部位的化学形态含量不同，去离子水提取态主要分布在下部叶片，上部叶片和花蕾中的含量相对较少，在茎秆中，木质部的镉含量多于韧皮部，木质部既对镉有沉积也有运输，而韧皮部作为向下运输营养物质的器官，其中具有较高的氯化钠提取态则说明有一部分镉通过韧皮部向其他部位转运，这可能是烟草镉外排的一种证明。3.不同的烟草品种，各部位镉的化学形态比例存在差异，三种红花烟草相比，中烟100各部位去离子水提取态和氯化钠提取态含量较高，结合前面章节关于镉积累的特点，可以认定中烟100具有较高的镉耐受性。研究已经证实乙酸提取态是活性和迁移性较低的化学形态，而三个红花烟草中根部的乙酸提取态较之自身叶片和茎秆而言，都有较大的比例提高，说明根部是烟草沉积镉的主要器官，而叶片是受毒害最重的器官。马合烟作为一种黄花烟草，其体内的镉形态分布与红花烟草之间存在较大差异，在马合烟中，去离子水提取态在各部位所占比例均为最高，但在实际观测中，其生理生长所受影响并非最严重，这说明其对镉的耐受性最高。同时，马合烟根部乙酸提取态所占比例较高，这与红花烟草相一致，说明根部也是其沉积镉的主要器官。4.在不添加镉处理时，镉主要集中在烟草的茎部，随着镉浓度的增加，叶片中镉的积累量增加，但是镉主要还是积累在根部和茎部。镉抑制了烟草幼苗的生长，降低了烟草幼苗各项生理活性，使其碳代谢受到严重影响。低浓度的镉处理在一定程度上能使烟草幼苗根部干物质重增加，叶片硝酸还原酶活性增强。本研究显示要降低烟草中的镉含量，获得优质高产的烤烟，必须在烟草的苗期严格控制重金属对幼苗的污染，在实践生产中栽种优质、低危害的烟苗。5.随着镉浓度的提高，烟草幼苗叶片的细胞膜透性增大，10μmol/L镉处理细胞膜透性和对照处理相比无显著差异，而当镉浓度100μmol/L和500μmol/L时，细胞膜透性差异也不显著，可以看出，此时细胞膜已经发生破裂，所以细胞膜透性变化随着镉浓度的提升变化不大。随着镉浓度的提高，叶肉细胞的叶绿体数量减少，叶绿体体积变小，叶绿体内基粒片层结构减少，基质片层结构增多，在高浓度处理下，基粒片层结构不复存在，基质片层结构呈长条状，甚至基质类囊体膜出现破裂。随着镉浓度的提高，叶肉细胞的细胞壁上出现了大量的嗜锇颗粒，说明细胞壁对镉具有一定的沉积作用。6.在种子萌发阶段，中性环境最有利于种子萌发，过酸或者过碱都会降低种子的发芽率，烟草种子萌发后，偏酸性的环境有利于幼苗的生长发育，有利于其干物质的积累。随着pH的降低和升高，烟苗的干物质重会降低。酸性环境中烟苗各部位的镉含量较高，而碱性环境则减少了烟苗中的镉含量。温度会影响烟苗中的镉含量，低温和高温都会减少烟苗中的镉含量，在20℃时烟苗对镉的吸收量最高，在低温和常温条件下，烟苗中的镉含量表现为：茎>根>叶，在高温条件下表现为：根>叶>茎。少量的锌对烟草生长有促进作用，大量的锌则会对烟草生长造成毒害，锌和镉之间存在着竞争作用同时也存在着协同效应。烟草对镉的吸收受到锌的调节，在低锌浓度时锌具有调节作用，在高锌浓度时，镉竞争锌的结合位点，因此烟苗体内的镉含量呈现增加趋势。
【作者】贺远；
【导师】王树声；
【作者基本信息】中国农业科学院，作物栽培学与耕作学，2014，博士
【关键词】烟草；镉；生物富集；化学形态；解毒机制；

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