汞抗性花卉的篩選與牽牛對(duì)汞脅迫的響應(yīng)

侯靜，姜華，關(guān)曉歡，王娟

(遼寧師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116082)

0 引言

植物修復(fù)作為一種環(huán)境友好型的修復(fù)技術(shù)，是致力于清除土壤重金屬污染的一種生物修復(fù)技術(shù).因該技術(shù)具有不破壞土壤結(jié)構(gòu)［1］、所使用的植物生物量大且根系發(fā)達(dá)、美化環(huán)境的同時(shí)對(duì)空氣及水體無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，成為環(huán)境污染治理方面重要的研發(fā)對(duì)象.早期研究表明，植物具有修復(fù)重金屬污染土壤的潛在能力［2-3］，并且已經(jīng)篩選出一批重金屬超積累植物種類［4-6］.目前，植物修復(fù)技術(shù)已被國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用，尤其是生長(zhǎng)周期短、生物量累積迅速的草本植物在植物修復(fù)中顯示出較大的研究?jī)r(jià)值.花卉作為草本植物中的觀賞類型，除具備草本植物的基本特征外，還具有資源豐富、對(duì)食物鏈無(wú)入侵性［7］、兼顧土壤修復(fù)與美化環(huán)境等諸多優(yōu)勢(shì).基于此，本實(shí)驗(yàn)從24種常見(jiàn)花卉植物中篩選對(duì)重金屬汞具有較強(qiáng)耐受性的植物種類，進(jìn)行汞污染下的植物生長(zhǎng)反應(yīng)與累積特性研究，期望對(duì)于開(kāi)展超富集植物的品種開(kāi)發(fā)與利用提供重要的理論參考和技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 材料

試劑:HgCl2，國(guó)產(chǎn)分析純.

儀器:IRIS Intrepid II XSP電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國(guó)熱電公司).

土壤:實(shí)驗(yàn)用土取自遼寧師范大學(xué)花卉園，土壤理化性質(zhì)為:土壤 pH值6.9、電導(dǎo)率0.52 ms/cm、有機(jī)質(zhì)含量21.11 g/kg，全氮、全磷含量分別為0.13 g/kg和0.92 g/kg，速效磷、速效鉀含量分別為0.07 g/kg 和0.12 g/kg，汞背景值為0.12mg/kg.

花卉種子:黑心金光菊(Rudbeckia hirta)、秋英(Cosmosbipinnata)、 翠 菊(Callistephus chinensis)、蛇目菊(Sanvitalia procumbens)、貓兒菊(Hypochaerisciliata)、 石 竹 (Dianthus chinensis)、一串紅(Salvia splendens)、牽牛(Pharbitis nil)、雞冠花(Celosia cristata)、銀葉菊(Senecio cineraria)、萬(wàn)壽菊(Tagetes erecta)、孔雀草(Tagetes patula)、角堇(Viola cornuta)、大麗花(Dahliapinnata)、 小天藍(lán)繡球(Phlox drumondii)、羽衣甘藍(lán) (Brassica oleracea var.acephala Linn.f.tricolor)、 鳳 仙 花 (Impatiens balsamina)、紫茉莉(Mirabilis jalapa)、圓錐石頭花(Gypsophila paniculata)、金雞菊 (Coreopsis drummondii)、天人菊(Gaillardia pulchella)、矢車菊(Centaurea cyanus)、百日菊(Zinnia elegans)和半枝蓮(Scutellaria barbata).

1.2 方法

重金屬抗性花卉的篩選:配制HgCl2母液，使Hg2+濃度分別為:0、5、20、50、80 和 100mg/L.將24種花卉種子分別置于以濾紙為發(fā)芽床的平皿中，注入含有不同濃度Hg2+的溶液，至發(fā)芽床達(dá)到飽和.25℃恒溫培養(yǎng)7 d后測(cè)定發(fā)芽率、根長(zhǎng)、根干重等生長(zhǎng)指標(biāo)，觀察比較供試花卉種苗對(duì)重金屬汞脅迫的生長(zhǎng)響應(yīng)，初步篩選出對(duì)汞具有較好耐性的花卉進(jìn)行盆栽實(shí)驗(yàn).

重金屬處理盆栽實(shí)驗(yàn):設(shè)3個(gè)濃度梯度，即Hg2+為 5、20和 50mg/kg，以去離子水為對(duì)照(CK).供試土壤在自然條件下風(fēng)干、過(guò)篩.將含有不同濃度重金屬汞的水溶液與土壤混合，水∶土比例為1∶2.5(V/W)，平衡30 d后待用.花盆直徑15 cm、高12 cm，毎個(gè)花盆中盛土壤600 g.每種處理設(shè)置三個(gè)重復(fù)花盆.挑選大小一致、顆粒飽滿的牽牛種子，每盆栽種5粒，溫室內(nèi)培養(yǎng).培養(yǎng)條件:溫度(21 ±1)℃、光強(qiáng) 100 μmol/m2·s、光周期 16∶8 h(L∶D).依據(jù)盆土干濕情況，每處理組澆灌等量去離子水.

1.3 樣品分析與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

播種80 d后收獲，用游標(biāo)卡尺測(cè)量幼苗株高和莖粗、葉片大小(葉長(zhǎng)和葉寬)，統(tǒng)計(jì)生長(zhǎng)指標(biāo);植株用自來(lái)水沖洗，再用去離子水沖洗三次、瀝干、烘干、稱重，計(jì)算生物量.收獲的植株分為根、莖、葉三部分，105℃下殺青30 min，70℃下烘至恒重并粉碎，粉碎的植物及土壤樣品采用濃HCl-HNO3法［8］消化(3∶1，V/V)，重金屬汞的含量用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0處理，應(yīng)用最小顯著法(LSD)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 花卉種子對(duì)汞脅迫的響應(yīng)

通過(guò)對(duì)花卉種子發(fā)芽率、根長(zhǎng)和根干重的測(cè)定觀察到，牽牛對(duì)重金屬汞的耐受能力最強(qiáng)(表1).

表1 花卉種子對(duì)重金屬汞脅迫的響應(yīng)(均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=3)

表1 花卉種子對(duì)重金屬汞脅迫的響應(yīng)(均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=3)(續(xù)表)

表1 花卉種子對(duì)重金屬汞脅迫的響應(yīng)(均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=3)(續(xù)表)

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們重點(diǎn)研究了牽牛種子對(duì)重金屬汞脅迫的響應(yīng).牽牛種子發(fā)芽率隨著Hg2+濃度的增加呈下降趨勢(shì).當(dāng)Hg2+濃度為5mg/L時(shí)，對(duì)牽牛種子發(fā)芽率的影響較小;當(dāng)Hg2+濃度為20mg/L時(shí)，處理的種子發(fā)芽率比對(duì)照降低9.1%，差異顯著(P＜0.05);當(dāng) Hg2+濃度高于50mg/L時(shí)，處理后的種子發(fā)芽率比對(duì)照分別降低29.3%、42.0%和54.6%，與對(duì)照比較差異極顯著(P＜0.01).對(duì)于其它23種花卉種子，發(fā)芽率比對(duì)照出現(xiàn)明顯差異的濃度大多為5mg/L，雖然金雞菊和羽衣甘藍(lán)種子的發(fā)芽率水平均高于牽牛種子，但是Hg2+處理對(duì)根長(zhǎng)和根干重表現(xiàn)出明顯的抑制作用.

牽牛根長(zhǎng)隨著Hg2+濃度的增加呈上升后下降的變化趨勢(shì).當(dāng)Hg2+濃度為5mg/L時(shí)，對(duì)牽牛根長(zhǎng)具有促進(jìn)作用，比對(duì)照升高2.8%;當(dāng)Hg2+濃度高于20mg/L時(shí)，牽牛根長(zhǎng)開(kāi)始明顯降低，與對(duì)照差異極顯著(P＜0.01).對(duì)于其它23種花卉種子，雖然翠菊和蛇目菊種子同牽牛種子一樣，在Hg2+濃度為20mg/L時(shí)，根長(zhǎng)才比對(duì)照明顯降低，但是當(dāng)Hg2+濃度達(dá)到80mg/L和100mg/L時(shí)，翠菊和蛇目菊均沒(méi)有根系生長(zhǎng)，而牽牛在80mg/L和100mg/L汞處理濃度下根系繼續(xù)生長(zhǎng)發(fā)育，長(zhǎng)度分別為29.3mm和7.7mm.

牽牛根干重隨著Hg2+濃度的增加呈先增多后減少的變化趨勢(shì).當(dāng)Hg2+濃度為5mg/L和20mg/L時(shí)，牽牛種子根干重比對(duì)照分別增加13.7%和15.0%;之后隨著 Hg2+濃度的繼續(xù)增加，根干重開(kāi)始下降，當(dāng)達(dá)到50mg/L時(shí)，牽牛種子根干重比對(duì)照降低14.6%，差異顯著(P＜0.05);當(dāng)Hg2+濃度為80mg/L和100mg/L時(shí)，牽牛根干重分別比對(duì)照降低66.5%和93.1%，差異極顯著(P＜0.01).對(duì)于其它23種花卉種子，根干重比對(duì)照出現(xiàn)明顯差異的濃度大多為5mg/L和20mg/L，雖然翠菊種子同牽牛種子一樣，在Hg2+濃度為50mg/L時(shí)，根干重才比對(duì)照明顯降低，但是當(dāng)Hg2+濃度達(dá)到80mg/L和100mg/L時(shí)，翠菊根系停止生長(zhǎng)，而牽牛在80mg/L和100mg/L汞處理濃度下根系繼續(xù)生長(zhǎng)發(fā)育，干重分別為7.8mg 和1.6mg.

因此，與其它23種花卉種子比較，牽牛種子對(duì)汞脅迫有較強(qiáng)的耐性.

2.2 汞污染對(duì)牽牛植株生長(zhǎng)的影響

通過(guò)對(duì)植株生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定，評(píng)價(jià)牽牛對(duì)重金屬汞的耐受能力.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2.

對(duì)植株生物量的影響:牽牛植株地上部生物量隨Hg2+濃度的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，中、低濃度Hg2+處理對(duì)牽牛植株地上部生物量具有明顯的促進(jìn)作用，當(dāng)土壤Hg2+含量為20mg/kg和50mg/kg時(shí)，地上部生物量分別比對(duì)照提高了 17.5%(P＜0.05)和 64.6%(P＜0.01);當(dāng)土壤Hg2+含量為100mg/kg時(shí)，地上部生物量與對(duì)照水平相當(dāng).地下部生物量同樣隨Hg2+濃度的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)土壤Hg2+含量為20mg/kg時(shí)，地下部生物量與對(duì)照水平相當(dāng);當(dāng)土壤Hg2+含量為50mg/kg時(shí)，地下部生物量比對(duì)照明顯提高了38.5%，差異極顯著(P＜0.01);當(dāng)土壤Hg2+含量為100mg/kg時(shí)，地下部生物量比對(duì)照降低了69.3%，差異極顯著(P＜0.01).由此可見(jiàn)，牽牛地上部植株對(duì)Hg2+污染具有較強(qiáng)的耐性，而地下部植株在壤中Hg2+濃度達(dá)到100mg/kg時(shí)表現(xiàn)出葉片狹小、發(fā)黃、脫落等明顯的中毒現(xiàn)象.

表2 不同濃度Hg處理對(duì)牽牛生長(zhǎng)的影響(均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=3)

對(duì)植株生長(zhǎng)的影響:中、低濃度汞處理對(duì)牽牛植株株高、葉長(zhǎng)和葉寬的生長(zhǎng)具有一定促進(jìn)作用，對(duì)莖粗的生長(zhǎng)具有抑制作用，當(dāng)土壤Hg2+含量為20mg/kg和50mg/kg時(shí)，植株莖粗分別比對(duì)照降低 3.4%(P＜ 0.05)和4.7%(P＜ 0.01).高濃度汞處理對(duì)植株的生長(zhǎng)產(chǎn)生了明顯的抑制作用，當(dāng)Hg2+含量為100mg/kg時(shí)，植株莖粗比對(duì)照降低6.8%，差異極顯著(P＜0.01)，葉長(zhǎng)比對(duì)照降低15.6%，差異極顯著(P＜ 0.01).

2.3 Hg2+在牽牛體內(nèi)的累積分析

通常以轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)表示植物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)及富集能力.轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)以植株地上部重金屬含量與地下部重金屬含量之比表示［9］;富集系數(shù)(BF)以植株地上部重金屬含量與相應(yīng)土壤中重金屬含量之比表示［10］.

本實(shí)驗(yàn)將牽牛種子播種在不同濃度重金屬污染土壤中，生長(zhǎng)80 d后收獲，分析重金屬在牽牛根、莖、葉等不同器官中的分布情況及其轉(zhuǎn)移效率與富集效率.結(jié)果表明，牽牛植株根、莖和葉中Hg2+含量均隨土壤中Hg2+濃度增加呈上升趨勢(shì)，當(dāng)處理濃度由 20mg/kg、50mg/kg增加到100mg/kg時(shí)，根部Hg2+含量明顯上升，而葉片中Hg2+含量變化不大.由此推斷，汞污染達(dá)到一定濃度時(shí)，大量的Hg2+主要累積在根部，導(dǎo)致根部結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生中毒現(xiàn)象，限制Hg2+向上轉(zhuǎn)運(yùn)，此結(jié)論驗(yàn)證了高濃度Hg2+處理?xiàng)l件下?tīng)颗Ｖ仓旮可锪拷档偷慕Y(jié)論.從根、莖、葉對(duì)Hg2+的吸收情況來(lái)看，不同濃度處理?xiàng)l件下植株各部分汞的分布規(guī)律均不相同.中、低濃度處理時(shí)，Hg2+的累積規(guī)律是:葉＞根＞莖;高濃度處理時(shí)，Hg2+的累積規(guī)律是:根＞莖＞葉.由此變化規(guī)律可以看出，中、低濃度Hg2+處理時(shí)，葉片對(duì)Hg2+具有較強(qiáng)的富集能力，隨著濃度土壤中Hg2+的增加，根對(duì)Hg2+表現(xiàn)出很強(qiáng)的富集能力(圖1).

圖1 不同濃度Hg處理對(duì)牽牛植株根、莖、葉富集Hg的影響

圖2 不同濃度Hg處理對(duì)牽牛轉(zhuǎn)移及富集能力的影響

牽牛植株對(duì)Hg2轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨處理濃度的增加呈先上升后下降的變化趨勢(shì);富集系數(shù)隨處理濃度的增加呈下降趨勢(shì).中、低Hg2+處理時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)均大于1，說(shuō)明牽牛對(duì)中、低濃度Hg2+污染具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)和富集能力.當(dāng)處理濃度增加到100mg/kg時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)均明顯降低，牽牛植株向上轉(zhuǎn)運(yùn)和富集汞的能力均受到限制，此結(jié)果也驗(yàn)證了牽牛在100mg/kg Hg2+處理時(shí)根部生物量降低的結(jié)論(圖2).

3 討論

重金屬累積能力是超富集植物篩選的一個(gè)重要指標(biāo).牽牛植株根、莖和葉對(duì)Hg2+的累積量最高分別達(dá)到114.2mg/kg(100mg/kg)、64.09mg/kg(100mg/kg)和 52.62mg/kg(100mg/kg).由此可見(jiàn)，牽牛對(duì)汞具有較強(qiáng)的富集能力.

就其分布規(guī)律而言，Hg2+在牽牛植株各器官中的分布隨處理濃度的變化而不同，這是因?yàn)橹参镌诓煌廴緱l件下，為適應(yīng)重金屬脅迫而采取的某種分配策略［11］.Cai［12］等認(rèn)為，Hg2+在植物體內(nèi)的分布與植物對(duì)汞的耐性有關(guān).牽牛對(duì)高濃度汞污染表現(xiàn)出的耐性主要是基于其根的作用，Hg2+被根部細(xì)胞壁上的配位基與細(xì)胞外的碳水化合物固定，從而抑制其毒性的產(chǎn)生［13］，這符合超積累植物的主要特征［14-15］.就轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)而言，當(dāng)Hg2+濃度低于50mg/kg時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)均大于1，最大分別可達(dá)1.13和1.47，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于1，說(shuō)明地上部的Hg2+含量大于根部含量;而地上部富集系數(shù)大于1，說(shuō)明牽牛對(duì)汞具有較強(qiáng)的積累能力.可見(jiàn)牽牛具備超富集植物特征.

綜合以上分析可知，牽牛對(duì)重金屬汞具有較高的耐性和較強(qiáng)的富集能力.同時(shí)，牽牛屬于一年生草本植物，具有生長(zhǎng)迅速、對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，為城市常見(jiàn)花卉，既有美化價(jià)值又有生物修復(fù)價(jià)值.因此，可以作為城市土壤汞污染的植物修復(fù)資源，適于大面積推廣應(yīng)用.

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