普陀山苔草對(duì)鉛鋅的富集特性及生理響應(yīng)研究

馬建玲，黃金龍，朱雪梅*，邵繼榮，文 雯，李志強(qiáng)，何 芳

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，成都 611130；2.崇州市街子鎮(zhèn)人民政府，四川崇州 611242；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川雅安 625014）

隨著鉛鋅礦的開(kāi)采、廢水的排放、尾礦的堆積等，土壤遭受重金屬鉛污染的現(xiàn)象已十分嚴(yán)重[1]。鉛也是環(huán)境中毒性最大，分布最廣的有毒重金屬之一[2]，易被積累和吸收，易滯留、難降解，不僅可以影響植物的生長(zhǎng)，也可通過(guò)食物鏈的傳遞而影響人體的健康[3-4]。目前許多方法已有效地治理了鉛污染的土壤，如固化穩(wěn)定法、電滲析法、淋洗法、客土置換法等[5]，但它們治理費(fèi)用高、且易造成二次污染[6]，而相比較，植物修復(fù)是一種花費(fèi)少、適用性好、環(huán)境友好及綠色生態(tài)的治理方法[7]。

植物修復(fù)就是利用特殊植物（富集或者超富集植物）把重金屬?gòu)耐寥乐修D(zhuǎn)移到植物組織中，通過(guò)收割植物以達(dá)到修復(fù)的目的[8]，因此對(duì)富集或者超富集植物的鑒定、篩選和研究是關(guān)鍵[9-10]。而目前國(guó)際上已報(bào)道超富集植物有700多種，但對(duì)鉛超富集植物的研究較少[11]，對(duì)鉛富集植物的尋找及鑒定也顯得更加急迫。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外從莎草科（Cyperaceae）中去篩選培育鉛富集植物的研究還甚少報(bào)道。

本課題組通過(guò)前期對(duì)四川省漢源縣普陀山鉛鋅礦區(qū)的優(yōu)勢(shì)植物調(diào)查與篩選發(fā)現(xiàn)，普陀山苔草（Carex putuoshanensis sp.）是該礦區(qū)的優(yōu)勢(shì)植物，且在野外條件下，其地上部分和地下部分鉛含量分別為 2 493.40、2 211.27 mg/kg，鋅含量分別為 867.09、959.69 mg/kg，可以初步確定為鉛富集植物[12]。為了進(jìn)一步確定普陀山苔草對(duì)鉛鋅的富集特性，本研究通過(guò)砂培盆栽試驗(yàn)，研究普陀山苔草在不同濃度鉛鋅處理下，對(duì)鉛鋅的富集特性、生長(zhǎng)狀況及生理響應(yīng)，以期篩選出一種新的鉛鋅富集植物，為鉛鋅污染土壤的植物修復(fù)提供新材料。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

普陀山鉛鋅礦區(qū)位于四川省雅安市漢源縣境內(nèi)，其地理坐標(biāo)：東經(jīng) 102°39′54″～102°41′56″，北緯29°24′35″～29°25′59″，平均海拔 2 050 m，年均氣溫14.5℃，年均降雨量741.8 mm，屬北溫帶與季風(fēng)帶之間的山地亞熱帶氣候區(qū)。該礦區(qū)已連續(xù)開(kāi)采了20多年，礦區(qū)廢礦渣體上植物種類繁多、生長(zhǎng)良好。

1.2 供試材料

普陀山苔草采于四川省雅安市漢源縣普陀山鉛鋅礦，采用地下根莖進(jìn)行無(wú)性繁殖育苗。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為二因素四水平隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)，鉛濃度分別設(shè) 0（P0）、200（P1）、400（P2）、600（P3）mg/L 4 個(gè)濃度水平，鋅濃度分別設(shè) 0（Z0）、50（Z1）、125（Z2）、250（Z3）mg/L 4 個(gè)濃度水平，共組成 16（4×4）個(gè)處理組合，以P0Z0為空白對(duì)照（CK），每個(gè)處理重復(fù)3次。鉛鋅分別采用 Pb（CH3COO）2·3H2O 和 ZnSO4·7H2O。

將長(zhǎng)出2片真葉、長(zhǎng)勢(shì)良好、大小一致的普陀山苔草幼苗移栽至塑料盆（盆直徑13 cm，高12 cm）中進(jìn)行砂培，每盆均勻栽3株，在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)大棚培養(yǎng)，植物培養(yǎng)90 d收獲。培養(yǎng)期間，每隔7天澆一次Hoagland完全營(yíng)養(yǎng)液（100 mL/盆），每隔2天澆一次去離子水（100 mL/盆），預(yù)培養(yǎng)14 d后再進(jìn)行鉛鋅處理，每隔5天澆一次重金屬溶液（100 mL/盆）。

1.4 指標(biāo)測(cè)定與方法

處理90 d后，每個(gè)處理選取15株長(zhǎng)勢(shì)較一致的植株，先用自來(lái)水清洗，然后用去離子水反復(fù)沖洗，用游標(biāo)卡尺測(cè)定植物的株高、根長(zhǎng)；再將植物鮮重樣于105℃下殺青30 min，80℃下烘干至恒重，稱重測(cè)其生物量；用TTC法測(cè)定根系活力[13]。選取完全成熟的葉片，用丙酮-乙醇浸提法測(cè)定葉綠素含量[14]；用硫代巴比妥酸法測(cè)定丙二醛含量[15]；用相對(duì)電導(dǎo)率法測(cè)定葉片質(zhì)膜透性[16]。

采用原子吸收光譜儀測(cè)定鉛鋅含量，富集系數(shù)為植物地上部分重金屬含量與溶液中重金屬含量的比值[17-18]；轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為植物地上部重金屬含量與植物地下部重金屬含量的比值[19]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 20.0和LSD法進(jìn)行方差分析和差異顯著性檢驗(yàn)，利用Microsoft Excel 2010繪制相關(guān)圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛鋅處理對(duì)普陀山苔草生長(zhǎng)的影響

由表1可見(jiàn)，鉛鋅單一處理下，普陀山苔草株高、根長(zhǎng)、生物量均隨鉛濃度的增大而增加，且在鉛濃度為600 mg/L（P3Z0）時(shí)，普陀山苔草的株高達(dá)到最大值，比對(duì)照（P0Z0）顯著增加了52.91%，而隨鋅濃度的增大先增后降，且處理間差異顯著（P＜0.05）。

鉛鋅交互處理下，在鋅濃度為50 mg/L時(shí)，普陀山苔草株高、根長(zhǎng)、生物量隨鉛濃度的增大而降低；而在鋅濃度為125 mg/L時(shí)，其株高、根長(zhǎng)、生物量則隨鉛濃度的增大而增加，且在鉛濃度為600 mg/L、鋅濃度為125 mg/L（P3Z2）時(shí)，植物根長(zhǎng)、生物量達(dá)到最大值，比對(duì)照顯著增加了99.25%、39.83%；在鋅濃度為250 mg/L時(shí)，普陀山苔草株高、根長(zhǎng)、生物量隨鉛濃度的增大先增后降，各處理普陀山苔草株高、根長(zhǎng)和生物量均顯著高于對(duì)照，且處理間差異顯著（P＜0.05）。

表1 鉛鋅處理對(duì)普陀山苔草株高、根長(zhǎng)、生物量的影響Table1 Effects of lead and zinc treatments on the growth of Carex putuoshanensis sp.

2.2 鉛鋅處理對(duì)普陀山苔草鉛鋅富集特性的影響

由圖1和圖2可見(jiàn)，鉛鋅單一處理下，普陀山苔草地上及地下部分鉛鋅含量均隨鉛鋅濃度的增大而增加。

鉛鋅交互處理下，在鋅濃度為50、125、250 mg/L時(shí)，普陀山苔草地上及地下部分鉛含量均隨鉛濃度的增大而增加，且在鉛濃度為600 mg/L，鋅濃度為125、250 mg/L（P3Z2、P3Z3）時(shí)，普陀山苔草地上部分鉛含量大于地下部分，其地上部分鉛含量分別為3 299.92 、3 212.76 mg/kg，是對(duì)照（P0Z0）的 33.23、32.35 倍。在鉛濃度為 200、400、600 mg/L時(shí)，普陀山苔草地上及地下部分鋅含量均隨鋅濃度的增大而增加（除了P1Z3外），且地下部分鋅含量大于地上部分，在鉛濃度為600 mg/L、鋅濃度為250 mg/L（P3Z3）時(shí)，植物地上地下部分鋅含量均達(dá)到最大，分別是對(duì)照的5.42、5.65倍。各處理普陀山苔草地上及地下部分鉛、鋅含量均顯著高于對(duì)照，且處理間差異顯著（P＜0.05）。

由表2可見(jiàn)，鉛鋅處理下，普陀山苔草地上及地下部分鉛、鋅富集系數(shù)均大于1，鉛鋅單一處理下，普陀山苔草地上及地下部分鉛鋅富集系數(shù)均隨鉛鋅濃度的增大而增加，且地下部分鉛鋅富集系數(shù)大于地上部分。鉛鋅交互處理下，在鋅濃度為50、125 mg/L時(shí)，普陀山苔草地上及地下部分鉛富集系數(shù)隨鉛濃度的增大而降低（除了P3Z2外），普陀山苔草地上部分鋅富集系數(shù)隨著鉛濃度的增大而下降，而地下部分鋅富集系數(shù)則先增后降；在鋅濃度為250 mg/L時(shí)，普陀山苔草地上及地下部分鉛鋅富集系數(shù)均隨鉛濃度的增大而增加。

圖1 鉛鋅處理下普陀山苔草的鉛含量Figure1 Effects of lead and zinc treatments on the lead accumulation of Carex putuoshanensis sp.

圖2 鉛鋅處理下普陀山苔草的鋅含量Figure2 Effects of lead and zinc treatments on the zinc accumulation of Carex putuoshanensis sp.

鉛鋅處理下，普陀山苔草鋅轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1；除了P3Z2和P3Z3外，普陀山苔草鉛轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1，且在P3Z2和P3Z3處理下，其鉛轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為1.16、1.31，這表明普陀山苔草具有較強(qiáng)的鉛富集能力。

總之，當(dāng)鉛濃度為600 mg/L，鋅濃度為125、250 mg/L（P3Z2、P3Z3）時(shí)，普陀山苔草達(dá)到了鉛超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)。此外，一定濃度鋅的加入可顯著增加普陀山苔草地上部分對(duì)鉛的富集。

2.3 鉛鋅處理對(duì)普陀山苔草生理特性的影響

2.3.1 鉛鋅處理對(duì)普陀山苔草根系活力的影響

由圖3可見(jiàn)，鉛鋅單一處理下，普陀山苔草的根系活力隨鉛濃度的增大而增加，其根系活力隨鋅濃度的增大先增后降。

鉛鋅交互處理下，在鋅濃度為50 mg/L時(shí)，普陀山苔草的根系活力隨鉛濃度的增大而降低，與對(duì)照（P0Z0）相比，整體有所增加；在鋅濃度為125 mg/L時(shí)，普陀山苔草的根系活力隨著鉛濃度的增大而增加，當(dāng)鉛濃度為600 mg/L、鋅濃度為125 mg/L（P3Z2）時(shí)，普陀山苔草根系活力達(dá)到最大值，比對(duì)照顯著增加了52.3%；在鋅濃度為250 mg/L時(shí)，其根系活力隨鉛濃度的增大先增后降，且低于對(duì)照。各處理普陀山苔草根系活力高于對(duì)照，但處理間差異不顯著。因此，一定濃度的鉛鋅交互可促進(jìn)普陀山苔草的根系活力。

表2 鉛鋅處理下普陀山苔草的鉛鋅富集及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Table2 Effects of lead and zinc treatments on the lead and zinc enrichment coefficients and translocation coefficients of Carex putuoshanensis sp.

圖3 鉛鋅處理對(duì)普陀山苔草根系活力的影響Figure3 Effects of lead and zinc treatments on the root activity of Carex putuoshanensis sp.

2.3.2 鉛鋅處理對(duì)普陀山苔草葉綠素的影響

由表3可見(jiàn)，鉛鋅單一處理下，普陀山苔草的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量均隨鉛濃度的增大而增加，在鉛濃度為600 mg/L（P3Z0）時(shí)達(dá)到最大值，分別比對(duì)照（P0Z0）顯著增加了27.27%、50.0%、34.90%；而隨鋅濃度的增大則先增后降。

鉛鋅交互處理下，在鋅濃度為50 mg/L時(shí)，普陀山苔草葉綠素b和葉綠素a+b含量隨鉛濃度的增大而降低，葉綠素a的變化不顯著；在鋅濃度為125 mg/L時(shí)，普陀山苔草的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量均隨鉛濃度的增大而增加；在鋅濃度為250 mg/L時(shí)，植物葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量隨鉛濃度的增大先增后降，在鉛濃度為600 mg/L、鋅濃度為 250 mg/L（P3Z3）時(shí)，下降到最低。在鋅濃度為50、125 mg/L鉛鋅交互處理下，各處理普陀山苔草葉綠素b和葉綠素a+b含量顯著高于對(duì)照（P＜0.05），但處理間差異不顯著。

表3 鉛鋅處理對(duì)普陀山苔草葉綠素含量的影響Table3 Effects of lead and zinc treatments on chlorophyll content of Carex putuoshanensis sp. mg·g-1

2.3.3 鉛鋅處理對(duì)普陀山苔草葉片質(zhì)膜透性的影響

葉片相對(duì)電導(dǎo)率可以反映鉛鋅對(duì)葉片質(zhì)膜透性的影響。由圖4可見(jiàn)，鉛鋅單一處理下，隨著鉛鋅濃度的增大，普陀山苔草葉片相對(duì)電導(dǎo)率顯著增加（P＜0.05）。

鉛鋅交互處理下，在鋅濃度為50 mg/L時(shí)，普陀山苔草葉片相對(duì)電導(dǎo)率隨鉛濃度的增大而緩慢增加；在鋅濃度為125 mg/L時(shí)，其葉片相對(duì)電導(dǎo)率隨著鉛濃度的增大而緩慢降低；在鋅濃度為250 mg/L時(shí)，植物葉片相對(duì)電導(dǎo)率隨著鉛濃度的增大先降后增，在鉛濃度為600 mg/L、鋅濃度為125 mg/L（P3Z2）時(shí)，普陀山苔草葉片相對(duì)電導(dǎo)率比鉛濃度為600 mg/L（P3Z0）的處理降低了7.89%。鉛鋅處理下，普陀山苔草葉片相對(duì)電導(dǎo)率較對(duì)照均顯著（P0Z0）增加（P＜0.05），但各處理間的差異不顯著，而鋅的加入則減緩了葉片相對(duì)電導(dǎo)率的變化趨勢(shì)。

2.3.4 鉛鋅處理對(duì)普陀山苔草葉片丙二醛（MDA）的影響

由圖5可見(jiàn)，鉛鋅單一處理下，普陀山苔草葉片MDA隨著鉛濃度的增大而緩慢增加；而普陀山苔草葉片MDA隨鋅濃度的增大先增后降。

鉛鋅交互處理下，在鋅濃度為50 mg/L時(shí)，普陀山苔草葉片MDA隨著鉛濃度的增大而增加；在鋅濃度為125、250 mg/L時(shí)，其葉片相對(duì)電導(dǎo)率隨著鉛濃度的增大則緩慢降低，在鉛濃度為600 mg/L、鋅濃度為125 mg/L（P3Z2）時(shí)，普陀山苔草葉片MDA降到最低值，比對(duì)照（P0Z0）降低了4.82%，鉛鋅處理下（除了P3Z2），葉片MDA較對(duì)照有所增加，且較對(duì)照無(wú)顯著性差異。

圖4 鉛鋅處理對(duì)普陀山苔草葉片相對(duì)電導(dǎo)率的影響Table4 Effects of lead and zinc treatments on the relative electric conductivities of Carex putuoshanensis sp.

圖5 鉛鋅處理對(duì)普陀山苔草丙二醛含量的影響Table5 Effects of lead and zinc treatments on the MDA of Carex putuoshanensis sp.

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

耐性植物對(duì)重金屬具有高度耐受性，在污染的土壤中可完成正常的生長(zhǎng)周期，這也是植物修復(fù)的關(guān)鍵[20-21]。研究表明，植物受重金屬毒害會(huì)表現(xiàn)出一定的癥狀，如植物壞死、生物量降低、根系萎縮等[22]。如當(dāng)鉛濃度超過(guò)169 μmol/L時(shí)，柳樹(shù)會(huì)出現(xiàn)萎黃病，且生物量嚴(yán)重降低[23]，而鉛的耐性植物毛竹卻可以正常生長(zhǎng)，且可積累一定量的鉛[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，普陀山苔草在鉛濃度為≤600 mg/L、鋅濃度≤125 mg/L復(fù)合處理下，植物的株高、根長(zhǎng)、生物量較對(duì)照顯著增加，在鉛濃度為600 mg/L、鋅濃度為125 mg/L時(shí)，生物量達(dá)到最大值，是同處理下鉛超富集植物墊狀卷柏（Selaginella pulvinata）最大生物量的1.3倍[25]。因此，一定濃度的鉛鋅處理可促進(jìn)普陀山苔草的生長(zhǎng)。

耐性臨界值是植物在正常生長(zhǎng)狀態(tài)下修復(fù)潛力的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，植物耐性臨界值有上限和下限，下限以生物量減少10%為標(biāo)準(zhǔn)，上限以生物量減少20%為標(biāo)準(zhǔn)[26]，富集及超富集植物是一種特殊耐性植物，根據(jù)J.M.Baker[27]的定義，鉛鋅超富集植物地上部分鉛和鋅含量分別大于1 000、10 000 mg/kg，且地上部分重金屬含量大于地下部分及富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于1。本研究發(fā)現(xiàn)，普陀山苔草在鉛鋅處理下，最低生物量減少了16.96%，同時(shí)積累了一定量的鉛鋅，這表明普陀山苔草具有較強(qiáng)的耐鉛鋅性，同時(shí)其富集系數(shù)均大于1，根據(jù)聶俊華等[28]的研究，普陀山苔草也是鉛富集植物，而在鉛濃度為 600 mg/L、鋅濃度為 125 mg/L（P3Z2）和 250 mg/L（P3Z3）處理下，普陀山苔草地上及地下部分鉛含量分別為 3 299.92、2 851.67 mg/kg，3 212.76、2 444.26 mg/kg，鉛轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為1.16、1.31，達(dá)到了鉛超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)。因此，普陀山苔草具有耐鉛鋅性，也是一種鉛富集植物。

重金屬鉛對(duì)植物的生理代謝會(huì)造成一定的影響，如影響酶活、增加膜透性、抑制礦質(zhì)養(yǎng)分的運(yùn)輸及光合作用[29]。根系和葉片的是植物響應(yīng)重金屬和吸收運(yùn)輸養(yǎng)分的關(guān)鍵[30-31]，而葉綠素是光合作用中的關(guān)鍵色素[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，鉛濃度為≤600 mg/L、鋅濃度≤125 mg/L復(fù)合處理可顯著提高普陀山苔草的根系活力和促進(jìn)葉綠素的合成，而當(dāng)鋅濃度為250 mg/L時(shí)，則具有抑制性，這可能是因?yàn)榈蜐舛鹊你U鋅促進(jìn)了根系的生長(zhǎng)素類物質(zhì)吲哚乙酸（IAA）的合成，使IAA含量增加，進(jìn)而提高了根系活力，增強(qiáng)了植物體對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，為葉綠素的合成提供了所需物質(zhì)和能量，另一方面葉片細(xì)胞內(nèi)游離的少量鉛鋅離子反而促進(jìn)了葉綠素合成的關(guān)鍵酶[33]，致使葉綠素含量增加。植物在鉛鋅的刺激下，葉綠體會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧，引起細(xì)胞膜脂過(guò)氧化的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[34]，而MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率的變化可反映植物的受損程度[35]。本研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的鉛鋅處理可提高普陀山苔草葉片相對(duì)電導(dǎo)率和MDA的含量，這可能與細(xì)胞內(nèi)游離的鉛鋅離子的濃度及與膜蛋白的磷脂類物質(zhì)反應(yīng)的難易程度有關(guān)，此外，還與鉛鋅對(duì)滲透調(diào)節(jié)作用的影響有關(guān)；而鋅的加入則減緩了苔草的受損程度，這可能由于鋅離子的易轉(zhuǎn)移性可適度減輕活性氧對(duì)細(xì)胞膜的傷害。這也從植物的生長(zhǎng)代謝層面上進(jìn)一步解釋了普陀山苔草在鉛鋅脅迫下可保持正常生長(zhǎng)和積累一定量的鉛鋅。

普陀山苔草在鉛鋅處理下可完成正常的生長(zhǎng)周期，也可積累和富集一定量的鉛鋅，其主要是通過(guò)生理代謝的響應(yīng)來(lái)完成這一過(guò)程的，也為其應(yīng)用提供了先決條件，因此，可將其用于鉛污染土壤的修復(fù)。

3.2 結(jié)論

①普陀山苔草在鉛濃度≤600 mg/L、鋅濃度≤125 mg/L的單一及交互處理下，植物的株高、根長(zhǎng)、生物量顯著增加；且在鉛濃度為600 mg/L、鋅濃度為125 mg/L時(shí)，生物量達(dá)到最大值，比對(duì)照顯著增加了39.83%。

②普陀山苔草具有較高的鉛鋅富集能力，在鉛濃度≤600 mg/L、鋅濃度≤125 mg/L的單一及交互處理下，植物鉛鋅含量均隨著處理濃度的增大而增加；在鉛濃度為600 mg/L、鋅濃度為125 mg/L和250 mg/L時(shí)，其地上部分鉛含量分別為3 299.92、3 212.76 mg/kg，鉛轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)均大于1，達(dá)到了鉛超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)。

③普陀山苔草在鉛濃度≤600 mg/L、鋅濃度≤125 mg/L的單一及交互處理下，其根系活力及葉綠素含量顯著增加；植物葉片相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量也增加，而鋅的加入可相對(duì)減緩其受損程度。

綜上所述，鋅濃度低于125 mg/L的協(xié)同作用可促進(jìn)普陀山苔草的生長(zhǎng)及生理代謝，因此普陀山苔草可以作為綠化植物應(yīng)用于一定濃度的鉛鋅污染的土壤及鉛鋅礦區(qū)。此外，可以將其作為鉛鋅污染區(qū)的修復(fù)材料，另一方面可以進(jìn)一步研究其富集機(jī)理，為后期鉛超富集植物的探討提供理論支持。