對11種熱帶濱海植物Cd富集能力的初步評價

吳朝波, 段瑞軍，王 蕾，郭建春,符少萍,劉 嬌,李瑞梅, 胡新文

(1.海南大學(xué)，海南 ?？?570228；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院/熱帶生物技術(shù)研究所，海南 ?？?571101)

富集系數(shù)=植物體內(nèi)某元素的含量/該元素在土壤中的含量[20] .

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對11種熱帶濱海植物Cd富集能力的初步評價

吳朝波1, 段瑞軍2，王 蕾1，郭建春2,符少萍2,劉 嬌2,李瑞梅2, 胡新文1

(1.海南大學(xué)，海南 ?？?570228；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院/熱帶生物技術(shù)研究所，海南 海口 571101)

采用盆栽試驗的方法，評價了11種熱帶濱海植物對重金屬Cd的富集能力.結(jié)果表明：白鳳菜、有芒鴨嘴草、海馬齒、海雀稗對Cd的耐性較強，于Cd處理后其根系生長、株高、生物量沒有發(fā)生明顯下降(p<0.05)；海馬齒、海雀稗的根對Cd具有較強的富集能力，其根中的Cd含量分別為839.55 mg·kg-1、1 144.64 mg·kg-1；白鳳菜、有芒鴨嘴草的根和其地上部都能大量富集Cd，且地上部分對Cd的富集能力大于根部的富集能力，地上部分的Cd含量分別達709.45 mg·kg-1、164.20 mg·kg-1，超過Cd超富集植物應(yīng)達到的臨界含量(100 mg·kg-1).由此得出以下結(jié)論：白鳳菜、有芒鴨嘴草、海馬齒、海雀稗對Cd的富集能力較強，可將其作為修復(fù)Cd污染土壤的候選植物.

熱帶濱海植物； 重金屬； Cd； 富集特征

2011年，根據(jù)羅錫文院士資料顯示，我國受重金屬污染威脅的耕地面積約2 000萬hm2[1]，2014年由環(huán)保部和國土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》資料顯示全國Cd污染面積增大，其超標率達7%[2].重金屬Cd污染土壤已經(jīng)對我國糧食生產(chǎn)、食品安全、人畜健康構(gòu)成巨大的威脅， Cd是毒性最強的重金屬元素，毒性持久，謝惠玲等[3]研究表明，紫蘇在Cd脅迫下，表現(xiàn)出葉、莖黃花、葉片脫落，株高、葉長、葉寬、莖粗、根長等減少；李佳枚等[4]研究表明，過高的Cd使互米花草生長停滯，甚至出現(xiàn)枯死.Cd遷移能力強，易通過食物鏈的富集作用危害人類的健康，有致癌、致病、致突變的作用，能誘發(fā)關(guān)節(jié)炎、腎衰變等病[5-7].如何有效清除土壤中的Cd，修復(fù)Cd污染已經(jīng)成為迫切需要解決的難題.1983年Channy[8]首次提出利用超富集植物修復(fù)土壤重金屬污染，植物修復(fù)具有成本低，不破壞土壤生態(tài)環(huán)境、無二次污染等優(yōu)點[9]，經(jīng)過30多年的發(fā)展，植物修復(fù)重金屬污染土壤已經(jīng)成為環(huán)境科學(xué)的研究熱點[5]，獲得一批Cd的超富集植物.目前Cd超富集植物，主要有遏藍菜(Thlaspicaerulescens)[10-11]、印度芥菜(Brassicajuncea)[12]、寶山堇菜(Violabaoshanensis)[13]、忍冬(LonicerajaponicaThunb)[14]、龍須眼子菜(Potamogetonpectinatus)[15]、龍葵(SolanumnigrumL)[16-17]、商陸(Phytolaccoacinosa)[18]等，數(shù)量相對較少.因此，開展Cd超富集植物的篩選評價具有非常重要的意義.

濱海草本植物是利用植物修復(fù)土壤較理想的資源[19]，熱帶濱海分布著大量的植物資源，這些植物資源經(jīng)過長期的自然選擇其抗逆性較強，具有耐高溫、耐旱、耐鹽等特性.本研究以11種熱帶濱海植物為材料，通過高濃度的重金屬Cd處理40天，測量其形態(tài)指標、Cd含量等，初步評價11種熱帶濱海植物對Cd的富集能力，期望從中篩選Cd超富集植物資源，以用于Cd污染土壤的修復(fù).

1 材料與方法

1.1 篩選材料

1.1.1 植物材料 11種熱帶濱海植物材料即海雀稗、白子菜、白鳳菜、狗牙根、有芒鴨嘴草、細穗草、蒺藜草、海馬齒、鹽地鼠尾粟、毛異花草、馬齒莧(表1).

1.1.2 栽培基質(zhì) 沙∶土∶有機質(zhì)=1∶1∶1，每盆基質(zhì)量為2 kg.

1.1.3 化學(xué)試劑 200 mmol·L-1CdCl2·2.5H2O水溶液.

表1 11種供試植物名錄

1.2 方 法

1.2.1 育 苗 本研究所使用的11種濱海植物材料中白子菜、白鳳菜、海馬齒、鹽地鼠尾粟、海雀稗、馬齒莧、狗牙根、細穗草、有芒鴨嘴草以扦插繁殖幼苗.毛異花草、蒺藜草不能進行扦插繁育，只能以分蘗幼苗為材料，選取大小一致的分蘗幼苗種植于實驗盆中，每盆基質(zhì)量為2kg，每盆種植8～10株，每隔2天澆一次淡水，15天后分蘗苗長出新根和新葉片，可用于Cd處理.

1.2.2 材 料Cd處理 本研究所使用的11中植物材料分別設(shè)置1個對照，3個重復(fù).對照每隔4天澆一次1/4Hoagland營養(yǎng)液，每次500mL；處理每隔4天澆一次1/4 200mmol·L-1CdCl2·2.5H2OHoagland營養(yǎng)液，每次500mL，處理40天后測量實驗材料根長、株高、干重；測定實驗材料地下部、地上部Cd含量.

1.2.3Cd含量測定 將Cd處理的11種材料從實驗盆中取出，用自來反復(fù)水沖洗，再用去離子水沖洗干凈，清除表面水分，于105 ℃下殺青20min，然后在80 ℃下烘干至恒重，稱取樣品0.5g，置于100mL聚四氟乙烯材料的微波消解罐中，加入4mL硝酸(北化65%BV-Ⅲ微電子級)和2mL雙氧水(北化30%BV-Ⅲ微電子級)，蓋好密封，按照預(yù)設(shè)的微波消解條件進行消化處理，將消解后的溶液移至石英試管中，在天平上定重至20g，搖勻待測，利用美國生產(chǎn)的安捷倫ICP-MS7500ce電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定Cd含量.

富集系數(shù)=植物體內(nèi)某元素的含量/該元素在土壤中的含量[20].

實驗數(shù)據(jù)用MicrosoftExcel和SigmaPlot12.5進行統(tǒng)計分析.

2 結(jié)果與分析

2.1Cd脅迫對11種熱帶濱海植物材料生長發(fā)育的影響

2.1.1 重金屬Cd對植物根發(fā)育的影響 11種熱帶濱海植物在重金屬Cd脅迫下，根發(fā)育受到抑制，根長普遍下降(表2)，根長下降情況依次為鹽地鼠尾粟>海雀稗>有芒鴨嘴草>毛異花草>海馬齒>白子菜>白鳳菜>蒺藜草>細穗草>狗牙根>馬齒莧，其中只有鹽地鼠尾粟根長有所增加，增加了約1.3%，根長下降最明顯的是狗牙根和馬齒莧，都超過了30%.海雀稗、白鳳菜、有芒鴨嘴草、毛異花草、白子菜、海馬齒鎘、鹽地鼠尾粟脅迫下其根長無顯著下降.

11種植物根干重都下降(表2)，下降情況依次為海雀稗>馬齒莧>有芒鴨嘴草>鹽地鼠尾粟>海馬齒>白鳳菜>狗牙根>毛異花草>白子菜>蒺藜草>細穗草，其中海雀稗下降最少，約為1.5%，毛異花草、白子菜、蒺藜草、細穗草下降很明顯，都超過了30%.海雀稗、白鳳菜、有芒鴨嘴草、海馬齒、鹽地鼠尾粟、馬齒莧根干物質(zhì)的積累未顯著下降.

綜合根長和根重可以看出，重金屬Cd脅迫對11種熱帶濱海植物的根發(fā)育都有抑制作用，其中對海雀稗抑制最小，根長下降1.3%，根干重下降1.5%.

表2 鎘脅迫對植物地下部生長發(fā)育的影響

2.1.2 重金屬Cd對植物地上部分發(fā)育的影響 重金屬Cd脅迫下11種濱海植物地上部發(fā)育也發(fā)生了不同變化(表3)，海雀稗株高增加較明顯，達到了10.5%，鹽地鼠尾粟增加1.1%，其余9種植物株高下降，白子菜和狗牙根株高下降超過30%.海雀稗、白鳳菜、細穗草、鹽地鼠、馬齒莧在鎘脅迫下株高未顯著下降.11中濱海植物的地上部分干重都出現(xiàn)下降，依次為海雀稗>馬齒莧>白鳳菜>鹽地鼠尾粟>有芒鴨嘴草>海馬齒>白子菜>毛異花草>狗牙根>細穗草>蒺藜草，下降最少的為海雀稗，下降3.4%，下降最明顯的是毛異花草、狗牙根、馬齒莧、細穗草、蒺藜草，都超過了30%.綜合地上部分干重和株高2項指標發(fā)現(xiàn)，在重金屬Cd脅迫下，海雀稗地上部生長和發(fā)育受影響最小.

2.2 植物對土壤中Cd的分配和富集 從植物地上部分和地下部分的富集量、富集系數(shù)及地上部分轉(zhuǎn)移系數(shù)等方面統(tǒng)計分析11種濱海植物對重金屬Cd的富集狀況(表4).海雀稗、狗牙根、細穗草、海馬齒、馬齒莧地下部重金屬Cd富集量分別達1 144.64mg·kg-1、1 033.05mg·kg-1、476.94mg·kg-1、839.55mg·kg-1、237.63mg·kg-1，其地上部分轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1，地下部分的富集量遠大于地上部分，表明其根系富集能力強，蒺藜草、毛異花草地上部分與地下部分的富集量差異很小，其轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為1和0.86，莖葉和根系中富集系數(shù)都大于1；有芒鴨嘴草Cd富集量地上部分高于地下部分，但其莖葉富集系數(shù)小于1，白鳳菜、白子菜地上部分富集量分別為709.45mg·kg-1、273.99mg·kg-1，其含量遠高于地下部分，轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1，可見其對Cd有較強的富集能力；鹽地鼠尾粟地下部分與地上部分Cd含量都極低，其對重金屬的脅迫具有很高的抗性.

表3 鎘脅迫對植物地上部生長發(fā)育的影響

表4 篩選試驗中植物體對重金屬的富集情況

3 結(jié)論與討論

3.1 討 論

3.1.1 植物的生長發(fā)育與鎘耐性 重金屬對植物的影響直接表現(xiàn)是生長受到抑制.當(dāng)重金屬超過一定限度，會導(dǎo)致植株干重下降[21]，土壤Pb含量超過300mg·kg-1時，白菜減產(chǎn)30%[22]；水稻和小麥在低濃度的Pb澆灌下，表現(xiàn)出葉片變黃，生長緩慢，以至枯死[23].大豆在3mmol·L-1Cd澆灌6天，其生物量就下降50%[24]，大豆幼苗在Cd濃度為50mg·L-1時，根體積，側(cè)根數(shù)目，根系長度受到明顯的抑制[25]；這些與本實驗得出的結(jié)論相吻合，實驗發(fā)現(xiàn)植物株高、根長、生物量都有不同程度的下降，但不同植物對Cd的忍耐限度不同，海雀稗、白鳳菜、海馬齒、有芒鴨嘴草、鹽地鼠尾粟在株高、根長方面變化不明顯；海雀稗、白鳳菜、有芒鴨嘴草、海馬齒、鹽地鼠尾粟地上部和地下部生物量無明顯下降，較對照減少量小于15%.可能的原因有：1、重金屬Cd刺激植物的生長，該濃度下鹽地鼠尾粟Cd刺激了鹽地鼠尾粟某些酶的活性，對植物的生長產(chǎn)生促進作用[26-27].2、植物體內(nèi)的保護酶系統(tǒng)清除了因Cd誘導(dǎo)產(chǎn)生的對活性自由基，減少Cd進入植物組織，使Cd對植物組織的傷害較少.有研究表明Cd可誘導(dǎo)植物組織產(chǎn)生對植物膜有傷害作用的活性氧自由基，但植物通過自身的保護酶系統(tǒng)清除活性氧自由基的傷害作用[28-20].這種現(xiàn)象還需要進一步的研究.

3.1.2 植物對鎘的富集能力與鎘耐性 我們發(fā)現(xiàn)海雀稗、狗牙根、細穗草、海馬齒、馬齒莧地下部分Cd含量遠大于地上部分，特別是海雀稗其地下部分是地上部分的近32倍，其原因可能是這些植物的根系活動，改變根際環(huán)境的pH和Eh值，使得金屬在根部積累、沉淀、鈍化、固定，降低了Cd在植物體內(nèi)的遷移性，將其固定在根部[31].有研究表明，Pb可與植物分泌的磷酸鹽結(jié)合形成難溶性的磷酸鉛鹽固定在根部[32].白鳳菜、有芒鴨嘴草、白子菜地上部分含量大于地下部分，蒺藜草、毛異花草地上部分與地下部分差異較小，說明這些植物存在與普通植物不同的轉(zhuǎn)移重金屬的機理，我們分析形成這樣的結(jié)果，其原因可能是：1、Cd誘導(dǎo)這些植物在根細胞膜或根木質(zhì)部細胞上產(chǎn)生了轉(zhuǎn)移性的運輸?shù)鞍谆蛲ǖ揽刂频鞍?，促使植物將Cd從土壤進入根部，并運輸?shù)降厣喜糠?2、由于重金屬離子不能通過內(nèi)皮層凱式帶，進入木質(zhì)部導(dǎo)管只能通過共質(zhì)體途徑，根中的重金屬通過運輸體或通道蛋白進入液泡，而在這些植物液泡膜上可能存在特殊的運輸體，可以把重金屬裝載到木質(zhì)部導(dǎo)管，進而運輸?shù)降厣喜糠諿33].

綜上，通過研究重金屬對植物生長影響和分析植物對Cd的富集情況，發(fā)現(xiàn)鎘脅迫對海雀稗、白鳳菜、海馬齒、鹽地鼠尾粟、有芒鴨嘴草生物量的積累和植株的生長影響較小，對鎘脅迫有一定的耐性.海雀稗、海馬齒、有芒鴨嘴草、白鳳菜為多年生植物，具匍匐莖，生長迅速，有極強的繁殖能力，肥水條件的改善能使其生物量迅速提高，能彌補其它植物的不足之處.海馬齒、海雀稗地下部分對鎘具有極強的富集能力，可以考慮用于重金屬Cd的固定，減少土壤中Cd的淋溶及污染土壤的流失，控制Cd污染的擴散；鹽地鼠尾粟Cd富集量較低，是一種拒Cd植物；白鳳菜，有芒鴨嘴草地上部分富集量高于地下部分，其富集系數(shù)大于1，具備超富集植物應(yīng)具有的特征[34-36]，1、臨界含量特征：地上部分富集含量大于Cd的臨界含量(100mg·kg-1)，2、轉(zhuǎn)移特征：Cd含量地上部分大于地下部分.3、耐性特征：處理組與對照組相比，形態(tài)特征與生物量都沒有明顯變化，初步斷定是一種Cd超富集植物.在利用海雀稗、海馬齒、白鳳菜、有芒鴨嘴草用于鎘污染土壤修復(fù)時，可在植物地上部分生物最大時，即開花至成熟期間，將植物地上部分移走，留茬發(fā)芽進行連續(xù)提取，通過這種方式，可以從土壤中帶走大量的鎘，具有成本低廉、無二次污染，保持水土，美化環(huán)境等優(yōu)點.

3.2 結(jié) 論 盆栽篩選試驗結(jié)果表明，11中濱海植物中，海雀稗、海馬齒根系鎘富集能力最強，是固定鎘遷移擴散的理想植物；白鳳菜、有芒鴨嘴草具備超富集植物應(yīng)具有的富集特征、耐性特征、轉(zhuǎn)移特征，初步推斷是鎘的超富集植物.

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Preliminary Evaluation on Cd Enrichment Ability of Eleven Species of Tropical Coastal Plants

WuChaobo1,DuanRuijun2,WangLei1,GuoJianchun2,FuShaoping2,LiuJiao2,LiRuimei2,HuXinwen1

(1.CollegeofAgriculture,HainanUniversity,Haikou570228,China;2.InstituteofTropicalBioscienceandBiotechnology,ChinaAcademyofTropicalAgriculturalScience,Haikou571101,China).

Inthereport,thepotexperimentwasperformedtoevaluatetheheavymetalCdenrichmentabilitiesofelevenspeciesoftropicalcoastalplants.TheresultsindicatedthatGynura formosanaKitam, Ischaemum aristatumL., Portulaca oleraceaL.andPaspalum vaginatum Sw pilosahavestrongtolerancetoCdpollution,afterbeingtreatmentwithcadmium,theirrootgrowth,plantheightandbiomassdidnotdecreasesignificantly(p <0.05) ;therootsofP.oleraceaL.andP. vaginatum Sw pilosahavestrongenrichmentcapacitiesforCd,andthecontentswere839.55mg·kg-1and1144.64mg·kg-1,respectively；theabovegroundpartsandrootsofG. formosanaKitamandI. aristatumL.havestrongenrichmentcapacityforCd,theCdconcentrationintheabovegroundpartswerehigherthanthatinroots,theCdcontentsintheabovegroundpartswerereached709.45mg·kg-1,164.20mg·kg-1,respectively,whichareabovetheCdcriticalcontentofhyperaccumulators(100mg·kg-1).TheresultssuggestedthatG. formosanaKitam, I. aristatumL., P. oleraceaL.andP. vaginatum Sw pilosahavestrongCdenrichmentability,andwhichcanbeusedasthecandidatesforrepairingCdcontaminatedsoil.

coastalplants;heavymetals;Cd;accumulationcharacteristics

2015-04-29

中央公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項基金項目(No.ITBB2015ZD03)；海南省重大科技專項項目(No.ZDZX2013023-1)；中共公益性科研院所(院本級)基本科研業(yè)務(wù)專項基金項目“熱帶農(nóng)業(yè)微生物與生物質(zhì)能源研究——熱帶海洋生物資源研究(No.1630052015038)”

吳朝波(1988-)，男，四川會東人，海南大學(xué)農(nóng)學(xué)院2013級碩士研究生，E-mail：wuchao_bo@126.com

段瑞軍(1978-)，男，云南曲靖人，副研究員，研究方向：熱帶濱海植物資源開發(fā)與利用，E-mial：lshjz6@163.com

1004-1729(2015)03-0234-07

X 53

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2015.0043