不同锌肥对镉污染土壤中蚯蚓和菠菜毒性的影响及其机制
镉污染已成为我国工农业用地普遍存在的重金属污染问题。镉进入到土壤中，会对土壤生物造成严重胁迫，甚至通过食物链危害人体健康。纳米材料比表面积大、吸附能力强等特点使得土壤镉污染的纳米修复成为可能。纳米氧化锌（ZnONPs）是前景良好的新型锌肥，其纳米特性具有降低土壤中镉生物毒害的潜力，且锌镉两种物理化学性质相似的金属，对生物具有交互作用。本研究旨在探究施加锌肥对镉污染土壤中生物所受毒性的影响，以及纳米氧化锌与其他锌肥相比是否具有纳米特异性。通过在蚯蚓单一培养和蚯蚓-菠菜混合培养体系下，分别施加50、250、500mgkg-1ZnONPs、普通氧化锌（ZnO）、硫酸锌（ZnSO47H2O），探究不同锌肥对镉污染土壤中蚯蚓和菠菜毒性的影响，以及施加锌肥后土壤、蚯蚓、菠菜中锌镉的积累、分布和形态变化，结果可为纳米材料修复重金属提供科学依据。主要如下： 1、蚯蚓纯培养中，试验所用镉污染土对蚯蚓的存活和行为未造成可见影响，所有处理蚯蚓存活率均高于90%，回避率均小于0。蚯蚓体内镉含量随锌肥施加浓度的增加而降低，最大可降低58.51%。锌含量均保持在99~109mgkg-1。锌肥的加入使得蚯蚓体内金属硫蛋白相对含量下降，这与蚯蚓体内镉含量的降低相符，表明锌镉产生拮抗作用。加入锌肥可一定程度缓解蚯蚓体内由镉胁迫产生的氧化损伤，但各指标的响应不同。土壤中镉使蚯蚓的体壁、肠道、皮肤表面受到严重损伤，500mgkg-1ZnO和ZnSO47H2O会使蚯蚓体壁、肠道损伤加重。500mgkg-1ZnSO47H2O对蚯蚓表面皮肤产生进一步伤害。 2、蚯蚓-菠菜混合培养中，加入锌肥后，显著促进菠菜生长，其中根部、地上部生物量最高提升133%、121%；菠菜镉含量显著降低，根部、地上部镉含量最高降低76.9%、75.6%，ZnONPs对菠菜的降镉增锌作用优于同浓度的ZnO和ZnSO47H2O；蚯蚓镉含量呈现出先减小后增大的趋势，即蚯蚓体内锌镉拮抗作用存在最值，ZnONPs、ZnO、ZnSO47H2O平均可降低蚯蚓体内77.4%、68.8%、71.2%的镉含量，即ZnONPs对蚯蚓体内降镉效果优于ZnO和ZnSO47H2O。混合培养中蚯蚓抗氧化防御系统表现出较纯培养体系更为复杂的响应，需进一步研究不同时间各抗氧化防御酶活性及脂质过氧化产物含量的变化。 3、蚯蚓活动使得污染土壤中pH和有机质均产生下降。加入锌肥后，纯培养土壤pH进一步降低，两培养体系土壤有机质均未发生显著变化。锌肥的加入一定程度上活化了土壤中的镉，使有效态镉含量增加。蚯蚓纯培养中土壤总镉未发生显著变化，混合培养中总体有下降趋势，250、500mgkg-1ZnONPs、500mgkg-1ZnSO47H2O处理组下降显著。土壤连续顺序（BCR）提取结果表明，蚯蚓纯培养中土壤可还原态镉转化为活性较高的弱酸提取态镉，混合培养中镉的形态转化更为复杂，可能是多物种相互作用的结果。加入土壤中的锌肥多以活性较高的弱酸提取态和可还原态存在于土壤中。 综上，在自然条件下的镉污染土壤中，添加锌肥可显著降低蚯蚓体内镉的积累、促进菠菜的生长，且ZnONPs对植物降镉增锌的效果要优于ZnO和ZnSO47H2O。高浓度的ZnO和ZnSO47H2O可能会对蚯蚓微观结构造成进一步损伤。由此可知，ZnONPs作为一种新型肥料，有缓解污染土壤中生物镉毒性的潜力，相比其他锌肥，ZnONPs可能在农业生产和土壤重金属污染的治理方面更具生物安全性。
镉污染土壤;锌肥;蚯蚓毒性;菠菜毒性
西北农林科技大学
硕士
环境科学
毛晖
2023
中文
X53
2023-12-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）