菖蒲對5種重金屬富集能力的比較

李洋+游少鴻+林子雨+金旭+張笛

摘要：通過盆栽試驗，分析菖蒲對土壤中鋅、鉛、鉻、鎘、銅5種重金屬的脅迫反應及富集能力。結果表明，隨重金屬濃度的增加，菖蒲生物量和株高會有明顯變化，當土壤中鉻處理濃度超過700mg/kg和銅處理濃度超過500mg/kg時，菖蒲死亡；5種重金屬在菖蒲體內地下部分含量均明顯大于地上部分，菖蒲對5種重金屬有非常強的滯留效應；重金屬處理濃度為1000mg/kg時，菖蒲對鋅富集量最大，達到18142.5mg/kg，其中地上部分為3973.33mg/kg，地下部分為14169.17mg/kg。

關鍵詞：菖蒲；盆栽；重金屬；滯留效應；富集作用

中圖分類號：X53文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2014）11-0383-03

重金屬污染已成為目前越來越需要重視的環(huán)境問題之一，重金屬污染植物修復技術也隨著環(huán)境亟需改善的現(xiàn)狀而愈發(fā)成熟[1-2]。通常所說的植物修復，是指利用植物除去受污染土壤和廢水中重金屬的技術，也可以稱為生物修復或者是綠色修復[3-4]。超富集植物及一些對重金屬有較強富集能力的植物在植物修復技術中起到關鍵作用[5]。因此，尋找對重金屬有較強富集能力的植物也便成為解決重金屬污染問題重要的環(huán)節(jié)。菖蒲（Acoruscalamus）是天南星科多年水生草本植物，廣泛分布在世界溫帶、亞熱帶，生長在湖泊岸邊淺水區(qū)、池塘和沼澤地中[6]。菖蒲去除水體中氮、磷、鉀的研究已有很大進展，周守標等發(fā)現(xiàn)菖蒲對幾種重金屬復合污染的土壤具有一定的處理效果[7-8]，但菖蒲對土壤中單一重金屬的富集能力卻鮮見報道。本試驗通過盆栽方法，分析菖蒲對5種重金屬的脅迫反應及富集能力，以期為菖蒲修復重金屬污染土壤或水體提供重要依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗植物菖蒲采自廣西桂林雁山鎮(zhèn)某池塘，剪去枯葉、爛葉、爛根，選幼苗用去離子水沖洗，置于提前采用Hoagland配方[9]配制好的營養(yǎng)液中培養(yǎng)。供試土壤采自菖蒲生長的池塘周邊，風干后備用。采集土樣鎘、鋅、銅、鉻、鉛含量分別為0.12、57.85、18.23、18.23、18.37mg/kg，符合GB15618—1995《土壤環(huán)境質量標準》中的一級標準。

1.2試驗方法

取容積為3L的清潔塑料桶78個，每桶內分別裝入風干的土壤2kg；取分析純K2Cr2O7、CuSO4、Pb（NO3）2、CdCl2、ZnSO4，分別單獨以不同濃度投加到塑料桶內，再分別向桶中加入去離子水1L，用玻璃棒攪拌桶內土壤，使土壤與重金屬溶液混勻，使塑料桶內土壤分別含Cr6+、Cu2+、Pb2+、Zn2+濃度梯度為100、300、500、700、1000mg/kg，含Cd2+濃度梯度為1、3、5、7、10mg/kg。每種處理濃度3個重復，以3個不投加重金屬溶液的土樣為空白對照。

2013年7月1日，選取提前置于營養(yǎng)液中長勢良好、株體健碩、大小一致的菖蒲植株，分別移栽至78個塑料桶內，每桶1株；向桶內灌水，保持水面高出土面2cm，置于通風透光的塑料網棚內，持續(xù)生長45d；2013年8月15日，將菖蒲從桶內取出，用去離子水小心沖洗，去除菖蒲葉片及根部殘留土壤，測定菖蒲生長指標。將菖蒲地上和地下部分分開，置于105℃烘箱中烘干30min殺青，80℃烘干48h，取出稱重，用研缽研碎，分別測定植株體內重金屬含量。

1.3測定方法

烘干研碎后的植物樣品過100目篩，每份樣品取0.3g，用HNO3-H2O2消解，定容至25mL，用火焰原子吸收光譜儀檢測相應的重金屬含量。

1.4數(shù)據(jù)分析方法

計算公式：耐性指數(shù)TI（toleranceindex）=重金屬處理中植物的生物量/對照中的生物量×100%；富集系數(shù)BCF（bioconcentrationfactors）=地上或地下部分重金屬含量/土壤中重金屬含量；根系對重金屬的滯留率（tetentionrate）=（植株地下部分重金屬含量-植株地上部分重金屬含量）/植株地下部分重金屬含量×100%。試驗數(shù)據(jù)用SPSS軟件進行方差分析。

2結果與分析

2.1菖蒲在不同種類及濃度重金屬脅迫條件下的生長狀況

試驗結果表明，試驗后4d，1000mg/kg濃度銅處理的菖蒲植株全部死亡；試驗后6d，700mg/kg濃度銅和鉻處理的菖蒲全部死亡；培養(yǎng)45d，隨著重金屬處理濃度增加，各處理菖蒲的生物量與生長高度有明顯不同，詳見圖1。由表1、圖1可見，當鉛、鋅、銅處理濃度為300mg/kg時，菖蒲株高最高，生物量最大，生長狀況最好，耐性指數(shù)也最大，并隨濃度增加，株高越來越低；低濃度鎘和鉻脅迫時，菖蒲株高低于對照；隨濃度增加，植株高度與生物量進一步遞減，菖蒲生長受到明顯抑制，造成毒害作用。

2.2菖蒲對重金屬的富集能力比較

由表2可見，菖蒲對重金屬的富集量隨著土壤中重金屬濃度的增加而增加，呈正相關關系，對5種重金屬的富集能力卻有明顯差異；菖蒲對鋅的富集能力最強，當鋅濃度為1000mg/kg時，菖蒲地下部分富集濃度達到14169.17mg/kg，地上部分達到3973.33mg/kg；菖蒲地下部分對5種重金屬的富集系數(shù)大多數(shù)都大于1，地上部分對銅、鉻的富集系數(shù)均小于1；菖蒲對于鎘的平均富集系數(shù)最大，當鎘濃度為10.00mg/kg時，菖蒲地下部分富集系數(shù)達到33.9，地上部分富集系數(shù)達到3.00；5種重金屬在菖蒲地下部分含量均大于地上部分，菖蒲對5種重金屬有非常強的滯留效應，其中，菖蒲對鉻的平均滯留率最大。

3結論與討論

重金屬能夠進入大氣、土壤和水體直接造成各類環(huán)境要素的污染，也能夠在大氣、土壤和水體中相互遷移，間接造成各類環(huán)境要素的污染[10]。當土壤中重金屬含量超出植物對重金屬自凈作用的時候，重金屬離子將對植物的代謝、生長發(fā)育產生影響[11-13]。使土壤受到污染的重金屬主要有砷、鎘、鈷、鉻、銅、汞、錳、鎳、鉛、鋅等其中的一種或幾種復合污染。陳本良等研究表明，鎘污染可導致農作物幼苗受損減產，對人體也有嚴重影響[14]。鋅污染的土壤對植物生長也有嚴重的抑制作用[15]。當本試驗5種重金屬在土壤或水體中過量存在時，均對植物的生長有不同程度的抑制和毒害作用[16-17]。從試驗結果看，菖蒲對于鎘、鋅、銅、鉻、鉛5種元素均有一定的富集作用，因此，菖蒲作為植物修復的遴選植物具有一定意義。endprint

當鉛、鋅、銅濃度達到300mg/kg時，菖蒲的生長狀況最好，過量的銅元素會嚴重損傷植物的根部，使主根無法伸長，根尖硬化，抑制生長點細胞的分裂[12]，當銅濃度高于500mg/kg時，菖蒲死亡。在鉻、鎘低濃度條件下，菖蒲株高低于對照，隨著重金屬濃度的增加，株高越來越低，鉻、鎘對菖蒲已產生毒害作用，當鉻濃度高于700mg/kg時，菖蒲無法存活。

無論是地上還是地下部分，菖蒲對鋅的富集能力都是最大的，當鋅濃度為1000mg/kg時，菖蒲地下部分的富集量可達到14169.17mg/kg，地上部分可達到3973.33mg/kg，這與任珺等研究結果[18]一致。菖蒲對高濃度鎘的富集系數(shù)最大，其次分別是鋅、銅、鉻、鉛。比較5種重金屬，可選擇菖蒲作為重金屬鋅污染土壤或水體修復的植物。

參考文獻：

[1]SaltDE，BlaylockM，KumarNP，etal.Phytoremediation：anovelstrategyfortheremovaloftoxicmetalsfromtheenvironmentusingplants[J].Biotechnology，1995，13（5）：468-474.

[2]ZayedA，GowthamanS，TerryN.Phytoaccumulationoftraceelementsbywetlandplants：Ⅰ.Duckweed[J].JournalofEnvironmentalQuality，1998，27（3）：715-721.

[3]韋朝陽，陳同斌.重金屬超富集植物及植物修復技術研究進展[J].生態(tài)學報，2001，21（7）：1196-1203.

[4]MeagherRB.Phytoremediationoftoxicelementalandorganicpollutants[J].CurrentOpinioninPlantBiology，2000，3（2）：153-162.

[5]陳同斌，韋朝陽，黃澤春，等.砷超富集植物蜈蚣草及其對砷的富集特征[J].科學通報，2002，47（3）：207-210.

[6]張維昊，周連鳳，吳小剛，等.菖蒲對銅綠微囊藻的化感作用[J].中國環(huán)境科學，2006，26（3）：355-358.

[7]周守標，王春景，楊海軍，等.菰和菖蒲對重金屬的脅迫反應及其富集能力[J].生態(tài)學報，2007，27（1）：281-287.

[8]吳月燕，劉秀蓮，洪豐.3種植物對重金屬富集能力的比較[J].科技通報，2008，24（2）：266-271.

[9]QianJH，ZayedA，ZhuYL，etal.Phytoaccumulationoftraceelementsbywetlandplants：Ⅲ.Uptakeandaccumulationoftentraceelementsbytwelveplantspecies[J].JournalofEnvironmentalQuality，1999，28（5）：1448-1455.

[10]YeZH，BakerAJM，WongMH，etal.Zinc，leadandcadmiumaccumulationandtoleranceinTyphalatifoliaasaffectedbyironplaqueontherootsurface[J].AquaticBotany，1998，61（1）：55-67.

[11]張義賢.重金屬對大麥（Hordeumvulgare）毒性的研究[J].環(huán)境科學學報，1997，17（2）：70-76.

[12]楊世勇，王方，謝建春.重金屬對植物的毒害及植物的耐性機制[J].安徽師范大學學報：自然科學版，2004，27（1）：71-74，90.

[13]王瀚，何九軍，楊小錄.重金屬對植物的脅迫作用及其與信號轉導的關系[J].生物學教學，2012，37（2）：7-9.

[14]陳志良，莫大倫，仇榮亮.鎘污染對生物有機體的危害及防治對策[J].環(huán)境保護科學，2001，27（4）：37-39.

[15]李福燕，張黎明，李許明，等.土壤-植物系統(tǒng)鋅污染與修復技術研究進展[J].安徽農業(yè)科學，2006，34（22）：5920-5921，5979.

[16]AndersonTA，GuthrieEA，WaltonBT.Bioremediationintherhizosphere[J].EnvironSciThechnol，1993，27（13）：2630-2636.

[17]PenceNS，LarsenPB，EbbsSD，etal.ThemolecularphysiologyofheavymetaltransportintheZn/CdhyperaccumulatorThlaspicaerulescens[J].ProcNatlAcadSci，2000，97（9）：4956-4960.

[18]任珺，付朝文，陶玲，等.蘆葦、菖蒲和水蔥對水體中Zn2+的富集效應研究[J].濕地科學，2011，9（4）：322-327.endprint

當鉛、鋅、銅濃度達到300mg/kg時，菖蒲的生長狀況最好，過量的銅元素會嚴重損傷植物的根部，使主根無法伸長，根尖硬化，抑制生長點細胞的分裂[12]，當銅濃度高于500mg/kg時，菖蒲死亡。在鉻、鎘低濃度條件下，菖蒲株高低于對照，隨著重金屬濃度的增加，株高越來越低，鉻、鎘對菖蒲已產生毒害作用，當鉻濃度高于700mg/kg時，菖蒲無法存活。

無論是地上還是地下部分，菖蒲對鋅的富集能力都是最大的，當鋅濃度為1000mg/kg時，菖蒲地下部分的富集量可達到14169.17mg/kg，地上部分可達到3973.33mg/kg，這與任珺等研究結果[18]一致。菖蒲對高濃度鎘的富集系數(shù)最大，其次分別是鋅、銅、鉻、鉛。比較5種重金屬，可選擇菖蒲作為重金屬鋅污染土壤或水體修復的植物。

參考文獻：

[1]SaltDE，BlaylockM，KumarNP，etal.Phytoremediation：anovelstrategyfortheremovaloftoxicmetalsfromtheenvironmentusingplants[J].Biotechnology，1995，13（5）：468-474.

[2]ZayedA，GowthamanS，TerryN.Phytoaccumulationoftraceelementsbywetlandplants：Ⅰ.Duckweed[J].JournalofEnvironmentalQuality，1998，27（3）：715-721.

[3]韋朝陽，陳同斌.重金屬超富集植物及植物修復技術研究進展[J].生態(tài)學報，2001，21（7）：1196-1203.

[4]MeagherRB.Phytoremediationoftoxicelementalandorganicpollutants[J].CurrentOpinioninPlantBiology，2000，3（2）：153-162.

[5]陳同斌，韋朝陽，黃澤春，等.砷超富集植物蜈蚣草及其對砷的富集特征[J].科學通報，2002，47（3）：207-210.

[6]張維昊，周連鳳，吳小剛，等.菖蒲對銅綠微囊藻的化感作用[J].中國環(huán)境科學，2006，26（3）：355-358.

[7]周守標，王春景，楊海軍，等.菰和菖蒲對重金屬的脅迫反應及其富集能力[J].生態(tài)學報，2007，27（1）：281-287.

[8]吳月燕，劉秀蓮，洪豐.3種植物對重金屬富集能力的比較[J].科技通報，2008，24（2）：266-271.

[9]QianJH，ZayedA，ZhuYL，etal.Phytoaccumulationoftraceelementsbywetlandplants：Ⅲ.Uptakeandaccumulationoftentraceelementsbytwelveplantspecies[J].JournalofEnvironmentalQuality，1999，28（5）：1448-1455.

[10]YeZH，BakerAJM，WongMH，etal.Zinc，leadandcadmiumaccumulationandtoleranceinTyphalatifoliaasaffectedbyironplaqueontherootsurface[J].AquaticBotany，1998，61（1）：55-67.

[11]張義賢.重金屬對大麥（Hordeumvulgare）毒性的研究[J].環(huán)境科學學報，1997，17（2）：70-76.

[12]楊世勇，王方，謝建春.重金屬對植物的毒害及植物的耐性機制[J].安徽師范大學學報：自然科學版，2004，27（1）：71-74，90.

[13]王瀚，何九軍，楊小錄.重金屬對植物的脅迫作用及其與信號轉導的關系[J].生物學教學，2012，37（2）：7-9.

[14]陳志良，莫大倫，仇榮亮.鎘污染對生物有機體的危害及防治對策[J].環(huán)境保護科學，2001，27（4）：37-39.

[15]李福燕，張黎明，李許明，等.土壤-植物系統(tǒng)鋅污染與修復技術研究進展[J].安徽農業(yè)科學，2006，34（22）：5920-5921，5979.

[16]AndersonTA，GuthrieEA，WaltonBT.Bioremediationintherhizosphere[J].EnvironSciThechnol，1993，27（13）：2630-2636.

[17]PenceNS，LarsenPB，EbbsSD，etal.ThemolecularphysiologyofheavymetaltransportintheZn/CdhyperaccumulatorThlaspicaerulescens[J].ProcNatlAcadSci，2000，97（9）：4956-4960.

[18]任珺，付朝文，陶玲，等.蘆葦、菖蒲和水蔥對水體中Zn2+的富集效應研究[J].濕地科學，2011，9（4）：322-327.endprint

當鉛、鋅、銅濃度達到300mg/kg時，菖蒲的生長狀況最好，過量的銅元素會嚴重損傷植物的根部，使主根無法伸長，根尖硬化，抑制生長點細胞的分裂[12]，當銅濃度高于500mg/kg時，菖蒲死亡。在鉻、鎘低濃度條件下，菖蒲株高低于對照，隨著重金屬濃度的增加，株高越來越低，鉻、鎘對菖蒲已產生毒害作用，當鉻濃度高于700mg/kg時，菖蒲無法存活。

無論是地上還是地下部分，菖蒲對鋅的富集能力都是最大的，當鋅濃度為1000mg/kg時，菖蒲地下部分的富集量可達到14169.17mg/kg，地上部分可達到3973.33mg/kg，這與任珺等研究結果[18]一致。菖蒲對高濃度鎘的富集系數(shù)最大，其次分別是鋅、銅、鉻、鉛。比較5種重金屬，可選擇菖蒲作為重金屬鋅污染土壤或水體修復的植物。

參考文獻：

[1]SaltDE，BlaylockM，KumarNP，etal.Phytoremediation：anovelstrategyfortheremovaloftoxicmetalsfromtheenvironmentusingplants[J].Biotechnology，1995，13（5）：468-474.

[2]ZayedA，GowthamanS，TerryN.Phytoaccumulationoftraceelementsbywetlandplants：Ⅰ.Duckweed[J].JournalofEnvironmentalQuality，1998，27（3）：715-721.

[3]韋朝陽，陳同斌.重金屬超富集植物及植物修復技術研究進展[J].生態(tài)學報，2001，21（7）：1196-1203.

[4]MeagherRB.Phytoremediationoftoxicelementalandorganicpollutants[J].CurrentOpinioninPlantBiology，2000，3（2）：153-162.

[5]陳同斌，韋朝陽，黃澤春，等.砷超富集植物蜈蚣草及其對砷的富集特征[J].科學通報，2002，47（3）：207-210.

[6]張維昊，周連鳳，吳小剛，等.菖蒲對銅綠微囊藻的化感作用[J].中國環(huán)境科學，2006，26（3）：355-358.

[7]周守標，王春景，楊海軍，等.菰和菖蒲對重金屬的脅迫反應及其富集能力[J].生態(tài)學報，2007，27（1）：281-287.

[8]吳月燕，劉秀蓮，洪豐.3種植物對重金屬富集能力的比較[J].科技通報，2008，24（2）：266-271.

[9]QianJH，ZayedA，ZhuYL，etal.Phytoaccumulationoftraceelementsbywetlandplants：Ⅲ.Uptakeandaccumulationoftentraceelementsbytwelveplantspecies[J].JournalofEnvironmentalQuality，1999，28（5）：1448-1455.

[10]YeZH，BakerAJM，WongMH，etal.Zinc，leadandcadmiumaccumulationandtoleranceinTyphalatifoliaasaffectedbyironplaqueontherootsurface[J].AquaticBotany，1998，61（1）：55-67.

[11]張義賢.重金屬對大麥（Hordeumvulgare）毒性的研究[J].環(huán)境科學學報，1997，17（2）：70-76.

[12]楊世勇，王方，謝建春.重金屬對植物的毒害及植物的耐性機制[J].安徽師范大學學報：自然科學版，2004，27（1）：71-74，90.

[13]王瀚，何九軍，楊小錄.重金屬對植物的脅迫作用及其與信號轉導的關系[J].生物學教學，2012，37（2）：7-9.

[14]陳志良，莫大倫，仇榮亮.鎘污染對生物有機體的危害及防治對策[J].環(huán)境保護科學，2001，27（4）：37-39.

[15]李福燕，張黎明，李許明，等.土壤-植物系統(tǒng)鋅污染與修復技術研究進展[J].安徽農業(yè)科學，2006，34（22）：5920-5921，5979.

[16]AndersonTA，GuthrieEA，WaltonBT.Bioremediationintherhizosphere[J].EnvironSciThechnol，1993，27（13）：2630-2636.

[17]PenceNS，LarsenPB，EbbsSD，etal.ThemolecularphysiologyofheavymetaltransportintheZn/CdhyperaccumulatorThlaspicaerulescens[J].ProcNatlAcadSci，2000，97（9）：4956-4960.

[18]任珺，付朝文，陶玲，等.蘆葦、菖蒲和水蔥對水體中Zn2+的富集效應研究[J].濕地科學，2011，9（4）：322-327.endprint