不同濃度重金屬Pb2+對水鱉生長發(fā)育的影響

陳麗雅+馬行+秦梁+陸心婷+王波

摘 要：本試驗以水鱉為供試材料，采用室內(nèi)培養(yǎng)的方式，探索不同濃度的重金屬Pb2+對水鱉各項生理生化指標的影響和水鱉對不同濃度Pb2+的吸收效果。研究結(jié)果表明：隨著培養(yǎng)液中Pb2+濃度的升高，水鱉的葉片和根系的正常生長受到明顯抑制，其生物量隨著Pb2+濃度的增加而下降，葉片的SPAD值及其各項光合指標也呈下降趨勢。在不同濃度Pb2+的處理下，水鱉對Pb2+的吸收百分數(shù)均達到90%以上，可作為超富集植物凈化水體重金屬污染。

關鍵詞：Pb2+；水鱉；生長發(fā)育

中圖分類號：X171.1 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.07.006

Abstract： In this experiment taking Hydrochairs dubia as experiment material， using indoor culture， the effects of different concentrations of heavy metal Pb2+ on physiological and biochemical indexes of Hydrochairs dubia and the effect of different concentrations of Pb2+ on Hydrochairs dubia adsorption were explored. The research results show that with the increase of Pb2+concentration in culture liquid， the normal growth of Hydrocharis dubia leaf and root was inhibited， the biomass decreased with the increase of Pb2+ concentration， SPAD value and the leaf photosynthetic index also showed a trend of decline. In the treatment of different concentrations of Pb2+， absorption percentage of Hydrochairs dubia on Pb2+ were above 90%， it can be used as hyperaccumulator to purify heavy metal pollution of water body.

Key words： Pb2+； Hydrochairs dubia； growth and development

近幾年來，由于人類活動的影響，水體污染越來越嚴重。特別是隨著采礦、冶鐵、化工、電鍍、電子、制革等行業(yè)的發(fā)展，以及民用固體廢棄物不合理填埋和堆放，重金屬污染物事故性排放，使得各種重金屬污染物進入水體[1]?！?011年中國環(huán)境狀況公報》顯示，長江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河、遼河、浙閩片河流、西南諸河和內(nèi)陸諸河等10大水系國控斷面中，Ⅳ類及以上水質(zhì)的斷面比例為39.0%，40個斷面出現(xiàn)鉛、汞等重金屬超標現(xiàn)象，處于富營養(yǎng)狀態(tài)的湖泊（水庫）比例高達53.8%。在自然水體中，重金屬并不完全以自由離子的簡單形態(tài)存在，而主要是結(jié)合在水中的生物體、懸浮顆粒物以及表層沉積物等固相表面上[2]。目前去除重金屬的方法主要包括化學、物理、生物三大類處理方法及新型復合處理方法[3]，其中較生態(tài)的方法是采取水生植物修復水體污染。該技術投資少、運行費用低、管理簡便，既可改善和恢復生態(tài)環(huán)境，又可回收資源，節(jié)約能源[4]。

目前國內(nèi)外已經(jīng)有學者研究采用水生植物來修復水體污染。水生植物包括常年生活在水中以及長期生活在非常潮濕或者100%飽和水土壤中的植物。水生植物具體可分為挺水、漂浮、浮葉和沉水4種類型[5]。不同水生維管束植物對重金屬的富集能力順序為：沉水植物>漂?。ǜ∪~）植物>挺水植物。有研究顯示，水鱉可作為重金屬復合污染水體的修復植物[6]。水鱉是水鱉科的一種浮水植物，目前對于水鱉的研究較少，特別是水鱉受重金屬的影響的研究尚未見報道[7]。本試驗將利用水鱉[8-10]作為水生植物材料，研究不同濃度重金屬鉛對其生長發(fā)育相關指標的影響。通過研究來綜合分析水鱉是否可以作為凈化水體中重金屬鉛的植物材料，以及水鱉對不同濃度重金屬鉛的生理生化反應。研究結(jié)果可以為水生植物凈化（或降解）被重金屬鉛污染的水體提供理論依據(jù)，同時結(jié)果也具有一定的實際應用價值。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與營養(yǎng)液配置

試驗材料來源于蘇州大學獨墅湖校區(qū)，打撈時注意保護根系，保持水鱉植株的完整性。打撈后將水鱉用自來水沖洗干凈后進行為期1周的馴化。挑選生長健康，生長狀況良好，生物量相近的植株作為供試材料，培養(yǎng)用塑料盆的體積為4 L，營養(yǎng)液采用1/2Hoagland營養(yǎng)液，微量元素采用Arnon營養(yǎng)液。

培養(yǎng)液根據(jù)鉛含量的不同劃分為6個濃度梯度，1個為不加鉛（對照），其余5個加鉛，具體濃度梯度參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準GB 3838—2002》來設定，處理組A的Pb2+濃度為V類水標準0.1 mg·L-1，處理B為V類水標準的2.5倍，處理C為V類水標準的5倍，處理D為V類水標準的7.5 倍，處理E為V類水標準的10倍，除Pb元素外，其他營養(yǎng)元素的含量均按照1/2 Hoagland和Arnon營養(yǎng)液的要求配置。每天在培養(yǎng)液中滴加雙氧水以代替通氣，定時測量培養(yǎng)液的pH值，并用稀鹽酸和稀氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)，使其穩(wěn)定在7.5～8.0之間。每隔3 d換1次培養(yǎng)液。整個試驗過程在溫光控制室中進行。

1.2 樣品采集與數(shù)據(jù)測定

每隔2 d挑選同一植株用分析天平測定水鱉生物量，并采用SPAD-502（每個葉片選擇5個避開葉脈，大致類似的部位進行測定，然后取其平均值）測定葉片的SPAD值。每隔3 d取樣液并更換培養(yǎng)液，測定樣液中的鉛含量，以分析水鱉對Pb2+的吸收百分數(shù)。水鱉生長16 d后采用LI6400便攜式光合測定儀測定葉片包括的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率等光合作用指標。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理和繪圖用Microsoft Excel 2003進行，數(shù)據(jù)分析采用SPSS11.0進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 對生物量的影響

從圖1中可以看出，對照組的水鱉生物量幾乎沒有變化，與對照相比，隨著處理時間的延長，含鉛營養(yǎng)液中生長的水鱉生物量普遍呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。有鉛處理的5組濃度梯度下的水鱉，在處理第3 d時生物量均顯著增加，說明一定時間內(nèi)水鱉在含鉛的環(huán)境中可以生存，水鱉可以凈化一定濃度的重金屬鉛，并在其體內(nèi)富集一定量的鉛，故其生物量在處理第3天 時顯著增加；在處理第6，9 天時生物量顯著減少，一直處于負增長的狀態(tài)，說明水鱉鮮質(zhì)量不僅沒有增長，反而一直在降低。在試驗中觀察發(fā)現(xiàn)，其鮮質(zhì)量降低的原因是水鱉葉片失水，葉片邊緣出現(xiàn)枯萎現(xiàn)象。結(jié)合后邊的數(shù)據(jù)，說明水鱉體內(nèi)迅速富集的鉛影響到水鱉的正常生長。

2.2 對光合特性的影響

如圖2顯示，隨著處理時間的不斷延長，各處理組的SPAD值呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。當處理時間相同時，各處理組的SPAD值均低于對照組；隨著鉛處理濃度的增加，水鱉的SPAD值也呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。處理第3 天，對照組CK和處理組A、B、C、D、E的SPAD值分別為12.20， 11.38，8.88，8.32，7.90，6.14，其中處理A和處理B、C、D、E之間的差異顯著。處理第6 天，處理組A、B、C、D、E的SPAD值變化趨勢與第3 天類似。處理第9天，對照組CK和處理組A、B、C、D、E的SPAD值分別為9.15，8.20，7.36，6.05， 5.09，4.51，各處理組的SPAD值均低于對照組，且呈現(xiàn)平穩(wěn)的下降趨勢。處理第12天的水鱉葉片SPAD值和處理第9天時的變化趨勢類似。說明重金屬鉛對降低水鱉的SPAD值有顯著的影響，同時可以得出不同濃度的重金屬鉛均對水鱉的正常生長產(chǎn)生影響的結(jié)論。

如圖3所示，對照組水鱉的胞間CO2濃度達到361.93 μmol·mol-1，5個鉛處理組中，從低濃度到高濃度處理所得的水鱉胞間CO2濃度分別為361.89，352.20，343.84，342.68，343.51 μmol·mol-1。對照組與處理組A之間不存在顯著性差異，對照組與處理組B、C、D、E之間的差異達到顯著性水平，處理組B與處理組C、D、E之間的差異性達到顯著性水平，并且隨著鉛處理濃度的逐漸增加，水鱉的胞間CO2濃度呈下降趨勢。由此說明，重金屬鉛的處理濃度越高，其對水鱉葉片的胞間CO2 濃度的影響就越顯著，當鉛的濃度達到1 mg·L-1時，水鱉葉片的胞間CO2 濃度驟然降低。

不同濃度鉛對水鱉葉片的氣孔導度變化的影響情況如圖4。對照組CK和處理組A、B、C、D、E的氣孔導度分別為12.08，7.29，7.18，5.12，2.98， 3.06 mol·m-2·s-1，與對照組相比較，各處理組的水鱉葉片的氣孔導度均顯著低于對照組，且隨著鉛處理濃度的增加，氣孔導度逐漸降低。由此說明，不同濃度的鉛對水鱉葉片的氣孔導度產(chǎn)生顯著影響，導致其呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。

如圖5所示，對照組的水鱉蒸騰速率為9.993 g·m-2·h-1，處理組2、3、4、5、6的水鱉蒸騰速率分別為9.989，9.324，9.261，8.984，8.969 g·m-2·h-1。對照組與處理組2之間不存在顯著性差異，與處理組3、4、5、6之間的差異達到顯著性水平，處理組3、4、5、6之間不存在顯著性差異。由此說明，鉛處理濃度較低時，其對水鱉葉片的蒸騰速率幾乎不產(chǎn)生影響，當鉛濃度達到0.25 mg·L-1時，水鱉葉片的蒸騰速率驟然下降，并隨著鉛濃度的增加呈現(xiàn)顯著下降的趨勢，高濃度的含鉛營養(yǎng)液更是嚴重影響了水鱉葉片的蒸騰速率。

從圖6中可看出，對照組中的水鱉凈光合速率最高，達到9.39 μmol·m-2·s-1，其余5組不同鉛濃度梯度處理組的凈光合速率分別為9.23，9.11，9.08，7.12，6.52 umol·m-2·s-1，結(jié)果表明，5個處理組的凈光合速率均低于對照組，但對照組與處理組A、B、C之間不存在顯著性差異，與處理組D、E之間的差異均達到顯著性差異水平，并且隨著鉛處理濃度的增加，水鱉葉片的凈光合速率呈下降趨勢。說明不同濃度的鉛均對水鱉葉片的正常光合作用產(chǎn)生一定影響，且水鱉在處理組D、E的鉛濃度營養(yǎng)液中生存時，其凈光合速率受鉛濃度高低的影響效果更為顯著。

2.3 水鱉對不同濃度鉛的吸收百分數(shù)

在濃度大（ 致死濃度以下） 的條件下， 水生植物對重金屬的吸收能力必然強于濃度低的時候[11-14]。但當重金屬的濃度過高時，水生植物的生長將會受到影響。從圖7中可看出，低濃度下（0.1 mg·L-1）處理第4，9，13，17 天時，水鱉吸收鉛的百分數(shù)分別達到96.64%，97.59%，98.26%，98.57%；鉛處理濃度為0.25 mg·L-1，并在處理第4，9，13，17天時水鱉吸收鉛的百分數(shù)為96.99%，92.30%，94.19%，95.30%；鉛處理濃度為0.5 mg·L-1，并在處理第4，9，13，17天時水鱉吸收鉛的百分數(shù)為97.54%，90.82%，91.10%，92.73%；鉛處理濃度為 0.75 mg·L-1，并在處理第4，9，13，17 d時水鱉吸收鉛的百分數(shù)為94.56%，92.39%，93.96%，94.03%；鉛處理濃度為1 mg·L-1時，水鱉吸收鉛的百分數(shù)為93.66%，90.47%，92.06%，92.40%。

結(jié)果表明，在0.1 mg·L-1的鉛脅迫濃度下，隨時間推移，水鱉對鉛的吸收百分數(shù)呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，而其余4組不同濃度梯度的處理組中的水鱉吸收鉛的百分數(shù)均在第4天時達到最高，之后迅速降低，處理至第9天時水鱉吸收鉛的百分數(shù)達到最低，一段時間的適應后水鱉對鉛的吸收又隨著處理時間的延長而呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢。由此說明，水鱉在低濃度的含鉛營養(yǎng)液中可以正常生長，并能大量吸收重金屬鉛以凈化水質(zhì)；當鉛濃度達到一定高度時，會抑制水鱉的生長并降低其凈化能力。

3 結(jié)論與討論

鉛對水鱉的毒害是對其體內(nèi)生理生化和細胞結(jié)構(gòu)造成整體傷害，使水鱉的生理代謝失調(diào)并最終衰老和死亡的[11]。鉛離子通過水鱉的根系進入水鱉體內(nèi)并迅速累積，對水鱉產(chǎn)生毒害作用，從而影響了水鱉的正常生長，直接影響了水鱉生物量的變化，并導致水鱉葉片的SPAD值、凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2 、蒸騰速率等光合指標的下降。

本試驗表明，水鱉在低濃度的含鉛營養(yǎng)液中經(jīng)過一段時間的適應后可以存活并正常生長，但隨著水鱉體內(nèi)鉛的不斷累積，鉛的毒害作用逐漸明顯，從而影響水鱉的正常生長及其對鉛的凈化效果。水鱉在高濃度的含鉛營養(yǎng)液中，無法正常生長，重金屬鉛加速了水鱉的死亡。重金屬鉛顯著抑制了水鱉的正常生長，但水鱉對鉛的凈化效果仍保持在百分之九十以上，說明水鱉可作為有效治理水污染中重金屬鉛的水生植物。當鉛含量過高時，水鱉死亡速度加快，應注意及時打撈死亡的水鱉以防腐爛造成二次水污染。從國內(nèi)的研究現(xiàn)狀來看，植物修復不僅是一條綠色的、生態(tài)的凈化途徑，是一種符合公眾心理需求的新技術，而且也是一種經(jīng)濟有效的凈化方案[12]。

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