入侵植物假蒼耳對(duì)鎘的富集特征

趙修華，任之光，祖元?jiǎng)偅?怡

(東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040)

工業(yè)污染、農(nóng)田灌溉、農(nóng)用物資等因素導(dǎo)致重金屬對(duì)土壤的污染日趨嚴(yán)重。由于重金屬本身的相對(duì)穩(wěn)定性和難降解性［1］，使得土壤污染具有隱蔽性、不可逆性、長(zhǎng)期性及后果嚴(yán)重性的特點(diǎn)［2］。因此土壤重金屬污染已成為當(dāng)今世界上最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一，治理土壤重金屬污染已成為人們的共識(shí)。

目前，治理土壤重金屬污染的方法主要有沉淀法、淋洗法、拮抗法、電化法和磁化法等［3－5］。1983年，美國(guó)科學(xué)家提出利用“超富集植物 (hyperaccumulator)”從土壤中大量富集重金屬［6］。與傳統(tǒng)方法相比，這種技術(shù)具有投入成本低、工程量小、沒有二次污染、能減少土壤侵蝕、美化景觀、提高土壤有機(jī)質(zhì)和培肥地力等優(yōu)點(diǎn)［7－9］，而其關(guān)鍵就是選育出對(duì)污染元素有較強(qiáng)吸收能力的超富集植物。目前，有關(guān)超富集植物的衡量標(biāo)準(zhǔn)有3個(gè):一是臨界含量標(biāo)準(zhǔn)［10］，即植物莖或葉中重金屬達(dá)到其臨界含量;二是富集系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即富集系數(shù)大于1.0［11］;三是轉(zhuǎn)移系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即重金屬在植物地上部含量大于其根部含量［12］，同時(shí)還需要有一定的耐受能力［13］。盡管目前已報(bào)道的超富集植物有數(shù)百種之多，但植物修復(fù)技術(shù)還不成熟，目前大多還只處于試驗(yàn)階段［14］。因此，超富集植物的篩選仍是植物修復(fù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，通過各種方式篩選超富集植物對(duì)于植物修復(fù)種質(zhì)資源庫的建立乃至理想超富集植物的構(gòu)建都具有重要意義。

本文擬選取營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段的假蒼耳作為實(shí)驗(yàn)材料，探求其對(duì)土壤中鎘離子的去除。與其它已知的超富集植物相比，假蒼耳為外來入侵物種，在我國(guó)東北地區(qū)分布廣泛，材料易得，地上部分生物量大且抗逆性強(qiáng)。又因其生長(zhǎng)迅速使得假蒼耳作為富集材料具備高效、廉價(jià)等優(yōu)勢(shì)。本試驗(yàn)旨在不產(chǎn)生人為擴(kuò)大入侵范圍的同時(shí)研究假蒼耳在含鎘污染環(huán)境中的生長(zhǎng)反應(yīng)及其對(duì)鎘的吸收和積累特征，以期為重金屬污染土壤在植物修復(fù)和治理方面提供新種質(zhì)資源的同時(shí)，探索在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域中入侵物種生態(tài)資源化利用的新途徑，最終達(dá)到變廢為寶、以廢治廢的雙贏效果。

1 材料與方法

1.1 植物材料的培養(yǎng)

將假蒼耳種子 (采自黑龍江省哈爾濱市郊)撒在盛土的塑料盆中，保持濕潤(rùn)，在溫室中育苗。待長(zhǎng)出4片幼葉后，選擇萌發(fā)一致的假蒼耳幼苗去土洗泥，置于智能植物培養(yǎng)箱 (ZPW－400型號(hào))中進(jìn)行培養(yǎng)，以Hoagland為基礎(chǔ)配制營(yíng)養(yǎng)液各元素濃度 (mmol/L)為:N，4.8;P，0.4;K，2.0;Ca，2.5;Mg，0.25;Na，0.2;Fe，2.24 ×10－2;Mn，2.3 × 10－3;B，1.15 × 10－2;Zn，1.9 ×10－4;Mo，5 ×10－5;Cl，0.2;S，0.28。每周更換1次以維持各元素的濃度。根據(jù)假蒼耳大范圍生長(zhǎng)地環(huán)境條件設(shè)置培養(yǎng)條件為:每天12 h光照，晝/夜溫度28℃/20℃，相對(duì)濕度70%，并用上述配方配制的營(yíng)養(yǎng)液預(yù)培養(yǎng)30 d后待實(shí)驗(yàn)用。在盆栽試驗(yàn)中營(yíng)養(yǎng)液每周更換1次，以維持各處理濃度。

1.2 重金屬富集實(shí)驗(yàn)

營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)30 d后，選擇生長(zhǎng)一致的植株進(jìn)行重金屬富集實(shí)驗(yàn)。將CdCl2(分析純?cè)噭?用去離子水配制成濃度為0.1 g/L的母液，然后用Hoagland營(yíng)養(yǎng)液稀釋成0.5 mg/L、1 mg/L、2 mg/L、5 mg/L、7 mg/L、10 mg/L和14 mg/L7個(gè)濃度梯度的培養(yǎng)液，用0.1 mol/LNaOH或0.1 mol/L HCl調(diào)pH至6.5，設(shè)定空白對(duì)照組。每個(gè)濃度水平設(shè)3盆平行，每盆6株苗。每周更換1次營(yíng)養(yǎng)液，并保持pH在6.5左右。培養(yǎng)條件為:每天12 h光照，晝/夜溫度28℃/20℃，相對(duì)濕度70%。在假蒼耳未開花的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段選定取樣時(shí)間［15］，分別在28 d和56 d收獲植物。

1.3 樣品分析與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

將收獲的植物分成根、莖和葉3部分，分別用自來水充分沖洗以去除粘附于植物樣品上的重金屬離子及污物，然后再用去離子水沖洗，瀝去水分后殺青、烘干、粉碎后備用。植物樣品采用干灰化法消解［16］，采用Z－5000型原子吸收分光光度計(jì)在228.8 nm 處測(cè)定樣品中重金屬含量［17－19］。

所有檢測(cè)的數(shù)據(jù)都重復(fù)3次，運(yùn)用Origin 7.5進(jìn)行平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算，以Mean±SD形式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 假蒼耳對(duì)鎘的耐性

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，假蒼耳能在含Cd濃度為0～14 mg/L的營(yíng)養(yǎng)液中存活，說明假蒼耳對(duì)Cd具有較強(qiáng)的耐性。不同Cd濃度梯度處理?xiàng)l件下假蒼耳地上部單株生物量如圖1所示。由圖1可見，在0～5 mg/L的Cd營(yíng)養(yǎng)液中，假蒼耳地上部生物量與對(duì)照相比呈先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)Cd濃度在0.5 mg/L時(shí)，地上部生物量達(dá)到最大值 (第28 d和56 d相應(yīng)為0.28 g/株和0.35 g/株);Cd濃度在5～10 mg/L時(shí)，隨著Cd濃度增加生物量緩慢降低，但均不顯著;Cd濃度在14 mg/L時(shí)，假蒼耳葉片開始出現(xiàn)如萎黃、缺綠等受脅迫癥狀，生長(zhǎng)開始受到抑制。Cd作為一種植物非必需元素，并且?guī)в卸拘?，假蒼耳對(duì)其的耐受濃度為14 mg/L左右。

圖1 Cd處理對(duì)假蒼耳地上部生物量的影響 (平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差)Fig.1 Effects of Cd treatment on the biomass in shoot of Iva Xanthifolia(Mean±SD)

2.2 假蒼耳對(duì)鎘的富集特征

不同Cd濃度梯度營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)28 d和56 d后假蒼耳不同部位的Cd含量及富集特征指數(shù)分別列于表1和表2中。由表1和表2可看出，在營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)下假蒼耳根、莖和葉中鎘含量均較高。在所有處理中，假蒼耳地上部Cd含量均大于其根系Cd含量，轉(zhuǎn)移系數(shù)為1.43～8.62(均大于1)。在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的濃度范圍內(nèi)，假蒼耳地上部的Cd含量第28 d和56 d分別為203.81～468.37 mg/kg和121.22～474.30 mg/kg，均超過了Cd超富集植物應(yīng)達(dá)到的臨界含量標(biāo)準(zhǔn) (植物地上部Cd含量大于100 mg/kg)。因此從植物對(duì)Cd的積累特性來看己經(jīng)滿足Cd超富集植物的臨界含量特征和富集系數(shù)及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)特征。

表1 營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)28 d后假蒼耳各部位中鎘的積累濃度 (平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差)Tab.1 Cd cumulative concentrations in different organs of Iva Xanthifolia after growing for 28 days in nutrient solution(Mean±SD)

表2 營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)56 d后假蒼耳各部位中鎘的積累濃度 (平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差)Tab.2 Cd cumulative concentrations in different organs of Iva Xanthifolia after growing for 56 days in nutrient solution(Mean±SD)

圖2為假蒼耳在不同Cd濃度梯度營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)不同時(shí)間后各部位Cd含量變化圖。由圖2可見，營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)28 d后，隨著Cd濃度的增加各部位的含量均呈增加趨勢(shì)，總體表現(xiàn)為莖＞葉＞根。培養(yǎng)56 d后，莖的Cd含量隨著培養(yǎng)液的濃度增加而增加，而葉和根則表現(xiàn)為在低濃度區(qū)增加，在高濃度區(qū)降低的趨勢(shì)。

圖3為不同Cd濃度梯度營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)不同時(shí)間后假蒼耳富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的變化圖。由圖3可見，營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)28 d，隨著Cd濃度的增加富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大體上都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而培養(yǎng)56 d后則不規(guī)律變化，這可能是由于隨著根部積累的Cd增多，導(dǎo)致其代謝和吸收機(jī)能受到了抑制的結(jié)果。

2.3 假蒼耳對(duì)鎘的超富集特征判定

超富集植物是指能超量積累一種或同時(shí)積累幾種重金屬元素的植物。當(dāng)植物對(duì)某種重金屬的富集特征具有臨界含量特征、轉(zhuǎn)移特征、耐性特征和富集系數(shù)特征時(shí)，即可將其認(rèn)定為是該重金屬的超富集植物［18－20］，其中最重要的指標(biāo)是臨界含量特征。Cd的臨界含量、富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值分別為 100 mg/kg、1 和 1［21，22］。營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在Cd實(shí)驗(yàn)的濃度范圍內(nèi)，假蒼耳的地上部Cd量第28 d和56 d分別為203.81～468.37 mg/kg和 121.22～474.30 mg/kg，轉(zhuǎn)移系數(shù)為1.43～8.62，富集系數(shù)為2.49～165.68，均滿足了Cd超富集植物的各項(xiàng)特征，且假蒼耳對(duì)Cd具有高達(dá)14 mg/L耐受濃度，因此初步說明假蒼耳是Cd超富集植物。

圖2 假蒼耳在不同Cd濃度梯度營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)中不同時(shí)間后各部位Cd含量 (平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差)Fig.2 Cd concentrations in different organs of Iva Xanthifolia after growing for different time in nutrient solution of different concentration gradients(Mean±SD)

圖3 不同Cd濃度梯度處理不同時(shí)間假蒼耳富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Fig.3 Enrichment coefficient and translocation factor of Cd in Iva Xanthifolia after growing for different time in nutrient solution of different concentration gradients.

3 結(jié)束語

超富集植物對(duì)污染土壤的修復(fù)效果主要取決于植物地上部分生物量、植物生長(zhǎng)速度、植物地上部分對(duì)污染元素的生物富集系數(shù)及植物對(duì)土壤中污染元素的耐性等因素［20］。假蒼耳作為一種外來入侵物種在我國(guó)東北地區(qū)廣泛分布，極易獲取且生長(zhǎng)速度很快。其地上部分生物量大，高度可達(dá)2.4 m，葉片長(zhǎng)可達(dá)8 cm、寬可達(dá)7 cm。本研究通過室內(nèi)營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)初步說明假蒼耳對(duì)Cd具有較強(qiáng)的耐受能力，且符合Cd超富集植物的特征。其可以彌補(bǔ)多數(shù)超富集植物雖然對(duì)金屬富集能力強(qiáng)，但地上部分生物量小、生長(zhǎng)慢、繁殖困難的缺點(diǎn)。假蒼耳超富集功能的發(fā)現(xiàn)，將會(huì)為重金屬污染的廢棄地的復(fù)墾和治理提供新的植物修復(fù)種質(zhì)資源的同時(shí)，探索在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域中入侵物種生態(tài)資源化利用的新途徑，最終達(dá)到變廢為寶、以廢治廢的雙贏效果。上述優(yōu)點(diǎn)同時(shí)又是在工程實(shí)踐中的潛在風(fēng)險(xiǎn)所在，雖然實(shí)驗(yàn)證明營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段的假蒼耳植株對(duì)Cd具有較強(qiáng)的富集能力并可有效地避免因其吸收重金屬的作用而產(chǎn)生的人為擴(kuò)大入侵范圍的危險(xiǎn)，但將其用于Cd污染土壤的植物修復(fù)工程實(shí)踐中，有必要在重金屬污染土壤中的定居、繁殖和擴(kuò)散等方面的行為進(jìn)行更深入的研究。

［1］唐世榮，黃昌勇，朱祖詳.利用植物修復(fù)污染土壤的研究進(jìn)展 ［J］.環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1996，4(6):10－15.

［2］陳懷滿.我國(guó)土壤污染現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及其對(duì)策建議 ［J］.土壤學(xué)進(jìn)展，1990，18(1):53－56.

［3］吳啟堂，陳同斌.陸地生態(tài)系統(tǒng)中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化及其模擬軟件［M］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

［4］王世華，高雙成，常會(huì)慶.重金屬污染土壤的治理途徑［J］.河北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，12(11):80－82.

［5］焦麗香，郭加朋.土壤重金屬的污染與治理進(jìn)展研究 ［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009，19(1):155－156.

［6］韋朝陽，陳同斌.重金屬超富集植物及植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展 ［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，21(7):1196－1203.

［7］Ma Q，Kenneth K，Tu C.A fern that hyperaccumulates arsenic［J］.Nature，2001，409(6820):579.

［8］陳同斌，韋朝陽，黃澤春，等.砷超富集植物蜈蚣草及其對(duì)砷的富集特征［J］.科學(xué)通報(bào)，2002，47(3):207－210.

［9］楊肖娥，龍新憲，倪吾鐘，等.東南景天 (Sedum alf rediiH.):一種新的鋅超積累植物 ［J］.科學(xué)通報(bào)，2002，47(13):1003－1006.

［10］劉 威，束文圣，藍(lán)崇鈺.一種新的鎘超富集植物［J］.科學(xué)通報(bào)，2003，45(19):2046－2049.

［11］薛生國(guó)，陳英旭，林 琦，等.中國(guó)首次發(fā)現(xiàn)的錳超積累植物－商陸 ［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，23(5):935－937.

［12］湯葉濤，仇榮亮，曾曉雯，等.一種新的多金屬超富集植物－圓錐南芥 (Arabis paniculataL) ［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，44(4):135－136.

［13］劉小梅，吳啟堂，李秉滔.超富集植物治理重金屬污染土壤研究進(jìn)展［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，22(5):636－640.

［14］周 瓊.我國(guó)超富集、富集植物篩選研究進(jìn)展［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，33(5):910－912.

［15］祖元?jiǎng)?，賈 晶，王文杰，等.假蒼耳的生活史進(jìn)程中幾種生理生化指標(biāo)的變化 ［J］.植物學(xué)通報(bào)，2006，23(4):348－355.

［16］Page A L，Miller R H，Keeney D R.Methods of Soil Analysis，Part 2－Chemical and Microbiological Properties［M］.American Society of Agronomy Press，1982.

［17］魏樹和，周啟星，王 新，等.某鉛鋅礦坑口周圍具有重金屬超積累特征植物的研究［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2004，5(3):33－39.

［18］Wei S H，Zhou Q X.Identification of weed species with hyperaccumulative characteristics of heavy metals［J］.Progress in Natural Science，2004，14(6):495 －503.

［19］Wei S H，Zhou Q X，Koval P V.Flowering stage characteristics of cadmium hyperaccumulator Solanum nigrum L and their significance to phytoremediation［J］.Science of the Total Environment，2006，369(1－3):441－446.

［20］Baker M，Brooks R.Terrestrial higher plants which hyperaccumulate metallic elements a review of their distribution，ecology and phytochemistry［J］.Biorecovery，1989，104(1):81－126.

［21］常青山，馬祥慶.重金屬超富集植物篩選研究進(jìn)展［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，24(增刊):330－335.

［22］孫 莉.植物引種與外來物種入侵的探討［J］.森林工程，2004，20(6):6－8.