重金屬鈷富集植物的初步篩選

張 勇，李 先，鄧 超，周毅吉，邵 穎，陳長鋼，鄒朝暉

（湖南省核農(nóng)學與航天育種研究所，湖南 長沙 410125）

隨著核工業(yè)的發(fā)展和核技術的廣泛應用，其給全球經(jīng)濟帶來迅速發(fā)展的同時也造成了日趨嚴重的環(huán)境污染問題，放射性核素及重金屬污染已成為當今難以治理的重要環(huán)境問題之一[1-3]。例如：鉛（Pb）、鎘（Cd）、鈷（Co）、銅（Cu）、鋅（Zn）、汞（Hg）、銫（137Cs）、鈾（U）、鍶（90Sr）等重金屬和放射性核素如在土壤中高度富集，將導致土壤環(huán)境惡化，影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，嚴重危害土壤的生態(tài)循環(huán)，若其通過食物鏈進入人體，也將危害人體健康，威脅人類的生命安全[4-6]。耕地是糧食安全的載體。為了保障全球糧食安全，國內(nèi)外學者十分重視污染土壤修復技術的研究。1983 年，美國科學家Chaney首次提出了植物修復技術[7]。與傳統(tǒng)方法相比，植物修復技術以其高效、經(jīng)濟和綠色等優(yōu)勢顯示出巨大的生命力[8-10]。研究發(fā)現(xiàn)，某些植物對重金屬有超積累現(xiàn)象[11-14]。這一發(fā)現(xiàn)促進了植物修復技術的發(fā)展。近年來，我國許多科研人員開展了超積累重金屬植物的篩選，取得了一系列的成果[15-19]。因此，尋求在不同環(huán)境條件下對重金屬污染有凈化效果的植物成為該領域的研究熱點。

鈷是人和動物必需的微量元素之一，是參與和構造維生素B12（VB12）特定結構的元素[20]。但是高濃度的鈷明顯抑制植物生長發(fā)育，鈷含量高的農(nóng)產(chǎn)品也會損害人和動物的健康[21-23]，因此土壤中鈷污染越來越受到人們的關注，成為迫切需要解決的問題。該試驗以一年生或多年生的植物為材料，研究其在鈷污染土壤中種植時對鈷的富集作用，篩選出鈷富集能力強的植物，為利用植物修復重金屬鈷污染土壤提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用的花卉購于長沙市紅星花卉市場，季節(jié)性蔬菜種子由湖南省蔬菜研究所提供，草本植物及木本植物采于長沙市周邊山區(qū)，一共有96 種參試植物。供試土壤為第四紀紅土發(fā)育紅黃泥，來源于湖南省農(nóng)業(yè)科學院院內(nèi)試驗田，有機質(zhì)24.3 g/kg，全氮1.42 g/kg，堿解氮178.5 mg/kg，有效磷25.4 mg/kg，速效鉀237.4 mg/kg，pH 值5.3。土壤經(jīng)充分粉碎、過4 mm 篩，混勻后，裝入內(nèi)徑26 cm、高30 cm 的瓷盆內(nèi)，每1 kg 土壤加50 mg 鈷，充分混合，每盆裝土10 kg，逐層裝土灌水，讓土壤自然沉實。每盆施復合肥10 g作為基肥。

1.2 試驗設計

試驗于2021 年1—12 月在湖南省核農(nóng)學與航天育種研究所網(wǎng)室中進行。采用盆栽法，移栽植物時，先用自來水將根系表面的泥土沖洗干凈，剪除損傷的爛葉、爛莖、爛根，操作時不損傷根系，再用去離子水小心沖洗，除去表面的重金屬，防止干擾元素影響試驗結果。將洗凈后的植物種植于裝有重金屬鈷污染泥土的瓷盆中。每個品種植物為1 個處理，重復3 次，以種植于未加鈷元素瓷盆中的植物為對照。所有處理置于網(wǎng)室中，降雨時蓋上防雨塑料，待雨停后馬上移開。

1.3 測定方法

1.3.1 植株取樣及干重測定供試植物網(wǎng)室培養(yǎng)結束后，參考Green 等[24]的方法將植株連帶栽培土壤整體取出浸入水中，清洗干凈根部泥土，獲得完整根系。然后將植株分為地上部和根系2 部分，先后分別用自來水和蒸餾水清洗干凈，編號裝入牛皮紙袋。105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重，分別測定根系和地上部的干重。使用粉碎機粉碎過0.3 mm 篩后保存待用。

1.3.2 鈷含量測定稱取粉碎后的烘干樣0.500 g（樣品以實際測得數(shù)值為準），采取HNO3-HClO4（體積比4 ∶1）混合酸濕法消化，采用Hanon220s 石墨消解儀消化完全后定容至25 mL 容量瓶，再采用原子吸收分光光度計（Varian spectrum AA220）用火焰吸收法測定鈷含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Excel2010 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。

2 結果與分析

2.1 試驗期間各參試植物形態(tài)特征的變化

鈷處理下，96 種植物都能成活，沒有出現(xiàn)枯死現(xiàn)象，表明這些植物對中度鈷污染的土壤有一定的耐受性。但是不同植物對鈷污染的敏感性不同，其中60%的植物生長發(fā)育受到不同程度的抑制，生物量比對照有所減少，部分達到顯著差異（P＜0.05），如香菇草、絲瓜、紅掌、毛竹等；40%的植物生長發(fā)育受影響較少，生物量與對照沒有顯著差異，如彩葉草、辣蓼、蒼耳等。因此，不同基因型的植物對鈷污染的敏感性存在較大的差異。

2.2 參試草本植物體內(nèi)的鈷含量

鈷雖對植物有毒性作用，但植物對鈷也有一定的吸收積累能力，并且這種能力由于各植物對鈷的吸收、轉(zhuǎn)運能力不同而呈現(xiàn)出一定的差異。由表1可知，在鈷脅迫處理下，34 份草本植物地上部鈷含量、地下部鈷含量表現(xiàn)出不同的變化趨勢及程度；地上部鈷含量最高的為19 號辣蓼，可達67.75 mg/kg，最低的為14 號香菇草，僅為0.68 mg/kg，辣蓼地上部的鈷含量是香菇草的近100 倍，參試草本植物地上部鈷含量平均值為14.39 mg/kg；各草本植物地下部鈷含量最高的是18 號革命草，達134.25 mg/kg，最低的為31 號燈心草，僅為4.23 mg/kg，革命草地下部鈷含量是燈心草的32 倍，參試草本植物地下部鈷含量平均值為46.21 mg/kg。由此可以看出，在鈷脅迫環(huán)境下，參試草本植物地上部鈷含量顯著低于地下部含量，以19 號辣蓼地上部及地下部的鈷含量均較高，可能為鈷的富集植物，需做進一步研究。

表1 參試草本植物體內(nèi)的鈷含量

2.3 參試南方季節(jié)性蔬菜體內(nèi)的鈷含量

由表2 可知，在鈷脅迫處理下，20 份南方季節(jié)性蔬菜地上部鈷含量、地下部鈷含量差異顯著（P＜0.05），同一種蔬菜地下部鈷含量顯著高于地上部鈷含量（P＜0.05）；地上部鈷含量最高的為48 號紅薯，可達21.80 mg/kg，最低的是47 號絲瓜，僅0.67 mg/kg，紅薯地上部鈷含量是絲瓜的近33 倍，參試南方季節(jié)性蔬菜地上部鈷含量平均值為7.63 mg/kg；地下部鈷含量最高的也是48 號紅薯，達76.45 mg/kg，最低的是41 號芹菜，僅3.16 mg/kg，紅薯地下部鈷含量是芹菜的約24 倍，參試南方季節(jié)性蔬菜地下部鈷含量平均值為20.11 mg/kg。大部分蔬菜地上部的生物量遠大于地下部，地下部及地上部的鈷含量都不是很高，而且其生長發(fā)育受外界環(huán)境因素影響較大。因此，南方季節(jié)性蔬菜一般不適宜于作為鈷富集植物。

表2 參試季節(jié)性蔬菜體內(nèi)的鈷含量

2.4 參試花卉植物體內(nèi)的鈷含量

從提取土壤中重金屬的角度來看，地上部重金屬含量并非植物修復潛力的唯一標準，植物的生長周期及生物量也是重要因素[25]。由表3 可知，22 份花卉植物在鈷脅迫處理下都能生存下來，表現(xiàn)出對鈷脅迫具有一定的耐受性，品種之間地上部及地下部鈷含量差異顯著（P＜0.05），同一品種地上部及地下部鈷含量差異顯著（P＜0.05）；地上部鈷含量最高的為63 號彩葉草，可達148.75 mg/kg，最低的為64 號紅掌，僅1.93 mg/kg，彩葉草地上部鈷含量是紅掌的約77 倍，參試花卉植物地上部鈷含量平均值為25.28 mg/kg；地下部含量最高的為65 號冷水花，達169.67 mg/kg，最少的為61 號茉莉花，僅4.37 mg/kg，冷水花地下部鈷含量是茉莉花的近39 倍，參試花卉植物地下部鈷含量平均值為43.77 mg/kg。由此可知，彩葉草地上部鈷含量較高，且生長周期較短、地上部生物量遠超地下部，可能為鈷的富集植物。

表3 參試花卉植物體內(nèi)的鈷含量

2.5 參試木本植物體內(nèi)的鈷含量

由表4 可知，在鈷脅迫處理下，20 份木本植物經(jīng)過一定時間的培養(yǎng)，生物量有顯著的增加，表現(xiàn)出對鈷具有一定的耐受性，品種之間地上部及地下部鈷含量差異顯著（P＜0.05）；地上部鈷含量最高的為89 號蒼耳，可達32.43 mg/kg，最低的為90 號毛竹，僅為0.19 mg/kg，蒼耳地上部鈷含量是毛竹的近171倍，參試木本植物地上部鈷含量平均值為6.89 mg/kg；地下部鈷含量最高的為81 號紅豆杉，達56.42 mg/kg，最低的為80 號袖珍椰子，僅1.87 mg/kg，紅豆杉地下部鈷含量是袖珍椰子的30 倍左右，參試木本植物地下部鈷含量平均值為15.98 mg/kg。由此可知，木本植物地上部及地下部的鈷含量在所有參試植物中是最低的，地上部分鈷含量最高與最低相差巨大，可能是木本植物是多年生植物，移栽時對根影響較大，恢復正常生長需要較長時間所致。

表4 參試木本植物體內(nèi)的鈷含量

3 結論與討論

鈷是對植物的有益的重要元素，在植物抗病、葉綠素合成和氮代謝等方面都有十分重要的作用[26]，但不同植物對鈷濃度的敏感性不同，當環(huán)境中鈷濃度超過植物的耐受值時則會對植物的生長產(chǎn)生明顯的抑制作用[27]。該試驗結果表明，96 種參試植物對鈷脅迫均有一定的耐受性，其中60%的植物生長發(fā)育受鈷濃度的影響顯著（P＜0.05）），40%的植物生長發(fā)育受影響較??；另外，所有參試植物的地下部鈷含量顯著高于地上部（P＜0.05）），與李黎[28]對倒掛金鐘、綠蘿、羽葉鬼針草等植物對鈷的富集規(guī)律是一致的。從不同類別植物來看，地下部鈷平均含量最高是草本植物，為46.21 mg/kg，地上部鈷平均含量最高是花卉植物，為25.28 mg/kg；地下部鈷含量較高的植物有冷水花、彩葉草、革命草、辣蓼等，地上部鈷含量較高的植物有彩葉草、冷水花、辣蓼、紫蘭等。綜合考慮鈷對參試植物的影響以及參試植物的鈷富集能力，認為彩葉草、冷水花、辣蓼等植物在鈷脅迫下表現(xiàn)出較強的耐受性和富集能力，可能是鈷富集植物，有待進一步研究驗證。