鉛/鎘復(fù)合污染物對金盞菊生長的影響及在其體內(nèi)富集特征

丁紹蘭， 杜　波， 范春輝

(陜西科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安　710021)

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鉛/鎘復(fù)合污染物對金盞菊生長的影響及在其體內(nèi)富集特征

丁紹蘭， 杜波， 范春輝

(陜西科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安710021)

摘要：花卉類植物的抗逆環(huán)境能力較強(qiáng)，生長周期較短、生物量較大；利用花卉類植物修復(fù)重金屬污染土壤,有效避免了食物鏈循環(huán)效應(yīng)對人體健康的潛在威脅，因此，該修復(fù)技術(shù)的安全性較好、實用性較強(qiáng).通過盆栽試驗研究Pb/Cd復(fù)合污染對金盞菊(Calendula officinalis L)幼苗生長狀況的影響，同時考察土壤持水量對Pb/Cd富集行為的影響.研究發(fā)現(xiàn)：污染脅迫條件下，金盞菊幼苗的出苗率都維持在45%以上；黃土Pb/Cd對金盞菊生物量的影響不大，金盞菊幼苗的生長過程能夠一定程度上改良黃土理化性質(zhì).通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，幼苗根部較空白對照組發(fā)生顯著改變，以適應(yīng)重金屬的復(fù)合脅迫作用.此外，過高或過低的土壤持水量都不利于金盞菊幼苗對Pb/Cd的吸收積累，根部是金盞菊幼苗積累Cd的主要部位，且金盞菊幼苗對黃土中Cd的萃取能力較強(qiáng).

關(guān)鍵詞：金盞菊； 復(fù)合脅迫； 生長狀況； 富集行為； 重金屬

0引言

近年來，隨著城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，土壤重金屬污染日趨嚴(yán)重[1].根據(jù)我國環(huán)境保護(hù)部的統(tǒng)計，我國有接近20%的耕地受到鎘、鉛、鎳、銅、鋅等重金屬的污染[2]，作為土壤中主要的重金屬污染物，鉛(Pb)的遷移性較差，在環(huán)境中分布最廣[3];鎘(Cd)的富集性很強(qiáng)，對環(huán)境的危害最大[4]，并且Pb和Cd在環(huán)境中總是伴隨存在的，對環(huán)境構(gòu)成復(fù)合污染[5].因此，Pb/Cd復(fù)合污染土壤的治理成為一項亟待完成的工作.

在眾多的修復(fù)技術(shù)中，植物修復(fù)技術(shù)因其成本低廉、操作簡單、不破壞土壤結(jié)構(gòu)和應(yīng)用面積大等優(yōu)勢受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[6,7]，該技術(shù)實施的基礎(chǔ)是運(yùn)用對重金屬具有較高耐性和富集性的超富集植物[8].目前，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超富集植物400余種，但是這些植物普遍存在生物量小、生長緩慢、適應(yīng)能力差等缺點，這使超富集植物在實際的運(yùn)用中具有一定的局限性[9].此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的超富集植物的種類有限，也沒有重金屬超富集花卉植物的報道.因此，如果將花卉植物在美化環(huán)境的同時與治理、修復(fù)污染環(huán)境聯(lián)系起來，將會具有很大的意義，并且值得研究.

金盞菊(CalendulaofficinalisL)，又名金盞花，是我國重要的草本花卉之一.金盞菊適應(yīng)能力較強(qiáng)，能夠承受Pb、Cd的單一毒害作用，表現(xiàn)出極強(qiáng)的耐性[10,11]，但利用金盞菊修復(fù)Pb/Cd復(fù)合污染土壤還鮮見系統(tǒng)性的報道.本文以常見的花卉植物-金盞菊為研究對象，研究其在Pb/Cd復(fù)合污染土壤中的生長情況及對重金屬吸收積累能力.利用花卉植物修復(fù)重金屬污染土壤的研究才剛剛起步，花卉具有美化、綠化、凈化環(huán)境的作用，作為修復(fù)重金屬的植物具有很高的使用價值，該研究為利用花卉修復(fù)重金屬污染土壤提供理論依據(jù).

1試驗部分

1.1試驗材料

供試土壤：為陜西科技大學(xué)校園花壇內(nèi)長期種植花卉的黃土，采集0～20 cm表層黃土.采集的土壤經(jīng)自然風(fēng)干后，過4 mm篩，室溫保存?zhèn)溆?，其基本理化性質(zhì)如表1所示.

供試植物：金盞菊，為菊科金盞菊屬兩年生草本植物，其種子來自西安三色花卉.

供試試劑：配制污染黃土所需的化學(xué)試劑Pb(NO3)2和CdCl2·2.5H2O，均為分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn).

表1　土壤基本理化性質(zhì)

1.2盆栽試驗

金盞菊的耐性較強(qiáng)，本次試驗采用高濃度Pb/Cd復(fù)合污染(Pb：1 000 mg/kg土，Cd：30 mg/kg土)，用長44 cm、寬20 cm、高14 cm的塑料盆進(jìn)行盆栽試驗，每盆裝供試5 kg(以烘干土計)，分別加入尿素、磷酸二氫鈉和氯化鉀 0.4、0.2、0.3 g/kg作為底肥，從而能夠充分滿足盆栽植物對養(yǎng)分的需求.另設(shè)三組對照組，單一Pb污染(Pb：1 000 mg/kg土)、單一Cd污染(Cd：30 mg/kg土)和空白對照(CK).此外，外源Pb/Cd以水溶液的形式均勻噴灑到供試土壤中，充分?jǐn)嚢?，以確保Pb、Cd的均勻分布，所有處理均重復(fù)3次，放置15 d備用.

試驗設(shè)5個土壤持水量水平，分別為土壤田間持水量的75%～80%(W1)、65%～70%(W2)、55%～60%(W3)、45%～50%(W4)、35%～40%(W5)，2014年10月14日開始播種，金盞菊在自然條件下生長，用純凈水澆灌(水中未檢出Pb和Cd)，前15 d保持土壤濕潤，并記錄金盞菊的出苗情況，15 d后開始用稱重法控制土壤持水量，60 d后收獲金盞菊植株.

1.3樣品處理及測定方法

收獲的金盞菊幼苗分為地上部分(葉片和莖的總和，下同)和根兩部分，自來水沖洗后用蒸餾水洗凈.植物株高及根長用皮尺測定3次，取平均值.于105 ℃的烘箱中殺青30 min后，在70 ℃烘干至恒重，用電子天平稱重后研磨成粉末，采用HNO3-HClO4法消煮，原子吸收分光光度法測定重金屬Pb、Cd含量.

金盞菊根部經(jīng)干燥后，置于金屬載物臺上，用常規(guī)真空噴鍍法噴金，用掃描電鏡(SEM，TM1000，日本)觀察表觀形貌.

收集植物根系附近的黃土樣品，自然風(fēng)干，研磨，過60目篩，用于測定黃土的容重、pH、有機(jī)質(zhì)、陽離子交換量(CEC)、電導(dǎo)率等理化性質(zhì)，具體方法參照《土壤理化分析》[12].

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel2003處理，采用Origin5.0制圖，圖表中的數(shù)據(jù)均以平均值表示.

2結(jié)果與討論

2.1金盞菊生長狀況

重金屬脅迫對幼苗期金盞菊生長發(fā)育的影響如表2所示.與對照處理(CK)相比，重金屬單一/復(fù)合脅迫對金盞菊幼苗的株高和出苗率具有顯著的抑制作用，源于重金屬直接作用于植物細(xì)胞系統(tǒng)，導(dǎo)致自身代謝功能受損.但在重金屬高度脅迫條件下，金盞菊的出苗率仍維持在45%以上，暗示了其對重金屬脅迫的忍耐性和污染場地修復(fù)的內(nèi)在潛力.黃土Pb/Cd的存在對金盞菊生物量(根干重和植株干重)的影響不大，但卻有助于增加金盞菊幼苗根長，造成“粗短”根(CK)和“細(xì)長”根(重金屬脅迫)的形態(tài)分化.通常認(rèn)為，重金屬脅迫能降低植物根細(xì)胞有絲分裂速度，進(jìn)而導(dǎo)致植物根長變短.但陳俊任等[13]指出重金屬也可能通過調(diào)控作用間接促進(jìn)植物根系生長，不排除根系對重金屬脅迫的“回避機(jī)制”，這種微型“生態(tài)修復(fù)單元”可能有利于減緩重金屬對植物根系的毒害作用.

表2　重金屬脅迫對黃土區(qū)金盞菊幼苗

2.2黃土理化性質(zhì)差異

與黃土原樣相比，無論是否存在重金屬脅迫作用，金盞菊的生長過程都能在一定程度上影響黃土理化性質(zhì)(如表3所示).幼苗期金盞菊能夠降低黃土容重，說明修復(fù)過程黃土的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和孔隙特性有所變化，這有助于黃土體系水、熱、氣、肥的循環(huán)流通.金盞菊幼苗可以降低黃土pH值，推測其中可能存在金盞菊根系代謝分泌物(有機(jī)酸、糖類等)的貢獻(xiàn)，也可能是金盞菊根系對黃土離子組分選擇性吸收的結(jié)果.黃土CEC的降低可能與pH值的減小有內(nèi)在關(guān)聯(lián)，而有機(jī)質(zhì)含量和電導(dǎo)率的升高則反映了植物/微生物的協(xié)同作用[14].總體來看，在Pb/Cd植物修復(fù)過程中，金盞菊幼苗對黃土理化性質(zhì)的影響是積極的，預(yù)期可以達(dá)到污染生態(tài)修復(fù)和黃土性質(zhì)改良的雙重目標(biāo).

表3　重金屬脅迫金盞菊幼苗生長

2.3掃描電鏡

(a)CK處理(放大500倍) (b)CK處理(放大1 000倍)

(c)Pb/Cd處理(放大500倍) (d)Pb/Cd處理(放大1 000倍)圖1　黃土區(qū)重金屬脅迫金盞菊幼苗根系表觀形態(tài)

重金屬復(fù)合脅迫對金盞菊根部表觀形貌的影響如圖1所示.CK處理(如圖1(a)、1(b)所示)的金盞菊根部直徑較大，截面紋路規(guī)整，表皮細(xì)胞排列緊實，根毛濃密，側(cè)根較多，根部微形態(tài)清晰可辨；而Pb/Cd復(fù)合脅迫(如圖1(c)、1(d)所示)對金盞菊根部形態(tài)影響較大，根部整體呈現(xiàn)細(xì)長、彎曲且萎縮的狀態(tài)，略有分叉和突起現(xiàn)象，根毛數(shù)量顯著減少，但剖面組織較為光潔，基本無多余物質(zhì)出現(xiàn).這種根部表面形態(tài)差異可能暗示了根系表皮組織能夠?qū)χ亟饘倜{迫做出有效響應(yīng)，進(jìn)而盡量保障養(yǎng)分的吸收運(yùn)輸和新陳代謝的正常進(jìn)行[15].

2.4金盞菊不同部位的重金屬積累量

植株重金屬積累量反映了植物對土壤中重金屬的萃取能力.從圖2(a)可以看出，隨著持水量的減小，幼苗地上部分對Cd的積累量呈現(xiàn)出先增大再減小的變化規(guī)律，處理W2的Cd積累量最大，達(dá)到9.61μg/株，這表明土壤持水量是影響金盞菊幼苗吸收Cd的重要參數(shù)，過高或過低的土壤持水量都不利于幼苗對Cd的吸收積累.對于Pb，幼苗地上部積累量隨持水量的變化呈現(xiàn)不規(guī)律的上下波動，處理W2，W4的積累量較大，分別為3.11μg/株、3.33μg/株.

金盞菊幼苗根部對Pb/Cd積累量的變化規(guī)律一致，但是Pb積累量在處理W3達(dá)到最大，而Cd在處理W2達(dá)到最大(如圖2(b)所示)，這表明Pb/Cd被吸收進(jìn)入植物根部對土壤持水量的要求不盡相同，且土壤持水量能夠顯著影響植物根部對重金屬的吸收.另一方面，幼苗根部的Cd積累量明顯高于地上部分(處理W1除外)，表明根部是幼苗吸收積累Cd的主要部位.此外，在不同土壤持水量下，金盞菊幼苗的地上部分、根部對Cd、Pb的積累量不同，且地上部分、根部的Cd積累量均顯著高于Pb，表明金盞菊幼苗對土壤中Cd的萃取能力較強(qiáng)，這可能是因為Pb/Cd復(fù)合污染時，Cd元素的毒性較強(qiáng)，抑制了植物幼苗不同部位對Pb的吸收積累，此外，Pb、Cd同時存在于土壤時，Pb可搶奪Cd在土壤中的吸附位點，而且土壤對Pb的吸附性較強(qiáng)，Pb與土壤顆粒之間通過化學(xué)反應(yīng)形成了較穩(wěn)定的絡(luò)合物，難于遷移，很難被植物吸收利用[16].

(a)金盞菊地上部

(b)金盞菊根部圖2　復(fù)合脅迫下金盞菊幼苗不同部位對重金屬的積累量

3結(jié)論

金盞菊對重金屬的忍耐性較強(qiáng)，在Pb、Cd單一與Pb/Cd復(fù)合污染條件下，金盞菊幼苗的出苗率仍維持在45%以上.黃土中Pb/Cd的存在對金盞菊生物量(根干重和植株干重)的影響不大，但卻能促進(jìn)金盞菊幼苗根的生長.金盞菊幼苗能夠改良污染黃土的容重、pH、有機(jī)質(zhì)、CEC和電導(dǎo)率等基本理化性質(zhì)，預(yù)期可以達(dá)到污染生態(tài)修復(fù)和黃土性質(zhì)改良的雙重目標(biāo).通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，幼苗根部較空白對照組發(fā)生顯著改變，以適應(yīng)重金屬的復(fù)合脅迫作用.

復(fù)合脅迫條件下，金盞菊不同部位的重金屬積累量明顯受到土壤持水量的影響，過高或過低的土壤持水量都不利于金盞菊幼苗對重金屬的吸收積累，根部是幼苗吸收積累Cd的主要部位，且金盞菊幼苗對土壤中Cd的萃取能力較強(qiáng).

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The growth and bioaccumulation characteristic of

Calendula officinalis L under lead/cadmium

co-contamination

DING Shao-lan， DU Bo， FAN Chun-hui

(College of Resources and Environment, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:Having a short growth periodicity and a strong enrichment in biomass,the adaption to adverse environment of ornamental plants is quite strong,and the circulatory effect of food chain,a potential threat to human health,could be effectively avoided when using ornamental plants to restore contaminated soil with heavy metal,so this technology are proved security and practicability.The pot experiments were conducted to study the effect of Pb/Cd combined pollution on the growth of Calendula officinalis L and the effect of soil moisture on the bioaccumulation behavior of the seedlings.The results indicated that the emergence rate remained 45% or more under the contamination condition,the lead/cadmium in loess had a little effect on the biomass of Calendula officinalis L, and the growth process of seedlings could improve partly physical and chemical properties of contaminated loess.Compared with the CK,the root morphology of seedlings was significantly changed by SEM so that Calendula officinalis L can be applied to the combined stress of the heavy metals.Moreover,it was unfavorable to the absorption and bioaccumulation of Pb/Cd if the soil moisture were too low or too high,the root is the main organ for absorbing and accumulating cadmium,and the extraction ability of seedlings on cadmium was quite strong.

Key words:Calendula officinalis L； combined stress； growth； bioaccumulation behavior； heavy metal

中圖分類號：X53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-5811(2015)05-0030-04

作者簡介:丁紹蘭(1963-)，女，山西襄汾人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：清潔生產(chǎn)與水污染防治

基金項目：教育部中國博士后科學(xué)基金項目(2012M511968)

收稿日期:*2015-06-21