3-吲哚乙酸對(duì)植物修復(fù)重金屬污染土壤的增效作用

戚琳 宋修超 沈新 陳雅靜 張瑞敏 關(guān)瑩

摘要：為探究植物在外源3-吲哚乙酸（IAA）作用下對(duì)重金屬[銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、鎘（Cd）]污染土壤的修復(fù)效果，以江蘇省某重金屬?gòu)?fù)合污染區(qū)土壤為對(duì)象，通過盆栽種植紫花苜蓿和黑麥草2種先鋒植物，研究3-吲哚乙酸對(duì)植物修復(fù)重金屬污染土壤效果的影響。結(jié)果表明：IAA可促進(jìn)植物在重金屬污染的土壤中生長(zhǎng)，紫花苜蓿和黑麥草株高、根長(zhǎng)和生物量均比不添加IAA的處理顯著高;相比于對(duì)照，各處理土壤重金屬含量降低，其中IAA處理下黑麥草土壤Cu、Zn、Cd含量最低，IAA處理下紫花苜蓿土壤Pb含量最低;IAA作用下土壤重金屬去除率和植物體內(nèi)重金屬含量提高，2種植物對(duì)4種重金屬的生物富集系數(shù)（BCF）提高，但紫花苜蓿中Pb和Zn轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）降低，黑麥草中Cu和Zn的TF不受IAA影響。綜合分析，植物激素IAA可促進(jìn)植物生長(zhǎng)，對(duì)植物修復(fù)土壤重金屬污染具有增效作用。

關(guān)鍵詞：3-吲哚乙酸;植物修復(fù);重金屬;去除率;富集系數(shù);轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

中圖分類號(hào)： X53文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2022）04-0193-05

收稿日期：2021-05-14

基金項(xiàng)目：江蘇開放大學(xué)（江蘇城市職業(yè)學(xué)院）“十三五”科研規(guī)劃課題（編號(hào)：18SSW-ZR-Y-17）;江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（編號(hào)：202014000008Y）;江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（編號(hào)：HX2017005）。

作者簡(jiǎn)介：戚 琳（1987—），女，山西臨汾人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事環(huán)境生態(tài)學(xué)及土壤修復(fù)相關(guān)研究。E-mail：qlkatrina@163.com。

通信作者：宋修超，博士，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物肥料化與基質(zhì)化利用相關(guān)研究。E-mail：xiuchao103@163.com。

土壤是動(dòng)植物和微生物的主要棲息場(chǎng)所，同時(shí)是各種污染物的最終歸宿[1]。土壤污染具有隱蔽性、滯后性、累積性和不可逆轉(zhuǎn)性等特點(diǎn)，導(dǎo)致其治理難度大、耗時(shí)長(zhǎng)、恢復(fù)代價(jià)大[2]。作為典型的無機(jī)污染物，重金屬毒性強(qiáng)，進(jìn)入土壤后難降解，能與土壤有機(jī)質(zhì)或礦物質(zhì)相結(jié)合并長(zhǎng)期留存于土壤中，最終在土壤中不斷積累[3]，同時(shí)通過食物鏈的富集作用危及人類健康，引發(fā)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。

植物修復(fù)（phytoremediation）是利用植物及其根際微生物群落的理化或生物過程來吸收、轉(zhuǎn)化、降解、揮發(fā)或固定土壤污染物的一種原位生物修復(fù)技術(shù)[6-7]。相較于傳統(tǒng)理化修復(fù)方法，植物修復(fù)成本低，對(duì)環(huán)境破壞小、擾動(dòng)少[8]。然而，大多數(shù)超積累植物（hyperaccumulator）適生范圍窄、根系淺、生長(zhǎng)慢，無法達(dá)到快速處理復(fù)合污染土壤的目的[9]。因此，植物修復(fù)的關(guān)鍵在于促進(jìn)植物體根部生物量的增加，保證植物在污染土壤中定植并發(fā)揮作用。

植物激素3-吲哚乙酸（IAA）是植物體內(nèi)合成的、調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育的微量有機(jī)物質(zhì)，能促進(jìn)植物細(xì)胞伸長(zhǎng)、分裂和分化生長(zhǎng)，提高植物抗逆性、促進(jìn)植物根系發(fā)育和葉片生物量的增加，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和生理生化有著重要影響[10-11]。IAA用于促進(jìn)植物生長(zhǎng)已具有一定的研究基礎(chǔ)[12]，但應(yīng)用于強(qiáng)化植物修復(fù)土壤重金屬的報(bào)道較少。因此，本研究選取江蘇省典型重金屬?gòu)?fù)合污染土壤，篩選先鋒植物紫花苜蓿和黑麥草，利用盆栽試驗(yàn)，將IAA應(yīng)用于土壤重金屬污染的植物修復(fù)領(lǐng)域，結(jié)合3-吲哚乙酸與植物產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，以期為重金屬污染土壤的植物修復(fù)中引入植物激素提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）和黑麥草（Lolium perenne L.）種子購(gòu)自河北景天種業(yè)有限公司;吲哚乙酸購(gòu)于杭州茉鋇特生物科技有限公司。

供試土壤取自蘇北地區(qū)某重金屬?gòu)?fù)合污染區(qū)，土壤pH值6.5，有機(jī)質(zhì)含量17.3 g/kg，銅（Cu）含量73.4 mg/kg，鉛（Pb）含量105 mg/kg，鋅（Zn）含量298.6 mg/kg，鎘（Cd）含量1.1 mg/kg。使用前風(fēng)干、磨細(xì)并過20目篩，稱取5 kg土壤于塑料盆缽中待用。取飽滿的種子用10%H2O2消毒，無菌水反復(fù)沖洗干凈后，均勻鋪在培養(yǎng)皿上并覆蓋濕潤(rùn)紗布，置于28 ℃培養(yǎng)箱。3～4 d后挑選長(zhǎng)勢(shì)健壯一致的幼苗轉(zhuǎn)移至盆缽，移栽10株/盆，土壤水分含量調(diào)節(jié)至最大田間持水量的60%左右。IAA用乙醇溶解，加蒸餾水配制成10 mg/L溶液備用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2020年9—10月在江蘇城市職業(yè)學(xué)院屋頂花園進(jìn)行，共設(shè)置5個(gè)處理：既不種植物也不添加IAA（CK）、種植紫花苜蓿（P1）、種植紫花苜蓿并添加IAA（P1+I）、種植黑麥草（P2）、種植黑麥草并添加IAA（P2+I），每個(gè)處理重復(fù)3次，試驗(yàn)周期60 d。添加IAA的處理分別于試驗(yàn)10、30、50 d灌根施用，以防止IAA光解。試驗(yàn)結(jié)束采集土壤和植物樣品：以土鉆隨機(jī)采8個(gè)點(diǎn)/盆，混合均勻裝入干凈的自封袋中;隨機(jī)選取5棵/盆整株植株，作為1個(gè)植株樣品放入信封保存。

1.3 分析方法

1.3.1 紫花苜蓿和黑麥草株高及生物量測(cè)定

紫花苜蓿和黑麥草植株用蒸餾水充分洗凈，測(cè)定其株高及根長(zhǎng);植株于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘至恒質(zhì)量，植株地上部及地下部分別稱質(zhì)量。

1.3.2 土壤及植物中重金屬含量測(cè)定

植株樣品用粉碎機(jī)磨碎過80目尼龍篩，土壤樣品自然風(fēng)干，研磨過100目尼龍篩，用HNO3-HClO4消解植物樣，HCl-HNO3-HClO4消解土樣[13]，通過7500A 型Aligent電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測(cè)定植物和土壤中的Cu、Zn、Cd、Pb含量。

1.3.3 富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

富集系數(shù)BCF=Cp/C0，式中：Cp代表植物體內(nèi)重金屬含量，mg/kg;C0為土壤重金屬的初始含量（1.1節(jié)），mg/kg。

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)TF=Ca/Cu，式中：Ca代表植物地上部重金屬含量，mg/kg;Cu代表地下部重金屬含量，mg/kg。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010整理，SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析（One-Way ANOVA）和多重比較（LSD）檢驗(yàn)處理間的差異以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，設(shè)顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 IAA對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

如圖1所示，添加IAA可促進(jìn)植物生長(zhǎng)，使其株高和根長(zhǎng)均顯著高于不添加IAA的處理（P<0.05）。僅種植紫花苜蓿的P1處理、僅種植黑麥草的P2處理植株株高分別為17.29、14.95 cm，在IAA作用下分別增加30.0%、29.8%，而IAA作用下紫花苜蓿和黑麥草根長(zhǎng)分別比不添加IAA的植株增加32.6%和43.0%。

如圖2所示，IAA處理下紫花苜蓿和黑麥草植株生物量均有所增加，且顯著高于不添加IAA的處理。其中，P1+I處理地上部生物量最大，達(dá)到 1.14 g/株，P2+I地下部生物量最大，達(dá)到0.70 g/株。

2.2 IAA對(duì)土壤重金屬的影響

由圖3可知，所有種植植物的處理土壤重金屬含量均低于CK，不同處理對(duì)土壤Cu、Zn和Cd的去除率表現(xiàn)為CK<P1<P2<P1+I<P2+I。在IAA作用下，種植黑麥草的土壤中Cu、Zn、Cd含量最低，分別為37.49、192.16、0.96 mg/kg。土壤Pb的去除率表現(xiàn)為CK<P2<P1<P2+I<P1+I，IAA處理下紫花苜蓿土壤Pb含量最低，為64.30 mg/kg。

2.3 IAA對(duì)植物體內(nèi)重金屬含量的影響

由表1可知，2種植物地上部和地下部均可檢測(cè)出重金屬，且各處理地下部的重金屬含量高于地上部。所有添加IAA處理的植物地上部和地下部重金屬含量均高于僅種植植物的處理，其中P1+I處理地上部和地下部Pb、Zn和Cd含量最高，P2+I處理地上部和地下部Cu含量最高，說明外源添加IAA可促進(jìn)紫花苜蓿對(duì)Pb、Zn和Cd的吸附以及黑麥草對(duì)土壤Cu的吸附。

由表2可知，相比于僅種植植物的處理，添加IAA可提高4種重金屬的生物富集系數(shù)（BCF），且P2+I處理Cu的BCF最大，為1.29，顯著高于其他3個(gè)處理;P1+I處理Pb、Zn和Cd的BCF最大，分別為1.12、2.26和1.34，顯著高于其他3個(gè)處理（P<0.05），說明IAA可促進(jìn)植物對(duì)土壤重金屬的富集吸收。添加IAA對(duì)重金屬在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）影響隨植物種類和重金屬種類的不同而變化，Cu最大的TF是P2和P2+I處理，為0.20;而Pb、Zn和Cd最大的TF分別為P2+I、P1和 P1+I 處理，分別為0.66、0.65和0.52。紫花苜蓿添加IAA降低了Pb和Zn的TF，而黑麥草添加IAA對(duì)Cu和Zn的TF無影響。

3 討論

重金屬脅迫下植物生長(zhǎng)會(huì)受抑制，而外源IAA使植株株高、根長(zhǎng)和生物量增加，這是由于低濃度植物激素對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，能夠促進(jìn)細(xì)胞分裂、刺激細(xì)胞伸長(zhǎng)，在器官和整株水平對(duì)植物生長(zhǎng)起促進(jìn)作用[14]。在本研究中，IAA可促進(jìn)紫花苜蓿和黑麥草生長(zhǎng)，顯著提高植株株高、根長(zhǎng)和生物量。周建民等研究發(fā)現(xiàn)，IAA能促進(jìn)植物根系伸長(zhǎng)，增加植株高度，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，增加地上部生物量[15];López等認(rèn)為，IAA能夠促進(jìn)植物細(xì)胞分裂和分化，增強(qiáng)植物根系生長(zhǎng)，促進(jìn)植物對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和污染物質(zhì)的吸收[16]。

紫花苜蓿和黑麥草在生長(zhǎng)過程中，根系在土壤中迅速擴(kuò)展，可為重金屬提供充足的吸附點(diǎn)，有利于植物對(duì)重金屬的吸收提取，使土壤中重金屬含量降低、去除率升高。而外源IAA促進(jìn)了植物在污染土壤中的生長(zhǎng)，尤其是對(duì)根系生長(zhǎng)的促進(jìn)，使植物得以在污染土壤中定植并發(fā)揮修復(fù)作用。本研究發(fā)現(xiàn)，IAA可顯著提高2種植物體內(nèi)的重金屬含量，同時(shí)，種植紫花苜蓿的土壤中4種重金屬和種植黑麥草的土壤中Zn、Cd含量顯著降低。Li等連續(xù)3年種植景天屬植物，研究植物提取修復(fù)對(duì)土壤重金屬的影響，發(fā)現(xiàn)土壤全量Cd、Zn含量顯著低于對(duì)照組[17]。吳東墨等研究了吲哚乙酸和激動(dòng)素配合施用對(duì)蜈蚣草提取土壤砷效率的影響，發(fā)現(xiàn)2種激素有助于總As含量顯著降低，但對(duì)土壤有效態(tài)As含量無顯著影響[18]。向言詞等研究發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)施用IAA或吲哚乙酸-水楊酸（IAA-SA）聯(lián)合處理可有效緩解鉛對(duì)芥菜型油菜生長(zhǎng)的抑制效應(yīng)，并顯著增加芥菜型油菜體內(nèi)鉛含量[19]。趙書晗等用20 mg/L IAA處理2種不同砷富集能力植物，發(fā)現(xiàn)IAA可使植物既保持正常生長(zhǎng)又超量富集砷，植物生物量和葉片砷含量均顯著增加[20]。Fssler等發(fā)現(xiàn)，低濃度IAA處理可有效促進(jìn)向日葵生長(zhǎng)，同時(shí)葉片中鉛和鋅含量顯著提高[21]。

富集系數(shù)指植物體內(nèi)某重金屬的含量與植物生長(zhǎng)土壤中該重金屬含量的比值，用于評(píng)價(jià)植物將重金屬吸收轉(zhuǎn)移到其體內(nèi)的能力[22]。在本研究中，2種植物在IAA的作用下對(duì)重金屬的富集能力顯著提高，這是由于IAA可有效緩解重金屬對(duì)植物的毒害，在促進(jìn)植物生長(zhǎng)的同時(shí)提高植物對(duì)重金屬的耐受性和吸收提取能力[15，23]。相比之下，黑麥草對(duì)Cu的富集能力更強(qiáng)，而紫花苜蓿對(duì)Pb、Zn、Cd的富集能力更強(qiáng)。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）指植物體內(nèi)地上部重金屬與地下部重金屬含量的比值，用于評(píng)價(jià)植物根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的能力[13]。Hadi等用吲哚乙酸噴施玉米葉片后發(fā)現(xiàn)，植物生長(zhǎng)受到促進(jìn)、生物量顯著增加，玉米對(duì)鉛的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力也顯著增強(qiáng)[24]。在本研究中，IAA能顯著提高紫花苜蓿對(duì)Cu和Cd以及黑麥草對(duì)Pb和Cd向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的能力，對(duì)紫花苜蓿轉(zhuǎn)運(yùn)Pb和Zn的能力反而起到抑制作用，這與郗厚葉等的研究結(jié)果[25]一致，推測(cè)是由于外源IAA作用下，紫花苜蓿根部對(duì)Pb和Zn積累量遠(yuǎn)高于地上部，導(dǎo)致轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)低于不添加IAA的處理。

4 結(jié)論

相比于僅種植植物的處理，外源3-吲哚乙酸可促進(jìn)紫花苜蓿和黑麥草生長(zhǎng)，顯著提高植株株高、根長(zhǎng)和生物量，對(duì)紫花苜蓿地上部生物量的影響更明顯，而黑麥草則表現(xiàn)為地下部影響更明顯。IAA作用下，土壤中重金屬的去除率和植物體內(nèi)重金屬含量提高，紫花苜蓿和黑麥草對(duì)4種重金屬（Cu、Pb、Zn和Cd）的生物富集系數(shù)（BCF）顯著提高，但紫花苜蓿中Pb和Zn轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）降低，黑麥草中Cu和Zn的TF不受IAA影響。綜合分析，外源添加植物激素IAA可強(qiáng)化土壤重金屬的植物修復(fù)效果。

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