水培條件下5種雜草植物對鈷富集能力的比較

賀佳　王丹　李黎等

摘要試驗采用溶液培養(yǎng)的方法，比較5種雜草植物在不同濃度鈷污染液（0、60、120、180、360 mg/kg）中對鈷的吸收及富集能力。結果表明，①隨處理濃度增加，各植物體內(nèi)鈷含量均增加，野茼蒿地上部鈷含量增加量最多，當濃度為360 mg/kg時是對照的433倍；②各植物地上部、根部及單株鈷積累量隨鈷濃度增大呈增大趨勢，在濃度為360 mg/kg時，野茼蒿的單株積累量最高，可達13 021.33 μg，具有較強的鈷積累能力；③分析5種植物對鈷的吸收轉運能力、富集特征得出，高鈷濃度時野茼蒿的地上富集系數(shù)最大（25.95），并且地上部提取率最高（26.24%），龍葵、牛膝菊次之；中低濃度鈷處理時牛膝菊轉運系數(shù)最大可達3.86，其地上部富集系數(shù)也較高，野茼蒿和龍葵的轉運系數(shù)雖次于牛膝菊，但其富集和提取能力均較突出。綜上所述，野茼蒿、龍葵、牛膝菊可作為修復鈷污染土壤的備選植物。

關鍵詞雜草植物；鈷；富集能力

中圖分類號S181.3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）07-228-05

Comparison of Cobalt Accumulation Ability by Five Kinds of Weeds under Hydroponic Culture

HE Jia1，2， WANG Dan1，2*， LI Li1，2 et al

（1. Life Science and Engineering College， Southwest University of Science and Technology， Mianyang， Sichuan 621000； 2. State Defense Key Laboratory of the Nuclear Waste and Environmental Security， Southwest University of Science and Technology， Mianyang， Sichuan 621000）

AbstractA hydroponic experiment was conducted to investigate the absorption and accumulation ability of cobalt in five common weeds by imitating different levels of cobalt pollution （0， 60， 120， 180， 360 mg/kg）. The results showed that： ①As cobalt concentration increased， the cobalt content in five plants increased. The cobalt content of the above-ground part of Hawksbeard Velvetplant was increased the most， about 433 times than that in control group when the cobalt concentration was 360 mg/kg. ② The accumulation in every part of plant was enhanced with increased cobalt concentration. When it was 360 mg/kg， the total cobalt accumulated in Hawksbeard Velvetplant reached the maximum value （13 021.33 μg）. Clearly， it had strong ability of cobalt accumulation. ③ Analysis of the absorption， transportation and bioconcentration characteristics of the five kinds of plants showed that： Hawksbeard Velvetplant had the maximum value 25.95 of the above-ground bioconcentration factor and extraction percentage of 26.24% under high cobalt concentration， Nightshade and Smallflower Galinsoga were next to it. Smallflower Galinsoga reached the maximum value 3.86 of the transfer factor under medium cobalt concentration. At the same time its above-ground bioconcentration factor was considerable. Although the transfer factors of Hawksbeard Velvetplant and Nightshade were lower， concentration and extraction ability of these two plants performed well. Above all， these three weeds could be selected as the potential candidates for the phytoremediation soil of Co.

Key words Weed plants； Cobalt； Bioaccumulation ability

我國重金屬礦產(chǎn)資源豐富，在大型有色金屬礦產(chǎn)的開發(fā)利用以及某些地區(qū)片面追求經(jīng)濟效益忽略環(huán)境效益的同時，產(chǎn)生了嚴重的土壤重金屬污染[1]。其中大量的鈷及其化合物進入土壤，會對周邊農(nóng)作物、地下水產(chǎn)生重大影響，進而威脅人類健康[2]。此外，放射性鈷作為壓水堆核電站的放射性液態(tài)流出物以及在醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)育種、食品保鮮等生產(chǎn)生活廣泛使用的放射源，對周邊環(huán)境安全也構成嚴重的威脅[3-5]。

鈷是人體、動物甚至有些高等植物的必需微量元素[6-8]。少量的鈷對植物生長有促進作用，但土壤中過量的鈷存在就會影響植物的正常生長[9-12]。劉雪華等的研究結果表明， 低濃度的鈷對苗期玉米、小麥有促進作用，有利于作物生長， 而高濃度的鈷則對它們的生長有明顯的抑制作用[13-15]。據(jù)報道，當土壤水溶性鈷含量為0.1～0.2、1.0 和5.9 mg/kg時，分別會對番茄、亞麻和甜菜產(chǎn)生毒害作用，而當其含量達到10 mg/kg時農(nóng)作物會死亡[16-17]。

植物修復是治理土壤重金屬/放射性核素污染的經(jīng)濟環(huán)保方法，但國內(nèi)外植物修復的研究大多集中在常見的重金屬Pb、Cd、Cu、Zn、Ni、As等，放射性核素U、Sr、Cs等，而對于被鈷污染土壤修復的報道較少。而且已有的研究多選擇作物、蔬菜、花卉等作為植物材料，用路邊雜草進行研究的報道較罕見。雜草與作物相比，抗逆境能力強，經(jīng)過長期的自然進化和人工選擇，具有廣泛的適應性和頑強的生命力。這些特征可能使雜草對重金屬有較強的耐性[18-19]。

水培是一種行之有效的培養(yǎng)方法，在生長期間，雖然植物根部在液體環(huán)境下相對于土壤會吸收較多的重金屬，但其結果基本能反映植物對重金屬的富集能力；而且水培方法培養(yǎng)周期短，能快速得出試驗結果；同時，水培環(huán)境條件可控性強，可避免復雜的環(huán)境因素干擾而造成的試驗誤差。該試驗采用此方法，以野茼蒿、龍葵、牛膝菊、刀葉椒草和毛茛這5種雜草為試驗對象，通過研究其對鈷的吸收、轉運特征，以期探討不同植物在不同程度的鈷污染環(huán)境中對鈷的富集和提取能力，為鈷超富集植物的篩選，同時也為植物修復重金屬或放射性核素污染土壤提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1試驗材料

供試植物見表1，均采自西南科技大學及西山校區(qū)后山。

1.2材料培養(yǎng)與污染處理方法

選擇長勢一致、健康的幼苗，并將根部沖洗干凈，放入裝有清水的容器中，每3 d換1次水，緩苗7 d后移栽至不同濃度鈷處理（0、60、120、180、360 mg/kg）的Hoagland營養(yǎng)液中，每個處理3個重復，每個重復一盆，每盆3株，每種植物15盆，共計75盆。每盆裝入液體量以浸沒植物根部為準，記錄液體體積，并畫水位線，每3 d加1次營養(yǎng)液至標記處，以保證鈷的總量不變，自然光照下處理15 d后收獲并進行測定。

表1供試植物的學名與科屬

名稱學名科屬

野茼蒿Crassocephalum crepidioides（Benth.） S. Moore菊科野茼蒿屬（Asteraceae）

龍葵Solanum nigrum L.茄科茄屬（Solanaceae）

牛膝菊Galinsoga parviflora Cav.菊科牛膝菊屬（Asteraceae）

刀葉椒草Peperomia ferreyrae胡椒科草胡椒屬（Piperaceae）

毛茛Ranunculus japonicus Thunb.毛茛科毛茛屬（Ranunculaceae）

1.3植物樣品的取樣、處理和測定方法

收獲的植物用自來水和去離子水先后洗凈，瀝干水分，將根和地上部分開，于105 ℃下殺青30 min，再在75 ℃烘箱中烘至恒重（約烘48 h），分別稱重。然后將烘干樣品研細，每個處理樣品稱取3份，地上部每份0.3 g，根部每份0.1 g，之后加入10 ml硝酸，利用微波消解儀（TNAK）進行消解，采用原子吸收光譜儀（AA700，美國PE公司）測定樣品消解液中的鈷含量[20]。

1.4富集系數(shù)以及轉移系數(shù)的表示方法

地上富集系數(shù)（BCF）=植物地上部Co含量（mg/kg）/營養(yǎng)液中鈷的處理濃度（mg/kg）[21]；

轉移系數(shù)（TF）=植物地上部Co 含量（mg/kg）/植物根部Co含量（mg/kg）[21]。

1.5數(shù)據(jù)處理

用統(tǒng)計分析軟件DPSv7.05對所有測定的指標進行Duncan新復極差法顯著性分析，所有數(shù)據(jù)用平均值表示，并用Microsoft Office Excel 2003作圖。

2結果與分析

2.1鈷作用下各植物生物量的變化

將植物烘干至恒重，稱重所得值為該植物的生物量。從表2可知，5種植物地上部、根部生物量及總生物量的變化基本呈現(xiàn)隨著鈷濃度升高而降低的趨勢。當濃度為60 mg/kg時，各植物總生物量較對照不同程度（17%～29%）地減少。隨鈷濃度升高，植物受到的抑制作用增大，當濃度為360 mg/kg時，刀葉椒草總生物量比對照減少67%，是減少最多的植物，除野茼蒿以外，龍葵、牛膝菊、毛茛總生物量減少率均在50%以上。表明高濃度鈷極易抑制植物生物量的增加，其中，刀葉椒草受到的抑制作用最大。

表2不同濃度的鈷對各植物生物量的影響

注：結果為3個重復的平均值；不同小寫字母表示P<0.05水平差異顯著，不同大寫字母表示P<0.01水平差異極顯著。

2.25種植物地上部與根部對鈷的吸收

單位質(zhì)量（干重）的植物中所含鈷單質(zhì)的量即為植物的鈷含量。從表3可知，隨鈷濃度增加，各植物地上部、根部鈷含量均增加，并達到極顯著水平。5種植物地上部鈷含量分別與其對照相比，當鈷濃度為60 mg/kg時，野茼蒿較對照增加了32倍，是增加量最多的植物，鈷濃度為360 mg/kg時，野茼蒿仍然增加最多，是對照的433倍，由此可見野茼蒿地上部對鈷的吸收較好；5種植物根部鈷含量與其對照相比同樣顯著增加，并且刀葉椒草的增加量最多，當鈷濃度為360 mg/kg時可達對照的129倍，由此可見刀葉椒草的根部吸收鈷的能力較好。當鈷處理濃度相同時，比較5種植物地上部鈷含量得出，毛茛在中低污染濃度時較高，牛膝菊在各污染濃度下均相對較高，野茼蒿和龍葵為中等水平，刀葉椒草地上部對鈷的吸收能力較弱；比較5種植物的根部鈷含量得出，刀葉椒草在各污染濃度下均較高，毛茛在中低污染濃度下較高，野茼蒿、龍葵較一般，牛膝菊則在各濃度下均相對較低。表明不同植物的根部吸收鈷的能力不同，根部鈷含量高的植物其地上部鈷含量不一定高。

2.35種植物對鈷的積累能力

重金屬在植物體內(nèi)的干重質(zhì)量濃度與植物生物量的乘積即為該植物對該重金屬的積累量。圖1為各植物體內(nèi)鈷積累量分布的情況，可見隨著鈷濃度增大，各植物的地上部、根部及單株積累量呈增大趨勢，除刀葉椒草外，野茼蒿、龍葵、牛膝菊、毛茛4種植物的地上部積累量均顯著高于根部，可見這4種植物從根部向地上部轉移鈷的能力較強，對刀葉椒草而言，鈷主要積累在其根部。5種植物相比，當鈷濃度為60 mg/kg時，龍葵的單株和地上部積累量均為最大，野茼蒿次之；由于積累量隨鈷處理濃度增大而增大，所以當鈷濃度為360 mg/kg時，各植物各部位鈷積累量均達到最大值，其中野茼蒿的單株積累量和地上部積累量均較其他4種高，分別為13 021.33和11 596.37 μg，而根部積累量最大的是龍葵，為1 597.41 μg?？梢娨败磔锖妄埧麑︹挼姆e累能力較強。

表35種植物地上部及根部中的鈷含量

mg/kg（干重）

植物鈷處理∥mg/kg

060120180360

圖15種植物各部位鈷積累量的分布

安徽農(nóng)業(yè)科學2015年

2.4鈷作用下5種植物的轉運特性

植物地上部鈷含量與該植物根部鈷含量的比值即為轉運系數(shù)，能夠反映鈷在植物體內(nèi)的運輸與分配情況。從圖2可知，隨鈷處理濃度的增加，野茼蒿、龍葵、牛膝菊、刀葉椒草和毛茛的轉運系數(shù)均有不同程度的增加，可見此5種植物均有一定的鈷轉運能力。其中，牛膝菊在所有處理中轉運系數(shù)均顯著>1.5，并且在相同鈷濃度下牛膝菊的轉運系數(shù)均顯著高于其他4種，在120 mg/kg時牛膝菊轉運系數(shù)達到最大值3.86。其余4種植物相比，龍葵在鈷濃度為120 mg/kg時轉運系數(shù)最大且>1，為1.12，毛茛其次，為1.02，野茼蒿在濃度為360 mg/kg時的轉運系數(shù)是最高的，為1.11。綜上所述，5種植物從根部向地上部轉運鈷的能力：牛膝菊較高，野茼蒿、龍葵、毛茛次之，刀葉椒草較低。

2.5鈷作用下5種植物的富集系數(shù)比較

富集系數(shù)指植物某部位某種重金屬元素含量占土壤中該元素含量的百分比，富集系數(shù)越高，表明植物對鈷的富集能力越強。由表4可知，各植物的富集系數(shù)在不同處理下的差異均達到極顯著水平，大致表現(xiàn)為根部富集系數(shù)大于地上部的富集系數(shù)（牛膝菊除外）。就5種植物的地上富集系數(shù)而言，隨鈷處理濃度升高，野茼蒿、龍葵、牛膝菊和毛茛大致呈先上升后

下降的趨勢，刀葉椒草的地上富集系數(shù)雖然逐漸增大，但其數(shù)值仍然較小。在鈷濃度為60和120 mg/kg時，毛茛為最高，數(shù)值分別是30.62、32.92，牛膝菊次之，

刀葉椒草最低；在鈷濃度為180 mg/kg時，牛膝菊最高，其值為28.61，毛茛次之，刀葉椒草最低；在濃度為360 mg/kg時，野茼蒿最高，值為25.95，牛膝菊其次，刀葉椒草仍為最低?？梢姷厣细患芰^好的是牛膝菊和毛茛，野茼蒿、龍葵較一般，刀葉椒草較差。對于5種植物的根部富集系數(shù)來說，隨鈷處理濃度升高，野茼蒿表現(xiàn)為先升高后降低，其余4種則大致呈現(xiàn)下降趨勢，當鈷濃度相同時，刀葉椒草的根部富集系數(shù)較高，野茼蒿和毛茛其次?？梢姷度~椒草根部吸收鈷的能力較強，而向地上運輸?shù)哪芰^弱。

圖2 不同處理下各植物的轉運系數(shù)比較

表45種植物對鈷的富集系數(shù)

2.65種植物對鈷的提取能力比較

植物對重金屬的提取率是指植物中的金屬積累量占土壤中該元素總量的百分率，可以用它來表示植物對重金屬的提取能力。試驗中的地上部提取率即盆中3株植物的地上部鈷積累量與溶液中鈷總量的比值，單株提取率即3株植物的單株鈷積累量與溶液中鈷總量的比值。由表5可知，5種植物相比，鈷濃度為360 mg/kg時，單株和根部提取率最高的均是龍葵（分別為30.38%和4.44%），地上部提取率最高的是野茼蒿（26.24%）；鈷濃度為120和180 mg/kg時，單株、地上部以及根部鈷提取率最高的均是野茼蒿，其地上提取率最高可達27.21%；鈷濃度為60 mg/kg時，龍葵單株、地上部及根部鈷提取率均是最高的，其中地上提取率達到20.61%。由此可見，鈷提取能力較高的是野茼蒿和龍葵。

表55種植物提取百分率的比較

3結論與討論

隨著鈷濃度升高，各植物的生物量降低，對鈷的吸收量和積累量升高，轉運系數(shù)、富集系數(shù)及鈷提取率的變化趨勢不盡相同，因而各指標間的相關性有待進一步研究。就該試驗的5種植物相比得出，野茼蒿具有一定的鈷富集能力，可考慮用于中高濃度鈷污染土壤的治理，牛膝菊和龍葵次于野茼蒿，用于中低濃度鈷污染的治理效果可能較好些。

鈷雖是動物、植物的必需元素，但過量必然會影響生物的正常生長。生物量是反映植物在重金屬處理下生長情況的一個重要指標，也能間接反映植物對重金屬的耐受性。該試驗中5種植物的生物量隨鈷濃度升高而不同程度地減少，且鈷濃度越大植物受抑制作用越明顯，這點與樊文華等[22]的結論一致。該試驗中野茼蒿生物量減少率較其他植物小，體現(xiàn)出一定的耐受性，而刀葉椒草生長較差，可能是因為其根系受到較重傷害影響了水分和養(yǎng)分的吸收，從而影響了地上部分的生長發(fā)育[23-24]。

該試驗結果顯示隨鈷濃度增加，各植物地上部、根部鈷含量均顯著增加，與劉素萍等[25]研究的鈷在番茄各部位的含量隨施鈷量的增加而顯著增加的結果一致，也與許多學者研究的其他重金屬的結論基本相同[14-17，23-24]。5種植物中除了牛膝菊以外，野茼蒿、龍葵、刀葉椒草、毛茛在各處理中大致表現(xiàn)為根部含量高于地上部，這與徐冬平等[26]研究的蠶豆和Garba等[27]研究的牛筋草的根部鈷含量大于地上部分一致，另外，吳月燕等[28]研究菖蒲、金葉菖蒲和散尾葵對重金屬富集能力的比較也有類似結論。說明在多數(shù)植物中，鈷一般分布在根部。牛膝菊體內(nèi)鈷的分布比較少見，可能是牛膝菊體內(nèi)存在良好的運輸機制，能把根部吸收的鈷較多地運輸?shù)降厣喜?，或是牛膝菊根系分泌特殊物質(zhì)，促進植物對鈷的吸收，有待進一步研究。

重金屬轉移系數(shù)用來表征植株向地上部分運轉重金屬的能力，其值越大表示重金屬在植物中的遷移能力越強；植物對重金屬的積累是植物體內(nèi)吸收與分配的結果，通常用富集系數(shù)來說明植物對鈷的吸收和累積能力，富集系數(shù)越大則表明植物吸收重金屬的能力越強[21-23]。該試驗結果顯示，牛膝菊在中度鈷處理時轉移系數(shù)較高，同時其總富集系數(shù)也較高，可能是中濃度鈷能促進牛膝菊體內(nèi)的重金屬轉運機制（有待深入研究），而高濃度處理影響了其正常生長從而減少了向地上部的轉運。龍葵的鈷吸收量較高，但轉運和富集能力較一般，可能是其對鈷的耐受性較好。野茼蒿的地上轉運能力較差，但根部的富集效果較好，即使在高濃度下仍具有較高的富集能力，原因可能是鈷與植物作用時，根系首先接觸鈷，對其進行吸收，同時根細胞壁中存在大量交換位點，能將鈷離子交換吸收或固定，從而阻止其進一步向地上部分運輸[23]。刀葉椒草富集能力較差，可能是鈷濃度升高抑制了其正常的生長和代謝，從而降低了鈷耐受能力和吸收能力。

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