重金屬鉛脅迫下鳳仙花幼苗及根際環(huán)境響應(yīng)

吳恒梅，劉垠澤，申曉慧，秦冠羽，李秀霞，李春豐，姜 成,*

(1. 佳木斯大學 生命科學學院，黑龍江 佳木斯 154007；2.宜春學院生命科學與資源環(huán)境學院，江西 宜春336000；3. 佳木斯市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗檢測中心，黑龍江 佳木斯 154007)

土壤重金屬污染是世界各國面臨的環(huán)境問題，引起了廣泛的研究和關(guān)注[1-3]。鉛是重金屬污染中較嚴重且毒害性很強的元素，其流動性強、生物毒性大且易被植物吸收[4-7]，經(jīng)植物莖稈和果實傳入動物和人類體內(nèi)，最終影響人類的健康[8-10]。鉛并非植物生長所必需的金屬微量元素，且對土壤及植物的生長有毒害作用[11]。鉛污染會導致根系不能對營養(yǎng)物質(zhì)進行正常的吸收和代謝，其原因在于受重金屬鉛的影響，土壤酸堿度發(fā)生改變，土壤微生物活性降低，土壤酶活性隨之降低[12]，影響土壤氮素供應(yīng)的有效性[13-15]。鉛脅迫會降低細胞的有絲分裂速度，從而導致植物生長緩慢；其在高濃度脅迫下會影響種子的出苗率、根長及鮮重，甚至出現(xiàn)根組織壞死等[4]。

鳳仙花(ImpatiensbalsaminaL.)又名指甲花，生存力強，適應(yīng)性好，對外界脅迫有很強的耐性[16]。徐玲玲等探討了不同濃度鎘脅迫下鳳仙花種子萌發(fā)及幼苗葉綠素、丙二醛含量及抗氧化酶活性的變化，表明低鎘濃度(≤50 mg·L-1)促進種子萌發(fā)和葉綠素的合成，丙二醛含量和抗氧化酶活性隨鎘濃度升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢[17]；姜成等的研究表明低濃度脅迫下(Pb-Cd濃度低于750～40 mg·L-1時)，對鳳仙花根的損傷比孔雀草和矮翠菊輕，說明鳳仙花對Pb-Cd脅迫抗性要高于孔雀草和矮翠菊[18]，鳳仙花作為修復受重金屬鉛鎘污染土壤具有一定的應(yīng)用潛力。本試驗選取鳳仙花為供試植物，研究重金屬鉛脅迫下鳳仙花幼苗生長及根際土壤酶活性和堿解氮的響應(yīng)，對重金屬鉛污染根際微環(huán)境進行分析評價，為重金屬污染防治和土壤修復提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試植物為鳳仙花，鳳仙花種子由佳木斯大學科技園提供。供試土壤取自于佳木斯大學花壇，土壤pH6.7，有機質(zhì)含量為2.45%，全氮、全磷和全鉀含量分別為0.16%、0.15%和3.24%，土壤Pb背景值為0.25 mg·kg-1。主要試劑：硝酸鉛、氯化鉀、氫氧化鉀、苯二甲酸氫鉀、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鈉、氫氧化鈉、甲基紅、溴甲酚綠、酒精、硼酸、硫酸、丙三醇、過氧化氫、高錳酸鉀、焦性沒食子酸、檸檬酸、蔗糖、葡萄糖、酒石酸鉀鈉、3,5-二硝基水楊酸、苯酚。

1.2 試驗方法

采用盆栽試驗方法，選取大小適中的花盆(規(guī)格：口徑×底徑×高度為180 mm×125 mm×150 mm)，每個花盆中分別加入風干土壤500 g。將配置好的硝酸鉛溶液(Pb2+濃度為2 000 mg·L-1)澆入土中，各處理分別澆入蒸餾水和硝酸鉛溶液49.9、99.9、149.9、199.9、249.9、299.9、349.9 mL，使花盆中土壤重金屬鉛濃度分別為0.25(CK)、200、400、600、800、1000、1200、1400 mg·kg-1。準備鳳仙花種子若干，水培鳳仙花種子至露白，播50粒種子至花盆中，覆土約1 cm。每個處理播種3盆，放于室內(nèi)光照培養(yǎng)架上培養(yǎng)，溫度25℃，相對濕度60%，光照強度1.4×104lx，每天光照8 h(8:00-16:00)。出苗后每盆留20株幼苗，培養(yǎng)15～20 d左右取樣測定。將每盆中的20株鳳仙花幼苗全部取出，取樣時將幼苗連根挖出，收集抖落根系表面土壤作為根際土壤，將根用清水洗凈，并用濾紙吸干待測植株根莖部水分。

1.3 指標測定

對供試鳳仙花植株出苗率、株高、根長、根冠比進行測量。對每盆中所有20株幼苗分別稱量地上部和地下部鮮重。土壤過氧化氫酶活性測定采用高錳酸鉀滴定法[19]，土壤多酚氧化酶活性測定采用分光光度法[20]，土壤蔗糖酶活性測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法[21]。土壤pH值測定采用電位測定法[22]，堿解氮測定采用堿解擴散法[23]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS18.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，再根據(jù)Duncan法進行多重比較，分析差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛脅迫下鳳仙花生長的響應(yīng)

由表1可知，土壤重金屬鉛濃度低于400 mg·kg-1時，鳳仙花出苗率和苗高與CK相比差異不顯著，隨土壤重金屬鉛濃度逐漸升高，出苗率明顯下降。當重金屬鉛濃度為200 mg·kg-1時，根長、根冠比的變化不顯著，隨著鉛濃度的升高，根長受到抑制作用，根冠比逐漸減小。

表1 鉛脅迫下鳳仙花生長的響應(yīng)Table 1 Response of impatiens growth under heavy metal Pb stress

2.2 鉛脅迫下鳳仙花根際土壤過氧化氫酶活性的響應(yīng)

由圖1可知，隨重金屬鉛濃度不斷升高，鳳仙花根際土壤過氧化氫酶活性出現(xiàn)穩(wěn)定緩慢升高趨勢，在鉛濃度為600 mg·kg-1時達到最大值，當鉛在土壤中處于高濃度(800 mg·kg-1)后，呈現(xiàn)較快下降趨勢。說明鳳仙花對重金屬鉛脅迫具有一定的抗性，從過氧化氫酶活性表現(xiàn)衡量其抗性濃度為600 mg·kg-1。

圖1 鉛脅迫下鳳仙花根際土壤過氧化氫酶活的響應(yīng)Fig. 1 Response of soil catalase activity under Pb stress

2.3 鉛脅迫下鳳仙花根際土壤多酚氧化酶活性的響應(yīng)

結(jié)果表明，重金屬鉛處于低濃度時，多酚氧化酶活性呈較緩趨勢穩(wěn)定上升，在600 mg·kg-1出現(xiàn)峰值，之后隨著重金屬鉛濃度繼續(xù)升高，土壤多酚氧化酶活性呈下降趨勢(圖2)。

圖2 鉛脅迫下鳳仙花根際土壤對多酚氧化酶活的響應(yīng)Fig. 2 Response of soil polyphenol oxidase activity under Pb stress

2.4 鉛脅迫下鳳仙花根際土壤蔗糖酶活性的響應(yīng)

由圖3可見，重金屬鉛在土壤中處于低濃度狀態(tài)時，土壤中蔗糖酶活性逐漸升高；當鉛濃度為600 mg·kg-1時，土壤蔗糖酶活性達到最大值；當鉛含量繼續(xù)升高時，土壤蔗糖酶活性受到抑制作用，可見重金屬鉛脅迫下鳳仙花根系土壤蔗糖酶活性表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢。

圖3 重金屬鉛脅迫下鳳仙花根際土壤蔗糖酶活性的響應(yīng)Fig. 3 Response of soil invertase activity under Pb stress

2.5 鉛脅迫下鳳仙花根際土壤pH的響應(yīng)

鉛脅迫下鳳仙花根際土壤酸堿度的響應(yīng)見圖4。土壤中鉛處于低濃度狀態(tài)時，隨鉛濃度逐漸上升，pH值呈上升趨勢。當鉛濃度為600 mg·kg-1時，pH值最大，當鉛濃度高于800 mg·kg-1時，pH值隨鉛濃度的上升呈下降趨勢。說明在低濃度鉛脅迫下，根際土壤pH值呈現(xiàn)弱酸性，在高濃度鉛脅迫下根際土壤酸性增強。

圖4 重金屬鉛脅迫下鳳仙花根際土壤酸堿度的響應(yīng)Fig. 4 Response of soil pH under Pb stress

2.6 鉛脅迫下鳳仙花根際土壤堿解氮的響應(yīng)

圖5表明，當鳳仙花根際土壤中鉛在低濃度(0～600 mg·kg-1)時，土壤堿解氮含量呈現(xiàn)增高趨勢，當鉛含量高于800 mg·kg-1時，土壤堿解氮含量顯著降低。說明重金屬鉛脅迫下鳳仙花根際土壤堿解氮呈現(xiàn)先增后降的趨勢。

圖5 重金屬鉛脅迫下鳳仙花根際土壤堿解氮的響應(yīng)Fig. 5 Response of soil alkaline nitrogen under Pb stress

3 討 論

3.1 鉛脅迫下鳳仙花生長的響應(yīng)

植株幼苗的生長狀況直接反映了受重金屬脅迫的程度，一般表現(xiàn)為低促髙抑的現(xiàn)象[17]。范志強等的研究表明，在鉛濃度較低時(50～100 mg·L-1)，波斯菊根長和苗高隨濃度的升高而增加，之后隨著鉛濃度升高，根長和苗高降低[24]。本試驗中鳳仙花幼苗根長和苗高隨鉛濃度增加呈現(xiàn)減小趨勢，但在鉛濃度為400 mg·kg-1時，與對照相比，苗高未存在顯著差異；根長在鉛濃度為200 mg·kg-1時，未與對照存在顯著差異，說明鳳仙花根部受鉛脅迫的抑制作用高于地上部?？赡苡捎诟凳紫冉佑|土壤中的鉛，鉛對幼苗主根發(fā)育及根毛產(chǎn)生傷害，使根對水分和礦物質(zhì)營養(yǎng)的吸收能力減弱，進而影響了鳳仙花地上部的正常生長發(fā)育。

3.2 鉛脅迫下鳳仙花根際土壤過氧化氫酶活性的響應(yīng)

土壤過氧化氫酶能夠促進土壤中過氧化氫的分解，防止它對植株產(chǎn)生毒害作用。高秀麗等[25]對重金屬積累對土壤酶活性的影響進行了研究，結(jié)果表明過氧化氫酶活性與鉛的含量呈負相關(guān)性，即過氧化氫酶活隨重金屬鉛濃度的增加而降低。本試驗在高濃度鉛處理時得到相似結(jié)果，但低濃度鉛處理條件下，表現(xiàn)為過氧化氫酶活性呈上升趨勢，表明鳳仙花的生長能夠?qū)ζ涓H微環(huán)境起到調(diào)節(jié)作用，進而增強了鳳仙花對重金屬鉛的耐受性。但其耐受能力也受到重金屬鉛濃度的影響，當鉛濃度高于800 mg·kg-1時，耐受能力逐漸下降。

3.3 鉛脅迫下鳳仙花根際土壤蔗糖酶活性的響應(yīng)

土壤蔗糖酶對土壤中添加的易溶性營養(yǎng)物質(zhì)起重要的作用，可將蔗糖水解為容易被植物吸收利用的果糖和葡萄糖。楊波等[26]的研究表明：土壤蔗糖酶活性與鉛呈正相關(guān)關(guān)系，即重金屬鉛對蔗糖酶具有激活作用。本試驗研究中，低濃度鉛脅迫下，鳳仙花根際土壤中蔗糖酶活性略有上升趨勢，但隨重金屬鉛濃度逐漸增大，土壤中蔗糖酶活性明顯受到抑制。這可能是高濃度的重金屬鉛超出了鳳仙花的耐受能力，導致其蔗糖酶活性的下降。

3.4 鉛脅迫下鳳仙花根際土壤多酚氧化酶活性的響應(yīng)

多酚氧化酶是一種土壤微生物、植物根系分泌物及動植物殘體分解釋放的復合酶[19]。它能把土壤的芳香族化合物轉(zhuǎn)化為礦物、糖類等有機質(zhì)，使芳香族化合物在土壤中得到充分循環(huán)[27]。本試驗中低濃度鉛脅迫下，鳳仙花根際土壤多酚氧化酶活性具有升高趨勢，但隨重金屬鉛濃度逐漸增高，多酚氧化酶活性明顯受到抑制。程東祥[28]等的研究也得到類似的結(jié)果，但其鉛的抑制濃度為1000 mg·kg-1，高于本研究的800 mg·kg-1。這可能由于其試驗是在重金屬復合污染條件下進行，不同重金屬之間發(fā)生相互作用，從而改變了酶活對鉛響應(yīng)機制。

3.5 鉛脅迫下鳳仙花根際土壤堿解氮的響應(yīng)

土壤中堿解氮與土壤中有機質(zhì)含量、熟化程度成正比。堿解氮含量作為植物氮素營養(yǎng)較無機氮有更好的相關(guān)性，所以常將它作為土壤氮素有效性的指標[29-30]。本試驗中重金屬鉛以低濃度形式脅迫鳳仙花時，根際土壤堿解氮含量呈緩慢上升趨勢，表明在低濃度鉛處理下，鳳仙花對鉛脅迫具有一定的耐性。其根系在從土壤中吸收水分、養(yǎng)分的同時，也向土壤中分泌質(zhì)子、離子和有機物，這些物質(zhì)改變了根際微環(huán)境的物理和化學性質(zhì)，為根際土壤微生物提供了適宜的生長條件，而根際中的有益微生物在增加土壤肥力、促進有機質(zhì)的增加等方面發(fā)揮著積極的促進作用。但當重金屬鉛達到較高濃度時堿解氮含量則受到明顯抑制，呈下降趨勢。說明在高濃度重金屬鉛脅迫影響下，土壤中有機質(zhì)含量下降，熟化程度隨之下降，鳳仙花得不到充分的營養(yǎng)，導致鳳仙花生長發(fā)育不良[18,31]。

4 結(jié) 論

鉛脅迫對鳳仙花出苗和生長表現(xiàn)為抑制作用，根受鉛的抑制作用大于地上部；鳳仙花根際土壤中過氧化氫酶活性、蔗糖酶活性、多酚氧化酶活性隨鉛濃度的升高呈現(xiàn)低濃度升高和高濃度下降趨勢，臨界濃度為600 mg·kg-1；鉛脅迫下鳳仙花根際土壤pH值響應(yīng)表現(xiàn)為其酸性先緩慢減弱，而后逐漸增強，變化明顯且速度較快；鳳仙花根際土壤堿解氮呈現(xiàn)先緩慢上升后逐漸下降的趨勢。綜上所述，鳳仙花對重金屬鉛脅迫具有一定的抗性，其抗性濃度為600 mg·kg-1，在重金屬鉛污染土壤修復應(yīng)用中具有較大潛力，可以作為候選修復植物在實際鉛污染土壤中進一步深入研究。