不同營(yíng)養(yǎng)條件對(duì)少根紫萍生長(zhǎng)及鎘富集的響應(yīng)

龔之涵，王香蓮，謝薈翠，章曈曈，湯玉玲，張艷云，劉子龍，胡 良，聞 潔，陳子銘

(1.南昌工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,江西 南昌 330099；2 .廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院,廣東 廣州 510006；3 .南昌工程學(xué)院 水利與生態(tài)工程學(xué)院,江西 南昌 330099)

鎘作為人體非必需且有毒的元素，具有“三致”作用，主要在自然界以化合物狀態(tài)存在，一般含量很低，在正常的自然環(huán)境下，不會(huì)影響人體健康。鎘是重要的工業(yè)和環(huán)境污染物，主要來(lái)源于鋅、銅、鉛礦的冶煉、電鍍、蓄電池、合金、油漆和塑料等工業(yè)生產(chǎn)中。隨著現(xiàn)代工業(yè)的大力發(fā)展，含鎘廢水流入水體，水體中的鎘離子在生物體內(nèi)富集，通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體引起慢性中毒。2011年,國(guó)家農(nóng)業(yè)部對(duì)湖北、湖南、江西、四川4省重點(diǎn)污染區(qū)的88個(gè)縣1 580 km2水稻田調(diào)查，重金屬超標(biāo)率高達(dá)67.8%，其中Cd污染最突出[1]。2014年全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，中國(guó)耕地土壤點(diǎn)位污染物超標(biāo)率為19.4%，其中Cd超標(biāo)率位居榜首。環(huán)境保護(hù)部對(duì)中國(guó)30萬(wàn)hm2農(nóng)田土壤中有害重金屬的抽查結(jié)果發(fā)現(xiàn),土壤重金屬點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)12.1%，其中Cd污染情況最為突出[2]。

浮萍科植物約有37個(gè)種、5個(gè)屬(Spirodela紫萍屬、Landoltia少根紫萍屬、Lemna青萍屬、Wolffiella小蕪萍屬和Wolffia無(wú)根萍屬)[3]，生長(zhǎng)在靜止或緩慢流動(dòng)的淡水中，廣泛分布在世界各地。浮萍進(jìn)行無(wú)性生殖，生長(zhǎng)速度快，生物量能在短時(shí)間(2～7 d)內(nèi)增長(zhǎng)1倍，生長(zhǎng)周期可達(dá)9～12個(gè)月，因此能快速去除污水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和其他污染物[4]。同時(shí)浮萍還具有經(jīng)濟(jì)、操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槠鋪?lái)源廣泛，原材料易于獲得，將其用于污染水體的修復(fù)有著廣大前景。針對(duì)浮萍的以上生物特性，本研究選用浮萍作為去除鎘離子的試驗(yàn)生物。

目前在不同營(yíng)養(yǎng)條件下對(duì)植物生長(zhǎng)及生理變化開展了一些研究。張傳召等[5]研究了不同營(yíng)養(yǎng)液濃度對(duì)溫室番茄生長(zhǎng)發(fā)育的影響，發(fā)現(xiàn)溫室環(huán)境下番茄培養(yǎng)的最佳營(yíng)養(yǎng)液濃度為1∶150的霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液。陸歡等[6]研究了不同營(yíng)養(yǎng)條件對(duì)花臉香蘑菌絲生長(zhǎng)的影響，并得出了優(yōu)化后的營(yíng)養(yǎng)配方。龔記熠等[7]研究了5種濃度 Hoagland 溶液處理對(duì)辣椒種子萌發(fā)、幼苗形態(tài)和礦物質(zhì)元素含量的影響，發(fā)現(xiàn)1倍的Hoagland溶液不影響種子的萌發(fā)，能促進(jìn)植物生長(zhǎng)，有利于葉綠素的合成。可見，營(yíng)養(yǎng)液條件對(duì)不同物種生長(zhǎng)的影響不盡相同。而植物生物量的高低必然影響其對(duì)重金屬的吸收富集效果。浮萍對(duì)鎘的吸收受諸多因素影響，其生存環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)條件是影響鎘富集的重要因素之一。環(huán)境中不同的營(yíng)養(yǎng)條件對(duì)于浮萍吸收鎘離子起著復(fù)雜的作用。

針對(duì)Hoagland營(yíng)養(yǎng)液與Steinberg營(yíng)養(yǎng)液營(yíng)養(yǎng)成分的差異，本試驗(yàn)以少根紫萍為材料，以最具代表性的重金屬鎘污染物為代表，研究了不同營(yíng)養(yǎng)條件下對(duì)少根紫萍的生長(zhǎng)和鎘富集量的影響，為少根紫萍的培養(yǎng)以及運(yùn)用少根紫萍吸收污染水體中的鎘離子提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

從南昌市某水體采集浮萍，根據(jù)《中國(guó)植物志》[8]《中國(guó)濕地高等植物圖志》[9]和《江西水生高等植物》[10]，結(jié)合浮萍的形態(tài)特征，對(duì)采集的浮萍鑒定種為少根紫萍。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1試驗(yàn)水平

Hoagland營(yíng)養(yǎng)液1/1(未稀釋)、1/5(稀釋5倍)、1/10(稀釋10倍)，Steinberg營(yíng)養(yǎng)液1/1(未稀釋)、1/5(稀釋5倍)、1/10(稀釋10倍)。鎘處理濃度10 mg/L(高)、5 mg/L(中)、0.5 mg/L(低)鎘溶液和0 mg/L鎘對(duì)照組(CK)。

1.2.2少根紫萍生長(zhǎng)試驗(yàn)

挑選生長(zhǎng)良好、大小一致的初始植株體40株(每株3～4片葉)于裝有100 mL以上各營(yíng)養(yǎng)液的培養(yǎng)皿中，每個(gè)重復(fù)處理3次，放入培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)條件為25°C，16 h 光照 (100 μmol·m-2·s-1)/8 h黑暗，營(yíng)養(yǎng)液pH為5.5，記錄初始鮮重、初始覆蓋率。試驗(yàn)期間，每天記錄總?cè)~片數(shù)、覆蓋率。培養(yǎng)周期5 d，試驗(yàn)結(jié)束，記錄總?cè)~片數(shù)、覆蓋率。稱量鮮重、干重。

1.2.3鎘毒性實(shí)驗(yàn)

用以上6種營(yíng)養(yǎng)液，分別配制10 mg/L(高)、5 mg/L(中)、0.5 mg/L (低)鎘溶液，每個(gè)重復(fù)處理3次，并設(shè)不含鎘離子的空白對(duì)照組(CK)，每個(gè)設(shè)3個(gè)平行樣。25°C，16 h 光照 (100 μmol·m-2·s-1)/8 h黑暗光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5 d，每天觀察浮萍的生長(zhǎng)、中毒狀況，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，記錄葉狀體數(shù)目，測(cè)量收獲鮮重、干重、覆蓋率和浮萍體內(nèi)鎘含量。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1鮮重的測(cè)定

用漏勺將浮萍撈起，濾去自由水，并用去離子水清洗3次，待測(cè)浮萍平鋪在濾紙上吸水1 min，立即用精度為0.000 1 g電子天平測(cè)定。

1.3.2干重的測(cè)定

將吸干水分的少根紫萍放入培養(yǎng)皿中，蒙上保鮮膜，扎小洞便于水蒸氣逸出，放入80℃烘箱烘干24 h以上，取出后在干燥器中冷卻至室溫后立即稱重。

1.3.3少根紫萍葉片表面積的測(cè)定

將浮萍無(wú)重疊地浮在水面，用根系分析儀(WinRHIZO Regent,Canada)測(cè)葉片的面積，精確度為0.01 cm2。

1.3.4相對(duì)增長(zhǎng)率(RGR)

RGR=(ln實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的葉片數(shù)-ln初始的葉片數(shù))/培養(yǎng)時(shí)間

1.3.5生物富集因子(BCF)

BCF=(植物體內(nèi)的重金屬含量 (mg/kg)) / (培養(yǎng)溶液中的初始重金屬濃度 (mg/L))

1.3.6重金屬的測(cè)定

少根紫萍樣采用微波消解法，準(zhǔn)確稱取樣品0.1 g(精確到萬(wàn)分之一)于消煮管中，加入8 mL硝酸和2 mL 30%的過(guò)氧化氫試劑(試劑均為優(yōu)級(jí)純)，輕輕搖晃均勻后置于微波消解儀中進(jìn)行消煮。每次消煮均做一個(gè)空白對(duì)照，以消除消煮時(shí)所帶來(lái)的誤差。消煮好的樣品應(yīng)為無(wú)色透明液體，用去離子水將消解管中的液體全部洗出定容，經(jīng)0.45 μm無(wú)機(jī)濾膜過(guò)濾后ICP-OES(iCAP 7000，Thermo Scientific，美國(guó))測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均來(lái)源于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，用SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖和表中的值用3次平行樣的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差(SD)表示。富集量數(shù)據(jù)以干重計(jì)。用Origin 9.1作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同營(yíng)養(yǎng)條件下少根浮萍生長(zhǎng)曲線

考慮到葉片的基數(shù)差異，以葉片相對(duì)增長(zhǎng)率(RGR)為指標(biāo)繪制少根紫萍生長(zhǎng)曲線。從生長(zhǎng)曲線(圖1)可知，Hoagland營(yíng)養(yǎng)液與Steinberg營(yíng)養(yǎng)液均能顯著促進(jìn)少根紫萍的生長(zhǎng)。同等稀釋條件下，Hoagland營(yíng)養(yǎng)液與Steinberg營(yíng)養(yǎng)液在培養(yǎng)初期新鮮葉片增長(zhǎng)率相似。從培養(yǎng)的第2天開始，Hoagland營(yíng)養(yǎng)液新鮮葉片相對(duì)增長(zhǎng)率超過(guò)Steinberg營(yíng)養(yǎng)液。Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的生長(zhǎng)曲線在培養(yǎng)后期趨于穩(wěn)定，而Steinberg 還處于上升階段，表明少根浮萍在Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中的增長(zhǎng)速率高于Steinberg。總體來(lái)看，Hoagland下增長(zhǎng)速率大小為 1/10 H>1/1 H>1/5 H，對(duì)應(yīng)的相對(duì)增長(zhǎng)率分別為0.66、0.63、0.59。Steinberg為1/5 S>1/1 S>1/10 S。對(duì)應(yīng)的相對(duì)增長(zhǎng)率分別為0.49、0.29、0.17。

圖1 不同營(yíng)養(yǎng)條件下少根紫萍生長(zhǎng)曲線

2.2 不同營(yíng)養(yǎng)條件下少根紫萍的生物量

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)(培養(yǎng)第五天)，少根紫萍的鮮重和覆蓋率指標(biāo)見表1。由表1可知，在Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中，覆蓋率大小為1/10 H>1/5 H>1/1 H ，鮮重大小為1/10 H>1/1 H>1/5 H；在Steinberg營(yíng)養(yǎng)液中，覆蓋率大小為1/10 S>1/5 S>1/1 S ，鮮重大小為1/10 S>1/5 S>1/1 S。可見，無(wú)論哪種營(yíng)養(yǎng)液，1/10條件下的生物量指標(biāo)最高，表明過(guò)高的營(yíng)養(yǎng)液濃度會(huì)抑制少根紫萍的生長(zhǎng)。由各指標(biāo)的Pearson相關(guān)性分析可知(表2)，相對(duì)增長(zhǎng)率(RGR)與葉片數(shù)、鮮重極顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)r分別為0.941、0.670，p<0.01)，葉片數(shù)和鮮重極顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)r為0.781，p<0.01)，而覆蓋率與其他指標(biāo)的相關(guān)性均不顯著。總體來(lái)看，Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的各項(xiàng)生物量指標(biāo)都高于Steinberg營(yíng)養(yǎng)液。

表1 不同營(yíng)養(yǎng)條件下少根紫萍的生物量指標(biāo)

表2 各指標(biāo)的相關(guān)性分析

營(yíng)養(yǎng)液必須含植物生長(zhǎng)所必須的全部營(yíng)養(yǎng)元素，而且各營(yíng)養(yǎng)元素的數(shù)量比例和總濃度應(yīng)符合植物生長(zhǎng)發(fā)育要求[11]。對(duì)比Hoagland營(yíng)養(yǎng)液(表3)與Steinberg營(yíng)養(yǎng)液成分(表4)，Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中N元素含量約為14.018×10-3mol/L(其中氨氮濃度1.000×10-3mol/L，占比7.13%；硝態(tài)氮濃度13.018×10-3mol/L，占比92.87%)，P元素約為1.000×10-3mol/L；Steinberg營(yíng)養(yǎng)液中N元素約為8.171×10-3mol/L(其中硝態(tài)氮濃度8.171×10-3mol/L，占比100%)，P元素約為0.732×10-3mol/L。由數(shù)據(jù)可以看出，Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中N、P含量明顯高于Steinberg營(yíng)養(yǎng)液。并且Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中微量元素含量也高于Steinberg營(yíng)養(yǎng)液，所以少根紫萍在Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中各生物量指標(biāo)優(yōu)于Steinberg營(yíng)養(yǎng)液。說(shuō)明少根紫萍更傾向于在Hoagland營(yíng)養(yǎng)液條件下生長(zhǎng)。而在生長(zhǎng)條件較好的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中，1/10 H濃度下各項(xiàng)生物量指標(biāo)相較于其他濃度最好。這說(shuō)明過(guò)高的N、P等大量元素會(huì)抑制少根紫萍的生長(zhǎng)。

表3 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液配方 單位：mg/L

表4 Steinberg營(yíng)養(yǎng)液配方 單位：mg/L

2.3 鎘處理下不同營(yíng)養(yǎng)液條件少根浮萍的生物量指標(biāo)

不同鎘濃度處理下，6種營(yíng)養(yǎng)液濃度下少根紫萍生長(zhǎng)指標(biāo)的結(jié)果見表5—7。

表5 不同鎘離子濃度下葉片數(shù) 單位：片

表6 不同鎘離子濃度下葉片表面積 單位：cm2

表7 不同鎘離子下鮮重指標(biāo) 單位：g

由表5—7可知，在Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中隨著鎘離子濃度的增大，少根紫萍的葉片數(shù)、覆蓋率、鮮重呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，與對(duì)照組比，生物量指標(biāo)明顯降低。說(shuō)明鎘處理會(huì)顯著抑制浮萍的生長(zhǎng)。同時(shí)試驗(yàn)中觀察到隨著溶液中鎘含量增大，浮萍出現(xiàn)葉片褪色乃至泛白的現(xiàn)象，根部伴隨出現(xiàn)泛白、分根、脫根。而同樣的鎘濃度處理下，隨著營(yíng)養(yǎng)液水平的降低，葉片數(shù)、覆蓋率、鮮重均大致呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，與無(wú)鎘處理時(shí)的變化規(guī)律一致。這說(shuō)明鎘處理?xiàng)l件時(shí)，Hoagland營(yíng)養(yǎng)液在一定范圍內(nèi)稀釋倍數(shù)越大，少根紫萍生長(zhǎng)狀況越好。

在Steinberg營(yíng)養(yǎng)液中隨著鎘離子濃度的增大，少根紫萍的各項(xiàng)生物指標(biāo)雖然有下降但變化不明顯。 雖然在有些條件下， Steinberg營(yíng)養(yǎng)液的生長(zhǎng)指標(biāo)比Hoagland營(yíng)養(yǎng)液要好，但是綜合各個(gè)生長(zhǎng)指標(biāo)，Steinberg營(yíng)養(yǎng)液中的少根紫萍生長(zhǎng)狀況從總體上看差于Hoagland營(yíng)養(yǎng)液。這說(shuō)明相同鎘處理下，在Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中生長(zhǎng)的少根紫萍受到鎘離子的脅迫作用要低于在Steinberg營(yíng)養(yǎng)液中生長(zhǎng)的少根紫萍。

2.4 不同營(yíng)養(yǎng)條件對(duì)少根浮萍吸收富集鎘的影響

在5 mg/L鎘離子處理下，不同濃度營(yíng)養(yǎng)液條件下少根紫萍對(duì)鎘的富集量見圖2。由圖2可知，少根紫萍對(duì)鎘離子的富集呈現(xiàn)出一定規(guī)律。1/1 H條件下Hoagland營(yíng)養(yǎng)液對(duì)于鎘離子的富集量為3 346 mg/kg，1/5 H為2 723 mg/kg，而1/10 H時(shí)，富集量達(dá)到9 986 mg/kg。可見，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液超過(guò)一定的稀釋倍數(shù)時(shí)，少根紫萍對(duì)于鎘離子的富集效果顯著上升。有研究表明，高磷、高氮能緩解鎘離子對(duì)生物造成的毒害。如隆線溞在N元素為0.5 mg/L營(yíng)養(yǎng)水平下，N對(duì)Cd生物毒性效應(yīng)起著拮抗作用[12]；劉世亮等[13]、劉芳等[14]發(fā)現(xiàn)添加P可減輕Cd對(duì)油麥菜、菠菜的毒害。

圖2 不同營(yíng)養(yǎng)條件下鎘離子的富集量

由圖2可知，相同濃度時(shí)Steinberg營(yíng)養(yǎng)液對(duì)鎘的富集量高于Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，具體富集量為1/1 S濃度下10 969 mg/kg,1/5 S濃度下11 383 mg/kg，1/10 S濃度下12 396 mg/kg。隨著S營(yíng)養(yǎng)液的稀釋程度越高，鎘富集量也增大。這解釋了鎘處理下，Steinberg營(yíng)養(yǎng)條件下少根紫萍的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)大部分情況下低于Hoagland營(yíng)養(yǎng)條件的原因。鎘脅迫下，Steinberg營(yíng)養(yǎng)條件下少根紫萍富集了更多的鎘，因此受到的毒害更嚴(yán)重，導(dǎo)致其生物量降低。對(duì)比2種營(yíng)養(yǎng)液的成分，Steinberg營(yíng)養(yǎng)液的氮、磷含量均低于Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，這進(jìn)一步表明，高濃度的氮、磷會(huì)抑制少根紫萍對(duì)鎘離子的富集。

生物富集系數(shù)(BCF)可以用來(lái)表征不同植物富集污染物的能力。BCF 值越高代表植物富鎘能力越強(qiáng)。從圖3可以看出Steinberg溶液中少根紫萍對(duì)鎘的富集系數(shù)明顯高于Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，亦說(shuō)明Steinberg營(yíng)養(yǎng)條件下，更有利于少根紫萍富集鎘。

圖3 不同營(yíng)養(yǎng)條件下生物富集系數(shù)

3 討論

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)1/10 H濃度培養(yǎng)下的少根紫萍相較于1/5 H其覆蓋率高出6.95%，鮮重高出11.19%；對(duì)比1/1 H其覆蓋率高出10.83%，鮮重高出5.59%，結(jié)果表明營(yíng)養(yǎng)液超過(guò)一定濃度后，生長(zhǎng)促進(jìn)作用將會(huì)下降，甚至可能會(huì)抑制植物本身正常的生長(zhǎng)作用。在1/1 H與1/5 H條件下，營(yíng)養(yǎng)液濃度過(guò)高，養(yǎng)分積累，溶液滲透壓過(guò)高引起植物植物生長(zhǎng)發(fā)育不良，產(chǎn)生鹽害效應(yīng)。過(guò)高的營(yíng)養(yǎng)液濃度對(duì)于其他植物有著同樣影響。龔記熠等[7]的研究表明在2 H(2倍標(biāo)準(zhǔn)濃度的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液)條件時(shí)紫美人與綏陽(yáng)小米椒2個(gè)辣椒品種的葉綠素SPAD值、主根長(zhǎng)度等生長(zhǎng)指標(biāo)低于0.5 H、1 H、1.5 H，發(fā)芽率除了低于以上3組，還低于空白對(duì)照組0 H。

在本研究中， Steinberg營(yíng)養(yǎng)液對(duì)鎘的富集量高于Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，其原因主要是因?yàn)镾teinberg營(yíng)養(yǎng)液的氮、磷濃度明顯低于Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，且Steinberg營(yíng)養(yǎng)液只含NO3-N,不含NH4-N，其溶液中僅存在NO3-N的抑制作用，因此，可以推測(cè)， NH4-N和NO3-N共同存在時(shí)對(duì)少根紫萍的抑制作用強(qiáng)于單獨(dú)NO3-N處理時(shí)。研究表明，氮素能夠通過(guò)改變植物的生長(zhǎng)、根系的構(gòu)型以及根系細(xì)胞膜勢(shì)的變化影響鎘的吸收和積累，NH4-N能夠通過(guò)改變細(xì)胞壁中果膠和半纖維素的含量從而影響細(xì)胞壁對(duì)鎘的阻隔，NO3-N對(duì)鎘離子的吸收促進(jìn)與Fe的吸收有關(guān)[22]。

4 結(jié)論

a)同濃度下，Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境比Steinberg營(yíng)養(yǎng)液更適宜少根紫萍生長(zhǎng)。不同Hoagland溶液濃度，1/10 H條件下少根紫萍的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)最佳。

b)1/10 H條件下少根紫萍對(duì)鎘的富集量高于1/5 H 和1/1 H，表明高濃度氮、磷不僅會(huì)抑制少根紫萍的生長(zhǎng)，同時(shí)也會(huì)抑制少根紫萍對(duì)鎘離子的富集。

c)Steinberg營(yíng)養(yǎng)液條件下少根紫萍對(duì)鎘的富集量高于Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，說(shuō)明鎘脅迫下，硝態(tài)氮和氨氮共同存在時(shí)對(duì)少根紫萍富集鎘的抑制作用強(qiáng)于單獨(dú)NO3-N處理時(shí)。