生長調節(jié)劑強化龍葵修復高Cd污染土壤

于彩蓮,楊瑩,李曉霞,周振華,顏廷亮, 李芬

(哈爾濱理工大學 化學與環(huán)境工程學院，哈爾濱 150040)

0 引言

自20世紀80年代前期，Chaney[1]首次提出利用植物清除土壤中重金屬污染這一想法后，關于耐重金屬植物與超積累植物的研究日益增多[2-4]。當前運用超積累植物進行的植物修復技術，在實踐中還沒有大面積的應用。部分原因是這些植物的生物量較低，或者生長周期較長，或者植物本身地上部積累的重金屬量不夠，造成超積累植物的修復效率較低[5-7]，因此非常有必要提高超積累植物的修復效率。對此，研究者提出了很多的改善辦法，其中較早報道的成功案例是采用化學調控劑。應用植物激素強化超積累植物的修復效率具有簡單、方便、價廉、不造成二次污染等優(yōu)勢，但目前僅在少數幾種超積累植物上開展了研究[8-14]。

研究發(fā)現龍葵能將土壤當中的鎘(Cd)吸收到體內，并逐漸累積起來，從而降低了土壤Cd濃度，達到修復土壤Cd污染的目的。然而在土壤Cd濃度超出40 mg·kg-1時，龍葵的生長受抑制明顯[15]。目前對強化龍葵修復效率的研究不多，而生長調節(jié)劑對其生物量以及地上部Cd積累量的影響尚未開展。為了強化龍葵修復Cd污染土壤的能力，以及探討生長調節(jié)劑對高Cd污染土壤上龍葵的生長狀況、修復能力的影響，采用盆栽試驗方法，研究復硝酚鈉、2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)和己酸二乙氨基乙醇酯(DA-6)對龍葵生長狀況及修復效率的影響，以篩選適宜的生長調節(jié)劑，為強化龍葵修復高Cd污染土壤效率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗中龍葵(SolanumnigrumL.)種子采自黑龍江省哈爾濱市無污染農業(yè)土壤上野生的植株。生長調節(jié)劑DA-6和復硝酚鈉均為本實驗室所制，2,4-D為市購。配制污染土壤所投加的重金屬Cd以CdCl2·2.5H2O的形式加入到土壤中。供試土壤采自哈爾濱理工大學校園，取樣深度為表層0～20 cm，土壤類型為黑土，屬于清潔土壤，供試土壤肥力見表1。

表 1 供試土壤肥力特征Table 1 Fertility properties of the tested soil

堿解氮/(mg·kg-1)有效磷/(mg·kg-1)速效鉀/(mg·kg-1)緩效鉀/(mg·kg-1)有機質/(g·kg-1)全磷/(g·kg-1)全氮/(g·kg-1)pH14727.013962639.25.013.17.92

1.2 試驗方法

將CdC12·2.5H2O研磨后通過200目篩，首先配成高濃度Cd(3 400 mg·kg-1)污染土壤。采用逐級稀釋的方法，分步加入清潔土壤，直至配成Cd濃度為100 mg·kg-1土壤。充分攪拌以使Cd在土壤中混勻、平衡，2周后裝盆。盆直徑18 cm，高15 cm，每盆裝土2.5 kg。

試驗共分5個處理，3次重復。空白：不添加Cd的土壤；其余4個處理土壤Cd濃度均為100 mg·kg-1；對照、復硝酚鈉、2,4-D和DA-6處理。分別用10 mg·L-1復硝酚鈉、2,4-D和DA-6浸種，并在移栽后的第5、20、40 d時噴施復硝酚鈉、2,4-D和DA-6；對照和空白用去離子水浸種24 h，并在移栽后的第5、20、40 d時噴去離子水。

選取成熟飽滿的龍葵種子經0.1% HgCl2消毒，先用蒸餾水、再用去離子水漂洗干凈后，在28 ℃恒溫培養(yǎng)箱內催芽，3 d露白后播種于育苗盤中，育苗盤內的土壤為潔凈土壤。放置于人工氣候箱內培養(yǎng)(培養(yǎng)箱溫度、光照及濕度條件模擬5月份自然環(huán)境條件)，待龍葵長出4片葉后(約20 d)選擇健壯、生長一致的龍葵幼苗移栽到各處理盆中，每盆保苗兩株。露天培養(yǎng)，培養(yǎng)期間溫度為20～32 ℃，自然光照，以去離子水澆灌。為了防止Cd隨著澆灌水的流失，盆的底部墊有收集盤，將每次滲出水分別進行收集，下次澆水時回澆到盆中。

1.3 測試指標

在苗期和成熟期，分別采集龍葵地上部和根系，自來水沖洗后再用蒸餾水和去離子水洗凈，105 ℃下殺青 30 min，然后在 70 ℃下烘至恒重，測定其干物質量。將烘干的樣品磨碎后過 100 目篩，采用 HNO3-HClO4法消化，原子吸收分光光度法(島津AA7000)測定Cd。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Excel 2010 作圖和 SPSS 16.0 對數據進行統(tǒng)計分析和差異顯著性比較。

2 結果與討論

2.1 生長調節(jié)劑對龍葵生物量的影響

在保證超積累植物體內累積的重金屬濃度沒有明顯降低的情況下，提高生物量，尤其是地上可收割部分的生物量，是提高植物修復效率的重要途徑[15]。本研究分析了復硝酚鈉、2,4-D和DA-6對龍葵不同時期地上、地下生物量的影響，以期篩選對增加龍葵生物量最明顯的生長調節(jié)劑。

圖 1 生長調節(jié)劑對Cd脅迫下龍葵苗期生物量的影響Figure 1 Effects of plant growth regulators on the dry weight of S. nigrum L.under cadmium stress at seedling period

從圖1可知，在高Cd(100 mg·kg-1)脅迫下龍葵的生物量明顯降低，與空白相比，高Cd處理地上和地下生物量分別降低了42.1%～48.8%和23.1%～30.8%。由圖1還可以看出，生長調節(jié)劑的施用緩解了Cd的毒害作用，與對照相比，復硝酚鈉、2,4-D和DA-6分別使苗期的地上生物量增加了2.4%～13.1%，其中復硝酚鈉增加明顯(P<0.05)；但復硝酚鈉和2,4-D卻使地下生物量降低了10.0%(P<0.05)，而DA-6作用不明顯。

圖 2 生長調節(jié)劑對Cd脅迫下龍葵成熟期生物量的影響Figure 2 Effects of plant growth regulators on the dry weight of S. nigrum L.under cadmium stress at mature period

圖2的結果表明，高Cd與無Cd脅迫相比，龍葵地上和地下生物量降低了37.1%～46.4%和49.7%～70.9%。高Cd脅迫下，與對照相比，添加生長素后地上重量都顯著增加(5.0%～17.3%)，其中DA-6作用最顯著，其次是復硝酚鈉，均達到了顯著水平(P<0.05)。成熟期的地下重量與對照相比均有不同程度的增加(13.6%～72.7%)，其中DA-6最顯著，2,4-D次之，均達到了顯著水平(P<0.05)。由此可見，2,4-D和DA-6處理顯著增加了Cd處理下的生物量，使植物對Cd的耐性增強。

本研究結果表明，從苗期到成熟期高Cd脅迫下的龍葵地上生物量增加了7.0～7.8倍，地下增加了3.4～6.6倍，均以DA-6最顯著，2,4-D其次；而非脅迫下龍葵地上和地下生物量分別增加了6.9倍和10.6倍。說明高Cd脅迫對龍葵成熟期根系的抑制作用最顯著，但生長調節(jié)劑能夠緩解這一不利影響，提高龍葵生物量，尤其對地上部分生物量的增加作用明顯。雖然生長調節(jié)劑能夠促進龍葵生長，但卻無法恢復到無Cd污染的水平。

2.2 生長調節(jié)劑對龍葵Cd濃度和富集系數(AC)的影響

表 2 生長調節(jié)劑對龍葵Cd濃度及富集系數(A)的影響Table 2 Effects of plant growth regulators on the cadmium concentration and accumulation coefficient of S. nigrum L.

時期處理地上濃度/(μg·g-1)地下濃度/(μg·g-1)地上AC地下AC苗期對照242.08±7.88b315.03±5.99c2.42±0.08b3.15±0.06c復硝酚鈉268.01±4.17a325.48±3.17bc2.68±0.04a3.26±0.06bc2,4-D226.41±4.75b356.12±10.93a2.26±0.05b3.56±0.11aDA-6268.2±4.75a340.63±6.55ab2.68±0.08a3.41±0.06ab成熟期對照123.57±2.67a271.72±11.70b1.24±0.03a2.72±0.12b復硝酚鈉136.40±9.83a361.86±11.24a1.36±0.10a3.62±0.11a2,4-D143.10±8.06a395.46±11.87a1.43±0.08a3.95±0.12aDA-6133.83±2.16a370.37±6.29a1.34±0.02a3.71±0.06a

Cd濃度和富集系數(AC)體現了超積累植物對重金屬的耐受程度，耐受程度高，則有可能累積較多的重金屬，具有高的修復效率[16]。表2結果表明，各處理地上部分的Cd濃度和富集系數均是苗期明顯高于成熟期。而地下濃度和富集系數在苗期和成熟期差異不大，但地下濃度和富集系數始終高于地上部。從苗期到成熟期龍葵地上濃度和富集系數降低較多。與對照相比，苗期2,4-D處理地上的AC和濃度略有降低，復硝酚鈉和DA-6處理地上Cd濃度和AC增加了10.7%～10.8%，差異顯著(P<0.05)；3組處理使地下Cd濃度和AC分別增加了3.3%～13.0%和3.5%～13.0%，其中2,4-D和DA-6差異顯著(P<0.05)。成熟期時3組處理與對照相比，地上Cd濃度和AC分別提高了10.4%～15.8%和8.1%～15.3%，地下部對應增加值分別為33.2%～45.5%(P<0.05)和33.1%～45.2%(P<0.05)。以上結果說明，2,4-D和DA-6處理均能增加龍葵苗期和成熟期根系對Cd的吸收能力，從而顯著增加Cd在龍葵植株中的富集量，增加富集系數。

土壤中的Cd主要是通過龍葵的根系被吸收，并被轉運到地上部分。無論是苗期還是成熟期各處理龍葵根系的Cd濃度和AC都較高，具有較強的吸附Cd的能力(表2)。3組處理與對照相比增加了33.2%～45.5%的Cd濃度和AC，經方差分析均達顯著水平(P<0.05)。無論是苗期還是成熟期AC都大于1，進一步證明龍葵為Cd的理想超積累植物。地下的AC值高于同時期的地上值，從苗期到成熟期地下部分的AC變化幅度不大，但始終以生長調節(jié)劑處理的為最高，說明生長調節(jié)劑可以提高龍葵對Cd的耐受程度。

2.3 生長調節(jié)劑對龍葵累積Cd量的影響

表 3 生長調節(jié)劑對龍葵苗期Cd累積量的影響/ (μg·pot-1)Table 3 Effects of plant growth regulators on the cadmium accumulation of S.nigrum L. at seeding period

處理地上累積量地下累積量總累積量對照203.07±2.45b31.79±0.06b234.87±2.43b復硝酚鈉254.94±2.40a28.74±0.39c283.68±2.71a2,4-D195.60±2.40b31.87±1.08b227.46±1.34bDA-6247.87±2.93a34.15±0.51a282.01±3.44a

對于苗期龍葵Cd累積量，2,4-D的地上Cd累積量，以及復硝酚鈉處理的地下累積量略有降低，其余各處理無論是地上還是地下的Cd累積量都表現了不同程度的增加(表3)。復硝酚鈉和DA-6處理下，地上累積量增加了25.5%和22.1%(P<0.05)；2,4-D和DA-6處理下的地下累積量增加了2.5%和7.4%，DA-6差異顯著(P<0.05)；總Cd累積量的增加意味著修復效率的提高，除了2,4-D處理總Cd累積量略有降低外，其余兩組處理總Cd累積量提高了20.1%～20.8%(P<0.05)?？梢?，適宜的生長調節(jié)劑可增加苗期總Cd累積量，但該時期總積累量相對較低，此期收獲修復效率不高。

表 4 生長調節(jié)劑對龍葵成熟期Cd累積量的影響/(mg·pot-1)Table 4 Effects of plant growth regulators on the cadmium accumulation of S.nigrum L.at mature period

處理地上累積量地下累積量總累積量對照0.86±0.01b0.12±0.01d0.98±0.01c復硝酚鈉1.04±0.07a0.18±0.07c1.22±0.07b2,4-D1.04±0.04a0.24±0.04b1.28±0.03abDA-61.09±0.02a0.28±0.02a1.37±0.03a

生長調節(jié)劑提高了成熟期龍葵地上、地下、總Cd累積量(表4)。3組處理使地上累積量增加了20.9%～26.7%(P<0.05)；地下增加了0.5～1.3倍(P<0.05)；總累積量對應增加了24.5%～39.8%(P<0.05)。其中DA-6增加效果最明顯，縮短了大約40%的修復時間。說明生長調節(jié)劑均具有強化龍葵修復Cd污染土壤的能力。與苗期相比，成熟期時龍葵的Cd累積量大幅度增加，這主要是由于成熟期時生物量的顯著增加，而濃度并未顯著降低。

超積累植物的Cd累積量是該種植物體內所累積的某種重金屬濃度與其生物量的乘積[17]。累積量高則該種植物修復污染的能力就強，是衡量超積累植物修復重金屬污染土壤的最直接、最準確的指標。重金屬的累積量，尤其是地上可收割部分累積量的增加，對提高龍葵修復效率具有重要的意義。在目前強化超積累植物修復效率的所有措施中，向土壤中添加有機螯合劑(如EDTA, EDDS,NTA 等)效果最顯著，也是研究最廣泛的一種手段[18-20]。研究發(fā)現，在土壤Cd濃度為25 mg·kg-1時，向土壤中添加0.1 g·kg-1EDTA后，龍葵的苗期、花期和成熟期的Cd累積量增加了 51.7%、61.1%和35.9%，但當EDTA的添加量達0.5 g·kg-1時，對龍葵的毒性顯著增加，植株高度和生物量降低較多，導致苗期和成熟期累積量降低了19.7% 和 23.6%[21]。而在本研究中，在土壤Cd濃度為100 mg·kg-1時，DA-6施用后雖然地上的Cd累積量在苗期和成熟期僅增加了22.1%和26.7%。但DA-6具有用量少、施用簡單、環(huán)境負效應小等優(yōu)勢，在提高龍葵修復Cd污染土壤效率中具有廣闊的應用前景。

3 結論

龍葵是目前發(fā)現的比較理想的超積累植物，具有生物量大，Cd提取量高的優(yōu)勢。但當土壤中Cd污染濃度高達100 mg·kg-1時，龍葵生長受到明顯抑制。農業(yè)生產上常用的植物生長調節(jié)劑復硝酚鈉、2,4-D和DA-6均能不同程度地促進龍葵的生長，增加其生物量。總鎘累積量增加了24.5%～39.8%，其中DA-6的作用最為突出。生長調節(jié)劑的使用可以提高龍葵修復Cd污染土壤的效率，加快修復進程。