鉛、鎘脅迫下4種沉水植物的生長和生理響應(yīng)

常 寶 亮，吳 春 滿，陳 劍 鷹，王 彥 杰，3，4，徐 迎 春，3，4

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，江蘇 南京 210095； 2.浙江偉達(dá)園林工程有限公司，浙江 杭州 310051； 3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部景觀農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210095； 4.國家林業(yè)與草原局 華東地區(qū)花卉生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210095)

0 引 言

水體重金屬污染一直是水體污染的主要類別之一[1]。水體環(huán)境安全與人們生產(chǎn)生活息息相關(guān)，重金屬進(jìn)入河流、湖泊等水體環(huán)境中，其對人類健康的危害程度更大。在2019年《有毒有害水污染物名錄(第一批)》中，鉛、鎘重金屬及其化合物均有列入。水體鉛、鎘污染大多來自工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活污水排放，最終會通過食物鏈向上富集，進(jìn)而影響人類健康[2-3]。因此，水體的重金屬污染治理需得到進(jìn)一步深入研究。

重金屬常常形成自然界自身難以降解的重金屬污染物，治理手段多種多樣。植物生態(tài)修復(fù)是一種成本低且凈化效果好的水體重金屬污染治理技術(shù)。它利用水生植物與環(huán)境和微生物的共同作用對重金屬進(jìn)行凈化。隨著水生植物的刈割，植物體內(nèi)重金屬會被帶離水體，水體從而得到凈化[4]。研究表明，在不同生活型的水生植物中，與漂浮、浮水和挺水植物相比，沉水植物整體生活在水面以下，其生態(tài)修復(fù)效果更加明顯[5]。對比其他類型的水生植物，沉水植物的植株全部位于水下，與水體接觸面積比率最高，其植株各個部位均可蓄積較高的重金屬[6]。

目前關(guān)于沉水植物吸附重金屬的研究多關(guān)注于水體環(huán)境凈化。劉壽濤等[7]的研究表明，在灌溉水濕地凈化系統(tǒng)中，梭魚草(Pontederiacordata)對鎘吸附具有較高的凈化潛力。何芳芳等[8]對6種觀賞水生植物的研究發(fā)現(xiàn)，在處理農(nóng)業(yè)灌溉水銅、鋅、鉛污染中，水竹芋(Thaliadealbata)和菖蒲(AcoruscalamusL.)是較好的水生植物。但水體污染對植物的影響是可持續(xù)發(fā)展的重要一環(huán)，水生植物受到污染水體中重金屬長期作用才是保證水體環(huán)境穩(wěn)態(tài)發(fā)展的重要因素。因此，水體污染對植物生長影響的問題亟待進(jìn)一步探究。本研究選取常見的4種沉水植物，監(jiān)測不同濃度Pb2+，Cd2+對4種沉水植物生長發(fā)育及生理特性的影響，以及沉水植物對鎘和鉛的吸收情況，以期為恢復(fù)和維持良好的水生態(tài)系統(tǒng)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)植物粉綠狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)、馬來眼子菜(Potamogetonwrightii)、黑藻(Hydrillaverticillata)和微齒眼子菜(Potamogetonmaackianus)均由浙江偉達(dá)園林工程有限公司提供，采集地為浙江偉達(dá)園林工程有限公司水生植物種植基地。植物均為人工種植，生長環(huán)境無污染。挑選生長良好、個體均勻的植株洗凈后，于塑料種植盆(上口直徑53.5 cm，高35 cm)中用清水進(jìn)行適應(yīng)性培養(yǎng)，培養(yǎng)周期為7 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)龍?zhí)逗苫ɑ卣谟昱飪?nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)期間為自然溫度及光照。使用直徑53.5 cm、高35 cm的塑料培養(yǎng)盆，以水培種植方式進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)用水模擬自然狀況下的水體情況，采用1/2 Hoagland 營養(yǎng)液配制而成。鎘、鉛處理分別采用CdCl2分析純試劑、PbCl2分析純試劑配制試驗(yàn)濃度。參考文獻(xiàn)[9-10]進(jìn)行濃度設(shè)置，Cd污染濃度設(shè)置為0，1，5，10，20 mg/L 5個濃度梯度；Pb污染濃度設(shè)置為0，5，10，20，40 mg/L 5個濃度梯度。試驗(yàn)處理設(shè)置3次重復(fù)，試驗(yàn)時間共30 d，試驗(yàn)中蒸發(fā)的水分每3 d以自來水補(bǔ)充。

1.3 測定方法

在處理后第15天和第30天時采用卷尺(精度0.1 cm)與電子天平測定植物的株高和生物量。試驗(yàn)結(jié)束取部分植株葉片測定葉綠素含量、MDA含量、抗氧化酶活性等生理指標(biāo)，將剩余的植株樣品于100 ℃殺青1 h烘干至恒重后測定植株體內(nèi)重金屬鉛、鎘含量。參考文獻(xiàn)[11-12]測定植物葉片葉綠素含量、超氧化物岐化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性和丙二醛(MDA)含量。使用南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院中心實(shí)驗(yàn)室iCAP 7400等離子體發(fā)射光譜儀(美國Thermo Fisher公司)測定植物葉片內(nèi)鉛、鎘含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛、鎘單一污染水體下植株生長情況

在重金屬Pb2+、Cd2+污染環(huán)境下，植物的生長指標(biāo)將直接反映植物受脅迫程度[13-14]。同時也間接反映植物對重金屬污染環(huán)境的修復(fù)效果[15]。圖1～2為4種植物在Pb2+處理后的株高和生物量變化情況，圖3～4為4種植物在Cd2+處理后的株高和生物量變化情況，可知未加重金屬時4種植物的株高與生物量在第15天和第30天保持穩(wěn)定增長。無論P(yáng)b2+、Cd2+單一處理后，4種植物在兩個培養(yǎng)周期內(nèi)株高和生物量增長率均有所降低。這與紀(jì)美辰等[16]對鳶尾和水葫蘆研究結(jié)果相似，均為隨重金屬鉛濃度的增加，植株凈株高明顯受到影響。

圖1 不同時期Pb2+對植物株高相對增長率的影響

圖2 不同時期Pb2+對植物生物量相對增長率的影響

圖3 不同時期Cd2+對植物株高相對增長率的影響

不僅如此，隨鉛濃度的升高，植株的生長速度變緩，到后期高濃度培養(yǎng)液中的植物出現(xiàn)葉死、芽死、莖干、植株死亡的現(xiàn)象。在重金屬Pb2+、Cd2+處理下，4種植物的株高和生物量相較對照組均有不同程度的下降趨勢，且隨著處理濃度的升高下降越顯著。說明在Pb2+、Cd2+單一處理?xiàng)l件下，4種沉水植物均受到了重金屬對植株生長的抑制作用。

與對照組相比，不同處理組植物株高與生物量均明顯受到重金屬對其生長的抑制作用，隨著Pb2+、Cd2+單一處理濃度的升高，重金屬對植物的抑制程度增強(qiáng)。第30天的株高和生物量的相對增長率顯著高于第15天，說明4種植物在不同濃度Pb2+、Cd2+處理下均能夠生長，但會隨著Pb2+、Cd2+濃度的升高而生長受到抑制。微齒眼子菜在4種植物中的生長勢最強(qiáng)，顯著高于其他3種植物，但受重金屬影響也相對較大，受影響相對較小的沉水植物是馬來眼子菜和黑藻。總體來看，鎘對植物的毒害更強(qiáng)，高濃度下植株生長受到的抑制比鉛大。4種植物在鉛、鎘單一處理下，對株高抑制效果往往大于生物量。微齒眼子菜在鎘濃度為1 mg/L單一脅迫下，生物量較對照組得到增加，原因可能是一定濃度范圍內(nèi)的重金屬促進(jìn)了植物的生長[17]。

由圖5可知，在Pb2+、Cd2+單一處理下，培養(yǎng)30 d后4種沉水植物葉片葉綠素含量與重金屬處理濃度成反比。在Pb2+濃度為5 mg/L時，微齒眼子菜和黑藻的葉片葉綠素含量變化與對照組相比不顯著，Pb2+濃度在大于等于10 mg/L時，4種植物葉綠素含量均顯著低于對照組，其中，粉綠狐尾藻降低程度最大，達(dá)到51.3%。植物葉片有著一定的泛黃情況，說明植物生長受到脅迫。在Cd2+濃度為1 mg/L時，微齒眼子菜葉綠素含量與對照組相比變化不顯著，葉綠素含量為1.89 mg/g。在Cd2+處理濃度大于1 mg/L時，其他3種植物葉綠素含量與對照組相比均降低，其中，黑藻葉綠素含量相比下降51.2%，下降幅度最大。黑藻在4種植物中葉綠素含量最低并受到重金屬脅迫最為顯著，其葉片黃化程度也較為明顯。雖然對污染水體適應(yīng)性不高，但其對污染水體中重金屬鎘具有較好的吸收特性。已有研究表明，重金屬離子會阻礙銅綠微囊藻的光合作用[18]。本試驗(yàn)中，4種沉水植物同樣存在隨著重金屬濃度的升高，葉綠素含量逐漸降低的趨勢，說明植物的光合作用受到抑制。

圖5 4種沉水植物葉綠素含量對Pb2+、Cd2+的響應(yīng)

2.2 鉛、鎘單一脅迫下4種沉水植物的生理響應(yīng)

當(dāng)受到重金屬影響時，植物的非特異性防御系統(tǒng)會激活，這是植物維持細(xì)胞環(huán)境穩(wěn)定的要素[19-20]。鉛和鎘對細(xì)胞代謝的毒性作用取決于細(xì)胞質(zhì)中鉛和鎘作為游離陽離子的含量[21]。在逆境脅迫下植物維持正常的生理活動中，抗氧化酶含量在其中起到重要作用。植株在重金屬脅迫下體內(nèi)會產(chǎn)生大量的活性氧，造成植株氧化傷害，對植株生長產(chǎn)生負(fù)面作用。為了清除體內(nèi)多余的活性氧，保持植株在逆境環(huán)境下正常生長，植株體內(nèi)便產(chǎn)生抗氧化酶類，其中包含POD、SOD[22]。

研究結(jié)果表明(見圖6)，在Pb2+、Cd2+單一處理下，除微齒眼子菜外的其余3種沉水植物的SOD活性與對照組相比均顯著提高，且具有隨水體Pb2+、Cd2+濃度上升而提高的趨勢。但微齒眼子菜在Pb2+處理下，各處理組與對照組相比差異不顯著。微齒眼子菜SOD活性在Cd2+處理?xiàng)l件下與處理濃度成反比。黑藻和粉綠狐尾藻SOD活性在Pb2+處理下明顯升高。馬來眼子菜SOD活性在40 mg/L Pb2+濃度下呈現(xiàn)些許降低；黑藻SOD活性在Cd2+處理?xiàng)l件下上升最為顯著。由圖7可知，4種植物無論在Pb2+或Cd2+處理下，POD均隨著處理濃度升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，且低濃度鉛污染條件下4種植物POD活性上升顯著。相比于其他3種植物，粉綠狐尾藻的POD活性在不同重金屬濃度處理下與對照組相比不顯著。由此可以看出，不同植物在面對重金屬脅迫時應(yīng)對方式不同。在適宜濃度的重金屬脅迫下，抗氧化酶的活性均有提高，植物通過這種方式減少重金屬傷害，增強(qiáng)耐性[23]。通過對4種沉水植物在不同濃度Pb2+、Cd2+污染水體中的生長和生理響應(yīng)研究可知，微齒眼子菜由于自身的生長特性使其株高和生物量均高于其他3種，不僅如此，其在Pb2+處理下SOD無明顯變化，POD先是得到顯著升高后降低，在Cd2+處理下其SOD均呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，POD得到顯著增加，由此表明，面對脅迫微齒眼子菜能迅速做出響應(yīng)，具有一定的抗性。

圖6 4種沉水植物SOD活性對Pb2+、Cd2+的響應(yīng)

圖7 4種沉水植物POD活性對Pb2+、Cd2+的響應(yīng)

由圖8可知，在不同Pb2+處理濃度下，微齒眼子菜的丙二醛含量與對照組相比差異不顯著，黑藻的丙二醛含量在40 mg/L鉛處理?xiàng)l件下達(dá)到最高，馬來眼子菜在10 mg/L鉛處理?xiàng)l件下MDA含量顯著低于對照組，在40 mg/L濃度處理組中，粉綠狐尾藻丙二醛含量低于對照組。在鉛處理?xiàng)l件下，與對照組相比，黑藻的丙二醛含量均顯著升高。在鎘處理下，馬來眼子菜的丙二醛含量隨著處理濃度的增加規(guī)律為先增加后降低，在5 mg/L鎘處理下達(dá)到最高值。

圖8 4種沉水植物MDA含量對Pb2+、Cd2+的響應(yīng)

2.3 沉水植物對水體鉛、鎘的凈化作用

研究表明(見表1，2)，馬來眼子菜和黑藻葉片內(nèi)的重金屬含量隨著Pb2+濃度的升高，均得到顯著升高，粉綠狐尾藻在20 mg/L處理組體內(nèi)Pb2+含量達(dá)到最大值，微齒眼子菜在10 mg/L處理組體內(nèi)Pb2+含量達(dá)到最大值。微齒眼子菜在較低濃度Pb2+處理中植物體內(nèi)含量顯著高于其他處理組。高濃度鉛處理下，4種植物中馬來眼子菜植物體內(nèi)Pb2+含量最高，達(dá)35.40 mg/kg，其次是黑藻。值得注意的是，黑藻植株體內(nèi)的Pb2+濃度在Pb2+濃度為20 mg/L時高達(dá)79.80 mg/kg，遠(yuǎn)高于其他3種植物。

表1 4種沉水植物體內(nèi)的Pb2+含量變化

表2 4種沉水植物體內(nèi)的Cd2+含量變化

在鎘處理試驗(yàn)中，隨著Cd2+濃度的升高，4種植物均呈現(xiàn)出葉片內(nèi)Cd2+含量也升高的規(guī)律。較低濃度處理中，微齒眼子菜葉片內(nèi)鎘含量處于較高水平。在Cd2+濃度為1 mg/L時高達(dá)54.90 mg/kg。高濃度鎘處理?xiàng)l件下，4種植物中黑藻植物體內(nèi)Cd2+含量最高，達(dá)到1 356.90 mg/kg。綜合來看，高濃度重金屬水體污染下，黑藻對水體Pb2+、Cd2+的吸附作用均最好，但其受到的傷害程度也較高。綜上所述，4種沉水植物對不同濃度Pb2+、Cd2+污染水體均有一定的適應(yīng)性和凈化效果。但粉綠狐尾藻植株體內(nèi)鉛、鎘的含量均顯著低于其他3種植物，這與王曉美等[24]的研究結(jié)果相似。

3 結(jié) 論

本文研究了4種沉水植物在鉛污染和鎘污染水體中的生長與生理響應(yīng)情況，并比較了4種沉水植物富集水體中鉛、鎘的效果。試驗(yàn)表明，這4種沉水植物對水體中的鉛、鎘都有較好的耐受與富集能力，但不同鉛、鎘濃度處理?xiàng)l件下同種植物的生長情況與富集重金屬的效果不同，且不同植物的耐受與富集能力也具有一定差異。在鉛、鎘污染環(huán)境中，粉綠狐尾藻生長狀況最好，但對于重金屬的吸附效果最低。微齒眼子菜在較低濃度污染中植物吸收重金屬濃度處于較高水平，黑藻在高濃度污染中植物吸收重金屬濃度處于較高水平。綜合表明，在鉛、鎘水體污染中，粉綠狐尾藻生長具有一定的耐受性。黑藻在重金屬鉛、鎘污染水體中，植物體內(nèi)吸收重金屬含量較高，具有一定的吸附效果。