重金屬脅迫下乙二胺二琥珀酸對植物生長的影響

聶文軍　譚策　解琳　金一鋒　朱琨　齊欣　楊曉杰　金忠民

摘要：許多研究表明，植物聯(lián)合化學修復重金屬污染土壤能有效提高修復速率，但在聯(lián)合修復對植物生長的影響方面關注甚少。為探究聯(lián)合修復時植物的生長情況，以高羊茅（Festuca arunclinacea）和黑麥草（Lolium perenne）為材料，分別于添加200 mg/kg 鉛、50 mg/kg鎘模擬的污染土壤中進行盆栽試驗，施加相同濃度梯度乙二胺二琥珀酸（EDDS），測定植物幼苗株高、含水量、葉綠素含量、可溶性蛋白（SP）含量、丙二醛（MDA）含量、過氧化物酶（POD）活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性等生理特征，得出最佳EDDS施用濃度，以改善修復過程中植物的健康狀況，進而提高植物對重金屬污染土壤的修復效率。結果表明，在單一鉛、鎘脅迫下，施加3 mmol/kg EDDS對植物的生長影響最小，可保證植物長期穩(wěn)定的修復效果，提高修復效率。

關鍵詞：乙二胺二琥珀酸（EDDS）;重金屬污染;聯(lián)合修復;生理指標;高羊茅;黑麥草

中圖分類號： X53文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）07-0260-04

全球土壤重金屬污染日趨嚴重，而我國南方地區(qū)的重金屬污染情況相比北方更加嚴重[1-5]。其中鉛、鎘對人類健康的風險較為嚴重;我國在解決重金屬污染問題方面已經(jīng)投入了大量財力、物力、人力[6-7]。在常見的重金屬污染修復方式中，生物修復作為“綠色”手段得到廣泛應用[8-9]，部分植物因其高效的重金屬富集能力而受到推廣，其中黑麥草與高羊茅因其超強的環(huán)境適應力以及高濃度重金屬耐受力而倍受關注[10-14]。

乙二胺二琥珀酸（EDDS）是常見的生物螯合劑，對不同重金屬的去除能力不同，對因重金屬污染導致的植物生物量低、葉片黃及生斑點等問題具有緩解作用[15-17]。適量施用外源EDDS不但可以節(jié)約經(jīng)濟成本，還可以提高修復效率。但目前國內(nèi)外對于EDDS和黑麥草、高羊茅在聯(lián)合修復重金屬污染土壤中的研究仍有不足，且大多研究EDDS協(xié)助植物對重金屬的富集能力，而在植物體生長影響方面的研究較少。本研究通過盆栽試驗，在單鉛（Pb）200 mg/kg、單鎘（Cd）50 mg/kg脅迫下對多年生高羊茅、黑麥草施加EDDS，測定植物幼苗株高、含水量、葉綠素含量、可溶性蛋白（SP）含量、丙二醛（MDA）含量、過氧化物酶（POD）活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性等生理特征，以表征單Pb、單Cd脅迫下施加外源EDDS對黑麥草、高羊茅的生長影響，確定外源EDDS最佳施用濃度范圍。

1 材料與方法

試驗于2018年9—12月在齊齊哈爾大學生命科學與農(nóng)林學院環(huán)境修復研究室進行。黑麥草和高羊茅種子采購于北京盛世鵬林生態(tài)科技有限公司，盆栽試驗用土購于齊齊哈爾市花卉農(nóng)貿(mào)市場。設置1個對照組、2個試驗組，重金屬處理分別為0、200 mg/kg Pb、50 mg/kg Cd，土壤中添加重金屬后室溫下平衡60 d。將平衡好的土壤分裝到規(guī)格為160 mm×140 mm×100 mm（上口徑×高×下口徑）的塑料花盆中，每盆400 g干土。

選取大小一致、籽粒飽滿的植物種子，用去離子水浸泡30 min后，用2%次氯酸鈉表面消毒30 min，然后用去離子水反復沖洗種子。將處理好的植物種子播種到上述試驗土中，14 d后，在植株長勢正常時，分別向各組花盆中按濃度0、1、2、3、4、5 mmol/kg 加入EDDS，30 d后，參照《植物生理學實驗指導》[18]測定新鮮植物幼苗的株高、含水量、葉綠素含量（分光光度計法）、SP含量（考馬斯亮藍法）、MDA含量（硫代巴比妥酸法）、POD活性（愈創(chuàng)木酚法）、SOD活性（氮藍四唑法）等生理指標。每個處理設置3個重復，分別測定后取平均值。

數(shù)據(jù)使用Excel 2016、SPSS 19.0、Origin 2017軟件進行整理分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 EDDS對重金屬脅迫下黑麥草、高羊茅幼苗株高及含水量的影響

圖1顯示，健康土壤中，EDDS的添加對2種植物幼苗的株高無明顯影響;Pb脅迫下的高羊茅幼苗在施加3 mmol/kg EDDS時株高達到最大值;Cd脅迫下黑麥草幼苗在施加1 mmol/kg EDDS時株高達到最大值。健康土壤中，施加的EDDS濃度達到3 mmol/kg 時，2種植物含水量最大。不同重金屬單一脅迫下，高羊茅幼苗含水量在施加3 mmol/kg EDDS時達到最大值;Pb脅迫下，EDDS施加濃度對黑麥草幼苗含水量無明顯影響;Cd脅迫下，EDDS施加濃度為4 mmol/kg時黑麥草含水量最大，且各處理組之間差異較小。

2.2 EDDS對重金屬脅迫下黑麥草、高羊茅幼苗葉綠素含量的影響

圖2顯示，健康土壤中，2種植物幼苗葉綠素對外源EDDS響應不明顯;不同單一重金屬脅迫下，高羊茅幼苗在EDDS施加濃度為3 mmol/kg時葉綠素含量達到最大值;Cd脅迫下黑麥草幼苗在4 mmol/kg EDDS處理組中葉綠素含量達到最大值，Pb脅迫下3 mmol/kg EDDS處理組中的黑麥草幼苗葉綠素含量達到最大值。

2.3 EDDS對重金屬脅迫下黑麥草、高羊茅幼苗SP、MDA含量的影響

圖3顯示，健康土壤中，隨著EDDS施加濃度的增加，高羊茅和黑麥草幼苗中SP含量變化不明顯，EDDS對其基本沒有影響;不同單一重金屬脅迫下，高羊茅和黑麥草幼苗中SP的含量均在EDDS施加濃度為3 mmol/kg 時達到最大值。健康土壤中，高羊茅和黑麥草幼苗中MDA含量對EDDS濃度變化的響應不明顯;Pb、Cd單一脅迫下的高羊茅幼苗中MDA含量在EDDS施加濃度為3 mmol/kg時最低;Cd脅迫下的黑麥草幼苗中MDA含量受EDDS濃度變化的影響不大，Pb脅迫下施加3 mmol/kg EDDS時黑麥草幼苗中MDA含量最低。

2.4 EDDS對重金屬脅迫下黑麥草、高羊茅幼苗POD、SOD活性的影響

圖4顯示，健康土壤中，EDDS施加濃度對幼苗POD、SOD活性沒有明顯的影響;在單一重金屬污染土壤中，Cd脅迫下高羊茅幼苗的POD活性在添加3 mmol/kg EDDS時達到最大值，SOD活性在添加2 mmol/kg ESSD時達到最大值。黑麥草幼苗POD活性在Cd脅迫下不受EDDS添加濃度變化影響，SOD 活性在添加2 mmol/kg EDDS時達到最大值;Pb脅迫下在添加3 mmol/kg EDDS時黑麥草POD活性最大，添加2 mmol/kg EDDS時SOD活性最大。

3 討論

不同劑量螯合劑對植物體的影響不同，低濃度會促進植物生長，高濃度則會產(chǎn)生毒害作用，具體表現(xiàn)為使植物葉片發(fā)黃、植株矮小且易萎蔫[19]。本試驗中主要的毒害特征表現(xiàn)為植株生長緩慢，由于暴露時間較短而未產(chǎn)生其他明顯的響應表現(xiàn)。生物螯合劑EDDS與非生物螯合劑乙二胺四乙酸（EDTA）相比，對Pb的活化效果較弱，對Cd的活化效果較強[20]。本試驗中隨著外源EDDS濃度的變化，單一Pb、Cd脅迫下植物幼苗生理特征變化有所差異。

3.1 EDDS對重金屬脅迫下黑麥草、高羊茅幼苗株高及含水量的影響

外源EDDS的添加對重金屬脅迫下黑麥草、高羊茅幼苗的株高以及含水量雖影響較小，但在一定程度上可以促進植株的生長，表現(xiàn)為低濃度EDDS促進重金屬脅迫下植物生長，高濃度EDDS抑制植物生長，甚至對植物產(chǎn)生毒害作用。楊波等研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的EDDS會促進三葉鬼針草幼苗的生長，高濃度EDDS則會顯著抑制其生長[21];但熊國煥等研究表明，隨著外源EDDS濃度的增加，植株幼苗株高和生物量降低或無顯著變化[22-23]。產(chǎn)生該種差異結果可能是由試驗過程中EDDS的施加方式、時間和不同種類植物以及試驗操作手段的差異所造成。

3.2 EDDS對重金屬脅迫下黑麥草、高羊茅幼苗葉綠素含量的影響

葉綠素是植物進行光合作用的主要物質，受到逆境脅迫時會發(fā)生明顯變化。在單一Pb、Cd脅迫下，對高羊茅和黑麥草幼苗施加適量外源EDDS，會緩解重金屬對葉綠素結構的破壞作用，但高濃度的EDDS會對植株造成二次脅迫，進而影響葉綠素含量。這與劉慧芹等對其他不同植物在外源污染物脅迫下葉綠素含量變化的研究結果[24-25]一致。

3.3 EDDS對重金屬脅迫下黑麥草、高羊茅幼苗SP、MDA含量的影響

SP可以提高植物細胞的保水能力，對植物細胞內(nèi)的生命物質以及生物膜起到保護作用。高羊茅和黑麥草幼苗受到單一Pb、Cd脅迫后SP含量降低。施加外源EDDS時，低濃度EDDS緩解了重金屬對幼苗的脅迫作用，使SP含量升高;高濃度EDDS使SP含量降低。MDA是植株幼苗對逆境的應激產(chǎn)物，其含量變化趨勢與SP相反。這與羅艷等對其他不同植物受脅迫后SP、MDA含量變化情況的研究結果[26-27]一致。

3.4 EDDS對重金屬脅迫下黑麥草、高羊茅幼苗抗氧化酶活性的影響

SOD和POD為植物體內(nèi)標志性抗氧化酶類，低濃度的Pb和Cd脅迫會使其活性升高，高濃度會抑制其活性。施加外源EDDS時，適宜濃度EDDS可以提高SOD、POD活性，當EDDS濃度過高時會破壞植物體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)，使植株幼苗表現(xiàn)出萎蔫甚至死亡的現(xiàn)象。這與曾超等對不同植物在外源脅迫下抗氧化酶系統(tǒng)變化情況的研究結果[28-30]一致。

4 結論

試驗結果表明，單一Pb、Cd脅迫下，施加3 mmol/kg EDDS可緩解植物受到重金屬脅迫的毒害影響，且效果最佳;增加EDDS濃度，反而會減弱這種緩解作用，甚至使植物幼苗受到損傷。在實際土壤修復過程中，通過添加適量EDDS可以促進植物對重金屬污染土壤的修復作用，而濃度過高會對修復植物產(chǎn)生危害，濃度過低則導致聯(lián)合修復效果不明顯。

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