摘 要

土壤镉污染已经成为一个严重的问题，且对食品安全和人体健康产生了不利影响。目前，急需有效的方法来减轻植物体内镉毒害。

在本研究中，进行了为期九周的连续盆栽试验，探讨了不同纳米氧化铁（α-Fe₂O₃, γ-Fe₂O₃, Fe₃O₄）单独使用以及与生物炭复合使用对于含镉土壤中甜瓜生长的影响。本研究测定了甜瓜叶中抗氧化系统、叶绿素、可溶性蛋白等生理指标，以及镉在基质土、叶和果实中分布情况。结果表明，镉很容易被植物吸收并引起氧化应激，然而生物炭，α-Fe₂O₃及其复合组（BFe1组）能显著改善这一情况。经过这三种处理，果实中Cd含量分别降低了19.51-78.86%。在第3周和第5周中，叶片中Cd含量分别降低了15.44-36.23%和22.36-31.77%。在酶活性方面，在第7周，这三种处理降低了叶片中的SOD活性（3.41-38.57%）和CAT活性（24.27-30.33%）。其中BFe1组效果最好，该组将大部分的Cd都固定在土壤中，且该组果实中Cd含量最低。

综上所述，生物炭和纳米α-Fe₂O₃复合使用可以有效减轻甜瓜镉毒害，保护人类免受Cd的危害。本研究也为探索更有效的植物镉胁迫缓解方法提供了参考。

关键词：生物炭；纳米氧化铁；镉毒害；甜瓜

Abstract

Soil contamination with cadmium (Cd) has become a serious problem, adversely affecting food safety and human health. Effective methods are urgently needed to alleviate toxicity of Cd in plants.

In this study, a nine-week continuous pot experiment was conducted to explore the effectiveness of the different nano iron oxide (α-Fe₂O₃, γ-Fe₂O₃, Fe₃O₄ NPs) alone and combined with biochar in melon grown on a Cd-contaminated soil. The antioxidant system, chlorophyll, soluble protein, other physiological indexes of melon leaves and the distribution of Cd in the matrix soil, leaves and fruit were detected. The results showed that Cd is readily absorbed by plants and cause oxidative stress on plants, while biochar, α-Fe₂O₃ and their compound group (BFe1 group) could significantly improve it. Specifically, the three treatments reduced the Cd content in the fruit by 19.51-78.86%, reduced the Cd content in leaves by 15.44-36.23% and 22.36-31.77% in week 3 and 5, respectively. For the activity of enzymes, the three treatments decreased SOD activity and CAT activity by 3.41-38.57% and 24.27-30.33% in week 7, respectively. Among all groups, the BFe1 group had the best effect. Most of Cd was fixed in the BFe1 group in the soil, and fruits of this group had the lowest Cd content.

Overall, the combination of biochar and α-Fe₂O₃ NPs can alleviate Cd toxicity in melon and protect human beings from Cd explosure. The study also provided a reference for exploring more effective methods for alleviating cadmium stress in plants.

Key Words：biochar; nano iron oxide; cadmium toxicity; melon

目 录

第1章 绪论 1

1.1 镉污染现状及修复技术 1

1.1.1 重金属污染概况 1

1.1.2 土壤镉污染的主要来源 1

1.1.3 土壤镉污染带来的危害 2

1.1.4 现有治理土壤重金属污染的修复技术 3

1.2 生物炭的研究进展 4

1.2.1 生物炭的性质 4

1.2.2 生物炭对土壤重金属污染的修复研究 5

1.3 纳米氧化铁的研究进展 5

1.3.1 纳米氧化铁的性质 5

1.3.2 纳米氧化铁在农业方面应用的潜在价值 5

1.4 研究目的与内容 6

1.4.1 研究目的 6

1.4.2 研究内容 6

第2章 材料与方法 7

2.1 试验设备和试剂 7

2.1.1 试验设备 7

2.1.2 试验试剂................................................................................................... 7

2.2 试验材料 9

2.3 盆栽试验设计 9

2.4 试验测定 10

2.4.1 植株基本生长指标和果实指标的测量 10

2.4.2 叶片中可溶性蛋白含量检测 10

2.4.3 叶片中可溶性糖含量检测 11

2.4.4 叶片中叶绿素含量检测 11

2.4.5 叶片中花青素含量检测 11

2.4.6 叶片中丙二醛含量检测 12

2.4.7 叶片中抗氧化酶活性检测 12

2.4.8 土壤中有效态和总态镉含量的测定 14

2.4.9 叶片和果实中镉含量的检测 15

2.4.10 吸附试验................................................................................................15

2.5 统计分析 15

第3章 结果与分析 16

3.1 果实、叶片和土壤中的镉含量 16

3.2 叶片中的SEM-EDS图 18

3.3 吸附试验结果 19

3.4 不同处理下甜瓜苗的生长状况 20

3.5 甜瓜果实的相关数据 21

3.6 不同处理下甜瓜叶片中的抗氧化体系 22

3.7 不同处理下甜瓜叶片中的叶绿素、可溶性蛋白和可溶性糖含量 24

3.8 甜瓜生理指标的主成分分析 26

第4章 结论 28

参考文献 29

致谢 35

第1章 绪论

1.1 镉污染现状及修复技术

1.1.1 重金属污染概况

重金属最初的意思是密度过大的金属元素，即金属元素密度超过4.5 g/cm³时，就可以被定义为重金属，其中包括的有金、银、铜、汞、镉、铅等日常生活常见的金属。而这一类金属是会随着食物链传递或者人类的直接接触在人体中积累，从而对人体造成一定的损伤，导致慢性中毒。不过近些年来，重金属尤指那些会对我们生活的环境会造成严重污染的金属元素，例如汞、镉、铅、铬以及类金属砷等元素，且这些元素都对包括我们人类在内的生物都有着显著的毒性作用。近些年，中国的城市与工业在不断发展的同时，也使用了大量含有重金属的物质，导致重金属造成的土壤污染也不断增加。2018年，联合国粮农组织在进行一系列数据调查后，开展了全球研讨会，指出了我们现在所处的整个地球的土壤污染形势都不容乐观^[1]，尤其是上述重金属未经处理随意排放造成的土壤污染。因为上述的重金属造成的污染不易被发现、在土壤中能长时间存在不易被分解且污染后不容易修复，这些重金属元素对我们中国现在许多生态环境都造成了难以治理的严重危害^[2]。对于我们中国现在所处的环境污染方面的情况，镉这一危险元素是目前对环境污染造成了极其严重且不可逆的后果的重金属之一^[3]。早在1980年的时候，我们中国就对当时所处的农业环境进行了统一的调查，其报告指出，我国当时用作农田的土壤遭受镉污染的面积巨大，约为9333 hm²，随后，又有新的数据指出，镉污染面积约为13333 hm²，之后随着新的调查不断进行，新的数据也产生了，资料显示，我国用作农田的土壤遭受镉污染的面积也许已经高于20 × 10⁴ hm^2[4]。粮食作物是在我们的日常生活中是不可缺少的，而耕地的镉污染面积数据却再一次次调研中不断增大，这一现状威胁着我国的食品质量和全球人类的健康问题^[5]，因此，我国现在急需对土壤镉污染进行控制，并找到合适的方法来治理。

1.1.2 土壤镉污染的主要来源