烟草镉化学形态分布探析

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1试验方法

1.1试验设计试验设0、3、12、20mg/kg4个镉水平，每盆装土1.5kg，分别施入0.46gNH4NO3、0.757gKH2PO4和0.615gK2SO4作基础养分，重复4次。镉以CdCl2溶液形式加入，养分以溶液形式作基肥一次施入。将土壤、CdCl2溶液和养分混匀，陈化30天后，选择苗龄、长势一致的烟苗移栽入盆中，每盆2株，60天后收获，收获的植株先用自来水洗净，再用去离子水冲洗，擦干，称重，用于化学形态的测定。

1.2分析方法Cd形态测定采用江行玉[7]方法改进后进行，具体操作如下：准确称取一定量的鲜样，剪成1~2mm2的碎片，置于烧杯中，加入37.5mL提取剂，在30℃恒温箱中放置过夜(17~18h)，次日回收提取液，再加入同样该提取液，浸取2h后再回收提取液，重复2次，即在24h内提取4次。集4次提取液（共150mL）于烧杯中，提取液经蒸发近干后，用一定比例硝酸-高氯酸消煮，定容，用原子吸收分光光度计测定，即得到一定提取剂所选择提取的重金属形态。提取剂及提取顺序为：80%乙醇、去离子水、1mol/LNaCl溶液、2%(V/V)醋液、0.6mol/L盐酸。

1.3符号含义FW、FNaCl、FHAC、FHCl、FR分别表示水、NaCl、HAC、HCl以及80%乙醇提取剂所提取的镉化学形态的分配比率。

2结果与分析

2.1不同类型烟草根中镉的化学形态，烟草根中镉的各化学形态，随镉处理浓度的增加而增加。在不加镉的情况下，各形态分配比率差别不大；在低浓度处理情况下，FHAC和FNaCl提取态分配比率升高，FW、FE有所降低；但当镉处理浓度升到20mg/kg，‘Xanthi’根中FHAC提取态分配比率降低，FW提取态分配比率超过了FNaCl提取态。可以看出，随着镉处理浓度的增加，不同品种烟草根中镉的各形态分配比率有接近的趋势。不同烟草之间根各形态的分配比率有差异。随着镉浓度的提高，‘贵烟11号’FW高于‘Xanthi’，FW提取水溶性有机酸盐、重金属的一代磷酸盐[M(H2PO4)2]等，其毒性较强，高浓度下，‘贵烟11号’FW提取态比率加大，势必造成对植物根部的伤害。同时看出，低浓度下高积累型FHAC分配比率高于低积累型，而FW分配比率低于低积累型。FHAC提取难溶于水的重金属磷酸盐等，推断可能是高积累型烟草根内镉形成难溶于水的磷酸盐有利于其对镉的积累。

2.2不同类型烟草茎中镉的化学形态，烟草茎中镉的各化学形态，随镉处理浓度的增加而增加，但各形态的分配比率却因镉处理浓度而异。与根相比，FHAC分配比率降低，FNaCl和FHCl分配比率升高，以FHAC和FNaCl提取态最多，两者总量有所降低，且FHAC和FNaCl分配比率相差不大，甚至有的FNaCl超过了FHAC分配比率。与不加镉情况相比，低浓度处理(3mg/kg)下，FHAC与FNaCl提取态分配比率之和增加，FW提取态有所下降。在镉处理浓度为12mg/kg时，FNaCl提取态分配比率有所降低，FW提取态有所升高。

2.3不同类型烟草叶中镉的化学形态，烟草叶中镉的各化学形态，随镉处理浓度的增加而增加。与根、茎中相比，FNaCl提取态分配比率升高，FHAC和FHCl降低。形态分配比率主要在去离子水、HAc、NaCl提取态间变化。所有镉处理中，FNaCl提取态分配比率最高，占47.81%~65.10%，FHAC提取态分配比率次之。与不加镉处理相比，低浓度时，FNaCl提取态分配比率下降，FHAC提取态分配比率有所升高，但FNaCl提取态仍占优势。到高浓度(12mg/kg)时，FW升高，FNaCl降低。不同烟草叶镉的各形态的分配比率有差异。可以看出，在不加镉处理时，不同品种的FNaCl提取态分配比率相差不大，随着镉处理浓度的提高，‘Xanthi’的FNaCl不断增加，直到20mg/kg才有所降低，而‘贵烟11号’和‘RG17’的FNaCl不断降低，相反‘Xanthi’的FW提取态的分配比率不断降低，而‘贵烟11号’和‘RG17’的FW在不断增加。随着镉浓度的增加，这种趋势更加明显。

3结论

（1）在镉形态分布中，根中FHAC分配比率占绝对优势，茎中FHAC降低，FNaCl增加，而在叶中，FNaCl提取态占绝对优势。从根到地上部镉化学形态的这种变化，与镉在植株不同部位的分布有很大的关系。

（2）烟草根内以HAc提取态占绝对优势，表明有相当一部分Cd能与一些物质结合形成活性较低的难溶性化合物，相应地自由态的Cd含量相对较低，以致它的毒害作用变小。由于富集在烟草根部的Cd有一部分是以难溶的形态存在，所以它不容易由根部向地上部分迁移，这也可能是根部积累Cd的机制之一。而烟草叶片内镉都以NaCl提取态占绝对优势，表明进入烟叶内的Cd多附集在蛋白质周围。这也可能是烟草叶镉含量高于根、茎而受害症状较根轻的原因之一。

（3）烟草根、茎、叶镉的各形态含量随土壤镉浓度的增加而增加，根部FHAC分配比率最高，占绝对优势，茎FHAC降低，FNaCl增加，而叶片FNaCl分配比率最高，占绝对优势，且随着镉浓度的加大，根、茎、叶镉的各形态分配比率有接近的趋势。说明随着镉对植物体内毒害作用的增加，烟草忍耐镉的机制作用降低。

（4）低浓度下高积累型根内FHAC分配比率高于低积累型，表明高积累型烟草根内镉更多形成难溶于水的磷酸盐，以致它的毒害作用变小。烟草耐性品种FNaCl分配比率高于敏感性，表明耐性品种中的镉更多的与蛋白质的巯基和其他一些侧链络合形成低毒或无毒物质，降低了镉毒性，而敏感型FW较高，毒害作用较大，影响植物生长。可以推断高积累型烟草根内镉形成难溶于水的磷酸盐有利于其对镉的积累，而与蛋白质络合，从细胞质转移到液泡可能是烟草耐性品种忍耐镉的主要机制之一。这有待于进一步研究验证。

4讨论

从各提取态镉的绝对含量来看，叶＞茎或根，这与章钢娅[8]、赵秀兰[2]等研究结果一致，说明烟草对Cd有着很强的转移能力。FNaCl主要提取果胶盐、与蛋白质结合形态或呈吸着态的重金属，而作物对镉的耐受性与氯化钠提取态的比例之间有显著的相关性[9]。在烟草叶片内，镉都以NaCl提取态占绝对优势，表明进入烟叶内的Cd多附集在蛋白质周围。这主要是因为Cd对蛋白质或其他有机化合物中巯基有很强的亲和力[10]，在植物体内，Cd常与蛋白质相结合[11-12]。这种结合形态一方面可减少游离Cd的含量，使其有效性和移动性降低，从而避免其对植物产生伤害。另一方面，Cd可能与体内的酶和功能蛋白结合，干扰它们的功能，造成生理生化代谢过程紊乱，而影响植物的生长发育。而与细胞壁相结合或者将金属复合物从细胞质转移至液泡，在细胞液中与有机、无机负离子的络合等被认为是植物细胞内积累或忍耐Cd的主要机制[13]，且能与Cd相结合形成复合物的配体主要则有柠檬酸（盐）、草酸（盐）、氨基酸、多肤、蛋白质如植物络合素、金属硫团等，以及硫化物、磷酸盐类等无机基团[14-15]。螯合是植物对细胞内重金属解毒的主要方式之一，谷胱甘肽(GSH)、草酸(oxalicacid)、组氨酸(His)和柠檬酸盐(citrate)等小分子物质及金属螯合蛋白都能螯合重金属，其中金属螯合蛋白对金属的螯合能力远大于GSH和citrate[16]。金属硫蛋白(metallothionein,MT)是富含半胱氨酸(Cys)残基的低分子量金属结合蛋白，重金属(Cd2+、Zn2+和Cu2+)胁迫能诱导真菌和动物体内MT的合成[17-19]，MT可通过Cys残基上的巯基与金属离子结合形成无毒或低毒络合物，从而消除重金属的毒害作用，因而动物和真菌的重金属抗性与MT累积成正相关[20]，研究表明，与硫代谢有关的镉的络合作用可能是油菜抗镉的重要机制[21]。烟草85%以上的镉分布在叶内，金属硫蛋白螯合镉也可能是烟草耐性品种忍耐镉的主要机制之一。这些机理主要对农作物等植物研究较多，烟草研究甚少，需进一步研究验证。

作者：李彦娥赵秀兰单位：西安地质矿产研究所西南大学资源环境学院