洞庭湖區(qū)東亞金發(fā)蘚（Pogonatum inflexum）對(duì)土壤鎘污染反應(yīng)特征初探

董萌，周小梅，李必才，庫(kù)文珍湖南城市學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000

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洞庭湖區(qū)東亞金發(fā)蘚（Pogonatum inflexum）對(duì)土壤鎘污染反應(yīng)特征初探

董萌，周小梅，李必才，庫(kù)文珍
湖南城市學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000

摘要：如何利用較為科學(xué)、合理的技術(shù)方法，對(duì)土壤中的鎘污染及其修復(fù)效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，是植物修復(fù)土壤鎘污染實(shí)際操作中存在的重要問(wèn)題。該研究基于東亞金發(fā)蘚（Pogonatum inflexum）對(duì)鎘的敏感性反應(yīng)特征，初步探索一種適用于土壤鎘污染的生物監(jiān)測(cè)方法。以含鎘背景值相對(duì)較低的土壤作為栽培基質(zhì)，采用梯度質(zhì)量分?jǐn)?shù)鎘脅迫的方式進(jìn)行研究，結(jié)果表明，（1）當(dāng)土壤中的鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2～3 mg·kg-1時(shí)，東亞金發(fā)蘚植株孢子體和配子體的外觀形態(tài)在短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)出顯著變化特征；隨鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加和時(shí)間的延長(zhǎng)，小葉受害程度加深，出現(xiàn)黃化或褐變現(xiàn)象，測(cè)定期內(nèi)5 mg·kg-1的鎘處理最終可使植株枯亡。（2）葉綠素含量受鎘脅迫影響顯著，且對(duì)鎘脅迫時(shí)間反應(yīng)較為迅速：2 mg·kg-1以內(nèi)的鎘處理下，葉綠素含量在7 d中的變化均不大；鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3 mg·kg-1時(shí)，對(duì)葉綠素含量影響顯著，且隨時(shí)間延長(zhǎng)葉綠素下降程度更加明顯；4 mg·kg-1的鎘處理可使葉綠素含量下降3/4以上。（3）鎘脅迫導(dǎo)致植物體內(nèi)可溶性蛋白含量顯著降低，處理初期可溶性蛋白含量變化不大，后期則變化明顯，可導(dǎo)致蛋白含量減少40%～50%；同時(shí)細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用顯著增強(qiáng)（表現(xiàn)為MDA濃度上升），MDA含量增加了1.8倍以上。（4）東亞金發(fā)蘚葉綠素含量、可溶性蛋白含量及MDA含量等生理參數(shù)的變化，可有效指示土壤中鎘的生物有效性，并能反映土壤鎘安全濃度標(biāo)準(zhǔn)。（5）東亞金發(fā)蘚的假根對(duì)土壤中的鎘具有較強(qiáng)的感應(yīng)能力，植株易受到鎘離子毒害并快速、直觀地表現(xiàn)出一系列癥狀，因此可作為有效監(jiān)測(cè)土壤鎘污染的理想植物材料。

關(guān)鍵詞：東亞金發(fā)蘚；鎘污染；生理反應(yīng)特征；生物監(jiān)測(cè)

DONG Meng,ZHOU Xiaomei,LI Bicai,KU Wenzhen.Primary Experimental Study on the Response Characteristics of Pogonatum inflexum on Cd-contaminated Soil of Dongting Lake Area [J].Ecology and Environmental Sciences,2016,25(1):124-129.

當(dāng)前，土壤鎘污染已成為困擾許多國(guó)家糧食安全和人類健康的世界性環(huán)境問(wèn)題，受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。利用生態(tài)而又經(jīng)濟(jì)的植物提取修復(fù)法來(lái)消除或降低土壤中的鎘污染，一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)（Bolan et al.，2014；Ali et al.，2013；Witters et al.，2012；Rajkumar et al.，2012）。然而，如何相對(duì)客觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)鎘污染土壤修復(fù)后的效果與質(zhì)量，已成為實(shí)際操作中亟待解決的問(wèn)題。對(duì)此，較多的研究（Wang et al.，2014；Remon et al.，2013；Tariq et al.，2013）認(rèn)為，利用化學(xué)試劑提取法測(cè)定出修復(fù)后土壤中鎘的總含量及有效態(tài)含量，可作為衡量土壤修復(fù)效果的評(píng)價(jià)依據(jù)；但也有學(xué)者（Remon et al.，2013；Serbula et al.，2012；Geraskin et al.，2011；Das et al.，1997）提出，僅從鎘含量值的角度來(lái)反映土壤修復(fù)效果及其生態(tài)安全性并不十分真實(shí)，修復(fù)后的土壤是否已達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，最終應(yīng)以生長(zhǎng)于其中的植物體自身狀態(tài)及生長(zhǎng)反應(yīng)作為判斷依據(jù)?？傮w而言，目前為止尚缺乏一種較為理想、科學(xué)的檢測(cè)方法，用以評(píng)價(jià)土壤鎘污染的修復(fù)效果和生物安全性。

本課題組在針對(duì)洞庭湖濕地鎘污染的長(zhǎng)期研究和資源調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)一種生長(zhǎng)密集的苔蘚植物，經(jīng)鑒定為金發(fā)蘚科的東亞金發(fā)蘚（Pogonatum inflexum）。野外調(diào)查及分析結(jié)果表明，在洞庭湖區(qū)凡有東亞金發(fā)蘚分布的地帶，其土壤中總鎘含量值一般在2.0 mg·kg-1以下，鎘污染嚴(yán)重的地帶則未見有該苔蘚生長(zhǎng)；土壤梯度鎘脅迫培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出同樣的結(jié)果。綜合說(shuō)明東亞金發(fā)蘚對(duì)土壤基質(zhì)中的鎘具有較強(qiáng)的敏感性。本研究認(rèn)為，利用某種對(duì)鎘具有較低耐受性的生物體，通過(guò)其生長(zhǎng)狀況和生理反應(yīng)來(lái)指示土壤鎘污染及修復(fù)效果，具有較強(qiáng)的直觀性和說(shuō)服力；充當(dāng)這一檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的生物體，個(gè)體大小應(yīng)適宜，組織進(jìn)化程度盡可能簡(jiǎn)單，易受到環(huán)境毒害并表現(xiàn)出癥狀。東亞金發(fā)蘚符合上述特征。基于此，本研究初步探索了東亞金發(fā)蘚在不同程度鎘污染土壤中的生長(zhǎng)反應(yīng)特征，以期開發(fā)一種新的土壤鎘污染生物監(jiān)測(cè)方法，為科學(xué)監(jiān)測(cè)和檢驗(yàn)土壤鎘污染及修復(fù)效果提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1供試植物材料來(lái)源

研究對(duì)象——東亞金發(fā)蘚植株源材料采自南洞庭湖濕地的東南洲（28°52′34.14″N，112°23′39.36″E）和安瀾閣（28°81′29.17″N，112°49′24.31″E）兩處，采集地點(diǎn)表層土壤（0～3 cm）中鎘的背景值含量分別為0.371和0.422 mg·kg-1；采集方式為小塊區(qū)域水平鏟集法（東亞金發(fā)蘚基部叢集群生），植株根部帶土厚度約2 cm；源材料帶回實(shí)驗(yàn)室后放置于水箱中的網(wǎng)狀支架上，根部浸沒(méi)于水中并輕微搖動(dòng)數(shù)小時(shí)，盡量保持根部結(jié)構(gòu)不受損傷，去除根部泥土后移植于經(jīng)過(guò)處理的淺盤土壤基質(zhì)中。

1.2土壤基質(zhì)的基本理化性質(zhì)與處理

用于移植東亞金發(fā)蘚的土壤基質(zhì)，取自上述植株源材料的采集地點(diǎn)，土壤經(jīng)風(fēng)干、碾碎、過(guò)篩后，分別采用原子吸收分光光度法、凱式定氮法、鉬銻抗分光光度法、火焰分光光度法、BaCl2-MgSO4交換法和酸度計(jì)法（鮑士旦，2000）測(cè)定了土壤基質(zhì)中的全鎘、全氮、全磷、全鉀、陽(yáng)離子交換量和pH值。所測(cè)得土壤基本信息見表1。

表1　供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1　Basic properties of the tested soil

分別稱取2.0 kg土壤基質(zhì)，平鋪于直徑35 cm、高6 cm的聚乙烯淺盤內(nèi)；溶解一定量的Cd(NO3)2·4H2O（分析純）施入，充分混勻，使淺盤內(nèi)土壤基質(zhì)外源Cd添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mg·kg-1，分別對(duì)應(yīng)Cd1、Cd2、Cd3、Cd4、Cd5處理，以零添加（Cd0）作為對(duì)照；每個(gè)處理濃度設(shè)置5個(gè)重復(fù)，自然放置平衡14 d后進(jìn)行植株移植。

1.3樣品取材與參數(shù)測(cè)定

東亞金發(fā)蘚植株移栽至淺盤后，放置于接近自然環(huán)境的網(wǎng)室培養(yǎng)架上，根據(jù)每天的光照、溫濕度等環(huán)境條件情況，定時(shí)噴灑300～500 mL自來(lái)水于每盤中。自移植后的第2天（在本實(shí)驗(yàn)中設(shè)為第1天）開始觀察、記錄東亞金發(fā)蘚植株的形態(tài)學(xué)特征及外觀生長(zhǎng)反應(yīng)，包括植株整體長(zhǎng)勢(shì)、小葉數(shù)量、發(fā)育狀況、配子體與孢子體受害表征、褐變與致死情況等，直至研究過(guò)程結(jié)束。

在實(shí)驗(yàn)第1天、第2天、第3天、第5天和第7天剪取東亞金發(fā)蘚植株帶莖小葉，并參照相關(guān)測(cè)定方法（Li et al.，2013；Sree et al.，2015；婁玉霞等，2010），用于下列生理參數(shù)的測(cè)定（東亞金發(fā)蘚小葉由單層細(xì)胞構(gòu)成，葉面輕薄且貼莖生長(zhǎng)，生物量小，不易單獨(dú)剪??；莖細(xì)胞構(gòu)造均一且無(wú)真正維管束，主要起支撐作用和光合作用）。

1.3.1葉綠素總含量

采用乙醇-丙酮混合液研磨、提取、過(guò)濾后，分光光度計(jì)法測(cè)定。

1.3.2可溶性蛋白含量

按照“0.1 mmol·L-1的磷酸緩沖液（pH為7.8，含1%的聚乙烯吡咯烷酮）研磨后經(jīng)8000 r·min-1離心”的方式制得粗酶液后，采用考馬斯亮藍(lán)G250比色法測(cè)定。

1.3.3膜脂過(guò)氧化程度

以丙二醛（MDA）含量表示。按照前述方式制得粗酶液后，采用硫代巴比妥酸比色法（TBA法）測(cè)定。

1.3.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

所測(cè)得原始數(shù)據(jù)用Excel 2010和SPSS 13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理，處理后數(shù)據(jù)以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”的形式給出。

上述可溶性蛋白含量與丙二醛含量的測(cè)定過(guò)程均按照試劑盒說(shuō)明書進(jìn)行，測(cè)定結(jié)果依據(jù)說(shuō)明書中所列公式計(jì)算，所用試劑盒由南京建成生物工程研究所提供。

2　結(jié)果與分析

2．1東亞金發(fā)蘚在鎘污染環(huán)境中的外觀特征

本研究中，東亞金發(fā)蘚對(duì)其根部所處的鎘環(huán)境表現(xiàn)出了顯著反應(yīng)特征，（1）需首先說(shuō)明的是，在整個(gè)形態(tài)學(xué)觀測(cè)階段，東亞金發(fā)蘚株高變化不明顯，雄株高度一般在3.0 cm左右，雌株的孢子體寄生于配子體上，整體高度均在8.4～9.1 cm范圍內(nèi)，特別在后期盡管受到高濃度的鎘離子毒害，但植株高度仍未受到顯著影響。其原因一方面因?yàn)樵撎μ\植物本身生長(zhǎng)較緩慢，加之本觀測(cè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間較短（共9 d），植株未表現(xiàn)出生長(zhǎng)高度的差異；另一方面可能因?qū)嶒?yàn)所用植物材料處于有性生殖期的孢子體世代，該時(shí)期植株生長(zhǎng)發(fā)育基本完成，故很難再受到外界環(huán)境脅迫的影響。（2）東亞金發(fā)蘚小葉數(shù)量變化不大，但受害癥狀明顯。觀測(cè)期內(nèi)，每株的小葉總數(shù)量約為75～90 片，整個(gè)過(guò)程未見有新葉長(zhǎng)出；第2天時(shí)，4.0 mg·kg-1鎘處理的植株，其最下方的小葉開始出現(xiàn)黃化，5.0 mg·kg-1鎘處理的底部小葉黃化程度更加明顯；第5天時(shí)，這兩種濃度鎘脅迫下植株小葉的受害數(shù)量增多、黃化程度加重，5.0 mg·kg-1鎘處理的小葉已發(fā)生褐變，經(jīng)放大鏡觀察顯示小葉邊緣枯萎卷曲，而此時(shí)3.0 mg·kg-1鎘處理的植株小葉亦開始出現(xiàn)黃化癥狀；至第9天觀察結(jié)束時(shí)，最高鎘濃度處理的植株小葉只有少量未發(fā)生褐變，4.0 mg·kg-1鎘處理的植株有一半以上的小葉發(fā)生黃化褐變，3.0 mg·kg-1鎘處理的小葉褐變率在20%左右。（3）鎘脅迫下東亞金發(fā)蘚孢子體受害明顯，孢蒴及蒴柄顏色發(fā)暗、變軟，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，高濃度鎘脅迫下已有較多的植株出現(xiàn)蒴柄彎折、孢蒴掉落現(xiàn)象，整株呈枯亡狀態(tài)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究結(jié)果表明，在利用苔蘚或其他一些較低等的植物（如附生植物鐵蘭）進(jìn)行大氣污染監(jiān)測(cè)時(shí)，植物體外在的形態(tài)學(xué)變化可作為重要的監(jiān)測(cè)衡量標(biāo)準(zhǔn)，這是因?yàn)榇祟愔参锏慕M織進(jìn)化和器官分化程度低，受到外界污染毒害時(shí)能快速、直觀地表現(xiàn)出癥狀（Li et al.，2015；Sree et al.，2015）。

2.2東亞金發(fā)蘚在鎘脅迫下的葉綠素含量變化

本研究從葉綠素含量的角度揭示了東亞金發(fā)蘚受鎘毒害后的生理反應(yīng)。通過(guò)表2數(shù)據(jù)可知，東亞金發(fā)蘚葉綠素含量隨鎘濃度增加呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，而且在質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3 mg·kg-1時(shí)，隨時(shí)間的延長(zhǎng)葉綠素下降程度更加明顯；鎘處理的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2 mg·kg-1以內(nèi)，葉綠素含量在7 d中的變化均不大，說(shuō)明東亞金發(fā)蘚能耐受土壤中質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2 mg·kg-1的鎘，這與前面所描述的植物體外觀生長(zhǎng)反應(yīng)相一致。但不同的是，葉綠素對(duì)鎘的反應(yīng)變化在時(shí)間上要早于外觀形態(tài)，在第1天時(shí)即表現(xiàn)出了顯著差異（5 mg·kg-1鎘處理下的葉綠素含量值相比對(duì)照降低了40%以上）；在整個(gè)過(guò)程中葉綠素下降幅度最大的是4 mg·kg-1鎘處理下第7天時(shí)的植株（5 mg·kg-1鎘處理第7天時(shí)植株已處于枯亡狀態(tài)，故不作比較），葉綠素含量整體下降了3/4，說(shuō)明處理時(shí)間越長(zhǎng)，鎘濃度效應(yīng)越明顯。對(duì)于葉片暴露在含重金屬顆粒豐富的空氣中的苔蘚類植物而言，其葉綠素含量受環(huán)境脅迫影響較為明顯，因?yàn)檫@些植物的葉表面缺少蠟質(zhì)層和角質(zhì)層保護(hù)，對(duì)空氣中的污染性金屬粒子及揮發(fā)性有機(jī)物特別敏感，這也是將該類植物用于大氣環(huán)境污染監(jiān)測(cè)的重要原因之一（Giordano et al.，2013；Rai，2013；Conti et al.，2001）。葉綠體作為葉部主要細(xì)胞器，較容易受到污染物傷害而表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)上的癥狀，這在大羽蘚、彎葉灰蘚等多種苔蘚植物的研究中已有報(bào)道（魏海英等，2003、2005）。此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大氣監(jiān)測(cè)植物匍枝青蘚、鐵蘭，以及水體監(jiān)測(cè)植物浮萍、狐尾藻等的研究結(jié)果（Harguinteguy et al.，2015；Basile et al.，2015；Appenroth et al.，2010；婁玉霞等，2010）也表明，鎘、鉛、鎳等重金屬對(duì)這些植物的葉綠素含量均有顯著影響。在這些研究中，植物體的受脅迫部位所處于的生長(zhǎng)環(huán)境雖然不同（大氣或水體），但均能直接或間接通過(guò)破壞葉綠體結(jié)構(gòu)進(jìn)而降低葉綠素含量。本研究對(duì)象東亞金發(fā)蘚，其葉綠素含量無(wú)論在鎘處理時(shí)間還是處理濃度上，均有較快速且顯著的變化，因此可作為該植物受鎘毒害的敏感監(jiān)測(cè)指標(biāo)，用于指示土壤中的鎘污染程度。

表2　觀測(cè)期內(nèi)植株在鎘脅迫下的葉綠素總含量Table 2　Total content of chlorophyll of tested plants under Cd stress in the observation period

2.3鎘脅迫對(duì)東亞金發(fā)蘚可溶性蛋白含量的影響

植物體內(nèi)可溶性蛋白的積累狀況，在一定程度上能說(shuō)明植物的生長(zhǎng)變化及對(duì)逆境脅迫的反應(yīng)（Qureshi et al.，2013；Xu et al.，2008）。由表3可知，在正常基質(zhì)中生長(zhǎng)的東亞金發(fā)蘚，其莖葉部的可溶性蛋白含量約在280～290 ug·g-1范圍內(nèi)；在第1天和第2天，高濃度的鎘脅迫雖對(duì)其蛋白含量造成一定影響，但總體變化不大（共減少了6%～9%），但隨著時(shí)間延長(zhǎng)則產(chǎn)生了顯著差異（在第5～7天時(shí)可導(dǎo)致蛋白含量減少40%～50%）。由此可見，東亞金發(fā)蘚體內(nèi)可溶性蛋白在脅迫的早期階段對(duì)鎘反應(yīng)并不敏感，在后期卻能較顯著地表現(xiàn)出差異，其整體下降趨勢(shì)與葉綠素含量變化基本一致，但相比而言葉綠素在鎘脅迫時(shí)間上反應(yīng)更為迅速。相關(guān)研究報(bào)道顯示，大氣中含鎘、鉛的重金屬顆粒長(zhǎng)時(shí)間作用于附生植物鐵蘭，其葉片中可溶性蛋白含量下降了36.8%，進(jìn)而影響到植物生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累；3 mmol·L-1以上的水體鉛-鎘復(fù)合污染可使紫葉浮萍葉部可溶性蛋白降低40%～46%（Basile et al.，2015）；大灰蘚、彎葉灰蘚等指示植物種類在受到培養(yǎng)液中鎘、鉛脅迫時(shí)也產(chǎn)生同樣結(jié)果（徐燕云等，2010；魏海英等，2003）。綜上，可溶性蛋白含量指標(biāo)可作為評(píng)價(jià)東亞金發(fā)蘚對(duì)鎘反應(yīng)的有效參數(shù)之一。

表3　觀測(cè)期內(nèi)植株體在鎘脅迫下的可溶性蛋白含量Table 3　Soluble protein content of tested plants under Cd stress in the observation period

表中數(shù)據(jù)后的小寫字母代表各組數(shù)據(jù)間的顯著性差異水平（P＜0.05），大寫字母代表各組數(shù)據(jù)間的極顯著性差異水平（P＜0.01）；測(cè)試重復(fù)樣本數(shù)n=9

2.4鎘脅迫下東亞金發(fā)蘚細(xì)胞受傷害程度分析

細(xì)胞在逆境脅迫下的受傷害情況可通過(guò)膜脂過(guò)氧化程度來(lái)反應(yīng)，所生成丙二醛（MDA）的含量可間接表達(dá)出這一生理過(guò)程（Bernard et al.，2015；Ove?ka et al.，2013；Li et al.，2013）。圖1所示的MDA濃度增長(zhǎng)變化，較好地反映了東亞金發(fā)蘚細(xì)胞受不同梯度鎘脅迫的傷害狀況。當(dāng)鎘處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3 mg·kg-1時(shí)，顯著誘導(dǎo)了MDA的生成，在處理第1天即有顯著增加，說(shuō)明東亞金發(fā)蘚細(xì)胞膜作為保護(hù)原生質(zhì)體免受傷害的第一道屏障，對(duì)鎘離子的反應(yīng)敏感且快速；第5天時(shí)，高濃度的鎘脅迫導(dǎo)致MDA含量增加了1.8倍，反映出東亞金發(fā)蘚細(xì)胞在該階段受傷害最為嚴(yán)重。對(duì)鐵蘭、浮萍、狐尾藻等大氣和水體監(jiān)測(cè)植物的短期生態(tài)毒理學(xué)研究表明，MDA含量可有效指示植物體所受環(huán)境中重金屬的脅迫程度（Sree et al.，2015；Basile et al.，2015；Harguinteguy et al.，2015）。因此，MDA同葉綠素一樣，在短時(shí)間內(nèi)可作為東亞金發(fā)蘚對(duì)土壤鎘污染的有效監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

圖1　東亞金發(fā)蘚在鎘脅迫下的MDA含量變化Fig.1　Change of MDA content of tested plants under Cd stress

3　討論

3．1土壤鎘污染及其生物有效性評(píng)價(jià)

土壤鎘污染包含兩個(gè)方面，一是土壤中鎘的總量及有效態(tài)含量的大小，二是土壤中的鎘離子所表現(xiàn)出的污染毒性。較多研究（Tariq et al.，2013；Reeves et al.，2008；Hernández et al.，2008；Brown et al.，2004）認(rèn)為，土壤中鎘的總含量值雖可作為衡量污染程度的重要依據(jù)，但鎘的生物有效性則是更科學(xué)的評(píng)價(jià)參數(shù)。原因在于，土壤中真正對(duì)植物生長(zhǎng)造成影響的鎘含量，主要取決于能被植物體吸收利用的那部分有效態(tài)成分而非其總量。目前對(duì)此常用的是化學(xué)測(cè)定法，即通過(guò)螯合劑等化學(xué)試劑提取有效態(tài)鎘的方式進(jìn)行（Wang et al.，2014；Lestan et al.，2008）。相比而言，化學(xué)測(cè)定方法除了操作過(guò)程繁瑣、測(cè)定條件誤差等缺點(diǎn)外，它對(duì)鎘的生物有效性的評(píng)價(jià)，僅能通過(guò)含量值來(lái)間接表達(dá)，并不能真正反映土壤的生態(tài)安全系數(shù)，由此方法所制訂的鎘安全濃度標(biāo)準(zhǔn)值也不一定適合于在土壤中實(shí)際生長(zhǎng)的作物。況且重金屬鎘長(zhǎng)期存在于土壤中，所形成的各種化學(xué)形態(tài)之間伴隨著吸附-解吸、溶解-沉淀、氧化-還原、甲基化-去甲基化等多種動(dòng)態(tài)理化過(guò)程而不斷相互轉(zhuǎn)化，其毒性大小時(shí)刻發(fā)生著變化（Bolan et al.，2014），因此對(duì)鎘的生物學(xué)毒性不宜直接通過(guò)含量值測(cè)定的方式進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。近年來(lái)有不少學(xué)者采用生物監(jiān)測(cè)法來(lái)評(píng)價(jià)鎘污染毒性及修復(fù)效果，如歐洲松在修復(fù)土壤鎘污染時(shí)，其松針中的鎘含量能較好地指示土壤中鎘的生物有效性，同時(shí)也能反映出一定的土壤理化性質(zhì)（Pietrzykowski et al.，2014）；利用玉米植株處理含鎘的廢液后，可根據(jù)其葉片中葉綠素?zé)晒庵底兓皬U液對(duì)青藻菌光合效應(yīng)抑制程度來(lái)評(píng)測(cè)修復(fù)效果（Lucas et al.，2013）；此外，一些小型動(dòng)物也被應(yīng)用于土壤環(huán)境的毒理學(xué)監(jiān)測(cè)中，例如借助蝸牛、蚯蚓、彈尾目昆蟲以及陸生等足類軟體動(dòng)物的生長(zhǎng)反應(yīng)，可有效檢驗(yàn)鎘、鉛污染土壤的修復(fù)治理效果（Udovic et al.，2013）。本研究通過(guò)東亞金發(fā)蘚在梯度鎘脅迫土壤中的生長(zhǎng)變化及生理反應(yīng)來(lái)指示基質(zhì)中有效態(tài)的鎘，與化學(xué)試劑提取測(cè)定法相比，更加直觀地表現(xiàn)了土壤鎘污染的安全濃度標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)土壤中鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2～3 mg·kg-1時(shí)，可對(duì)植物體造成毒害。

3.2東亞金發(fā)蘚用于土壤鎘污染監(jiān)測(cè)的可行性分析

目前，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用最為成熟和有效的是苔蘚植物監(jiān)測(cè)法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者不僅在監(jiān)測(cè)的方法技術(shù)上，而且在監(jiān)測(cè)機(jī)理等方面都有較深入的研究。苔蘚、地衣、菌類，以及一些附生植物如鐵蘭等（Abril et al.，2014；Giordano et al.，2013；Lodenius，2013；Serbula et al.，2012；Paoli et al.，2012；葛彥雙等，2013），都被用于對(duì)大氣粉塵、重金屬顆粒、有毒有害氣體的污染監(jiān)測(cè)。這些低等植物表面無(wú)角質(zhì)層、蠟質(zhì)層覆蓋，污染物可直接通過(guò)表層薄壁細(xì)胞吸附進(jìn)入，故它們對(duì)環(huán)境中的重金屬粉塵顆粒、污染性氣體等極為敏感。理論上講，這些植物的假根等器官對(duì)表層土壤污染也具有較強(qiáng)的感應(yīng)能力，土壤重金屬離子可迅速通過(guò)假根薄壁細(xì)胞而對(duì)植物體造成傷害，與利用其地上部分監(jiān)測(cè)大氣污染在原理上具有一定相似性。因此，在利用苔蘚植物監(jiān)測(cè)土壤鎘污染方面值得進(jìn)行探索試驗(yàn)。

東亞金發(fā)蘚廣泛分布于洞庭湖濕地，繁殖速度快，易取材，具有適于進(jìn)行土壤鎘污染監(jiān)測(cè)的一系列優(yōu)勢(shì)特征：對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求高，特別對(duì)土壤中的鎘具有較強(qiáng)敏感性，易受到鎘離子毒害并迅速表現(xiàn)出癥狀；植株大小適宜，其孢子體世代的成熟株高可達(dá)10 cm以上，易于進(jìn)行生長(zhǎng)指標(biāo)的觀測(cè)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體內(nèi)沒(méi)有真正的維管束，孢子體寄生于配子體上，各器官的細(xì)胞構(gòu)造均一且多為單細(xì)胞層，適于進(jìn)行顯微觀察等（中國(guó)科學(xué)院植物研究所，1983）。本研究結(jié)果顯示，無(wú)論從東亞金發(fā)蘚植株外觀形態(tài)，還是葉綠素含量、可溶性蛋白含量及MDA濃度等生理指標(biāo)反應(yīng)來(lái)看，該植物對(duì)土壤中的鎘具有較強(qiáng)的感應(yīng)能力，且各指標(biāo)變化程度較好地對(duì)應(yīng)了土壤中的鎘濃度，因此這些指標(biāo)適合作為東亞金發(fā)蘚監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)土壤鎘污染的有效參數(shù)。

4　結(jié)論

（1）當(dāng)土壤中的鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2～3 mg·kg-1時(shí)，可使東亞金發(fā)蘚植株孢子體和配子體的外觀形態(tài)在短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)出顯著變化特征，同時(shí)導(dǎo)致葉綠素含量及可溶性蛋白含量降低、細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用增強(qiáng)（表現(xiàn)為MDA濃度上升），這些生理反應(yīng)參數(shù)可為東亞金發(fā)蘚指示土壤中鎘的生物有效性提供參考依據(jù)，并能反映土壤鎘安全濃度標(biāo)準(zhǔn)。

（2）東亞金發(fā)蘚的假根對(duì)土壤中的鎘具有較強(qiáng)的感應(yīng)能力，植株易受到鎘離子的毒害并快速、直觀地表現(xiàn)出一系列癥狀，可作為有效監(jiān)測(cè)土壤鎘污染的理想植物材料。

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Primary Experimental Study on the Response Characteristics of Pogonatum inflexum on Cd-contaminated Soil of Dongting Lake Area

DONG Meng,ZHOU Xiaomei,LI Bicai,KU Wenzhen
College of Chemistry and Environment Engineering,Hunan City University,Yiyang 413000,China

Abstract:Giving a scientific and reasonable methods of monitoring and evaluation of soil cadmium pollution and its remediation effect,is a vital topic in the field of phytoremediation.Present studies were conducted to explore a new bio-monitoring method which was applied to Cd pollution evaluation,based on the sensitive reaction characteristics of Pogonatum inflexum under Cd stress.Soils were used as culture substrate with low background values of Cd,and gradient concentrations of Cd were set and here are the results as follows:(1) Appearance of the sporophyte and gametophyte of Pogonatum inflexum showed significant changes within a short time while the Cd concentrations in soil greater than 2～3 mg·kg-1,and the leaflets of the tested plants fell victim deeper until turn to etiolation or browning along with the Cd pollution level increased,and the plants were withered dead under 5 mg·kg-1of Cd treatment.(2) The chlorophyll content of the plants affected by Cd pollution obviously and responsively,especially as the concentration of Cd was greater than 3 mg·kg-1,reduced more than three-quarters ultimately and exerted rapid response to the processing time of treatment.(3) The soluble protein and MDA content of the plants for test showed the same characteristics under Cd stress,and the change rate obviously speeds up at ending.(4) The above-mentioned three kinds of physiological parameters(that is chlorophyll,soluble protein and MDA)could be suitable for indicating bioavailability and reflecting safety standards of Cd in soil.(5) The Pogonatum inflexum could be used as an ideal plant materials because of the quicklook symptoms under the poisonous effect of Cd,due to the strong ability of induction of rhizoids in Cd contaminated soil.

Key words:Pogonatum inflexum; Cd contamination; physiological characteristics; biomonitoring

收稿日期：2015-10-26

作者簡(jiǎn)介：董萌（1982年生），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境污染與生態(tài)修復(fù)。E-mail:dongmeng1001@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（30970551）；湖南省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2010SK2004）

中圖分類號(hào)：X171.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5906（2016）01-0124-06

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.01.018

引用格式：董萌,周小梅,李必才,庫(kù)文珍.洞庭湖區(qū)東亞金發(fā)蘚（Pogonatum inflexum）對(duì)土壤鎘污染反應(yīng)特征初探[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2016,25(1):124-129.