重金屬鎘對5種濕生植物生理特性的影響

周 慧 寇太記

（1. 河南科技大學農學院，河南 洛陽 471023；2. 新鄉(xiāng)學院化學化工學院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

隨著我國經濟快速發(fā)展，工農業(yè)生產造成的廢水和固體廢棄物的滲出液等部分進入水域，造成部分水體中重金屬鎘（Cd）、鉛（Pb）超標。研究表明，Cd可在生物體內富集，當水體中的Cd濃度超標時，會影響水生動植物的正常生長，甚至會造成其死亡[1-2]。Cd還可以通過食物鏈進入到人體內，會引起慢性中毒，會使骨骼的代謝受阻[3]。由此可見，Cd污染問題對人們身體健康造成了很大威脅，但是傳統(tǒng)的化學重金屬污染修復成本高、操作難度大，且會造成二次污染，物理修復效果欠佳[4]。植物修復作為一種綠色環(huán)保的生物技術，近年來被人們廣泛青睞，其利用植物的根系直接將重金屬污染元素從土壤和水體中吸收轉移，從而達到修復的目的[5]，其修復凈化過程不破壞土壤生態(tài)環(huán)境[6]，土壤結構、微生物活性，并且同時還能達到美化環(huán)境的目的，被作為傳統(tǒng)水體修復的替代措施之一[7-8]。目前關于水體植物生態(tài)響應重金屬Cd污染的研究多以藻類、草本類植物為主，且它們主要通過吸附并固定水中懸浮物和重金屬離子，從而達到修復的目的，而利用觀賞植物開展研究的還較少。園林觀賞植物在城市濱水區(qū)綠化方面不但可以美化河岸線，豐富景觀，還具有修復重金屬的作用[9]。為此，本研究選取園林濱水區(qū)綠化應用較為廣泛的水生鳶尾（Iris tectorum）、美人蕉（Canna indica）、再力花（Thalia dealbata）、千屈菜（Lythrum salicaria）、蒲草（Typha angustifolia）5種常見的濕生觀葉植物作為研究對象，研究其在重金屬Cd脅迫下的富集能力與抗性生理，以期為利用水生觀賞植物對水體重金屬Cd污染修復及河道植物綠化配置提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試的水生鳶尾、美人蕉、再力花、千屈菜、蒲草5種濕生植物采購于新鄉(xiāng)市翟坡花卉基地；供試盆栽底泥采用趙定排河中污泥，污泥取回后將其均勻混合，并經自然風干研磨、去除雜物后過100目篩，測定其基本理化性質及土壤重金屬Cd含量的背景值[7]（0.051 mg/kg）；供試的重金屬Cd元素以CdCl2形態(tài)處理；試驗培養(yǎng)水取自新鄉(xiāng)市本地自來水。

1.2 實驗處理

實驗采用盆栽培養(yǎng)，選用長度120 cm，寬度60 cm，高度35 cm的生態(tài)培養(yǎng)盆。將上述經過處理的土壤取相同質量按10 cm厚度均勻的平鋪至盆底，盆內加入經過暴曬8 h以上的自來水40 L，靜態(tài)模擬自然狀況下小型水體。實驗共設置5個Cd濃度處理，分別將CdCl2分析純試劑按照0.0（CK）、0.3（K1）、1.0（K2）、5.0（K3）、10.0 mg/kg（K4）加入種植盆。5種濕生植物選取生長健壯、長勢較好且每種高度和根系等生物量基本一致的5種濕生植物幼苗，每種分別取3株（3個平行樣），按照相同種植密度栽植于處理好的重金屬污染底泥中，每個處理設3次重復，共選用15個培養(yǎng)盆。盆栽植物放置于室外防雨棚內種植培養(yǎng)，實驗于2019年8月開始，歷經28 d，實驗中蒸發(fā)的水分用經過暴曬的自來水來補充。

1.3 測定內容與方法

1.3.1 測定指標與方法

供試植物培養(yǎng)28 d后將其取出，用水沖洗干凈并放在烘箱中烘24 h（溫度80 ℃），用粉碎機粉碎后過100 目（0.15 mm）篩。稱取0.2 g樣品放入消化管（50 mL）中，按照體積比4∶1加入優(yōu)級純度的HNO3和HClO4混合酸15 mL，將管口封膜并靜置過夜；次日放于消化爐上消化（140 ℃、8 h），溶液澄清透明后用去離子水定容至100 mL后備用。各部位Cd2+的積累量，使用AA?7000火焰原子吸收分光光度計（島津，日本）測定[9]。

取植物樣品葉片進行測定，主要測定可溶性蛋白（SP）含量（波長595 nm）、游離脯氨酸（Pro）含量（波長520 nm）、丙二醛（MDA）含量（波長532、600、450 nm）和相對電導率（REC），其中可溶性蛋白含量用考馬斯亮藍染色法[10]、Pro含量用酸性茚三酮法、MDA含量用硫代巴比妥酸法[10]、REC用電導儀測定[11]，每個樣品重復3次，各生理指標均測3次重復后取平均值。

1.3.2 數(shù)據處理

實驗所有數(shù)據采用Excel 2017和SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件進行處理，5種濕生植物抗重金屬鎘的強弱能力的比較采用隸屬函數(shù)法，該方法是應用較為廣泛的綜合評價方法之一，是利用模糊數(shù)學的原理進行綜合評價分析。先求出各植物某一生理指標的具體隸屬函數(shù)值，然后對各隸屬函數(shù)值進行求和，最后得出隸屬函數(shù)總值[12-13]，如公式（1）～（3）。

式中：i=1，2，3，···，n，ni表示5種濕生植物中某種的某一生理指標i的測定值；nimax和nimin分別表示某一指標的最大值和最小值；μ（ni）表示某一指標ni的隸屬函數(shù)值；N表示隸屬函數(shù)總值；如果所測生理指標與抗重金屬脅迫呈正相關用（1）式，呈負相關則用（2）式，最后根據公式（3）計算隸屬函數(shù)總值。如果該值越大，則說明抗重金屬脅迫能力就越強。

2 結果與分析

2.1 5種濕生植物各組織Cd積累量差異分析

由圖1可知，在重金屬Cd脅迫下，5種濕生觀賞植物體內的Cd積累量都是隨著處理濃度的升高而呈現(xiàn)不同程度的增加，在10.0 mg/kg時均達到最大值，且再力花地上部與根系的Cd積累量分別是CK的549%和705%；水生鳶尾地上部與根系的鎘Cd積累量分別是CK的1 138%和865%；蒲草地上部與根系的Cd積累量分別是CK的1 289%和925%；千屈菜地上部與根系的Cd積累量分別是CK的6 489%和4 313%；美人蕉地上部與根系的Cd積累量分別是CK的7 861%和5 923%，其差異最為凸顯。再力花在4個處理下根系Cd積累量均低于地上部Cd積累量，蒲草在0.3 mg/kg處理時根系Cd積累量略低于地上部Cd積累量，水生鳶尾在10.0 mg/kg處理時根系Cd積累量略低于地上部Cd積累量，其余2種植物均表現(xiàn)為在各個處理濃度下根系Cd含量大于地上部Cd含量。在10.0 mg/kg處理下，5種濕生觀賞植物地上部與根系的Cd積累量的高低順序依次是美人蕉>千屈菜>蒲草>水生鳶尾>再力花。

圖1 Cd脅迫下5種濕生植物地上部與根系Cd積累量比較Fig. 1 Comparison of Cd accumulation in shoot parts and roots of 5 wet plants under Cd stress

2.2 Cd脅迫對5種濕生植物SP含量的影響

由圖2可知，在重金屬Cd脅迫處理下，美人蕉、千屈菜、蒲草、再力花4種濕生植物SP的含量是隨著Cd濃度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在K2時均達到最大值，此時含量分別是CK的173%、377%、176%和200%；再力花在K3時降至最低點，并且低于CK38.68%；其他3種植物均在K4時降至最低。水生鳶尾在整個Cd濃度遞增過程中，SP的含量呈現(xiàn)緩慢的遞增趨勢。

圖2 Cd脅迫對5種濕生植物SP含量影響Fig. 2 Effects of Cd stress on soluble protein content of 5 wet plants

2.3 Cd脅迫對5種濕生植物Pro含量的影響

由圖3可知，隨著重金屬Cd處理濃度梯度的逐漸增加，美人蕉、水生鳶尾、千屈菜、蒲草4種植物游離Pro含量均呈現(xiàn)遞增趨勢，都在K4時達到最大，其分別達到CK的521%、611%、255%、612%，而再力花葉片中游離Pro含量卻呈現(xiàn)先遞增后遞減又遞增的趨勢；在K2時達到最大，此時是CK的712%。

圖3 Cd脅迫對5種濕生植物Pro含量的影響Fig. 3 Effects of Cd stress on free proline content of 5 wet plants

2.4 Cd脅迫對5種濕生植物MDA含量的影響

由圖4可知，隨著重金屬Cd處理濃度梯度的不斷增加，美人蕉、水生鳶尾等5種濕生植物葉片中MDA含量均呈現(xiàn)不同程度的遞增，都在K4時達到最大值，此時含量分別是CK的239%、259%、242%、173%、405%，再力花最高，說明再力花細胞膜傷害最為嚴重。

圖4 Cd脅迫對5種濕生植物MDA含量的影響Fig. 4 Effects of Cd stress on malondialdehyde content of 5 wet plants

2.5 Cd脅迫對5種濕生植物REC的影響

由圖5可知，當隨著重金屬Cd處理濃度梯度的不斷增加，水生鳶尾、美人蕉等5種濕生植物的REC均呈現(xiàn)不同程度的遞增現(xiàn)象，都在K4時達到最大，此時REC值分別是CK的139%、138%、134%、124%和141%，其中再力花REC遞增最快。

圖5 Cd脅迫對5種濕生植物相對電導率的影響Fig. 5 Effects of Cd stress on relative conductivity of 5 wet plants

2.6 5種濕生植物生理指標的相關性分析

由表1可知，在Cd脅迫下5種濕生植物中僅有水生鳶尾的相關性達到顯著水平（P<0.05），其他均未達到。在Cd脅迫下5種濕生觀賞植物相關性均達到顯著性水平（P<0.05）。在重金屬Cd脅迫下，美人蕉等5種植物MDA和REC變化同步性較好，而植物體內的SP和游離Pro和含量變化的同步性較差。

表1 5種濕生植物生理指標的相關性分析Table 1 Correlation analysis of physiological indexes of 5 wet plants

2.7 5種濕生植物抗重金屬Cd能力的比較

由表2可知，5種濕生觀賞植物抗Cd能力大小依次為蒲草、美人蕉、水生鳶尾、千屈菜、再力花。

表2 5種濕生觀賞植物各項生理指標的隸屬函數(shù)值Table 2 The membership function values of physiological indexes of 5 wet plants

3 結論與討論

從上述分析結果來看，5種濕生觀賞植物對重金屬鎘的吸收與積累總體上是隨著底泥中鎘濃度的增加而呈現(xiàn)上升趨勢，且除了再力花外，美人蕉等其他4種植物根系吸收和富集重金屬能力基本大于地上部分。與學者劉大林等[14]研究3種高粱屬（Sorghum）植物在重金屬Cd脅迫下富集量，郭暉等[9]研究斑葉龜背竹（Monstera deliciosa）等5種觀賞植物在鉛鎘脅迫下富計量，張樹攀等[15]研究3種高粱屬牧草在Cd脅迫下富計量的研究結果基本上相符。在K4處理下，美人蕉等5種濕生觀賞植物地上部與根系的鎘積累量的高低順序依次是美人蕉>千屈菜>蒲草>水生鳶尾>再力花。

當一定量的重金屬離子進入植物體內后，會迅速的與植物體內核酸、蛋白質及酶等大分子物質進行結合，并在其體內替代如Mg2+、Zn2+等發(fā)揮功能時所需的特定金屬元素，不過其活性也會隨之降低[16]。本研究中，在重金屬Cd脅迫處理下，除水生鳶尾之外，美人蕉、千屈菜、蒲草、再力花4種濕生觀賞植物體內的SP合成功能受到明顯影響，其適應性的調節(jié)機制也受到限制。植物在鹽堿、重金屬等逆境脅迫下會產生Pro，其含量的變化與植物抗逆能力呈現(xiàn)相關性，在生理學上常被作為植物逆境生理的重要指標之一。隨著Cd處理濃度的增加，美人蕉、水生鳶尾、千屈菜、蒲草4種植物葉片中Pro含量均呈現(xiàn)上升趨勢，說明這4中濕生觀賞植物均對重金屬Cd存在著不同程度的抗性，這與郭暉等[9]研究多花白鶴芋（Spathiphyllum kochii）、麒麟葉（Epipremnum pinnatum）、斑葉龜背竹和金鉆（Philodendron‘con-go’），溫瑀等[17]研究杞柳（Salix integra）和紅瑞木（Swida alba）對重金屬脅迫生理響應研究結果一致，進一步證實某些植物體內Pro含量隨著脅迫重金屬濃度的增加會大量積累。而再力花葉片中Pro含量則在K2達到最大，但隨著重金屬處理濃度的增加其含量卻有所下降，這說明在高濃度重金屬Cd脅迫下，再力花生理抗性能力還是有一定得限度。在重金屬脅迫下，是植物細胞膜發(fā)生膜脂過氧化作用產生MDA，其含量與膜脂過氧化作用呈正相關，即含量越高，膜質過氧化程度越高。隨著重金屬Cd濃度的增加，5種濕生觀賞植物葉片中MDA含量也均呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢。說明這5種濕生植物細胞膜脂過氧化作用顯現(xiàn)，傷害程度加劇，同時其清除活性氧的能力有所降低，植物受到的脅迫傷害加大，從數(shù)據看出再力花受傷害程度相對最大。王思瑤等[18]研究堿蓬（Suaeda glauca）幼苗在金屬Pb2+、Cd2+、Hg2+、Cu2+離子脅迫下生長及生理生化指標變化，萬子棟等[19]研究堿蓬在重金屬復合脅迫下萌發(fā)生長及富集情況的研究結果均表明MDA含量隨著重金屬處理濃度的增加呈上升趨勢，與本文研究結果一致。而鮮靖蘋[20]在研究龜背竹在鹽及重金屬脅迫下生理抗性的影響結果顯示，龜背竹體內累積的MDA含量隨著重金屬濃度的增大，呈先增加后降低的趨勢，與本研究結論不一致，可能原因是與Cd2+設置濃度的梯度不同有關系。生物膜結構及功能的穩(wěn)定性與植物的抗逆性密切相關，植物細胞膜在干旱、鹽堿、重金屬或復合因素脅迫影響下會受到嚴重傷害，體內大量滲透物質外流，引起相對電導率的升高。5種濕生觀賞植物在金屬鎘處理濃度增加下，其REC均呈不同程度的上升，說明重金屬脅迫對5種植物的正常生理機能都造成了不同程度的破壞。牟祚民等[21]通過研究重金屬脅迫對天竺葵（Pelargonium hortorum）生長及生理特性的影響，表明隨著處理濃度的增加天竺葵的REC呈現(xiàn)上升的趨勢，與本文研究結論一致。

本研究表明，在鎘脅迫下，水生鳶尾體內SP和Pro存在著一定的關聯(lián)性，且2種滲透調節(jié)物質相關性達到顯著水平。而美人蕉、水生鳶尾、千屈菜、蒲草、再力花等5種植物體內的MDA含量和REC相關性均達到顯著水平。并且看出，在重金屬脅迫下，植物體內MDA含量和REC變化同步性較好，而SP含量與Pro含量變化同步性卻較差。通過隸屬函數(shù)法分析表明，抗重金屬Cd能力大小依次為蒲草>美人蕉>水生鳶尾>千屈菜>再力花。

本研究模擬自然條件在盆栽中進行，影響因素較少，如在自然條件下可能會有更多的重金屬、農藥殘留等通過大氣沉降、地表徑流等流入河流并沉降于底泥之中，會發(fā)生一系列物理變化或者化學反應，這種環(huán)境下，重金屬脅迫對植物生長的影響會更為復雜。因此，美人蕉、水生鳶尾、千屈菜、蒲草、再力花等對于不同環(huán)境條件下河流、池塘，湖泊，抗重金屬Cd脅迫能力的大小情況還需進一步研究，以期為利用水生觀賞植物對水體重金屬Cd污染修復及河道植物綠化配置提供科學依據。