不同菊科植物耐鉛性和富集特征比較研究

宣 斌,王 濟,蔡雄飛,胡豐青,段志斌

（貴州師范大學地理與環境科學學院,貴陽550025）

鉛（Rb）是造成重金屬污染的元素之一,且可能是人類致癌物質之一[1]。土壤鉛污染會使生態系統的正常功能遭到破壞,對人類健康和生態系統造成巨大威脅,治理和修復鉛污染土壤迫在眉睫。近年來,植物修復以其低成本、土壤生態破壞小、不造成二次污染等優點而成為國際環境修復學界的研究熱點[2-4]。植物修復技術的基礎和關鍵是重金屬耐性植物和超富集植物（Hyper-accumulators）的篩選?；ɑ苤参镌谖廴就寥佬迯头矫婢哂袕V闊的應用前景[5]。與非觀賞性植物相比,利用花卉植物進行鉛污染土壤修復,不僅能降低土壤中鉛含量,同時還能達到美化環境的目的。菊科植物作為草本類花卉植物有著見效快、投入低、存活率高、適種面廣、收益大等優勢,將成為未來Rb污染土壤修復的首選植物[6]。

目前,對于不同菊科植物在鉛脅迫條件下的耐性及富集特征尚缺乏系統的對比研究。本研究通過室內盆栽脅迫試驗,比較6種菊科植物對鉛的耐性及富集特性,既可以篩選凈化鉛污染環境的景觀化材料,又可以積累鉛植物毒理資料,充實耐鉛植物基因庫,為未來基因工程強化植物修復技術提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

于2016年4月在貴州師范大學相寶山采集三脈紫菀（Aster ageratoides Turcz.）、黑心菊（Rudbeckia hirta L.）、硫華菊（Cosmos sulphureus Cav.）、血皮菜（Gynura bicolor（Roxb.ex Willd.）DC.）、金盞菊（Calendula officinalis L.）、三葉鬼針草（Bidens pilosa L.）6種植物種子。供試土壤的基本理化性質為pH 7.36,有機質 31.24 g∕kg,全氮 213.52 mg∕kg,有效磷 4.53 mg∕kg,速效鉀 4.27 mg∕kg。

1.2 試驗方法

設置 Rb（NO3）2含量分別為 0（CK）、500 mg∕kg、1000 mg∕kg、1500 mg∕kg、2000 mg∕kg,按 2% 加入生物肥拌勻,與土樣充分混勻后,裝入15 cm×18 cm（直徑×高）的花盆中,保持田間持水量80%,老化2個月后用于盆栽試驗。將采集的植物種子置于4℃冰箱中低溫催化,播種前,用體積分數10%的H2O2浸泡10 min,去離子水沖洗后置于培養皿中在（25±1）℃培養箱里催芽。選用萌發整齊的種子栽植在穴盤中,每孔1株,待長出兩片真葉后,選取長勢均勻的幼苗,移栽進花盆中,每盆5株為1個處理,設5個重復,其間進行常規肥水管理。

1.3 項目測定與數據處理

生物量測定:將生長3個月的植物樣品按地上部和地下部分離,先用自來水沖洗去除黏附于植物樣品上的泥土和污物,再用蒸餾水沖洗2—3遍,濾紙吸干表面水分后在105℃下殺青30 min,然后70℃烘干至恒重。

鉛含量測定:將烘干后的植物樣品粉碎備用,過100目（孔徑為0.143 mm）尼龍篩,混勻。采用HNO3∕HCLO4（V∕V=5∕1）在高溫、高壓下（180 ℃和160 Ra）用密閉的聚四氟乙烯罐消煮至澄清。 消煮后的溶液洗至100 mL容量瓶中,用高純水定容,采用原子吸收分光光度計（ZEEnit700R）測定植物鉛含量。

數據分析采用SRSS 22.0和Excel 2007,顯著性差異檢測采用Duncan’s新復極差法,圖表制作用Origin 9.0完成。相應的富集系數（Enrichment coefficient,EC）和轉運系數（Translocation factors,TF）計算公式如下:富集系數=植物體重金屬含量∕土壤中重金屬含量;轉運系數=植物地上部重金屬含量∕植物地下部同種重金屬含量。

2 結果與分析

2.1 6種菊科植物對Pb的耐性分析

6種植物在土壤鉛含量為500 mg∕kg時,地上部干重沒有顯著變化,說明此處理下植株未受到Rb毒害。三脈紫菀、黑心菊、硫華菊在土壤鉛含量為1000 mg∕kg處理下,血皮菜、金盞菊和三葉鬼針草在土壤鉛含量為2000 mg∕kg處理下,植物地上部干重顯著減少,而三脈紫菀在土壤鉛含量為2000 mg∕kg處理時已死亡（表1）。結果表明:隨著基質Rb含量的增加,6種菊科植物地上部干重呈現下降的趨勢。

表1 不同Pb含量處理對6種植物地上部分干重的影響Table 1 Shoot dry weight under different Pb concentrations g·株 -1

耐性指數（TI）為處理組與對照組地上部干重的比值,一般認為TI＞0.5時,植物在此條件下長勢良好,對脅迫具有較好的耐受性[7]。根系耐性指數（RTI）為各處理與對照組根系平均長度的比值,一般而言在中毒濃度下,RTI＞0.9表明植物根系沒有受到明顯的抑制作用[8]。因此,TI和RTI可作為衡量植物重金屬耐性的重要指標。

計算不同Rb含量處理下植物地上部和根系耐性指數（表2）,發現硫華菊、血皮菜和金盞菊在所有含量處理下,TI均大于0.5,且RTI均大于0.9,說明以上3種植物對Rb脅迫具有較好的耐性。6種植物TI和RTI具有一致性,均隨著含量濃度的增加而不斷減小。黑心菊在處理含量為1000 mg∕kg時其TI值逐漸小于0.5,而在處理含量為2000 mg∕kg時,其TI和RTI值均小于標準值,說明其受Rb脅迫較為嚴重。

表2 不同Pb含量處理下6種植物地上部和根系耐性指數Table 2 Shoot and Root tolerance indexes under different Pb concentration treatments

2.2 6種菊科植物對Pb吸收的分異特性

對6種植物地上部和地下部Rb含量進行方差分析（圖1）,發現硫華菊、三脈紫菀、血皮菜和三葉鬼針草地上部分Rb含量均隨著土壤Rb含量的增加而增加,表現出明顯的濃度效應。從金盞菊和黑心菊地上部Rb含量先增加后下降的趨勢來看,這種濃度效應并不是一直增長,而是隨著土壤Rb含量增加到一定濃度,植物開始出現抑制效應,體內Rb含量增速變緩甚至出現負增長。在初始含量處理時,地上部Rb含量與地下部Rb含量差異不顯著,隨著土壤Rb含量增加,大部分植物的地下部Rb含量遠遠大于地上部Rb含量,植物器官積累Rb表現出明顯的根＞莖＞葉的分異特性[9]。

圖1 不同Pb含量處理下6種植物地上部和地下部鉛含量Fig.1 Shoot and root Pb accumulation under different Pb concentration treatments

除硫華菊和三葉鬼針草,金盞菊、黑心菊、三脈紫菀和血皮菜在土壤鉛含量1000 mg∕kg和1500 mg∕kg處理下的植株地上部Rb含量沒有顯著變化;硫華菊在土壤Rb含量大于500 mg∕kg,三葉鬼針草在土壤Rb含量大于1000 mg∕kg時,地上部Rb含量與對照組相比顯著增加。金盞菊、黑心菊和三葉鬼針草地下部Rb含量在1000 mg∕kg處理時開始下降,而三脈紫菀和血皮菜隨著Rb含量的增加,地下部Rb含量呈現不斷上升的趨勢,說明其根系具有較強的Rb吸收能力。

Rb超富集植物必須滿足地上部Rb吸收量臨界值大于1000 mg∕kg,而6種植物中只有黑心菊和三脈紫菀滿足條件。三脈紫菀在1500 mg∕kg時地上部Rb含量才超過臨界值,且其在土壤 Rb含量為

2000 mg∕kg時已死亡;而黑心菊在土壤Rb含量為500 mg∕kg處理下,地上部Rb含量已超過臨界值,在土壤Rb含量為1000 mg∕kg處理下達到最大,最大含量值為1783 mg∕kg。

2.3 6種菊科植物對Pb的富集和轉運特性

富集系數（EC）常用來衡量植物重金屬積累能力和修復潛力的大小,是指植株地上部與土壤中相應重金屬含量的比值,富集系數越大,植物富集能力越強[10]。從表3可以看出,隨著Rb處理含量的不斷增大,6種植物的富集系數呈現下降的趨勢。黑心菊在Rb處理為500 mg∕kg和1000 mg∕kg時富集系數均＞1,說明其對低濃度Rb具有較強的富集作用;而其他5種植物地上部Rb富集系數均＜1,表明這些植物會通過自身的排斥機制來阻止Rb元素上移,以減少對植物生理系統的傷害。轉運系數（TF）則是地上部與地下部重金屬含量的比值,代表了植物向上轉移重金屬的能力[11]。在處理為500 mg∕kg時,黑心菊和血皮菜的轉運系數較高,分別為1.72和1.22,這是因為植物在Rb低含量環境下,根部的Rb主要分布在細胞壁上,通過植株內的離子轉運蛋白能把根系暫時存儲的Rb裝載到木質部導管,使Rb易向上運輸和富集[12]。而其他植物的轉運系數普遍在0.3左右,向上轉移重金屬的能力普遍不強。

表3 不同Pb含量處理下植物Pb富集和轉運系數Table 3 Enrichment coefficient and translocation factors under different Pb concentration treatments

3 結論與討論

超富集植物是指能超量吸收重金屬并能將其不斷轉移到地上部的植物[13-14],一般具有3個特征:1）臨界含量特征,植物體內重金屬臨界含量定為:Zn、Mn 為 10000 mg∕kg,Rb、Cu、Ni、Co、As 為 1000 mg∕kg,Cd為100 mg∕kg;2）具有富集和轉運系數特征,即富集和轉運系數均大于1;3）具有一定的耐性能力。

本次試驗的6種植物中,只有黑心菊在500 mg∕kg Rb處理下能同時滿足以上條件。以往發現的超富集植物生物量小,生長緩慢,重金屬遷移總量相對不高。植物地上部重金屬的累積總量是評價植物修復重金屬污染土壤潛力的重要指標[15-16]。土壤修復潛力指數即植物重金屬地上部累積總量,是指植株地上部重金屬含量與該植株地上部生物量之積[17]。通過修復潛力指數計算可知,當土壤Rb含量為500 mg∕kg時,黑心菊地上部Rb累積總量最高為2.507 mg∕株。而王紅旗等[18]對鉛超富集植物羽葉鬼針草的研究表明,地上部Rb累積總量最高僅為0.3262 mg∕株,說明黑心菊作為Rb超富集植物具有更佳的修復潛力。

有研究表明,植物對細胞內重金屬解毒的主要方式是通過螯合作用固定金屬離子或降低其生物毒性[19-20]。隨著Rb處理濃度的增加,黑心菊的富集和轉運系數分別從2.29、1.72降至0.27、0.34,說明耐性植物對重金屬的累積存在耐受閾值,這可能與植物自身的解毒機制相關。重金屬在植物組織水平上主要分布在表皮細胞、亞表皮細胞和表皮毛中,在細胞水平上主要存在于質外體和液泡中[21],一旦外界重金屬濃度超過葉片細胞結構和生理功能所能承受的極限,就會對細胞質和細胞器以及抗氧化酶保護系統中各種生理代謝活動產生危害,從而抑制植物生長。因此,當前的鉛超富集植物研究急需破解植物鉛解毒機制,從而找到合理的對抗植物鉛毒害的方法,并增強超富集植物的鉛吸收能力。對于已篩選出的重金屬耐性植物,可以進一步研究植物重金屬強耐受性關鍵基因及關鍵基因的克隆,從而構建植物轉基因體系,使超富集植物在重金屬土壤污染的修復中發揮更大的作用。