汞脅迫對4個草品種幼苗生長及汞富集量的影響

杜建雄, 任尉香, 肖 玉

(1.貴州財(cái)經(jīng)大學(xué) 公共管理學(xué)院, 貴州 貴陽 550025； 2.貴州師范大學(xué) 外國語學(xué)院， 貴州 貴陽 550025； 3.貴州師范學(xué)院 生物科學(xué)學(xué)院, 貴州 貴陽 550018)

0 引言

【研究意義】汞是一種重金屬，其離子態(tài)具有很強(qiáng)的毒性，我國對汞礦的大規(guī)模開采始于20世紀(jì)50年代以后，然而汞礦的大規(guī)模開采對周邊生態(tài)環(huán)境及人體健康造成很大的影響[1]，而草業(yè)對汞礦污染的治理起到正向作用。【前人研究進(jìn)展】目前，國內(nèi)外對汞污染土壤的修復(fù)采用化學(xué)修復(fù)、物理修復(fù)等方法，但這些修復(fù)方法成本較高，具有一定的局限性[2-4]。近年來利用汞富集能力強(qiáng)的綠色植物進(jìn)行土壤修復(fù)已成趨勢[5-7]。草坪草和牧草均具有發(fā)達(dá)的根系固著在土壤表層，且能形成濃密的植被覆蓋地表，水土保持能力較好[8]。【研究切入點(diǎn)】已有研究表明，一些草坪草和牧草能抵抗重金屬脅迫，具有很強(qiáng)耐重金屬脅迫，且對重金屬有很強(qiáng)富集性，可通過反復(fù)修剪草達(dá)到去除重金屬的目的[9]。【擬解決的關(guān)鍵問題】基于此，采用沙培盆栽試驗(yàn)?zāi)M不同汞脅迫濃度處理，探究紫羊茅的派尼(Festucarubra‘Pernille’)、傳奇(Festucarubra‘Legend’)，多花黑麥草的盛宴(Loliummultiflorum‘Feast’)，紫花苜蓿的金皇后(Medicagosativa‘Golden empress’)4個草品種在不同汞脅迫濃度下的根長變化、鮮重變化及對汞的富集特性，綜合各測定指標(biāo)變化篩選耐汞脅迫能力及汞富集能力強(qiáng)的草品種，為汞污染土壤植物修復(fù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料為紫羊茅的派尼(Festucarubra‘Pernille’)、傳奇(Festucarubra‘Legend’)，多花黑麥草的盛宴(Loliummultiflorum‘Feast’)，種子由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)教育部草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供；紫花苜蓿的金皇后(Medicagosativa‘Golden empress’)種子于2016年8月購自百綠集團(tuán)，種子凈度均大于98%。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 按照廖翌揚(yáng)[10]的方法采用HgCl2營養(yǎng)液進(jìn)行脅迫處理。分別將所有網(wǎng)底育苗盆放置于含0 mg/L(對照)、30 mg/L、60 mg/L、90 mg/L、120 mg/L HgCl2的Hoagland營養(yǎng)液水槽中，每處理重復(fù)5次。以對應(yīng)濃度含汞 Hoagland的營養(yǎng)液每5 d添加1次，以保證脅迫濃度與營養(yǎng)液處于所需水平，脅迫處理30 d測定各參試品種幼苗的相關(guān)指標(biāo)。選用1 mm2過篩河沙，清洗干凈，再用HCl浸泡4 h后，利用去離子水浸洗3遍，121℃濕熱滅菌2 h，最后烘干。采用26.2 cm×18.1 cm×7.8 cm網(wǎng)底育苗盆，盆中沙面高7 cm，每盆均勻放置100粒種子，然后覆蓋0.5 cm沙子。

1.2.2 指標(biāo)測定

1) 單株根長。每個處理隨機(jī)選取單株幼苗，用最小刻度為1.00 mm直尺測定其根長，取其平均值。

2) 單株鮮重。每個處理隨機(jī)選取單株幼苗，用自來水沖洗干凈，再用濾紙吸干幼苗表面水分，電子天平稱鮮重，取其平均值。

3) Hg含量測定。每個處理隨機(jī)選取單株幼苗，用自來水沖洗干凈，再用蒸餾水淋洗，分成地上部分和地下部分。用HM-TYD型高精度全項(xiàng)目土壤肥料養(yǎng)分檢測儀分別測定地上部分和地下部分Hg含量，取其平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003處理數(shù)據(jù)，用SPSS 16.0進(jìn)行單因素方差分析，利用Duncan法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度汞脅迫4個草品種幼苗的根長

由圖1可見，當(dāng)汞脅迫濃度達(dá)30 mg/L水平時，除金皇后外3個品種的根長均呈下降趨勢，盛宴、傳奇、派尼的根長較對照分別下降27.08%、16.06%、2.61%，其中盛宴和傳奇的幼苗根長較對照顯著下降(P<0.05)，而金皇后幼苗的根長卻較對照升高3.70%；當(dāng)Hg脅迫濃度達(dá)60 mg/L水平時，4個品種幼苗的根長較對照顯著下降(P<0.05)，盛宴、傳奇、派尼和金皇后幼苗的根長較對照分別下降37.97%、33.58%、19.40%和7.22%；當(dāng)汞脅迫濃度增至90 mg/L時，4個品種幼苗的根長較對照持續(xù)顯著下降(P<0.05)，盛宴、傳奇、派尼和金皇后幼苗的根長較對照分別下降47.21%、43.79%、24.63%和2.78%；當(dāng)汞脅迫濃度增加到最大水平120 mg/L時，參試4個品種幼苗根長較對照急劇顯著下降(P<0.05)，4個品種幼苗的根長較對照下降幅度與中低脅迫處理不同，其中派尼的根長降幅變化最大，為56.79%，其次為傳奇(53.28%)、盛宴(46.02%)，金皇后降幅明顯升至42.59%，表明高濃度汞脅迫嚴(yán)重抑制了4個品種幼苗的根生長。4個品種中，盛宴的根長僅在90 mg/L和120 mg/L處理間差異不顯著，金皇后在0 mg/L和30 mg/L處理間、60 mg/L和90 mg/L處理間不顯著，傳奇的5個處理間均差異顯著，派尼在0 mg/L和30 mg/L處理間差異不顯著，其他處理間差異均顯著(P<0.05)。

圖1 不同濃度汞脅迫下4個品種幼苗的根長

2.2 不同濃度汞脅迫4個草品種幼苗的鮮重

由圖2可見，隨著汞脅迫濃度的增加參試4個草品種幼苗的鮮重持續(xù)顯著下降。傳奇的幼苗鮮重在5個汞脅迫處理間均差異顯著(P<0.05)，盛宴的幼苗鮮重僅在90 mg/L和120 mg/L處理間差異不顯著，其他處理間差異顯著(P<0.05)，金皇后的幼苗鮮重在30 mg/L和60 mg/L處理間差異不顯著，派尼的幼苗鮮重在30 mg/L、60 mg/L、90 mg/L 3個處理差異均不顯著，其他處理間差異顯著。當(dāng)汞脅迫濃度為30 mg/L時，盛宴、派尼、傳奇和金皇后的幼苗鮮重較對照分別下降56.31%、44.61%、37.99%和8.74%；汞脅迫濃度為60 mg/L時，盛宴、傳奇、派尼和金黃后的幼苗鮮重較對照分別下降67.99%、60.77%、49.91%和20.88%；90 mg/L脅迫濃度下盛宴、傳奇、派尼和金皇后的幼苗鮮重較對照分別下降72.50%、67.03%、56.33%和32.79%；當(dāng)汞脅迫濃度達(dá)最大120 mg/L時，盛宴、傳奇、金皇后和派尼的幼苗鮮重較對照分別下降74.96%、73.67%、71.58%和66.63%。表明，高濃度汞脅迫嚴(yán)重抑制4個品種幼苗的正常生長，金皇后和派尼的抑制程度相對較輕。

圖2 不同濃度汞脅迫下4個品種幼苗的鮮重

2.3 不同濃度汞脅迫下4個草品種的汞富集特性

由表1可見，隨著汞脅迫濃度的增加，參試4個草品種的地上部分和地下部分汞富集量均呈下降趨勢，汞脅迫濃度越大汞富集量下降幅度越大。不同汞脅迫濃度下，參試4個草品種地上和地下汞富集量變化各異，當(dāng)汞脅迫濃度達(dá)30 mg/L時，參試4個草品種地上部分的汞富集量均高于地下部分，當(dāng)汞脅迫濃度≥60 mg/L時，參試4個草品種地下部分的汞富集量卻高于地上部分的汞富集量。當(dāng)汞脅迫濃度達(dá)120 mg/L時，參試4個草品種的汞富集能力為盛宴(0.069 mg) >金皇后(0.063 mg) >傳奇(0.022 mg)>派尼(0.006 mg)。

表1 不同濃度汞脅迫下4個草品種地上和地下部分的汞富集量

3 討論

根是植物最重要器官之一，具有吸收水分、養(yǎng)分、分泌物質(zhì)等功能，能有效地保障植物地上部分與地下部分的物質(zhì)交換與信息交流[11]。汞不屬于植物必需的營養(yǎng)元素，植物的根最先遭遇土壤汞脅迫。因此，根的生長狀況能反映植物對其環(huán)境的適應(yīng)程度，根長度是評價(jià)根生長狀況的重要參考指標(biāo)[12-13]。研究中參試4個草品種幼苗的根長隨汞脅迫濃度的增加持續(xù)顯著降低，在中低濃度的Hg脅迫處理下，參試4個草品種幼苗的根長較對照(0 mg/L)下降幅度為2.78%～47.21%，而當(dāng)脅迫濃度最大(120 mg/L)時，4個草品種幼苗的根長較對照下降42.59%～56.79%。表明，中低濃度汞脅迫對參試4個草品種根系生長產(chǎn)生一定的抑制作用，表現(xiàn)為根長降幅較小，當(dāng)脅迫濃度達(dá)120 mg/L時，4個草品種的根長降幅顯著增大，表明高濃度汞脅迫已經(jīng)嚴(yán)重抑制根系的正常生長，甚至破壞根系結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其功能不能有效發(fā)揮，這與前人對小麥幼苗[14]和羅漢松幼苗[15]的研究結(jié)果一致，即脅迫濃度越高，幼苗根長下降幅度越大。從4個草品種幼苗根長的變化看，金皇后和盛宴的耐汞能力較傳奇和派尼強(qiáng)。

生物量能較好地反映植物對環(huán)境的適應(yīng)性，植物鮮重能敏感反映植物對逆境的耐受程度[16-17]。研究表明鉻脅迫抑制綠豆幼苗鮮重的積累[18]。研究中參試4個草品種的鮮重隨著汞脅迫濃度的增加持續(xù)降低，在中低濃度汞脅迫下(30～60 mg/L)，4個草品種的鮮重較對照降幅為20.88%～67.99%，當(dāng)Hg脅迫濃度持續(xù)增強(qiáng)時，鮮重降幅顯著增大，當(dāng)Hg脅迫濃度達(dá)120 mg/L時，4個草品種的鮮重降幅高達(dá)66.63%～74.96%，表明中低濃度汞脅迫雖對4個草品種幼苗產(chǎn)生一定程度傷害，還基本能維持正常生理代謝功能，但隨著脅迫濃度的持續(xù)增大，根系首先受到嚴(yán)重傷害，導(dǎo)致向地上輸送水分、養(yǎng)分受到極大限制，嚴(yán)重影響整個植物生理代謝的正常進(jìn)行。這與鎘脅迫對綠豆幼苗的試驗(yàn)結(jié)果一致[19]，即脅迫濃度與植物鮮重的積累量呈高度負(fù)相關(guān)。

4個草品種在低汞脅迫下的Hg富集量高于中、高脅迫，而且地上部分的汞富集量高于地下部分，中、高濃度脅迫下地上和地下的汞富集量相反，表明低脅迫濃度并未對幼苗產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性傷害，當(dāng)脅迫濃度增加后對幼苗開始產(chǎn)生明顯毒害作用，導(dǎo)致根富集的汞不能正常轉(zhuǎn)移到地上部分，這與4種牧草對汞富集的研究結(jié)果一致[20]。參試4個草品種中盛宴和金皇后的汞富集能力強(qiáng)于傳奇和派尼。

4 結(jié)論

綜合4個草品種幼苗的根長、鮮重、汞富集量的變化推測，金皇后在耐汞能力及汞富集能力方面表現(xiàn)最佳，盛宴次之，傳奇和派尼最弱，可以推薦紫花苜蓿金皇后作為今后汞污染土壤植物修復(fù)的植物材料。