四種花灌木對鎘的耐性和富集特性研究

朱麗霞，韓 琰，陸鑾眉，張 瓊，蔡月琴，陳清森

（1.閩南師范大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建漳州363000；2. 閩臺特色園林植物福建省高校重點實驗室，福建漳州363000）

社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，導(dǎo)致大量重金屬元素以多種形式進(jìn)入土壤，使得土壤重金屬污染日趨嚴(yán)重[1].由于重金屬會在生物體和土壤中積累，引起食物鏈發(fā)生無法預(yù)知的后果，所以，土壤重金屬的污染修復(fù)與防治工作成為中外研究的重點和難點[2].重金屬不易降解和轉(zhuǎn)化，在生態(tài)環(huán)境中可以在物質(zhì)間相互遷移和轉(zhuǎn)換，因此一旦環(huán)境中重金屬超標(biāo)，那么消除起來會非常困難，對生物的不利影響更加讓人關(guān)注[3].土壤中鎘污染對生物體具有較強的毒性[4-5]，對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、生態(tài)環(huán)境安全以及生物生長等多方面會造成嚴(yán)重影響[6-7].植物修復(fù)的土壤污染治理方法是選用對重金屬具有超富集作用的植物種在具有重金屬污染的土壤中，植物根系會從土壤中吸走重金屬元素，并將重金屬轉(zhuǎn)運到地上各部分，從而達(dá)到土壤修復(fù)的目的[8].目前超富集植物主要借助人工的篩選和鑒定來確定植物是否具有某種重金屬的富集特性，主要的篩選方法有六種方式.第一種是通過野外調(diào)查生長于受重金屬污染環(huán)境中的植物體中的重金屬含量，對照超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)判斷是否具有超富集特性[9]；二是通過微量分析法，直接采集野外植物體各部分和根際或根區(qū)土壤樣品來檢測其中的重金屬含量，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)判斷是不是超富集植物[10]；三是試紙診斷法，通過采集野外新鮮的植物組織用特制試紙檢測，可通過試紙顏色的變化來判斷植物體中重金屬含量，從而初步可確認(rèn)其是否具有超富集特性[11]；四是采用人工培養(yǎng)法，人工預(yù)先配置好重金屬污染土壤，再在其中種植野外采集來的植物，觀察其在一定時間的生長狀況，并檢測其體內(nèi)重金屬含量以判斷其是否為超富集植物[12]；五是通過土壤種子庫和重金屬濃度梯度法從豐富的土壤種子庫資源中篩選對重金屬具有超富集作用的植物品種，并設(shè)計不同濃度梯度的重金屬處理來檢驗其富集特性[13].但這些方法應(yīng)用起來有些局限性，且篩選效率不高.還有一種方法就是土壤高濃度污染法，即人工配制高濃度的重金屬污染土壤，再種上生長較一致的植物幼苗，觀察幼苗生長情況，經(jīng)過生長一段時間后測定植物體內(nèi)重金屬含量來判斷篩選超富集植物[14].這種方法篩選效率較高，且可避免野外篩選的不確定性，還能就地取材，方便實施等優(yōu)點.隨著工業(yè)和城市的大發(fā)展，重金屬(尤其是鎘)污染是越來越不容忽視[15].作為美化城市環(huán)境的花灌木可作為城市環(huán)境重金屬污染修復(fù)的優(yōu)質(zhì)材料應(yīng)用，但目前有關(guān)花灌木的富集特性方面的研究不多，發(fā)現(xiàn)的超富集花灌木還很少.鑒于此，本研究擬采用土壤高濃度鎘污染法[14]從多種花灌木中篩選出對鎘具有耐性或抗性的超富集品種，以期為城市鎘污染土壤修復(fù)提供新材料和新方法.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試植物

千里香、長春花、大花蘆莉和紅花檵木幼苗購自漳州花博園，栽植于閩南師范大學(xué)植物園溫室適應(yīng)兩周.供試植物基本情況見表1.

表1供試植物基本情況Tab.1 Basic information of the tested plants

1.1.2 鎘污染土壤

1）采集無污染土壤，進(jìn)行充分晾曬后，用20目篩子過篩，備用；

2）配制不同濃度鎘污染土壤：選用硫酸鎘粉末（分子量208.47）混于適量土壤中配制成4個不同鎘濃度0（對照）、100、200和400 mg·kg-1的土壤，裝入花盆，用蒸餾水澆透待用.

1.2 試驗方法

1.2.1 植物種植

將溫室適應(yīng)好的，長勢一致的千里香、長春花、大花蘆莉和紅花檵木幼苗移植到裝有不同濃度鎘土壤的塑料花盆中，每個濃度有4個重復(fù)，然后將花盆放到溫室培養(yǎng)；同時測定每盆植物的株高并記錄.

1.2.2 樣品收集與處理

3個月后采收所有植物樣品，測定采集樣品的株高數(shù)據(jù)、鮮重和干重數(shù)據(jù)，根系用蒸餾水洗干凈，用萬深LA-S根系分析儀掃描根系生長情況，然后把樣品進(jìn)行烘干.烘箱初始溫度設(shè)定105 ℃，殺青20 min，再將溫度設(shè)置為80 ℃烘至樣品完全干燥.

1.2.3 植物元素分析方法與步驟

1）本試驗驗所用塑料瓶、容量瓶、消解罐中內(nèi)膽、漏斗等相關(guān)儀器均放置于10%HNO3的酸缸，浸泡過夜，再用超純水洗凈后烘干備用.

2）以HNO3∶H2SO4∶HClO4=3∶1∶1 的比例，配制足夠的混酸溶液.稱量0.2 g 的植物不同部位的粉末，放入消解罐內(nèi)膽之中，加入調(diào)配好的10 ml 混酸溶液，蓋上蓋子放入消解罐中，然后將消解罐外蓋擰緊，放入160 ℃烘箱中高溫消解30 min，關(guān)掉烘箱，待冷卻取出消解罐.

3）打開已經(jīng)冷卻的消解罐，將消解罐之中的內(nèi)膽取出，將內(nèi)膽之中的消解好的液體倒入50 ml的容量瓶中定容.

4）使用0.22μm 微孔濾膜過濾約5 ml 消解液，再用移液槍吸取1 ml 的濾液放入容量為25 ml 的塑料瓶之中，然后量取19 ml的超純水，倒入25 ml塑料瓶中，使溶液再稀釋20倍，塑料瓶貼好標(biāo)簽待測.

5）將稀釋好的所有樣品待測液使用原子吸收分光光度計測定其中的鎘濃度.

1.2.4 轉(zhuǎn)移系數(shù)

植物的富集特性與其轉(zhuǎn)移系數(shù)相關(guān)，轉(zhuǎn)移系數(shù)即植物體地上部分重金屬元素含量與根部重金屬元素含量之比，可說明植物把重金屬從根系向地上部分的富集和轉(zhuǎn)運的能力.計算公式如下：

重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)(FT)=地上部分重金屬含量（mg·kg-1）/根系重金屬含量（mg·kg-1）.

1.2.5 數(shù)據(jù)處理及分析

所有試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010 整理，SPSS21.0 統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差分析，采用Duncan 法進(jìn)行差異顯著性檢驗.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同Cd濃度脅迫下四種花灌木生物量和株高變化

從表2 四種花灌木根莖葉干重和株高增長量數(shù)據(jù)可知，四種花灌木在3 個月左右的生長期內(nèi)株高變化不大，除紅花檵木各處理比對照有顯著增加以外，其他三種均沒有顯著差異；低濃度對千里香根系有促進(jìn)用，而在不同濃度處理下千里香的莖和葉干重均小0 mg·kg-1Cd濃度處理下的鮮重，表明不同濃度鎘離子對千里香的莖葉生長都有一定抑制作用，且400 mg·kg-1高濃度鎘對千里香生長有較強抑制作用，導(dǎo)致根莖葉干重均顯著降低；長春花在200 mg·kg-1濃度下有促進(jìn)作用，能顯著增加根系和地上莖生物量的，而400 mg·kg-1濃度下植株生長受到抑制，葉片脫落較為嚴(yán)重，導(dǎo)致生物量減少；從大花蘆莉的生長狀況可知，大花蘆莉在各鎘濃度處理長勢較好，存活率高；大花蘆莉根系、地上莖和葉干重各處理與對照均沒有顯著性差異，葉干重各處理比對照稍有降低，說明大花蘆莉?qū)ν寥梨k有較強的耐受性或抗性.紅花檵木莖葉和根系生物量各處理與對照沒有顯著性差異，較高濃度400 mg·kg-1濃度下植物生長良好，且地上部莖干重要比對照高，說明紅花檵木對鎘具有較強的耐受性；從四種花灌木的生物量和株高變化總結(jié)來看，紅花檵木在鎘污染土壤中生長狀況最好，其次是大花蘆莉；千里香和長春花受土壤不同鎘濃度影響長勢不一，低濃度鎘對根系有促進(jìn)作用，高濃度有一定的抑制作用；長春花地上部各鎘濃度處理生長一般，特別是葉片較少.

表2 不同Cd處理濃度對4種花灌木的生物量和株高的影響Tab.2 Effect of Cd concentrations in soil on dry weight and plant height of 4 flower shrubs

2.2 不同Cd濃度脅迫下對四種花灌木根系性狀的影響

根系性狀數(shù)據(jù)（表3）可知，千里香對照根長、根表面積和根體積均大于各處理，根平均直徑稍少，但各處理性狀指標(biāo)與對照沒有顯著性差異；長春花土壤鎘能夠顯著提高根長、表面積和根體積，根直徑各處理之間沒有顯著性差異；100 mg·kg-1Cd濃度處理下大花蘆莉的根長、表面積、體積、平均直徑最大，說明低濃度的鎘離子有促進(jìn)作用，400 mg·kg-1濃度下根系受到一定的抑制，根長最低，根系體積、表面積和平均直徑各處理之間沒有顯著性差異.高濃度鎘能促進(jìn)紅花檵木根系加粗生長，400 mg·kg-1濃度下各根系性狀均比對照顯著增加；從四種花灌木根系在不同鎘濃度處理中的生長情況來看，紅花檵木根生長狀況最好，其次是長春花和大花蘆莉.

表3 不同Cd濃度脅迫對四種花灌木的根系性狀的影響Tab.3 The effects of different concentrations Cd stress on root characters of 4 flower shrubs

2.3 不同Cd濃度脅迫下四種花灌木體內(nèi)重金屬鎘的含量和轉(zhuǎn)移系數(shù)

按照Brooks[10]對超富集植物的定義，超富集植物的臨界值是100 mg·kg-1，且轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)要大于1.從表4四種花灌木體內(nèi)各部分重金屬含量和轉(zhuǎn)移系數(shù)來看，千里香隨著土壤鎘濃度的增加，植物根莖葉中的含量隨著增加，但只有400 mg·kg-1濃度下根系中的含量超過了鎘超富集植物臨界值（100 mg·kg-1），而且轉(zhuǎn)移系數(shù)均沒有超過1，說明千里香吸收的鎘主要集中于根系，根系對鎘具有一定的富集作用；長春花雖說在200 mg·kg-1和400 mg·kg-1濃度下的轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1，說明莖葉中鎘含量比根系要高，但是各部分吸收量不大，各部分濃度均未超過鎘超富集植物臨界值(100 mg·kg-1)，且葉片脫落嚴(yán)重，說明不同濃度鎘對長春花地上部生長具有一定的抑制作用，不適合作為土壤鎘污染修復(fù)的材料；大花蘆莉各部分鎘濃度隨土壤中鎘濃度的增加而增加，而且均超鎘超富集植物臨界值(100 mg·kg-1)，各鎘濃度下的轉(zhuǎn)移系數(shù)均超過1，說明大花蘆莉?qū)ν寥乐墟k有較強的吸收作用，具有對鎘的超富集能力，可以用來作為鎘污染土壤的植物修復(fù)材料；紅花檵木隨著鎘濃度增加植物體各部分鎘含量隨著增加，但是含量均未超過鎘超富集植物臨界值(100 mg·kg-1)，但是轉(zhuǎn)移系數(shù)均超過0.9，400 mg·kg-1濃度還超過1，說明紅花檵木對鎘污染具有較強的耐受性或抗性，可以作為鎘污染土壤的美化種植的優(yōu)良品種.從四種花灌木根莖葉各部分鎘含量及轉(zhuǎn)移系數(shù)總結(jié)來看，四種花灌木對土壤鎘的富集作用的大小順序是：大花蘆莉＞千里香＞紅花檵木＞長春花；耐性或抗性順序為大花蘆莉＞紅花檵木＞千里香＞長春花；大花蘆莉和長春花各部位鎘積累量大小順序是：莖＞根系＞葉；千里香是根系＞葉＞莖；紅花檵木各部分含量相差不大.

表4不同Cd濃度脅迫對4種花灌木體內(nèi)重金屬鎘的含量及轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響Tab.4 The effects of different concentrations Cd stress on the content and translocation factor of 4 flower shrubs

3 結(jié)論與討論

利用植物修復(fù)技術(shù)進(jìn)行土壤重金屬污染治理具有效率高、安全環(huán)保、成本低等優(yōu)點，已經(jīng)被認(rèn)為是重金屬污染土壤修復(fù)的最佳技術(shù)之一.然而絕大多數(shù)篩選出來的重金屬超富集植物的生長量低，生長速度慢，且只能富集1 到2 種重金屬，這極大的局限了植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展[16].所以篩選到能大面積推廣應(yīng)用重金屬超富集植物很難[17].有研究表明人工設(shè)置土壤高濃度鎘污染法來篩選鎘的超富集植物是一種高效的方法，在農(nóng)田雜草的篩選中效率可達(dá)50%[14].而且研究發(fā)現(xiàn)園林植物不但有著較高的觀賞價值，在環(huán)境凈化和污染修復(fù)當(dāng)中也發(fā)揮著重要生態(tài)功能[18]，同自然生長未經(jīng)過人工馴化的植物相比，多種園林植物如花灌木已經(jīng)適應(yīng)城市的環(huán)境條件，在育種、栽培及病蟲害防治等方面非常成熟，還可以產(chǎn)生木材或生物質(zhì)能源，并且有可不進(jìn)入食物鏈，僅用來作為觀賞和美化環(huán)境等優(yōu)點，因此，篩選具有超富集作用的園林植物應(yīng)成為植物修復(fù)技術(shù)的新趨勢[19].

本研究即采用土壤高濃度鎘污染法來篩選花灌木中的鎘的超富集品種，研究結(jié)果表明，所選4種花灌木在不同Cd濃度土壤中的生長及富集狀況存在差異，大花蘆莉?qū)ν寥乐亟饘倬哂凶詈玫哪托院统患饔?，適合作為鎘污染土壤的修復(fù)植物；其次是千里香根莖葉對鎘具有一定的富集作用，生長狀況良好，可用于低濃度鎘污染的土壤修復(fù)；紅花檵木雖體內(nèi)重金屬鎘富集較少，但能在高濃度鎘處理下生長較好，說明紅花檵木對鎘具有很強的耐受性或抗性，適合選用為鎘污染土壤的植被恢復(fù)品種，但不能作為修復(fù)品種；長春花對鎘吸收量不大，而且生長不良，不適合種植在鎘污染土壤.4種花灌木對土壤鎘的富集作用的大小順序是：大花蘆莉＞千里香＞紅花檵木＞長春花；耐性或抗性順序為大花蘆莉＞紅花檵木＞千里香＞長春花.