銻脅迫對香蒲生理生長指標的影響

沈子劍，商子健，王法鑫，劉 飛

（淮北師范大學 生命科學學院，安徽 淮北 235000）

0 引言

銻（Sb）是一種稀缺的金屬資源，由于廣泛的應(yīng)用于電池、防火材料等產(chǎn)品導(dǎo)致其在環(huán)境中普遍存在，已成為全世界面臨的重要環(huán)境難題之一［1］.據(jù)相關(guān)研究顯示，我國土壤中Sb含量的背景值是0.38～2.98 mg·kg-1，但在銻礦區(qū)及周邊地區(qū)、冶煉廠等地Sb含量會劇增［2］.研究表明，Sb及Sb化合物對于人體具有致癌性，并會在生物體內(nèi)蓄積并造成毒害作用，美國環(huán)境保護署已將銻列入優(yōu)先污染物名單［3-5］.人為因素是造成銻大面積污染的主要原因，過度且不規(guī)范的開采銻礦、銻化合物的過量使用以及煤炭大規(guī)模使用，都會造成銻污染.李航彬等［6］對湖南錫礦山及周邊礦區(qū)土壤中的銻含量及形態(tài)進行測定后發(fā)現(xiàn)各礦區(qū)土壤中銻含量高達185.6～2 081.3 mg·kg-1，嚴重超出土壤銻背景值.Ainsworth等［7］的研究發(fā)現(xiàn)在英格蘭一個冶煉銻工廠的周邊土壤中銻含量超過1 400 mg·kg-1，且隨著距離的增加銻含量降低.由此可見，緩解Sb污染問題亟不可待.

環(huán)境中Sb的存在形式主要是Sb3+和Sb5+，且毒性與價態(tài)密切相關(guān)［8］.據(jù)報道發(fā)現(xiàn)Sb3+毒性約是Sb5+的10倍，且Sb3+與紅細胞親和性極高［9］.Sb不是植物生長的必須元素，但依然可以被植物吸收［10］.Ren等［11］以不同形態(tài)Sb處理水稻發(fā)現(xiàn)，Sb3+和Sb5+均能導(dǎo)致水稻體內(nèi)積累大量的Sb，且Sb積累量在水稻體內(nèi)分布為根＞莖＞葉.Zhou等［12］通過對菖蒲進行Sb3+和Sb5+的脅迫處理后發(fā)現(xiàn)，隨著土壤中Sb含量的增加，菖蒲的葉綠素含量、株高、光合作用以及光合熒光參數(shù)均減少，但Sb5+的處理出現(xiàn)了毒物興奮效應(yīng)，250 mg·kg-1的Sb5+處理促進了菖蒲的生長.根據(jù)研究結(jié)果顯示，銻脅迫會抑制植物的發(fā)芽，并破壞光合系統(tǒng)Ⅱ，導(dǎo)致植物葉綠素含量降低進而降低光合速率［13］.

香蒲（Typha orientalis），是一種具有較高經(jīng)濟價值的多年生水生或沼生草本，因其根系發(fā)達、生物量高、繁殖能力強以及對于各種污染環(huán)境具有較高的耐受性而被廣泛應(yīng)用于人工濕地凈化污水［14-15］.據(jù)相關(guān)研究報道，香蒲可以在多種重金屬污染的環(huán)境中生長良好，而更細致的研究發(fā)現(xiàn)香蒲對Cu、Zn、Cd、As、Pb、Sb等重金屬具有較高的耐受性，并且能夠吸收和富集水體中的氮、磷等有機污染物［16-18］.香蒲具有極高的生態(tài)環(huán)境價值，目前有關(guān)探究Sb脅迫對香蒲生理生長指標影響的研究還未見報道.本研究以香蒲為材料，利用盆栽實驗，解析Sb脅迫對香蒲生理生長指標的影響，為后期香蒲在銻污染區(qū)域的引種及生態(tài)環(huán)境價值提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取香蒲（Typha orientalis）作為試驗材料，從江蘇省宿遷市榮玥園林有限公司購買香蒲幼苗，并篩選發(fā)育良好高度統(tǒng)一的香蒲幼苗作為試驗所用植株.試驗所用土壤取自淮北師范大學相山校區(qū)周邊田地土壤.經(jīng)檢測土壤中銻含量為0.086 mg/kg.取表層土壤后風干，破碎過60目篩備用.

1.2 試驗方案

在淮北師范大學相山校區(qū)生命科學學院溫室大棚進行銻脅迫對香蒲生理生長指標影響試驗，使用口徑35 cm，高34 cm的黑色塑膠桶作為花盆，每盆加入10 kg土壤，15 L水.選取發(fā)育良好，長勢一致的香蒲幼苗進行培養(yǎng)，每盆種植5顆幼苗.Sb3+溶液的配置使用酒石酸銻鉀，設(shè)置銻濃度梯度分別為0、50、100、200、500、1 000 mg·kg-16個處理，分別記為CK、A1、A2、A3、A4、A5，每個處理進行3次重復(fù)，對香蒲進行銻脅迫處理.以A5處理為基準計算鉀離子含量為0.321 mg·kg-1，給其他處理施加鉀肥達到這一濃度，以保證鉀離子對香蒲的影響一致.在種植期間定時加水，保持每個處理水位一致，銻脅迫45 d后進行生理生化指標的測定.

1.3 香蒲生理生化指標的測定

選取長勢較好的葉片，使用SPAD-502便攜式葉綠素熒光儀測定香蒲葉綠素含量.每盆處理測量6個葉片，每個葉片進行6次重復(fù)測量.香蒲進行暗處理1 h后，選取長勢較好的葉片使用MINI-PAM葉綠素熒光儀（Germany，WALZ）進行葉綠素熒光參數(shù)的測定，測定香蒲Fo（初始熒光）、Fm（最大熒光產(chǎn)量）.計算得出以下指標：Fv（可變熒光）=Fm-Fo，PSⅡ最大光化學效率=Fv/Fm，PSⅡ潛在活性=Fv/Fo.

使用Licor-6400XT便攜式光合儀測定銻脅迫處理下香蒲的光合參數(shù)，測定時間為晴天上午9點-11點30分，光照強度設(shè)定為1 000μmol·m-2·s-1，二氧化碳濃度為400μmol·mol-1，樣品室氣流量為450μmol·s-1.測定數(shù)據(jù)包括Pn、Gs、Ci、Tr.每個處理選取6片香蒲葉片進行測定，每次測定進行3次重復(fù).

使用卷尺對香蒲株高進行測定，每個梯度處理選取長勢良好的香蒲三株挖出后，用蒸餾水洗凈根部，從根部進行測量，結(jié)果取平均值.

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)的初步整理使用Excel(365)進行，使用SPSS21對數(shù)據(jù)進行深層次挖掘，并利用Origin2018作圖.

2 結(jié)果

2.1 銻脅迫對香蒲株高的影響

圖1展示了銻脅迫對香蒲株高的影響，通過株高可以反映銻對香蒲生長狀況的影響.由圖1可知，隨著Sb3+濃度的增高，香蒲株高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，顯示銻脅迫對香蒲的毒物興奮效益.當土壤中Sb3+濃度達到100 mg·kg-1時，香蒲株高達到最大值106.12±8.68 cm.土壤中Sb3+濃度超過100 mg·kg-1時，香蒲株高開始下降，1 000 mg·kg-1處理下香蒲株高最矮，為86.51±4.16 cm.對不同處理下的香蒲株高進行單因素方差分析，A2與其他處理之間存在顯著差異（p＜0.05），A5與CK、A1、A2、A3之間存在顯著差異（p＜0.05）.A2與對照相比，香蒲株高顯著增加了10.86%；A5與對照相比，香蒲株高顯著降低了9.63%.

圖1 銻脅迫對香蒲株高的影響

2.2 銻脅迫對香蒲葉綠素含量的影響

如圖2所示，展示了銻脅迫對香蒲葉綠素含量的影響，由圖可知隨著銻濃度的增加，香蒲葉片中葉綠素含量呈下降趨勢.各處理與CK相比，A1、A2、A3、A4、A5處理下香蒲葉片中葉綠素含量分別下降了13.00%、25.78%、34.36%、34.14%、51.17%.表明銻污染會降低香蒲葉片中葉綠素的含量，進而影響香蒲生長.單因素方差分析顯示，A2、A3、A4、A5處理下葉綠素含量均與CK存在顯著差異（p＜0.05），1 000 mg·kg-1銻處理下的葉綠素含量與其他處理均差異顯著（p＜0.05）.

圖2 銻脅迫對香蒲葉綠素含量的影響

2.3 銻脅迫對香蒲光合作用的影響

銻脅迫對香蒲光合作用的影響如圖3所示.土壤中銻濃度的增加，顯著降低了香蒲的Pn、Gs以及Tr，但是香蒲的Ci隨著銻濃度的增加呈上升趨勢.A5處理下的香蒲葉片光合參數(shù)與CK對比發(fā)現(xiàn)，Pn、Gs、Tr分別降低了65.39%、71.04和61.02%，Ci增加了20.06%.單因素方差分析顯示，Pn、Gs、Tr以及Ci在A2、A3、A4、A5與CK處理之間均具有顯著差異（p＜0.05）.以上結(jié)果表明，銻脅迫會顯著降低香蒲的光合能力，影響其生長.

圖3 銻脅迫對香蒲光合參數(shù)的影響

2.4 銻脅迫對香蒲葉綠素熒光參數(shù)的影響

表1展示了經(jīng)過不同濃度銻處理后香蒲葉片的葉綠素熒光參數(shù).通過對表1香蒲葉綠素熒光參數(shù)的分析可知，當銻濃度升高后，最大熒光、可變熒光、PSII最大光化學效率、PSII潛在活性、ΦPSII實際光化學效率以及電子傳遞速率（ETR）均呈下降趨勢，且單因素方差分析顯示，與CK對比A5處理下的香蒲葉綠素熒光參數(shù)均差異顯著（p＜0.05）.與CK對比A1處理的香蒲葉綠素熒光參數(shù)無顯著差異（p＞0.05）.A5與CK比較發(fā)現(xiàn)，最大熒光顯著降低了24.33%、可變熒光顯著降低了41.12%、PSII最大光化學效率顯著降低了23.08%、PSII潛在活性顯著降低了54.26%、ΦPSII實際光化學效率顯著降低了29.30%、電子傳遞速率顯著降低了60.47%.

表1 銻脅迫對香蒲葉綠素熒光參數(shù)的影響

3 討論

植物的株高可以反映重金屬的毒害影響，銻污染會導(dǎo)致植物葉片變小，植株矮?。?9-20］.通過銻脅迫對香蒲株高的影響發(fā)現(xiàn)，隨著Sb3+濃度的增高，香蒲株高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當Sb3+濃度達到100 mg·kg-1時，香蒲株高達到106.12±8.68 cm最大值.Sb3+濃度超過100 mg·kg-1時香蒲株高開始下降，1 000 mg·kg-1處理下香蒲株高最矮，為86.51±4.16 cm.胡龑等［21］研究發(fā)現(xiàn)菖蒲幼苗在100 mg·kg-1時生長狀況最好，超過100 mg·kg-1時出現(xiàn)生長抑制.任偉等［22］研究表明，砷脅迫同樣對于香蒲具有低濃度促進高濃度抑制的作用.本研究成果同樣體現(xiàn)出銻脅迫對香蒲具有低促高抑的作用.

葉綠素是葉綠體中的主要成分，對植物吸收并轉(zhuǎn)化光能起重要作用，因此葉綠素含量可以反映植物光合作用的程度［23］.本文研究結(jié)果顯示，隨著銻濃度的增加，香蒲葉片中葉綠素含量呈下降趨勢，1 000 mg·kg-1銻處理下的葉綠素含量與其他處理均差異顯著（p＜0.05）.據(jù)相關(guān)研究表明，當銻濃度超過一定范圍時，會抑制芥菜生長，導(dǎo)致其葉片葉綠素含量下降，與本文研究結(jié)果一致［24］.導(dǎo)致葉綠素降低的原因主要是銻濃度過高，破壞葉綠體中金屬蛋白結(jié)構(gòu)進而導(dǎo)致葉綠素生成量減少.

光合作用是評價植株生長發(fā)育的基礎(chǔ)指標，是植物物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)，重金屬脅迫會導(dǎo)致植物葉綠素含量減少，進而降低植物的光合效率［25］.相關(guān)研究顯示，Cu2+濃度會抑制蘿卜幼苗的形態(tài)、葉綠素含量并最終影響自身光合作用［26］.本文研究結(jié)果與上述報道一致，隨著銻濃度的增加，顯著降低了香蒲的Pn、Gs以及Tr，但是香蒲的Ci隨著銻濃度的增加呈上升趨勢.據(jù)報道，氣孔限制與非氣孔限制都會降低凈光合速率，胞間二氧化碳是判別氣孔與非氣孔限制的依據(jù)［27-28］.在本研究中隨著凈光合速率的降低，胞間二氧化碳呈上升趨勢，表明是受非氣孔限制因素導(dǎo)致，銻脅迫使香蒲葉肉細胞受損.

葉綠素熒光參數(shù)同樣反應(yīng)了光合作用與環(huán)境脅迫之間的關(guān)系，據(jù)相關(guān)研究報道，當Sb3+濃度超過50 mg·kg-1時會抑制玉米葉綠素的合成進而降低最大光化學效率［29］.同樣，銻脅迫會抑制菖蒲葉綠素的合成，降低凈光合速率進而導(dǎo)致最大光化學效率與ΦPSII實際光化學效率顯著減少，影響菖蒲生長發(fā)育導(dǎo)致植株矮小［12］.本研究結(jié)果與上述報道一致，在該研究中伴隨著銻濃度的增加，最大熒光、可變熒光、PSII最大光化學效率、PSII潛在活性、ΦPSII實際光化學效率以及電子傳遞速率（ETR）均呈下降趨勢，與CK對比A5處理下的香蒲葉綠素熒光參數(shù)均差異顯著（p＜0.05）.該結(jié)果表明，銻脅迫會破壞香蒲葉片的PSII反應(yīng)中心，進而導(dǎo)致ΦPSII實際光化學效率降低.

4 結(jié)論

綜上所述，銻對植物的脅迫機制十分復(fù)雜，本研究探討了銻脅迫對香蒲生理生長相關(guān)指標的影響，結(jié)果表明，100 mg·kg-1時，香蒲株高最高，而高濃度銻會抑制香蒲生長，但沒有導(dǎo)致香蒲幼苗的死亡，說明香蒲對銻具有耐受性.同時，銻濃度的增加會抑制香蒲葉片葉綠素的合成，進而導(dǎo)致香蒲葉綠素熒光參數(shù)的降低，并最終影響香蒲光合作用.本研究結(jié)果為后期香蒲在銻污染區(qū)域的引種及生態(tài)環(huán)境價值提供理論參考，對于銻在香蒲體內(nèi)的遷移與轉(zhuǎn)化還有待進一步研究.