Zn2+脅迫對4種草生長及抗逆生理特性的影響

高秉婷 吳永貴 陳偉

摘要：為了篩選耐受鋅冶煉廢渣及土法煉鋅廢渣堆場原位修復(fù)的先鋒草本植物，采用蛭石培養(yǎng)法模擬鉛鋅廢渣在酸雨淋溶過程中釋放的鋅含量，測定多年生黑麥草（Premier）、高羊茅（Barrera）、草地早熟禾（Barrister）、白三葉（Haifa）4種草的株高、脯氨酸含量及丙二醛（MDA）、超氧化物歧化酶（SOD）指標(biāo)，分析不同濃度梯度Zn2+脅迫對4種草生長及其抗逆性生理特性的影響。結(jié)果表明，Zn2+脅迫會對4種草植株株高、脯氨酸含量、MDA含量、SOD活性產(chǎn)生顯著影響（P<0.05），且離子濃度越高，影響越顯著。其中，多年生黑麥草、高羊茅和白三葉對Zn2+脅迫耐受性相對高于草地早熟禾，結(jié)合從黔西北某鉛鋅礦渣堆場采樣經(jīng)過改良礦渣的性質(zhì)，種植4種草驗(yàn)證了模擬試驗(yàn)的結(jié)果，因此在鋅濃度較高的土壤上或鉛鋅礦渣場原位生態(tài)修復(fù)中可以使用多年生黑麥草、高羊茅和白三葉作為先鋒物種來進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的草本種植。

關(guān)鍵詞：Zn2+脅迫;重金屬污染;生態(tài)修復(fù);抗逆性;生理特性

中圖分類號：X173 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）13-0285-03

土壤是人類賴以生存的重要自然資源之一，也是人類生存環(huán)境的重要組成部分。土壤中重金屬污染不僅具有隱蔽性、不可逆性等特點(diǎn)，而且經(jīng)水、植物等介質(zhì)進(jìn)入人體，最終影響人類健康[1]。重金屬Zn的污染在目前土壤污染中普遍存在。土壤中的Zn主要來自于礦山開采、大氣沉降、垃圾和化學(xué)藥品的殘留等，當(dāng)土壤中的Zn含量超標(biāo)后，可嚴(yán)重抑制農(nóng)作物和草坪植物的生長，同時會通過食物鏈影響家畜和人類健康[2-3]。徐學(xué)華的研究表明，重金屬對植物產(chǎn)生危害后，植物生理生化特性會發(fā)生一系列反應(yīng)來抵御這種危害[4]。重金屬污染是國內(nèi)外學(xué)者研究的重要課題，近年來許多學(xué)者開展了對重金屬污染的治理研究[5]。重金屬污染會導(dǎo)致植株的生理特征發(fā)生變化，同時也引起生態(tài)系統(tǒng)的惡性循環(huán)。當(dāng)pH值降低到使碳酸鹽溶解（如酸雨沉降）時，碳酸鹽結(jié)合態(tài)的重金屬容易從廢渣堆中釋放出來。重金屬的可交換態(tài)有比其他化學(xué)相態(tài)更高的溶解性和潛在的生物可利用性。因此，土法煉鋅固體廢物對環(huán)境有潛在影響[6]。草本植物生長周期快，覆蓋面大，生命力強(qiáng)，容易種植，易接觸和吸收土壤中的金屬離子[7]，對重金屬污染土壤的治理意義重大。本研究采用蛭石培養(yǎng)法探討不同Zn2+濃度對草地早熟禾（Barrister）、多年生黑麥草（Premier）、高羊茅（Barrera）和白三葉（Haifa）4種草的株高、脯氨酸含量、MDA含量以及SOD活性的脅迫響應(yīng)，分析了不同濃度Zn2+脅迫對多年生黑麥草、高羊茅、白三葉和草地早熟禾生長及其抗逆生理特性的影響，以期為利用草本植物修復(fù)鋅冶煉過程產(chǎn)生Zn2+污染礦渣及土法煉鋅廢渣堆場的原位修復(fù)篩選先鋒物種提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及地點(diǎn)

試驗(yàn)材料為多年生黑麥草（Premier）、高羊茅（Barrera）、白三葉（Haifa）及草地早熟禾（Barrister），由西安百綠草業(yè)有限公司提供。金屬離子：ZnSO4·7H2O為AR級。

試驗(yàn)地點(diǎn)為貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室。

1.2 Zn2+溶液配制和濃度設(shè)置

Zn2+以溶液形式加入到花盆中，5個濃度梯度分別為0、500、800、1 100、1 400 mg/kg。將草種子播入以蛭石、磷石膏、有機(jī)肥等營養(yǎng)物質(zhì)為基床、直徑12 cm的花盆中，待幼苗長出2張展開葉時按照1株/cm2的標(biāo)準(zhǔn)剔除多余幼苗，根據(jù)培養(yǎng)基70%持水量每天注入Hoaglands（霍格蘭氏）營養(yǎng)液，并將重金屬無機(jī)鹽溶液按梯度施入，當(dāng)幼苗長出第4張葉片時進(jìn)行生長發(fā)育指標(biāo)的測定。

1.3 草坪草生長及其抗逆生理特性測定

1.3.1 株高測定 采用游標(biāo)卡尺測定上述4種草株高（從地面至最高葉尖）。

1.3.2 脯氨酸含量測定 采用酸性茚三酮法[8]測定。取草坪草葉片0.2 g，剪碎后置于試管中，加入5 mL 3%磺基水楊酸，沸水浴提取10 min，冷卻后以4 000 r/min進(jìn)行離心 10 min。吸取上清液2 mL放入另一個帶玻璃塞的試管中，加入2 mL冰醋酸和2 mL酸性茚三酮，沸水浴加熱30 min。冷卻后加入甲苯4 mL，搖勻后靜置片刻。吸取上層脯氨酸-甲苯紅色溶液于比色皿中，以甲苯為空白，在波長520 nm處比色。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線算出2 mL測定溶液中的脯氨酸含量。

單位樣品鮮質(zhì)量中脯氨酸含量=（x×5/2）/（樣質(zhì)量×106）×100%。

1.3.3 MDA含量測定 稱取葉片材料1 g左右，加入2 mL 10%三氯乙酸（TCA），研磨后，用TCA定容至10 mL，4 000 r/min 離心10 min，吸取2 mL上清液加入10 mL的具塞玻璃試管中，加入2 mL 0.6%硫代巴比妥酸，沸水浴煮沸15 min，立即冷卻離心，分別測定D450 nm、D532 nm值，MDA含量按以下公式計算[9]：

MDA含量（μmol/L）=6.45×D532 nm-0.56×D450 nm。

1.3.4 SOD活性測定 采用氮藍(lán)四唑（NBT）法[10]測定。反應(yīng)總體積為3 mL，反應(yīng)以50 mmol/L pH值7.8的磷酸緩沖液作為反應(yīng)介質(zhì)，含0.3 mL 130 mmol/L甲硫氨酸、0.3 mL 750 mmol/L 氮藍(lán)四唑（NBT）、0.3 mL 100 μmol/L EDTA-Na2、0.3 mL 20 μmol/L核黃素、0.1 mL酶提取液（空白管加磷酸緩沖液0.1 mL），放于指形管中，反應(yīng)于4 000 lx光照度下照光10 min（調(diào)零管放在暗處），然后在560 nm下進(jìn)行比色。以抑制NBT光化還原50%時的酶量作為1個活力單位[11]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

運(yùn)用Origin 9.0整理數(shù)據(jù)、制作相關(guān)圖表，用SPSS 24.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Zn2+脅迫對4種草株高的影響

從表1可以看出，對4種草來說，除了Zn2+濃度為 500 mg/kg 處理下株高與對照差異不顯著外，其余各濃度處理株高均顯著低于對照，并且隨著重金屬離子濃度的升高，株高呈逐漸下降趨勢。說明低濃度Zn2+處理對4種草植株的生長影響不大，只有當(dāng)Zn2+濃度達(dá)到800 mg/kg及以上時，會顯著影響上述4種草正常生長，造成株高顯著低于對照。但對不同草而言，Zn2+脅迫對其株高的影響又不完全一致。對于多年生黑麥草，Zn2+濃度在800～1 400 mg/kg處理下，其株高差異不顯著，說明Zn2+濃度達(dá)到800 mg/kg甚至更高時，對株高的影響是一定的，沒有對生長造成更加不利的影響;對于高羊茅、白三葉和草地早熟禾，Zn2+濃度為800、1 100 mg/kg時，對株高的影響是一致的，當(dāng)Zn2+濃度達(dá)到 1 400 mg/kg 時，對株高影響最大?？傮w上來說，Zn2+脅迫會對4種草植株株高產(chǎn)生顯著影響，且離子濃度越高，影響越顯著。但對不同草的影響是不同的，其中多年生黑麥草在株高指標(biāo)上對Zn2+脅迫的耐受性要高于另外3種草。

2.2 Zn2+脅迫對4種草脯氨酸含量的影響

脯氨酸是植物蛋白質(zhì)的主要組成成分，在逆境條件下，植物為了減少自身傷害，維持正常生理功能，會在體內(nèi)積累大量脯氨酸[12]。從表2可以看出，對4種草來說，Zn2+濃度為 500 mg/kg 處理時，其體內(nèi)的脯氨酸含量與對照差異不顯著;Zn2+濃度為800 mg/kg處理時，除草地早熟禾與對照差異顯著外，其余3種草都與對照差異不顯著;當(dāng)Zn2+濃度為 1 100 mg/kg 處理時，除多年生黑麥草與對照差異不顯著外，其他3種草皆與對照差異顯著;在1 400 mg/kg處理時，4種草皆與對照組表現(xiàn)出一定的差異性，除多年生黑麥草外其余3種草的脯氨酸含量均顯著高于對照，并且隨著重金屬離子濃度的不斷升高，脯氨酸呈逐漸上升趨勢。說明低濃度Zn2+處理對4種草脯氨酸含量影響不大，只有當(dāng)Zn2+濃度達(dá)到800 mg/kg及以上時，會顯著影響草正常生長激素的分泌，造成脯氨酸含量顯著高于對照。但對不同草而言，Zn2+脅迫對草的脯氨酸含量的影響又不一致。對于多年生黑麥草，Zn2+濃度在500～800 mg/kg處理時，其脯氨酸含量之間差異不顯著，說明Zn2+濃度達(dá)到500 ～800 mg/kg時，對其脯氨酸含量的影響具有相似性，沒有對生長激素的分泌造成不利的影響;但1 400 mg/kg Zn2+濃度處理下時，4種草內(nèi)的脯氨酸含量之間差異明顯;而對于高羊茅、白三葉來說，Zn2+濃度為500～800 mg/kg時，對脯氨酸含量的影響一致，當(dāng)Zn2+濃度達(dá)到 1 100 mg/kg 及以上時，對脯氨酸含量的影響較顯著，但當(dāng)Zn2+濃度達(dá)到1 400 mg/kg時，對脯氨酸的含量的影響最大;草地早熟禾在Zn2+濃度為800 mg/kg時表現(xiàn)出顯著影響，但當(dāng)Zn2+脅迫濃度在1 100～1 400 mg/kg之間時對脯氨酸含量的影響極大?？傮w上來說，Zn2+脅迫會對4種草植株體內(nèi)的脯氨酸含量產(chǎn)生顯著影響，且離子濃度越高，影響越顯著。但對不同草的影響是不同的，其中多年生黑麥草在脯氨酸含量上對Zn2+脅迫的耐受性要高于其他3種草。

2.3 Zn2+脅迫對4種草MDA含量的影響

在逆境條件下，植物為了減少自身傷害并維持正常生理功能，細(xì)胞膜中不飽和脂肪酸產(chǎn)生過氧化反應(yīng)而產(chǎn)生丙二醛（MDA），因此可以用MDA衡量細(xì)胞膜損傷程度[13]。從表3可以看出，對4種草來說，Zn2+濃度為500 mg/kg處理下，其MDA含量除白三葉與草地早熟禾與對照差異不顯著外，黑麥草與高羊茅表現(xiàn)出顯著的差異性;Zn2+濃度為800～1 400 mg/kg 處理下，4種草的MDA含量都與對照差異顯著，且均顯著高于對照，并且隨著重金屬Zn2+濃度的升高，MDA含量逐漸上升趨勢。說明低濃度Zn2+處理對4種草MDA含量的影響不大，只有當(dāng)Zn2+濃度達(dá)到800 mg/kg及以上時，會顯著影響草體內(nèi)激素MDA的產(chǎn)生，造成上述4種草MDA含量顯著高于對照。但對不同草而言，Zn2+脅迫對草MDA含量的影響又相對不一致。對多年生黑麥草與高羊茅而言，Zn2+脅迫濃度在500～1 400 mg/kg處理?xiàng)l件下，其體內(nèi)MDA含量與對照差異顯著，說明Zn2+濃度達(dá)到500～ 1 400 mg/kg 時，對其MDA含量的影響較大。對白三葉和草地早熟禾來說，Zn2+濃度為500 mg/kg時，對MDA含量的影響與對照差異不顯著，說明Zn2+濃度在達(dá)到500 mg/kg時，對白三葉與草地早熟禾MDA含量的影響不大;而當(dāng)Zn2+濃度達(dá)到800～1 400 mg/kg 時，對上述2種草MDA含量產(chǎn)生顯著影響，且離子濃度越高，影響越顯著。總之，Zn2+脅迫濃度的變化對不同草的影響是不同的，其中白三葉與草地早熟禾在MDA含量上對Zn2+脅迫的耐受性在低濃度時要高于其他2種草。

2.4 Zn2+脅迫對4種草SOD活性的影響

在逆境條件下，植物體內(nèi)的超氧化物歧化酶（SOD）作為一種重要的防御酶，也能間接表明植物的受害程度和抗逆活性[14]。從表4可以看出，對4種草來說，Zn2+濃度為 500 mg/kg 處理下，除草地早熟禾的SOD活性與對照差異顯著外，其余3種草均與對照差異不顯著;當(dāng)Zn2+濃度在800～1 400 mg/kg之間時，Zn2+對4種草脅迫皆與對照表現(xiàn)出差異顯著，草體內(nèi)的SOD活性均顯著高于對照，并且4種草的SOD活性隨著Zn2+濃度增加呈不斷上升的趨勢。說明，低濃度Zn2+處理對4種草的SOD活性影響不大，只有當(dāng)Zn2+濃度達(dá)到800 mg/kg及以上時，會造成上述草SOD活性顯著高于對照。但對于不同草坪草來說，Zn2+脅迫對草的SOD活性的影響又不完全一致。對多年生黑麥草、高羊茅與白三葉來說，Zn2+濃度在500 mg/kg處理時，其SOD活性與對照差異不顯著，說明Zn2+濃度達(dá)到500 mg/kg時，對這3種草SOD活性的影響是一致的。對于草地早熟禾，Zn2+濃度為500～1 400 mg/kg 時，與對照相比SOD活性上升顯著?？傮w上，Zn2+脅迫會對4種草體內(nèi)的SOD活性較對照組產(chǎn)生顯著影響，且離子濃度越高，影響越顯著。但對不同草的影響是不同的，其中多年生黑麥草、高羊茅和白三葉對Zn2+脅迫的耐受性在SOD活性上相對高于草地早熟禾。

3 討論與結(jié)論

麻占威等的研究表明，鉛鋅礦土法冶煉廢渣中富含多種重金屬，其中Zn含量最高，Pb、Cu、As含量次之，Cd、Cr含量相對較低[15]。王蘭等的研究表明，鉛鋅礦淋溶液對植物幼苗生長有一定的抑制作用，且抑制作用隨淋溶時間延長而減弱[16]。付天嶺等的研究表明，水溶性有機(jī)質(zhì)處理能夠改善冶煉廢渣中的肥力水平，同時能顯著提高冶煉廢渣上植物的成活率、株高、生物量及覆蓋率;能促進(jìn)冶煉廢渣中多種有害重金屬的雨水淋失和水浸溶出;同時能降低植物重金屬含量，而提高單位面積上重金屬植物富集量[17]。研究黔西北某鋅冶煉廠的廢渣堆場，通過調(diào)查分析廢渣堆場土壤和優(yōu)勢植物的重金屬含量，研究優(yōu)勢植物對重金屬的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和富集特征，篩選出適應(yīng)該地區(qū)生態(tài)修復(fù)的先鋒植物。調(diào)查的優(yōu)勢植物均能適應(yīng)廢渣堆場重金屬元素較高的環(huán)境，對重金屬具有一定的耐性[18]。通過模擬鉛鋅廢渣污染特征及重金屬釋放機(jī)制對鉛鋅廢渣進(jìn)行改良，可為修復(fù)改善廢渣堆場污染情況提供參考。根據(jù)廢渣中典型重金屬污染特點(diǎn)，篩選鉛鋅堆場修復(fù)的先鋒物種，可進(jìn)行鉛鋅堆場生態(tài)修復(fù)。

結(jié)果表明，Zn2+脅迫會對上述4種草植株生長產(chǎn)生顯著影響，且離子濃度越高，影響越顯著。但對不同草的影響是不同的：（1）Zn2+脅迫會對4種草植株體內(nèi)的脯氨酸含量產(chǎn)生顯著影響，且離子濃度越高，影響越顯著，其中多年生黑麥草對Zn2+脅迫的耐受性要高于其他3種草;（2）白三葉與草地早熟禾在MDA含量上對Zn2+脅迫的耐受性在低濃度時要高于其他2種草;（3）Zn2+脅迫會對4種草植株體內(nèi)的SOD活性產(chǎn)生顯著影響，且離子濃度越高，影響越顯著，其中多年生黑麥草、高羊茅和白三葉對Zn2+脅迫的耐受性要相對高于草坪草草地早熟禾。根據(jù)Zn2+對上述4種草生長及抗逆生理特性的影響研究結(jié)果篩選出先鋒植物，通過模擬鉛鋅廢渣中Zn2+的污染和現(xiàn)場采鉛鋅廢渣進(jìn)行改良種植的4種草的長勢及生理指標(biāo)的測定結(jié)果來看，可以選用多年生黑麥草、白三葉、高羊茅作為先鋒草本植物進(jìn)行鉛鋅冶煉廢渣的原位生態(tài)修復(fù)。

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