3種草本植物的抗旱性及重金屬吸附能力研究

劉勝洪， 王桂瑩， 顏燕如， 梁紅， 周玲艷

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學院 生命科學學院, 廣州 510220)

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3種草本植物的抗旱性及重金屬吸附能力研究

劉勝洪， 王桂瑩， 顏燕如， 梁紅， 周玲艷

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學院 生命科學學院, 廣州 510220)

以香根草、馬唐草和望江南三種植物為材料，研究干旱脅迫下3種草本植物的生理生化特性變化以確認其抗旱性，同時，研究3種草本植物的重金屬吸附能力以確認其對礦區(qū)土壤重金屬的修復效果。結(jié)果表明：3種植物的POD酶活性、可溶性蛋白含量和葉綠素含量均隨脅迫時間延長而增加，SOD酶活性下降，而可溶性糖則表現(xiàn)出下降—升高—下降趨勢，表明3種植物可通過協(xié)調(diào)SOD和POD活性降低氧化傷害，并通過調(diào)節(jié)可溶性蛋白和可溶性糖含量來維持植物的生理作用，保持葉綠素含量穩(wěn)定，使植株正常生長；同時，3種草本植物對多種重金屬均有較強的富集作用，在礦區(qū)種植3種草本植物能有效降低土壤重金屬含量。3種植物具有良好的抗旱性及重金屬富集能力，適合應用于于稀土礦區(qū)的生態(tài)修復。

稀土礦區(qū); 生態(tài)修復; 抗旱性; 重金屬富集

稀土被譽為“工業(yè)維生素”，在軍工、冶金和新型材料等方面運用廣泛。近年，隨著稀土需求量的日益增大，我國稀土礦山的開采也迅速的發(fā)展，由此引發(fā)了一系列的環(huán)境問題，其中以土壤荒漠化和重金屬污染最為嚴重[1-3]。長期以來，眾多學者在礦區(qū)修復方面進行了大量的研究，其中植被修復是當前礦區(qū)修復的重要研究領(lǐng)域，其具有表現(xiàn)為永久性治理、原位性治理、治理成本低廉等特點[4-5]。廣東省平遠縣開采稀土礦已有十幾年的歷史，但是由于管理力度不夠和沒有有效的治理措施，不少礦區(qū)水土流失和重金屬污染嚴重，因此利用植物修復礦區(qū)土壤具有重要的意義。本文在前期研究[6-7]的基礎(chǔ)上選用馬唐草(Digitariasanguinalis)、望江南(Cassiaoccidentalis)和香根草(Vetiveriazizanioides)等3種優(yōu)勢植物，研究其在干旱條件下的生理變化、礦區(qū)修復后土壤重金屬含量及3種草本植物各部位重金屬含量，探討三種植物的抗旱能力和對重金屬富集能力，為建立人工植物修復系統(tǒng)，篩選修復稀土礦區(qū)的植物種類提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 礦區(qū)概況

研究區(qū)域位于廣東省和平縣地處東經(jīng)114°41′—115°16′、北緯24°05′—24°42′，海拔234 m，屬中亞熱帶季風氣候區(qū)，年均溫度17.9～20.2℃，年均降雨量1 536～1 845 mm，年日照1 704 h以上，日照足，無霜期267～301 d。下車鎮(zhèn)815礦區(qū)位于和平縣東北部，從20世紀80年代開始開采稀土，于2005年結(jié)束采礦，由于長期的侵蝕和淋溶，出現(xiàn)土壤貧瘠、砂化和干旱、重金屬超標等現(xiàn)象。

1.2 試驗材料

試驗所用材料是從礦區(qū)附近獲得并在前期的應用基礎(chǔ)上篩選出的馬唐草、望江南和香根草等3種優(yōu)勢植物。

1.3 試驗方法

1.3.1 干旱處理及生理指標測定 香根草、馬唐草和望江南等3種植物種植于仲愷農(nóng)業(yè)工程學院鐘村農(nóng)場大棚內(nèi)，種植基質(zhì)均為下車鎮(zhèn)815礦區(qū)廢棄礦區(qū)土，統(tǒng)一水肥管理，待植株整齊、生長健壯時開始抗旱處理。干旱脅迫處理試驗前兩天澆透水，脅迫時間分別設(shè)置為0，3，6，9，12 d，每日早上9∶00—10∶00選取植物生長健壯葉片，于同一成熟度和位置取材，置于液氮中，迅速帶回實驗室進行生理指標的測定。

抗旱性相關(guān)指標測定參照李合生方法[8]，葉片SOD活性采用氮藍四唑(NBT)光還原法測定；葉片POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測定；土壤含水量采用烘干稱量法測定；葉片可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定；葉片可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250法測定；葉綠素含量采用丙酮浸提法測定。

1.3.2 重金屬含量測定 于下車鎮(zhèn)815礦區(qū)中選取無植物生長區(qū)域，隨機取土壤樣品烘干用于礦區(qū)土重金屬種類及含量測定，后種植三種植物于區(qū)域內(nèi)，試驗區(qū)土壤中按照每100 m2施用200 kg干雞糞，以促進三種植物的生長，于望江南種子成熟后采收三種植物不同部位及種植后土壤烘干用于重金屬測定。

土壤重金屬含量采用美國國家環(huán)保局推薦的EPA 3052方法測定[9]，植物重金屬含量采用美國國家環(huán)保局推薦的EPA 3051方法測定[10]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

抗旱性各項測定指標3個重復，數(shù)據(jù)均用平均值表示，并以最小顯著差數(shù)法(LSD)比較(p<0.05)其顯著性。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和作圖采用Sigmaplot 11.0(Systat Software，Inc，California，USA)進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種草本植物的抗旱能力分析

2.1.1 干旱脅迫下3種草本植物種植土壤含水量變化 如圖1所示，干旱脅迫下種植3種草本植物的土壤含水量變化趨勢一致，均表現(xiàn)為隨脅迫時間延長而下降，且在干旱脅迫前期(0～6 d)土壤含水量下降較快，后期土壤含水量下降速度較慢，表明3種草本植物所受的干旱脅迫基本一致。

圖1 干旱脅迫下3種草本植物種植的土壤含水量變化

2.1.2 干旱脅迫下3種草本植物的SOD和POD酶活性變化 如圖2所示，干旱脅迫下3種草本植物的SOD酶活性呈現(xiàn)下降趨勢，其中香根草和望江南的酶活性下降趨勢較為明顯，馬唐草SOD酶活性較為穩(wěn)定(圖2A)；而3種草本植物的POD酶活性存在差異，其中香根草POD酶活性顯著高于其他兩種植物，馬唐草活性最低，且3種草本植物的POD酶活性趨勢與SOD酶活性相反，表現(xiàn)為上升趨勢，在脅迫后期(6～12 d)POD酶活性上升較為明顯(圖2B)。

2.1.3 干旱脅迫下3種草本植物的可溶性蛋白和可溶性糖含量變化 如圖3所示，干旱脅迫下3種植物的可溶性蛋白在脅迫前期(0～6 d)含量穩(wěn)定，脅迫后期(9～12 d)顯著升高，其中，望江南的可溶性蛋白含量最高，香根草和馬唐草含量接近(圖3A)。3種草本植物的可溶性糖含量在干旱脅迫下表現(xiàn)為前期下降、中期上升和后期下降趨勢，且望江南的可溶性糖含量顯著高于其他兩種草本植物(圖3B)。

圖2 干旱脅迫下3種草本植物的SOD和POD酶活性變化

圖3 干旱脅迫下3種草本植物的可溶性蛋白和可溶性糖含量變化

2.1.4 干旱脅迫下3種草本植物的葉綠素含量變化 如圖4所示，3種草本植物的葉綠素含量隨干旱脅迫時間延長波動較大，但整體趨勢在脅迫后期略有上升(圖4A)。而葉綠素a/b雖然在脅迫期間也是波動，但是其總體比例到脅迫第12 d基本不變(圖4B)。

圖4 干旱脅迫下3種草本植物的葉綠素含量和葉綠素a/b變化

2.2 3種草本植物對重金屬的富集能力分析

2.2.1 稀土礦區(qū)草本植物修復前后的重金屬含量變化 為分析3中草本植物對稀土礦區(qū)的重金屬修復能力，本研究測定了試驗礦區(qū)修復前和修復后11種重金屬含量。結(jié)果表明，鎘、汞和銻等3種重金屬在修復前后均未檢測到，該礦區(qū)重金屬污染主要為鈷、鉻、銅、錳、鎳、鉛、錫和鋅這8類；同時，通過種植香根草、馬唐草和望江南3種草本植物可以降低土壤重金屬含量，其中，3種草本植物對鈷、錳、鎳、鉛等重金屬的富集能力較強，土壤中的含量下降率約達到90%，其次是鋅，下降率達到70.58%(表1)。

2.2.2 重金屬富集能力及其分布分析 為比較3種草本植物的重金屬富集能力以及有利于重金屬的回收利用，本研究測定了3種草本植物不同部位重金屬含量，結(jié)果表明，在香根草、馬唐草和望江南3種草本植物的各個部位均未檢出鉻和錫兩種重金屬，說明這3種植物不能富集鉻和錫，或者是富集能力較弱，富集的含量不足以檢測到；同時，3種草本植物對各種重金屬的富集主要集中在根，但是不同植物對不同重金屬的富集存在一定差異，香根草富集的銅主要在穗，而馬唐草和望江南的銅則主要在根；3種植物富集錳的量最大，可能與土壤中重金屬錳含量最多有關(guān)，其中，以望江南的錳富集能力最強，其葉的錳含量達到4 997.8 μg/g，其他部位如根、莖、豆莢和種子也有較高富集量，其次是馬唐草，其對猛的富集主要在葉和穗，分別為1 076.5 μg/g和942.7 μg/g，香根草的根、莖、葉、穗也均富集較多的錳，但以莖富集能力最強，為703.8 μg/g；3種草本植物中只有馬唐草和望江南的根部能檢測到重金屬鎳；3種草本植物對重金屬鉛的富集量主要集中根部，其他部位也有一定分布，其中，望江南的富集能力強于其他兩種植物，望江南根的鉛含量達到797.3 μg/g，是香根草根和馬唐草的4～6倍；3種草本植物不同部分對重金屬鋅的富集能力不同，其中，香根草主要在根和穗，而馬唐草主要在莖和穗，望江南則主要在根和葉?？傮w來說，望江南對多種重金屬的富集量均強于其他兩種植物(圖5)。

表1 稀土礦區(qū)修復前后重金屬含量變化

注：“-”表示未檢測到 。

圖5 3種草本植物不同部位的重金屬含量

3 討論與結(jié)論

1) 種草本植物具有較強的干旱抗性能力，可應用于稀土礦區(qū)植物修復。隨著對稀土礦資源的需求量增大，礦區(qū)開發(fā)帶來的土壤荒漠化和重金屬超標等問題日益嚴重，水分是限制植物正常生長最主要非生物因素之一，因此，篩選能大量富集多種重金屬的耐旱型植物是植物修復的基礎(chǔ)。本研究發(fā)現(xiàn)香根草、馬唐草和望江南三種植物均具有抗旱性，能在礦區(qū)正常生長，且在干旱脅迫下通過SOD和POD的協(xié)同作用降低植物的氧化傷害，并通過提高可溶性蛋白含量和調(diào)節(jié)可溶性糖含量來維持植物的生理作用，使得葉綠素含量穩(wěn)定，植株正常生長。

植物在干旱脅迫下，可以通過積累可溶性的有機物和無機離子，提高植物的滲透調(diào)節(jié)能力，可溶性蛋白和可溶性糖均屬于可溶性有機物，在植物滲透調(diào)節(jié)中起到重要的作用。干旱脅迫下，植物可以通過把體內(nèi)的不溶性蛋白轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘鞍踪|(zhì)來增加滲透勢，并且使蛋白具有高度的親水性，能夠把足夠的水分吸附到細胞內(nèi)[18-19]，有研究表明干旱脅迫可誘導植物合成對干旱更加穩(wěn)定、活性更高的同工酶來提高植物抗性[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下，3種草本植物的可溶性蛋白含量隨著脅迫時間延長而增加(圖3A)，說明3種草本植物都能通過提高體內(nèi)可溶性蛋白的含量維持植物的滲透勢，也可能是通過合成新的同工酶使植物能在干旱環(huán)境下正常生長。在整個脅迫期間，望江南的可溶性蛋白含量遠高于其他兩種植物，這可能與豆科植物本身蛋白質(zhì)含量高特點有關(guān)?？扇苄蕴堑姆e累可以提高植物的滲透勢和抗性，相關(guān)研究表明，在干旱脅迫下，植物的可溶性糖呈現(xiàn)在脅迫初期含量上升后下降的趨勢[13,21]，也有研究表明，香椿葉片可溶性糖含量在整個脅迫過程中呈現(xiàn)低—高—低的變化趨勢[22]。本試驗結(jié)果與香椿葉片在更好些可溶性糖含量變化趨勢一樣，在脅迫前期含量下降，再升高，后下降(圖3B)，說明3種草本植物可通過動態(tài)的調(diào)節(jié)可溶性糖含量來維持植物體內(nèi)的滲透平衡，抵抗干旱脅迫。

葉綠素下降是植物衰老的一個指標。有研究表明，在干旱脅迫下，香根草[23]、鴨茅幼苗[24]、欒樹[25]等植物葉片的葉綠素隨脅迫時間延長而下降，也有研究表明小麥[26]的葉綠素在干旱脅迫下隨時間延長升高，這可能與植物的抗旱性有關(guān)。本試驗中發(fā)現(xiàn)3種草本植物葉綠素在干旱脅迫下波動較大，但整體趨勢略有上升，而葉綠素a/b雖然在脅迫期間也是波動，但是其總體比例到脅迫第12 d基本不變，說明3種草本植物在干旱脅迫下其葉綠素a和葉綠素b的含量會隨著植物抗旱物質(zhì)積累有所上升，提高光合作用能力。

2) 種草本植物具有較強的重金屬富集能力，可應用于稀土礦區(qū)重金屬污染治理。植物修復是近十幾年來礦區(qū)重金屬污染治理的一個熱門研究領(lǐng)域，其具有表現(xiàn)為永久性治理、原位性治理、治理成本低廉等特點。目前已研究發(fā)現(xiàn)多種植物能夠富集重金屬并且運用于實際的礦區(qū)修復中[27-29]。本研究發(fā)現(xiàn)下車鎮(zhèn)815礦區(qū)主要存在鈷、鉻、銅、錳、鎳、鉛、錫和鋅這8類重金屬污染。通過測定種植香根草、馬唐草和望江南3種草本植物前后土壤的重金屬含量發(fā)現(xiàn)，種植3種植物后礦區(qū)土壤中重金屬的含量顯著降低，其中鈷、錳、鎳、鉛的降低效果最好，下降率達到90%左右。另外在試驗中發(fā)現(xiàn)在3種植物中未檢測到鉻和鎘這兩種重金屬，但在種植這3種植物后礦區(qū)土壤中鉻和鎘含量有所下降，其原因可能是這兩種重金屬含量較低，其容易受到外界環(huán)境影響(如雨水淋溶)，也可能是3種植物對這兩種重金屬的吸收量較低未能檢出，但也能降低環(huán)境中這兩種重金屬的含量。試驗所用3種植物中望江南對各種重金屬的吸收能力最強，其次是馬唐草，香根草最差。且不同重金屬在不同植物的不同部位分布也不盡相同，其中，根中各種重金屬富集較多，這可能與根是直接接觸重金屬，是重金屬的吸收器官有關(guān)。許多研究表明植物不同器官對重金屬的富集能力不一樣，禾本科植物只要表現(xiàn)為地下部大于地上部[30-31]，而一些重金屬超富集植物其地上部的重金屬含量遠遠大于地下部[31]。

綜合結(jié)果表明，香根草、馬唐草和望江南3種草本植物均具有較強的抗旱性，能在礦區(qū)正常生長，且3種植物對多種重金屬均有較好的富集作用，通過種植3種草本植物能有效降低礦區(qū)土壤重金屬含量，說明3種草本植物可用于稀土礦區(qū)的土壤修復。但植物修復還受礦區(qū)環(huán)境、土壤肥力和微環(huán)境等影響，因此，我們還將進一步研究3種草本植物在礦區(qū)植物修復中的復合效果。

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Research on Drought Resistance and Uptake Capacity of Heavy Metals of Three Kinds of Herbaceous Plants

LIU Shenghong， WANG Guiying， YAN Yanru， LIANG Hong， ZHOU Lingyan

(CollegeofLifeScience,ZhongkaiAgricultureandEngineeringUniversity,Guangzhou510225,China)

Three kinds of herbaceous plants such asDigitariasanguinalis,Cassiaoccidentalis,Vetiveriazizanioideswere tested, and the physiological and biochemical responses under drought stress were studied so as to confirm their resistance to drought, simultaneously, the heavy metal uptake capacities of plants were studied so as to confirm their restorative effects of heavy metals in rare earth mine area. The results showed that POD activity, soluble protein and chlorophyll contents of three kinds of herbaceous plants increased, SOD activity decreased, however, soluble sugar showed a fall—rise—fall trend, indicating that three kinds of herbaceous plants can reduce oxidative damage by coordinating the SOD and POD activity, maintain their physiological role and the stability of chlorophyll content by regulating the soluble protein and soluble sugar content so that the plants can grow normally. And three kinds of herbaceous plants showed the strong ability to enrich a variety of heavy metals. Heavy metal contents in rare earth mine area can be effectively reduced when three kinds of herbaceous plants are grown. The results indicated that three kinds of herbaceous plants showed the good drought resistance and enrichment capability of heavy metals, and were suitable for ecological restoration in rare earth mine area.

rare earth mine area; ecological restoration; drought resistance; heavy metal enrichment

2014-05-12

2014-06-30

廣東省產(chǎn)學研結(jié)合項目(2012B090900010);廣東省科技計劃項目(2012A030700005)

劉勝洪(1972—),男,廣東興寧人,高級實驗師,碩士,主要研究方向農(nóng)學。E-mail:sh-liu01@163.com

周玲艷(1972—),女,湖南衡陽人,教授,博士,主要研究方向:植物生物技術(shù)。E-mail:lingyanzh@163.com

X506

1005-3409(2015)02-0284-06