錳對超富集植物青葙鎘積累的影響

孟德佳，劉 杰，俞 果，蔣萍萍，呂黛琳

（桂林理工大學(xué)，環(huán)境污染控制理論與技術(shù)廣西重點實驗室，廣西 桂林 541004）

鎘是土壤中最為普遍的重金屬污染物之一，易通過食物鏈在人體內(nèi)積累，進而危害人類健康[1-3]。由于鎘是典型的親石元素，常見于鈣、錳的氧化礦物中，導(dǎo)致單一鎘污染土壤較少，在鎘污染土壤中鎘常與錳等其他重金屬復(fù)合存在[4-5]。因此，在進行土壤鎘修復(fù)時需考慮鎘與錳的相互作用[6-8]。

目前，關(guān)于錳對植物吸收和利用鎘的影響已有諸多研究。前人研究結(jié)果表明，在小麥和油菜中，施加高量的錳促進了植物對鎘的積累[9-10]。在超富集植物Phytolacca americanaL.和水稻中，施加錳則緩解了鎘的毒性，降低了植物對鎘的吸收和積累[11-12]，但在土培條件下，施加錳則顯著增加水稻對鎘的積累[13]。以上矛盾的結(jié)果表明，錳在超富集植物吸收和積累鎘時的影響仍有很多的不確定性。另外，在統(tǒng)一試驗條件下同時進行水培試驗與土培試驗來探究錳對植物吸收和積累鎘的影響的研究相對較少，并且在水培試驗中采取了與實際土壤溶液中鎘含量差別較大的濃度[14-16]。

青葙（Celosia argenteaLinn.）是一種新發(fā)現(xiàn)的錳、鎘超富集植物，能夠同時吸收和積累大量的鎘和錳[17]。為研究植物吸收鎘和錳的相互作用規(guī)律提供了理想的實驗材料。本研究采用水培與土培兩種方式研究了錳對青葙吸收和積累鎘的影響，同時通過動態(tài)監(jiān)測手段，研究了錳對土壤溶液中鎘濃度的影響，為闡明植物吸收鎘錳的作用關(guān)系奠定基礎(chǔ)，為鎘錳復(fù)合污染土壤的植物修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土培試驗

本試驗在桂林理工大學(xué)重金屬污染植物修復(fù)試驗基地進行。供試土壤采自桂林理工大學(xué)雁山校區(qū)。土壤采集后，置于陰涼處風干。土壤pH、有機質(zhì)、有效氮、速效磷與速效鉀等基本理化性質(zhì)采用土壤檢測儀（SL-3A）進行測定，結(jié)果見表1。供試土壤總Mn與總Cd利用HNO3-HClO4-HF消解法進行消解，消解后采用原子吸收光譜儀（PE-AA700型）進行測定。青葙種子采集于廣西壯族自治區(qū)桂林市陽朔縣。將青葙種子采用1%的H2O2溶液浸泡消毒后，選取顆粒飽滿的種子播種于規(guī)格為4×8的育苗盤中，置于溫室中培養(yǎng)并且保持溫室溫度在25～30℃。種子萌發(fā)后每周澆灌1/2濃度的Hongland營養(yǎng)液1次，并保持育苗盤內(nèi)的土壤含水量為田間最大持水量的70%～80%。待幼苗長出4～6片真葉且高度為5～6 cm時，移栽幼苗進行土培盆栽試驗。

土壤風干過篩后，取1.5 kg裝入直徑12 cm，高18 cm的塑料盆中。重金屬錳和鎘以MnCl2·4H2O和CdCl2·2.5H2O的固態(tài)粉末形式加入盆中與土壤混合均勻，配制成錳濃度為0（對照）、500 mg·kg-1和鎘濃度為0（對照）、3、5 mg·kg-1和10 mg·kg-1的土樣，每個處理3個重復(fù)。調(diào)節(jié)盆栽土壤含水量為田間最大持水量的70%～80%，每日翻動土壤，平衡2周后移栽長勢基本一致的青葙幼苗并同時埋入土壤溶液取樣器，每隔15 d抽取一次土壤溶液，每次抽取10 mL，植物生長60 d后收獲。

1.2 水培試驗

該試驗在桂林理工大學(xué)重金屬污染植物修復(fù)試驗基地進行。青葙種子采集及發(fā)芽同土培試驗，待幼苗長至約5～6 cm高、4～6片真葉時挑選生長一致的幼苗分別栽進裝有1/2 Hoagland營養(yǎng)液的塑料燒杯中，重金屬錳和鎘以MnCl2·4H2O和CdCl2·2.5H2O的固態(tài)粉末形式加入營養(yǎng)液中混合均勻，配制成錳濃度為0（對照）、100 mg·L-1和鎘濃度為0（對照）、0.6、1.0 mg·L-1和2.0 mg·L-1的水溶液，每個處理3次重復(fù)，每3 d調(diào)節(jié)1次pH并用去離子水補充蒸發(fā)部分，每3 d更換營養(yǎng)液一次，每日曝氣20 min，置于溫室中培養(yǎng)。植物生長45 d后收獲，測定青葙根、莖、葉中錳、鎘含量。

1.3 樣品處理及分析

青葙收獲后分為葉、莖和根3部分。將青葙葉、莖和根用自來水將泥土洗凈后，用去離子水沖洗3次，置于烘箱中105℃殺青30 min，70℃烘干至恒質(zhì)量后用電子天平測其干質(zhì)量。烘至恒質(zhì)量后的葉、莖和根于植物粉碎機中粉碎，粉碎后的樣品（約0.2 g）采用HNO3+HClO4（9∶1）濕消化法消解，錳、鎘在青葙中的含量采用原子吸收光譜儀（PE-AA700）測定。分析過程中所采用的試劑均為優(yōu)級純試劑，采用國家標準參比物質(zhì)[GBW 10015（GSB-6）]進行分析質(zhì)量控制。

表1 供試土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil physical and chemical properties

土壤溶液采集后采用優(yōu)級純硝酸對其進行酸化，采用ICP-MS測定其鎘含量。

1.4 試驗數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用3個重復(fù)樣的算術(shù)平均值±標準偏差（SD）表示。所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2007和Origin 8.0進行統(tǒng)計分析和作圖，用SPSS 19.0軟件中的單因素方差分析（ANOVA），用最小顯著差數(shù)法（LSD）進行顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 水培條件下錳對青葙鎘積累及生長情況的影響

由圖1可知，在未額外添加錳的情況下，青葙葉、莖和根中的鎘含量隨著鎘處理濃度的升高而增加，在鎘處理濃度為2 mg·L-1時，青葙葉、莖和根中鎘的含量最高。在鎘處理濃度為1 mg·L-1時，施加錳濃度為100 mg·L-1時，青葙葉片中的鎘含量較未施加錳處理組相比并無顯著差異，但在青葙莖中，施加錳處理組鎘含量較未施加錳處理組鎘含量降低了19.1%。在鎘處理濃度為0.6 mg·L-1和2 mg·L-1時，施加100 mg·L-1錳處理組青葙葉和莖中的鎘含量分別比未施加錳處理組降低了35.9%、12.3%和23.2%、15.4%。由圖2可知，在未額外添加鎘的情況下，青葙葉、莖和根中的錳含量在施加錳后均顯著增加。在錳處理濃度為100 mg·kg-1時，青葙葉片中的錳含量除在鎘處理濃度為0.6 mg·L-1時較未施加鎘處理組降低17.7%外，其余處理組青葙葉片中錳含量與未施加鎘處理組相比并無顯著差異。在青葙莖中，錳處理濃度為100 mg·kg-1時，除在鎘處理濃度為2 mg·L-1時青葙莖中鎘含量較未施加鎘處理組降低19.0%外，其余處理組青葙莖中錳含量與未施加鎘處理組相比并無顯著差異。結(jié)果表明，水培條件下外源施加錳會抑制青葙對鎘的吸收和積累，且隨著鎘處理濃度的升高錳對于青葙累積鎘的抑制作用逐漸減弱，而外源施加鎘則對青葙對錳的吸收和累積并無顯著影響。

由圖3可知，未施加錳時，青葙葉、莖和根的生物量隨著鎘處理濃度的升高而降低，在鎘處理濃度為2 mg·L-1時青葙生物量下降最大，說明鎘對青葙造成了一定的毒害作用，從而抑制了青葙的正常生長。在鎘處理濃度為0.6 mg·L-1時，施加100 mg·L-1錳青葙生物量較未施加錳處理組顯著降低，說明施加錳抑制了青葙的生長。在鎘處理濃度為1 mg·L-1和2 mg·L-1時，施加錳處理組較未施加錳處理組相比并無顯著差異，施加錳并未抑制青葙的生長。

圖1 水培青葙葉、莖和根中的鎘含量Figure 1 Cadmium content in leaves，stems and roots of C.argentea in hydroponic culture experiments

2.2 土培條件下錳對青葙鎘積累及生長情況的影響

圖2 水培青葙葉、莖和根中的錳含量Figure 2 Manganese content in leaves，stems and roots of C.argentea in hydroponic culture experiments

由圖4可知，在未施加錳的情況下，青葙葉、莖和根中的鎘含量隨著鎘處理濃度的增加而升高。在鎘處理濃度相同水平的條件下，施加500 mg·kg-1錳青葙葉和莖中的鎘含量較未施加錳相比均顯著增加。相較于未施加錳處理組，施加錳青葙葉和莖的鎘含量分別增加了351.7%、451.0%、178.2%、74.2%和105.4%、140.2%、119.4%、11.5%，且鎘處理濃度為3 mg·kg-1時施加500 mg·kg-1錳青葙莖和葉中的鎘含量增加最多。由圖5可知，在未施加鎘的情況下，青葙葉、莖和根中的錳含量較未施加錳前相比均顯著增加。在錳處理濃度為500 mg·kg-1時，施加鎘處理組青葙葉和莖的錳含量均較未施加鎘處理組顯著增加，分別增加了117.2%、61.1%、78.0%和69.6%、39.7%、31.4%，在鎘處理為3 mg·kg-1時，青葙葉和莖的錳含量最高。由此可見，在土培條件下施加錳和鎘可以顯著促進青葙對鎘和錳的吸收和積累。

圖3 水培試驗中錳對不同濃度鎘脅迫青葙葉莖根生長的影響Figure 3 Effects of manganese on the growth of leaves，stems and roots of C.argentea under different concentrations of cadmium in hydroponic culture experiments

圖4 土培青葙葉、莖和根中鎘含量Figure 4 Cadmium content in leaves，stems and roots of C.argentea in soil culture experiments

圖5 土培青葙葉、莖和根中錳含量Figure 5 Manganese content in leaves，stems and roots of C.argentea in soil culture experiments

表2 土壤溶液中鎘含量（μg·L-1）Table 2 Cadmium content in soil solution（μg·L-1）

由表2可知，鎘在土壤中從固相到液相的釋放是一個緩慢而持續(xù)的過程。未施加錳處理組中，土壤溶液中鎘的含量相對于外源所添加的鎘含量而言極低。施加錳處理組與未施加錳處理組相比，土壤溶液中鎘含量顯著增加，且增加量在鎘處理濃度為3 mg·kg-1時最高。由此可見，施加錳可顯著促進鎘向土壤溶液中的釋放。

由圖6a可知，青葙生物量隨著鎘處理濃度的增加而降低，說明鎘對青葙產(chǎn)生了一定的毒害作用從而抑制了青葙的生長。在鎘處理濃度為3、5 mg·kg-1和10 mg·kg-1時，施加錳青葙生物量較未施加錳相比顯著增加，分別較未施加錳處理組增加了91.3%、31.1%和44.0%，且在鎘處理濃度為3 mg·kg-1時施加錳青葙生物量增加最多。由圖6b可知，收獲時青葙生長良好，在鎘處理相同水平下，施加錳青葙株高均高于未施加錳的處理組。本試驗結(jié)果說明，在土培條件下青葙受到鎘脅迫時施加錳可緩解鎘對青葙的毒性。

圖6 土培試驗中錳對不同濃度鎘脅迫青葙葉、莖、根生長的影響Figure 6 Effects of manganese on the growth of leaves，stems and roots of C.argentea under different mass fraction of cadmium in hydroponic culture experiments

3 討論

通過水培試驗和土培試驗的結(jié)果可以看出，錳在水培試驗和土培試驗中對青葙吸收和累積鎘的作用不同。在水培試驗中，向營養(yǎng)液中施加錳抑制了青葙對鎘的吸收和累積。而在土培試驗中，施加錳顯著促進了青葙對于鎘的吸收和累積，該結(jié)果與前人研究結(jié)果不一致，前人研究認為施加錳降低植物對鎘的吸收和累積[18-19]。

前期研究表明，青葙也是一種錳的超富集植物[20]。在本試驗中，施加高濃度的錳后，青葙仍可對鎘進行累積，其原因可能是與錳和鎘在青葙體內(nèi)的分布情況及其轉(zhuǎn)運蛋白有關(guān)[21-24]。在水培試驗中，外源添加的錳、鎘含量遠遠高于土壤溶液中錳、鎘的實際含量，且土壤溶液中鎘的釋放是一個緩慢且持續(xù)的過程，而在水培試驗中鎘的施加則是隨著每次更換營養(yǎng)液一次性施加，無法做到與土壤溶液中的鎘一樣保持動態(tài)平衡。前人研究認為，錳和鎘在植物體內(nèi)可能享有相同的轉(zhuǎn)運蛋白，如ZIP家族、NRAMP家族、CDF家族和CPx-ATPase家族等[25-26]。前人研究表明，在東南景天中錳和鎘通過ZIP家族轉(zhuǎn)運[27]，在芥菜中錳和鎘通過HMA4轉(zhuǎn)運[28]，在大麥中通過HvIRT1轉(zhuǎn)運[29]，且重金屬在被植物吸收過程中可能競爭相同的轉(zhuǎn)運蛋白，存在競爭性抑制的關(guān)系[30]。在水培試驗中，施加鎘對青葙錳的累積并無顯著影響，但錳的施加卻顯著抑制了青葙對鎘的積累。其原因可能是青葙吸收和轉(zhuǎn)運錳和鎘這兩種離子的過程中，錳離子與鎘離子同時競爭在青葙體內(nèi)的轉(zhuǎn)運蛋白，且錳離子與轉(zhuǎn)運蛋白的結(jié)合能力高于鎘離子，從而導(dǎo)致青葙對鎘離子轉(zhuǎn)運數(shù)量的減少。

在土培試驗中，由于土壤溶液中的錳離子和鎘離子濃度顯著低于水培試驗中的錳離子和鎘離子濃度，二者在溶液中由于金屬離子的拮抗作用緩解了這兩種離子本身對植物的毒害作用，所以土壤溶液中錳離子和鎘離子共存的濃度并未對青葙根系造成顯著的毒害作用。另外，前人研究發(fā)現(xiàn)，外源施加在土壤中較高濃度的鋅顯著抑制了鎘在土壤中的吸附，從而降低了土壤膠體對鎘的吸附量，進而導(dǎo)致水溶態(tài)鎘含量的增加[31-34]。由此可推斷，在土培試驗中向施加鎘的土壤中外源添加錳，錳與鎘在土壤溶液中競爭與土壤膠體的吸附位點，由于錳的添加量顯著高于鎘的添加量，所以施加錳可顯著降低土壤膠體對鎘的吸附，從而促進鎘從固相到液相的轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致土壤溶液中水溶態(tài)鎘含量顯著增加，進而導(dǎo)致施加錳后青葙鎘含量的升高。另外，由于錳是植物生長所必需的營養(yǎng)元素[35-36]，能夠提高植物生長發(fā)育速度、凈光合速率及蒸騰量[37-38]。因此在土培盆栽試驗中，施加錳提高了青葙的葉面積，使青葙的蒸騰量增加，有助于鎘隨蒸騰流向上轉(zhuǎn)運，從而促進了青葙對鎘的積累。所以，水培試驗與土培試驗的結(jié)果矛盾。

4 結(jié)論

（1）施加錳能夠顯著影響鎘在青葙中的吸收與累積，其效果在水培試驗和土培試驗中存在明顯差異。在水培試驗中，施加錳抑制了青葙對鎘的吸收和累積。而在土培試驗中，錳的施加促進了青葙對鎘的吸收。

（2）雖然錳和鎘在青葙中可能存在相同的轉(zhuǎn)運及富集機制，但由于錳和鎘在土壤中存在離子交換作用，從而導(dǎo)致錳在水培試驗與土培試驗中對青葙吸收與累積鎘的作用相反。

（3）外源添加的鎘在土壤中轉(zhuǎn)化為可供植物吸收的水溶態(tài)含量極低，且錳的施加促進了鎘在土壤中從固相到液相的釋放。