青葙對土壤錳的耐性和富集特征

余 軻，劉 杰，尚偉偉，張富珍

桂林理工大學，廣西礦冶與環境科學實驗中心， 桂林 541004

青葙對土壤錳的耐性和富集特征

余 軻，劉 杰*，尚偉偉，張富珍

桂林理工大學，廣西礦冶與環境科學實驗中心， 桂林 541004

通過盆栽試驗，研究了青葙(CelosiaargenteaLinn.)對不同濃度(0、50、100、200、300、500 mg/kg)錳(Mn)污染土壤的吸收和積累特性。結果表明，青葙的錳含量、生物富集系數和生物量均隨著土壤錳濃度的增加而增加。當土壤錳含量為300 mg/kg時，青葙生長良好。在錳濃度500 mg/kg時，青葙葉片邊緣出現輕微褪綠現象，但是植株的生長未受到抑制，并且葉片生物量顯著增加(P< 0.05)。此時，葉片中錳含量達到最大值42927 mg/kg，生物富集系數為69.20。青葙吸收的錳有95%—97% 被轉移到地上部分，表明該植物對錳具有很強轉運能力。本研究的結果為利用青葙修復錳污染土壤提供了有力證據。

錳；超富集植物；青葙；耐性

錳(Mn)是植物生長發育必需的微量營養元素之一，但環境中過高的Mn2+，會對植物造成毒害[1]。并且，錳能夠通過食物鏈進入人體，威脅人類健康[2]。我國是錳業大國，電解錳的產量、出口量和消費量均居世界第一[3]。大量的錳生產和消耗增加了土壤錳污染的風險。土壤中的錳在酸性條件下，會以可溶性錳的形態進入土壤溶液，加劇土壤錳對植物的毒害[4]。我國酸性土壤占全國耕地面積的21%。因此，在我國，土壤錳污染的治理顯得尤其緊迫和必須。如何有效、經濟地治理錳污染，減輕錳毒對環境與人類的危害，已成為亟待解決的環境問題。

植物修復技術是修復錳等重金屬污染土壤最為有效的方法之一，具有成本低、無二次污染、工程量小和操作簡單等優點[5]。而該技術的實施主要依賴于超富集植物的種植和收獲。因此，發掘有應用價值的錳超富集植物是土壤錳污染修復的重要基礎性工作。本課題組在對廣西大新錳礦區進行野外調研時，發現一種新的錳超富集植物-青葙(CelosiaargenteaLinn.)，其能在礦區的高錳環境下大量生長且生物量較大(株高最高可達170cm左右)，表現出明顯的錳超富集特征；其葉片錳含量可高達14362 mg/kg[6]。青葙是莧科青葙屬一年生草本植物，多生于路邊、田邊、丘陵或山坡，幾遍全國，廣泛分布于東南亞和非洲熱帶地區，具有結籽量多、喜陽耐旱、易于人工種植等特點[7]。因此，該植物對于錳污染土壤的復墾與植物修復具有重要的研究和應用價值。

本文采用溫室土培實驗，研究了青葙對不同濃度土壤錳的耐受和積累特征，分析了青葙對土壤錳的富集和耐受規律，為開發和利用青葙修復錳污染土壤提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試植物與土壤

青葙種子采集于廣西平樂錳礦區。供試土壤取自桂林理工大學雁山校區。采回的土壤置陰涼處風干，忌直接陽光暴曬，樣品風干處防止酸堿等氣體和灰塵的污染。人工去除石子和枯葉等雜物，風干后搗碎過4mm尼龍篩備用。取風干土壤樣品，用TRF- 2A型土壤多功能分析儀測試土壤的基本理化性質如下：pH為5.4(為弱酸性土壤)，總氮為5.12 mg/kg，有效磷為7.19 mg/kg，總鉀為41.11 mg/kg，有機質含量為1.2%，錳含量為120.34 mg/kg。

1.2 土培實驗

準確稱量質量為1 kg的過篩后土壤，分別加入0、50、100、200、300、500 mg/kg的Mn2+(以MnCl2的形式加入，Mn處理濃度根據預實驗確定)，混勻后裝入容量為2L外壁涂黑的塑料盆中。混合后土壤平衡干濕2個周期，做作為錳污染土壤。

挑選顆粒飽滿的種子，消毒后播種于沙盤中，置溫室中培養。種子萌發后用1/2濃度的Hoagland營養液施肥，植株長到6—7 cm時進行間苗。培養20 d后，選擇生長一致的青葙幼苗分別移栽入錳污染土壤中，每個處理設3個重復，每盆 1 棵幼苗。培養期間，每5 d施1次1/2濃度Hoagland營養液(50 ml/盆，含錳4.62×10-4mg)。根據盆中土壤的干濕程度，澆水(水中未檢出Mn)，使土壤含水量保持在田間持水量的80%左右。植物生長40 d后收獲。

1.3 錳含量的測定

收獲的青葙分成根、莖、葉三部分，用去離子水清洗3次。所有植物樣品先在105°C下殺青30 min，然后在70°C下(48h)烘干至衡重。烘干后的樣品用電子天平測定生物量(干重)，然后用不銹鋼粉碎機粉碎，過20目尼龍篩，供分析測定用。植物樣品(約0.2g)采用HNO3-HClO4(9∶1)濕式消解法處理，然后用原子吸收光譜儀(PE-AA700)測定Mn含量。分析過程中所用試劑均為優級純，采用國家標準參比物質(GBW10015(GSB- 6))進行分析質量控制。

1.4 數據處理

實驗數據采用SPSS(vl8.0)進行方差分析(ANOVA)和LSD檢驗，用Origin(8.0)作圖。錳的富集系數(BCF)和轉運系數(TF)的計算公式如下：

2 結果與分析

2.1 不同濃度錳脅迫對青葙生長的影響

在整個培養過程中，青葙生長旺盛。在50、100、200、300 mg/kg錳處理組，青葙生長良好，其地上部未表現出中毒癥狀。在500 mg/kg錳處理組，青葙葉片邊緣出現輕微的褪綠現象，但在青葙的整個實驗周期沒有出現葉子脫落現象，并不斷長出新葉。圖1為收獲時的青葙，觀察可以看出，在300和500 mg/kg錳處理組的青葙葉片數和植株大小較其他組明顯增加。可見，一定濃度的土壤錳可促進青葙的葉片生長。

圖1 不同濃度錳脅迫對青葙生長的影響Fig.1 Effects of Mn stress on C. argentea growtha、b、c、d、e、f分別是對照、50、100、200、300、500 mg/kg錳處理組

由圖2可知，在對照組和50、100、200、300、500 mg/kg錳處理組中，青葙的根和莖干重沒有顯著差異。在50、100、200、300 mg/kg錳處理組，青葙的葉與地上部干重與對照相比差異不明顯。在錳濃度為500 mg/kg時，葉與地上部的干重達到最大，與對照相比分別增加了62.9%和28.2%，并且顯著高于對照和50、100、300 mg/kg 錳處理組(P<0.05)。可見在一定的濃度范圍內錳的加入，不但不會抑制青葙的生長，反而刺激青葙生長，促進其地上部生物量的生產。

2.2 青葙對錳的富集

隨著錳處理濃度的增加，青葙根、莖、葉中錳含量增加(圖3)。在50、100、200、300、500 mg/kg錳處理組，青葙葉錳含量均顯著高于對照(P<0.05)。在50、100、200 mg/kg錳處理組，青葙莖錳含量與對照相比呈顯著差異(P<0.05)。在錳處理濃度為300、500 mg/kg時，青葙莖錳含量與其他處理組差異明顯(P<0.05)。當錳處理濃度為500 mg/kg時，葉片中錳含量達到最大為42927 mg/kg，莖、根錳含量同時也達到最大值，分別為13888 mg/kg和5348mg/kg；各部分顯著高于對照(P<0.05)。青葙葉錳含量是莖錳含量的2.6—3.8倍，地上部錳含量是根錳含量的7.47—10.62倍。

圖2 青葙在不同濃度錳處理下的生物量 Fig.2 Biomass of C.argentea growing in Mn-spiked soils1)平均值±標準差，n=3；Means±SE, n=3； 2)不同字母表示同一植物組織在不同處理間存在顯著差異(P<0.05)

圖3 不同濃度錳處理下青葙根、莖、葉錳含量 Fig.3 Effects of Mn treatment on the Mn concentrations in roots, stems and leaves of C. Argentea 1)平均值±標準差，n=3；Means±SE, n=3； 2)不同字母表示同一植物組織在不同處理間存在顯著差異(P<0.05)

由圖4可知，當錳處理濃度為50 mg/kg時，青葙的富集系數為11.55；隨著錳處理濃度的升高，生物富集系數呈增加趨勢；各處理組與對照相比呈現出顯著差異(P<0.05)。當錳濃度為500 mg/kg時，青葙富集系數達到最大69.20。青葙的對錳的轉運系數在5.83—8.69之間，表現出很強的錳轉運能力。在錳濃度為200 mg/kg時，植物的錳轉運系數最大，高達8.69。

圖4 青葙對錳的富集系數和轉運系數Fig.4 BCF and TF of Mn in C. Argentea1)平均值±標準差，n=3；Means±SE, n=3； 2)不同小寫字母表示在 P<0.05 的水平上存在顯著差異

2.3 錳在青葙體內的分布

圖5 不同濃度錳處理下青葙體內錳的分布特征 Fig.5 Mn distribution in different tissues of C. argentea growing in Mn-spiked soils

圖5可以看出，青葙各部分對錳的積累量隨著錳濃度的增加而增加。在土壤錳濃度為500 mg/kg時，青葙各部位對錳的積累量達到最大，根、莖、葉和地上部錳的積累量分別為 1.06、3.88、24.60、28.48 mg/株；與對照相比差異顯著(P<0.05)。錳在青葙根、莖、葉中的分布次序為，葉(70%—83%)>莖(13%—24%)>根(2.8%—6%)。錳在青葙地上部分積累量是根積累量的20—26.8倍，這表明青葙對根系吸收的錳有很強的向地上部分運輸的能力，這有利于通過收割青葙地上部分來降低污染土壤中錳的含量。

2.4 青葙與其他錳超富集植物的比較

如表1所示，目前世界上已報道的錳超富集植物約有23種，分別隸屬五加科(1種)、夾竹桃科(1種)、衛矛科(3種)、滕黃科(1種)、桃金娘科(7種)、商陸科(1種)、蓼科(4種)、山龍眼科(3種)、毛茛科(1種)和山茶科(1種)等10科的13個屬[8- 9]。其中，中國境內發現的錳超富集植物有水蓼(PolygonumhydropiperL.)[10]、垂序商陸(PhytolaccaamericanaL.)[11]、木荷(Schimasuperba)[12]、短毛蓼(PolygonumpubescensBl.)[13]和杠板歸(PolygonumperfoliatumL.)[14]等5種。青葙是莧科青葙屬植物，與目前國內外已發現的錳超富集植物不存在種屬關系。因此，青葙的發現，拓展了錳超富集植物的種類，為利用超富集植物修復錳污染土壤提供了新的種質資源。在自然條件下，青葙葉片中的錳含量最高可達14362 mg/kg干重[6]。這與已發現的大多數錳超富集植物體內最高錳含量相當。但由于發現超富集植物的土壤條件不同，無法有效地比較青葙與其他超富集植物的Mn富集能力。

表1 目前報道的錳超富集植物種類及最大錳含量[8-9]

3 討論

一般認為，錳超富集植物必需具備兩個基本特征：一是植物地上部分的錳含量超過參考值10000 mg/kg；二是轉運系數必需大于1[15- 16]。在土壤錳處理濃度為200、300、500 mg/kg時，青葙葉錳含量分別為19361、25364、42927 mg/kg，明顯高于10,000 mg/kg的參考值。同時，青葙的轉運系數在5.83—8.69之間，均大于1。因此，青葙符合典型的錳超富集植物特征。這進一步驗證了此前野外調查和水培實驗的結果[6]。由于不同研究在培養基質、培養時間，處理濃度等實驗條件上存在較大差異，很難將青葙與已報道超富集植物進行有效比較。例如，Yang等[12]報道，木荷葉片中Mn最高含量達到62412 mg/kg，高于本實驗中青葙葉片中的Mn含量(42927 mg/kg)。但是該研究是在石英砂培養，實驗周期為90d，錳處理濃度為150 mmol/L的條件下進行的，與本研究的實驗條件有較大差異。

錳是植物生長過程中所必需的微量營養元素之一，但過高的土壤錳可抑制植物正常生長，降低植物的生物量。例如：薛生國等[17]的研究發現，在錳處理濃度為12 mmol/L時，商陸地上部分生物量較對照(0.005 mmol/L)減少了約82%。然而，在本研究中發現，青葙生物量隨土壤錳含量的增加而增加(圖 2)。在土壤錳處理濃度最高時(500 mg/kg)，青葙地上部分的生物量達到最大，與對照組相比增加了31.1%。這表明Mn對青葙可能存在hormesis效應[18]。青葙在錳脅迫下，啟動其體內抗性機制，表現出一定的補償過程。當這個補償行為超過脅迫的抑制作用時，會出現凈刺激效應。一般植物體內Mn的正常含量在1—2262 mg/kg之間，超出這個范圍就會影響植物的正常生長[19- 20]。然而，青葙在植物體內Mn含量高達42927 mg/kg時，仍表現出生物量的刺激效應。可能的原因是青葙作為一種錳超富集植物，錳的耐受能力顯著高于普通植物，因而出現hormesis效應的閾值較高。這一現象對于土壤錳的植物修復有重要的意義。在相同錳富集能力下，生物量的增加就意味著修復效率的增加。

除了具備極強錳富集和耐受能力外，青葙還具備生長迅速、易于繁殖等特性；并且能將體內富集的錳大部分(95%—97%)轉運到地上部分，非常利于通過收割去除土壤中的錳。因此，該植物在土壤錳植物修復中表現出較強的應用潛力。此外，青葙的同屬植物雞冠花作為觀賞花卉，很早就被人工栽培。雞冠花與青葙雜交培育出很多人工栽培的變種。這些人工栽培的變種與野生青葙親緣關系的遠近可能會造成了錳富集性狀的差異。例如，向言詞等[21]的研究發現，一個青葙的人工栽培變種(青葙與雞冠花的雜交后代)也存在錳超富集特征，而同屬近緣種雞冠花不具備錳超富集特征。這些錳富集性狀不同的青葙屬植物為植物錳超富集機理和遺傳學基礎研究提供了很好的資源群體。

4 結論

本研究證明青葙是一種錳的超富集植物，其能夠在500 mg/kg錳處理濃度中正常生長,且與對照相比生物量明顯增加，葉片錳含量最高達42927 mg/kg。這表明青葙不但有非常強的錳耐性，同時也具有極強的錳富集能力。青葙是一年生草本，分布廣泛，易于存活，生長迅速，結籽量大。因此，該植物為錳污染土壤的植物修復和植物錳富集和耐受機制的研究提供了重要的種質資源。

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Tolerance and accumulation characteristics ofCelosiaargenteaLinn. growing in Mn-contaminated soil

YU Ke, LIU Jie*, SHANG Weiwei, ZHANG Fuzhen

GuangxiScientificExperimentCenterofMining,MetallurgyandEnvironment,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China

It is main groundwork and the first step of phytoextraction of its commercial application on a large scale to screen out a series of ideal hyperaccumulators that can effectively remedy contaminated soil by heavy metals, which is also difficult point and front field of contaminated environment phytoremediation.CelosiaargenteaLinn. has been found after a series of field investigations have been conducted at Pingle manganese tailings wastelands, Guangxi Province, southern China (14362 mg/kg in leaf dry matter).C.argentea, an annual herb, is almost distributed all over the China as well as Southeast Asia and tropical Africa. A pot experiment was used to study the Mn tolerance and accumulation ofC.argenteagrowing in soil spiked with 0, 50, 100, 200, 300, and 500 mg/kg Mn. Results of the experiment showed that plant has remarkable tolerance to Mn. The plant manganese content and biomass increased with increase in Mn concentration in soil, while bioaccumulation coefficient decreased progressively. Under pot-culture conditions, the dry weight of plant could reach as high as 1.048g at soil Mn 500 mg/kg, which is higher than the control group (P<0.05).C.argenteacould grow quit well in soil spiked with 300 mg/kg Mn. Compared with the control group, leaf biomass increased significantly at 500 mg/kg Mn (P<0.05), although visible symptoms in foliage were observed. At 500 mg/kg Mn in soil, the plant still grew well with the maximum Mn concentrations in the leaves, stems and roots reaching 42927 mg/kg, 13888 mg/kg, 5348 mg/kg, which were larger than the threshold as Mn hyperaccumulator (10000 mg/kg), while the Mn bioaccumulation coefficient reached to a maximium value of 69.20. 95%—97% of the total Mn taken up byC.argenteawas translocated to aerial parts, indicating a great capacity of the plant transporting Mn from roots to aerial parts. Manganese translocation factors between 5.83 and 8.69 ofC.Argenteain all samples in this study, which were greater than 1. The distribution patterns of Mn in the leaves, stems and roots were followed the order: leaf (70%—83%) > stem (13%—24%) > root (2.8%—6%). Our results suggest thatC.argenteais a newfound manganese hyperaccumulator, which is belongs to the amaranth family, Amaranthaceae. This species has not only a high tolerance to Mn, but also a hyperaccumulation capacity for this element.C.argentea, therefore, has great potential for phytoremediation of Mn-contaminated soils.

manganese; hyperaccumulation;CelosiaargenteaLinn.; tolerance

國家自然科學基金(41471270)；廣西自然科學基金杰出青年基金項目(2014GXNSFGA118009)；廣西自然科學基金重大項目(2013GXNSFEA053002)

2014- 10- 05;

2015- 01- 06

10.5846/stxb201410051957

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liu-j7775@163.com

余軻，劉杰，尚偉偉，張富珍.青葙對土壤錳的耐性和富集特征.生態學報,2015,35(16):5430- 5436.

Yu K, Liu J, Shang W W, Zhang F Z.Tolerance and accumulation characteristics ofCelosiaargenteaLinn. growing in Mn-contaminated soil.Acta Ecologica Sinica,2015,35(16):5430- 5436.