Zn2+脅迫對4種草生長及抗逆生理特性的影響

高秉婷 吳永貴 陳偉

摘要：為了篩選耐受鋅冶煉廢渣及土法煉鋅廢渣堆場原位修復的先鋒草本植物，采用蛭石培養法模擬鉛鋅廢渣在酸雨淋溶過程中釋放的鋅含量，測定多年生黑麥草（Premier）、高羊茅（Barrera）、草地早熟禾（Barrister）、白三葉（Haifa）4種草的株高、脯氨酸含量及丙二醛（MDA）、超氧化物歧化酶（SOD）指標，分析不同濃度梯度Zn2+脅迫對4種草生長及其抗逆性生理特性的影響。結果表明，Zn2+脅迫會對4種草植株株高、脯氨酸含量、MDA含量、SOD活性產生顯著影響（P<0.05），且離子濃度越高，影響越顯著。其中，多年生黑麥草、高羊茅和白三葉對Zn2+脅迫耐受性相對高于草地早熟禾，結合從黔西北某鉛鋅礦渣堆場采樣經過改良礦渣的性質，種植4種草驗證了模擬試驗的結果，因此在鋅濃度較高的土壤上或鉛鋅礦渣場原位生態修復中可以使用多年生黑麥草、高羊茅和白三葉作為先鋒物種來進行生態修復的草本種植。

關鍵詞：Zn2+脅迫;重金屬污染;生態修復;抗逆性;生理特性

中圖分類號：X173 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）13-0285-03

土壤是人類賴以生存的重要自然資源之一，也是人類生存環境的重要組成部分。土壤中重金屬污染不僅具有隱蔽性、不可逆性等特點，而且經水、植物等介質進入人體，最終影響人類健康[1]。重金屬Zn的污染在目前土壤污染中普遍存在。土壤中的Zn主要來自于礦山開采、大氣沉降、垃圾和化學藥品的殘留等，當土壤中的Zn含量超標后，可嚴重抑制農作物和草坪植物的生長，同時會通過食物鏈影響家畜和人類健康[2-3]。徐學華的研究表明，重金屬對植物產生危害后，植物生理生化特性會發生一系列反應來抵御這種危害[4]。重金屬污染是國內外學者研究的重要課題，近年來許多學者開展了對重金屬污染的治理研究[5]。重金屬污染會導致植株的生理特征發生變化，同時也引起生態系統的惡性循環。當pH值降低到使碳酸鹽溶解（如酸雨沉降）時，碳酸鹽結合態的重金屬容易從廢渣堆中釋放出來。重金屬的可交換態有比其他化學相態更高的溶解性和潛在的生物可利用性。因此，土法煉鋅固體廢物對環境有潛在影響[6]。草本植物生長周期快，覆蓋面大，生命力強，容易種植，易接觸和吸收土壤中的金屬離子[7]，對重金屬污染土壤的治理意義重大。本研究采用蛭石培養法探討不同Zn2+濃度對草地早熟禾（Barrister）、多年生黑麥草（Premier）、高羊茅（Barrera）和白三葉（Haifa）4種草的株高、脯氨酸含量、MDA含量以及SOD活性的脅迫響應，分析了不同濃度Zn2+脅迫對多年生黑麥草、高羊茅、白三葉和草地早熟禾生長及其抗逆生理特性的影響，以期為利用草本植物修復鋅冶煉過程產生Zn2+污染礦渣及土法煉鋅廢渣堆場的原位修復篩選先鋒物種提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及地點

試驗材料為多年生黑麥草（Premier）、高羊茅（Barrera）、白三葉（Haifa）及草地早熟禾（Barrister），由西安百綠草業有限公司提供。金屬離子：ZnSO4·7H2O為AR級。

試驗地點為貴州大學資源與環境工程學院實驗室。

1.2 Zn2+溶液配制和濃度設置

Zn2+以溶液形式加入到花盆中，5個濃度梯度分別為0、500、800、1 100、1 400 mg/kg。將草種子播入以蛭石、磷石膏、有機肥等營養物質為基床、直徑12 cm的花盆中，待幼苗長出2張展開葉時按照1株/cm2的標準剔除多余幼苗，根據培養基70%持水量每天注入Hoaglands（霍格蘭氏）營養液，并將重金屬無機鹽溶液按梯度施入，當幼苗長出第4張葉片時進行生長發育指標的測定。

1.3 草坪草生長及其抗逆生理特性測定

1.3.1 株高測定 采用游標卡尺測定上述4種草株高（從地面至最高葉尖）。

1.3.2 脯氨酸含量測定 采用酸性茚三酮法[8]測定。取草坪草葉片0.2 g，剪碎后置于試管中，加入5 mL 3%磺基水楊酸，沸水浴提取10 min，冷卻后以4 000 r/min進行離心 10 min。吸取上清液2 mL放入另一個帶玻璃塞的試管中，加入2 mL冰醋酸和2 mL酸性茚三酮，沸水浴加熱30 min。冷卻后加入甲苯4 mL，搖勻后靜置片刻。吸取上層脯氨酸-甲苯紅色溶液于比色皿中，以甲苯為空白，在波長520 nm處比色。根據標準曲線算出2 mL測定溶液中的脯氨酸含量。

單位樣品鮮質量中脯氨酸含量=（x×5/2）/（樣質量×106）×100%。

1.3.3 MDA含量測定 稱取葉片材料1 g左右，加入2 mL 10%三氯乙酸（TCA），研磨后，用TCA定容至10 mL，4 000 r/min 離心10 min，吸取2 mL上清液加入10 mL的具塞玻璃試管中，加入2 mL 0.6%硫代巴比妥酸，沸水浴煮沸15 min，立即冷卻離心，分別測定D450 nm、D532 nm值，MDA含量按以下公式計算[9]：

MDA含量（μmol/L）=6.45×D532 nm-0.56×D450 nm。

1.3.4 SOD活性測定 采用氮藍四唑（NBT）法[10]測定。反應總體積為3 mL，反應以50 mmol/L pH值7.8的磷酸緩沖液作為反應介質，含0.3 mL 130 mmol/L甲硫氨酸、0.3 mL 750 mmol/L 氮藍四唑（NBT）、0.3 mL 100 μmol/L EDTA-Na2、0.3 mL 20 μmol/L核黃素、0.1 mL酶提取液（空白管加磷酸緩沖液0.1 mL），放于指形管中，反應于4 000 lx光照度下照光10 min（調零管放在暗處），然后在560 nm下進行比色。以抑制NBT光化還原50%時的酶量作為1個活力單位[11]。

1.4 數據統計與分析

運用Origin 9.0整理數據、制作相關圖表，用SPSS 24.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 Zn2+脅迫對4種草株高的影響

從表1可以看出，對4種草來說，除了Zn2+濃度為 500 mg/kg 處理下株高與對照差異不顯著外，其余各濃度處理株高均顯著低于對照，并且隨著重金屬離子濃度的升高，株高呈逐漸下降趨勢。說明低濃度Zn2+處理對4種草植株的生長影響不大，只有當Zn2+濃度達到800 mg/kg及以上時，會顯著影響上述4種草正常生長，造成株高顯著低于對照。但對不同草而言，Zn2+脅迫對其株高的影響又不完全一致。對于多年生黑麥草，Zn2+濃度在800～1 400 mg/kg處理下，其株高差異不顯著，說明Zn2+濃度達到800 mg/kg甚至更高時，對株高的影響是一定的，沒有對生長造成更加不利的影響;對于高羊茅、白三葉和草地早熟禾，Zn2+濃度為800、1 100 mg/kg時，對株高的影響是一致的，當Zn2+濃度達到 1 400 mg/kg 時，對株高影響最大。總體上來說，Zn2+脅迫會對4種草植株株高產生顯著影響，且離子濃度越高，影響越顯著。但對不同草的影響是不同的，其中多年生黑麥草在株高指標上對Zn2+脅迫的耐受性要高于另外3種草。

2.2 Zn2+脅迫對4種草脯氨酸含量的影響

脯氨酸是植物蛋白質的主要組成成分，在逆境條件下，植物為了減少自身傷害，維持正常生理功能，會在體內積累大量脯氨酸[12]。從表2可以看出，對4種草來說，Zn2+濃度為 500 mg/kg 處理時，其體內的脯氨酸含量與對照差異不顯著;Zn2+濃度為800 mg/kg處理時，除草地早熟禾與對照差異顯著外，其余3種草都與對照差異不顯著;當Zn2+濃度為 1 100 mg/kg 處理時，除多年生黑麥草與對照差異不顯著外，其他3種草皆與對照差異顯著;在1 400 mg/kg處理時，4種草皆與對照組表現出一定的差異性，除多年生黑麥草外其余3種草的脯氨酸含量均顯著高于對照，并且隨著重金屬離子濃度的不斷升高，脯氨酸呈逐漸上升趨勢。說明低濃度Zn2+處理對4種草脯氨酸含量影響不大，只有當Zn2+濃度達到800 mg/kg及以上時，會顯著影響草正常生長激素的分泌，造成脯氨酸含量顯著高于對照。但對不同草而言，Zn2+脅迫對草的脯氨酸含量的影響又不一致。對于多年生黑麥草，Zn2+濃度在500～800 mg/kg處理時，其脯氨酸含量之間差異不顯著，說明Zn2+濃度達到500 ～800 mg/kg時，對其脯氨酸含量的影響具有相似性，沒有對生長激素的分泌造成不利的影響;但1 400 mg/kg Zn2+濃度處理下時，4種草內的脯氨酸含量之間差異明顯;而對于高羊茅、白三葉來說，Zn2+濃度為500～800 mg/kg時，對脯氨酸含量的影響一致，當Zn2+濃度達到 1 100 mg/kg 及以上時，對脯氨酸含量的影響較顯著，但當Zn2+濃度達到1 400 mg/kg時，對脯氨酸的含量的影響最大;草地早熟禾在Zn2+濃度為800 mg/kg時表現出顯著影響，但當Zn2+脅迫濃度在1 100～1 400 mg/kg之間時對脯氨酸含量的影響極大。總體上來說，Zn2+脅迫會對4種草植株體內的脯氨酸含量產生顯著影響，且離子濃度越高，影響越顯著。但對不同草的影響是不同的，其中多年生黑麥草在脯氨酸含量上對Zn2+脅迫的耐受性要高于其他3種草。

2.3 Zn2+脅迫對4種草MDA含量的影響

在逆境條件下，植物為了減少自身傷害并維持正常生理功能，細胞膜中不飽和脂肪酸產生過氧化反應而產生丙二醛（MDA），因此可以用MDA衡量細胞膜損傷程度[13]。從表3可以看出，對4種草來說，Zn2+濃度為500 mg/kg處理下，其MDA含量除白三葉與草地早熟禾與對照差異不顯著外，黑麥草與高羊茅表現出顯著的差異性;Zn2+濃度為800～1 400 mg/kg 處理下，4種草的MDA含量都與對照差異顯著，且均顯著高于對照，并且隨著重金屬Zn2+濃度的升高，MDA含量逐漸上升趨勢。說明低濃度Zn2+處理對4種草MDA含量的影響不大，只有當Zn2+濃度達到800 mg/kg及以上時，會顯著影響草體內激素MDA的產生，造成上述4種草MDA含量顯著高于對照。但對不同草而言，Zn2+脅迫對草MDA含量的影響又相對不一致。對多年生黑麥草與高羊茅而言，Zn2+脅迫濃度在500～1 400 mg/kg處理條件下，其體內MDA含量與對照差異顯著，說明Zn2+濃度達到500～ 1 400 mg/kg 時，對其MDA含量的影響較大。對白三葉和草地早熟禾來說，Zn2+濃度為500 mg/kg時，對MDA含量的影響與對照差異不顯著，說明Zn2+濃度在達到500 mg/kg時，對白三葉與草地早熟禾MDA含量的影響不大;而當Zn2+濃度達到800～1 400 mg/kg 時，對上述2種草MDA含量產生顯著影響，且離子濃度越高，影響越顯著。總之，Zn2+脅迫濃度的變化對不同草的影響是不同的，其中白三葉與草地早熟禾在MDA含量上對Zn2+脅迫的耐受性在低濃度時要高于其他2種草。

2.4 Zn2+脅迫對4種草SOD活性的影響

在逆境條件下，植物體內的超氧化物歧化酶（SOD）作為一種重要的防御酶，也能間接表明植物的受害程度和抗逆活性[14]。從表4可以看出，對4種草來說，Zn2+濃度為 500 mg/kg 處理下，除草地早熟禾的SOD活性與對照差異顯著外，其余3種草均與對照差異不顯著;當Zn2+濃度在800～1 400 mg/kg之間時，Zn2+對4種草脅迫皆與對照表現出差異顯著，草體內的SOD活性均顯著高于對照，并且4種草的SOD活性隨著Zn2+濃度增加呈不斷上升的趨勢。說明，低濃度Zn2+處理對4種草的SOD活性影響不大，只有當Zn2+濃度達到800 mg/kg及以上時，會造成上述草SOD活性顯著高于對照。但對于不同草坪草來說，Zn2+脅迫對草的SOD活性的影響又不完全一致。對多年生黑麥草、高羊茅與白三葉來說，Zn2+濃度在500 mg/kg處理時，其SOD活性與對照差異不顯著，說明Zn2+濃度達到500 mg/kg時，對這3種草SOD活性的影響是一致的。對于草地早熟禾，Zn2+濃度為500～1 400 mg/kg 時，與對照相比SOD活性上升顯著。總體上，Zn2+脅迫會對4種草體內的SOD活性較對照組產生顯著影響，且離子濃度越高，影響越顯著。但對不同草的影響是不同的，其中多年生黑麥草、高羊茅和白三葉對Zn2+脅迫的耐受性在SOD活性上相對高于草地早熟禾。

3 討論與結論

麻占威等的研究表明，鉛鋅礦土法冶煉廢渣中富含多種重金屬，其中Zn含量最高，Pb、Cu、As含量次之，Cd、Cr含量相對較低[15]。王蘭等的研究表明，鉛鋅礦淋溶液對植物幼苗生長有一定的抑制作用，且抑制作用隨淋溶時間延長而減弱[16]。付天嶺等的研究表明，水溶性有機質處理能夠改善冶煉廢渣中的肥力水平，同時能顯著提高冶煉廢渣上植物的成活率、株高、生物量及覆蓋率;能促進冶煉廢渣中多種有害重金屬的雨水淋失和水浸溶出;同時能降低植物重金屬含量，而提高單位面積上重金屬植物富集量[17]。研究黔西北某鋅冶煉廠的廢渣堆場，通過調查分析廢渣堆場土壤和優勢植物的重金屬含量，研究優勢植物對重金屬的吸收、轉運和富集特征，篩選出適應該地區生態修復的先鋒植物。調查的優勢植物均能適應廢渣堆場重金屬元素較高的環境，對重金屬具有一定的耐性[18]。通過模擬鉛鋅廢渣污染特征及重金屬釋放機制對鉛鋅廢渣進行改良，可為修復改善廢渣堆場污染情況提供參考。根據廢渣中典型重金屬污染特點，篩選鉛鋅堆場修復的先鋒物種，可進行鉛鋅堆場生態修復。

結果表明，Zn2+脅迫會對上述4種草植株生長產生顯著影響，且離子濃度越高，影響越顯著。但對不同草的影響是不同的：（1）Zn2+脅迫會對4種草植株體內的脯氨酸含量產生顯著影響，且離子濃度越高，影響越顯著，其中多年生黑麥草對Zn2+脅迫的耐受性要高于其他3種草;（2）白三葉與草地早熟禾在MDA含量上對Zn2+脅迫的耐受性在低濃度時要高于其他2種草;（3）Zn2+脅迫會對4種草植株體內的SOD活性產生顯著影響，且離子濃度越高，影響越顯著，其中多年生黑麥草、高羊茅和白三葉對Zn2+脅迫的耐受性要相對高于草坪草草地早熟禾。根據Zn2+對上述4種草生長及抗逆生理特性的影響研究結果篩選出先鋒植物，通過模擬鉛鋅廢渣中Zn2+的污染和現場采鉛鋅廢渣進行改良種植的4種草的長勢及生理指標的測定結果來看，可以選用多年生黑麥草、白三葉、高羊茅作為先鋒草本植物進行鉛鋅冶煉廢渣的原位生態修復。

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