茶皂素作用下重金屬鎘對苧麻生理生長的脅迫效應

李榜江，李 萍，龍明忠，葉小林

(貴州民族大學，貴州貴陽550025)

茶皂素(Tea Saponin)是一種低毒、高效的天然表面活性劑［1］。在重金屬污染土壤中加入茶皂素溶液，經過淋洗的土壤中部分重金屬能與茶皂素形成穩定的、可溶性絡合物，降低土壤對重金屬的吸附，從而降低土壤重金屬的生物有效性和毒性［2］。

苧麻(Boehmerianivea)為蕁麻科苧麻屬，是多年生草本植物，又叫“中國草”［3］。苧麻的纖維被廣泛用于工業，是很好的紡織材料，其地上部分有很大的生物量。這對吸收土壤重金屬提供良好的儲存條件，彌補其他重金屬超積累植物生物產量低的缺陷。關于苧麻對土壤重金屬Cd污染修復的研究已有部分報道［4-5］。為了開展進一步研究，筆者對研究方法進行改進和拓展，將不同濃度梯度的茶皂素溶液加入鎘污染土壤中，探索苧麻生理生長和干物質積累狀況。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 供試材料為苧麻品種川苧11號。該品種是以由雄性不育系C9541為母本，以恢復系材料7920為父本雜交選育而成，由四川省達州市農業科學研究所提供。供試土壤采自貴陽市花溪區楓香樹煤礦廢棄地(26°32＇N，106°32＇10.765″E)。楓香樹煤礦于1953 年開始采礦，距今已有60年歷史，現已關閉。試驗于2013年4～6月在貴州大學盆栽試驗場進行。供試土壤基本理化性質為:pH 5.37，有機質 7.87 kg/kg，全氮 3.23 g/kg，全磷 0.91 g/kg，全鉀 10.77 g/kg，有效氮 125.21 mg/kg，有效磷 66.7 mg/kg，有效鉀194.35 mg/kg，鎘含量0.42 mg/kg。參照全國土壤質量標準(GB15618-1995)中三級土壤，外加1 mg/kg CdCl2到供試土壤中，平衡30 d后備用。

1.2 試驗方法 試驗設8個處理:A1(CK)、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8，茶皂素濃度分別為 0、0.1、0.5、1.0、2.0、2.5、3.0、5.0 mmol/L。各處理土壤Cd2+濃度均為1.55 mg/kg。每個處理9盆，完全隨機排列，設3次重復。試驗用盆栽盆規格為35 cm×30 cm，每盆裝土15 kg。編號后對應加入不同濃度梯度茶皂素溶液500 ml，再用木鏟攪拌均勻，靜置15 d，備用。將供試苧麻苗10 cm移栽入盆，每個盆中移植1株苧麻苗。成活后，放置到對應處理處［6］。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 pH及重金屬測定。按2.5∶1.0水土比［7-8］配制土壤懸濁液，采用電位法測定土壤pH。土壤重金屬Cd含量測定方法參照吳志強等［9］方法，即用王水+HClO4法徹底消解后待測，土壤溶液中重金屬含量用原子吸收分光光度計測定。將苧麻干植物樣品(莖葉和根)在瑪瑙研缽內磨成粉狀，將粉末狀樣品用混合酸HNO3∶HClO4(4∶1)消解，冷卻后過濾、定容至25 ml，同時以試劑空白作植物空白對照，重金屬Cd濃度采用原子吸收分光光度計測定。

1.3.2 葉綠素測定及計算方法。苧麻葉綠素含量測定參照張憲政［10］的丙酮乙醇混合法。移栽成活45 d后，取苧麻植株頂部倒數第6、7片葉［11］，擦凈組織表面污物，剪碎(去掉葉脈)，混合均勻;稱取剪碎的新鮮樣品0.1 g，共計3份，裝入15 ml離心管中，按1∶1的比例加入濃度95.5% 丙酮和無水乙醇10 ml作為葉綠素提取液，充分振蕩搖勻，放置在不透光的柜子中保存48 h，把葉綠體色素提取液倒入光徑1 cm比色杯內，以濃度95.5%乙醇為空白，在紫外分光光度計波長663、645和652 nm處測定其吸光度。根據下面的經驗公式，計算葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量。

式中，D663、D645和D652分別為663、645 和652 nm 波長下的光密度值;V為葉綠素提取液的體積(ml);W為葉片鮮重(g)。

1.4 數據分析 用Excel 2007等軟件進行數據處理，用SPSS18.0統計軟件進行方差分析和相關性分析，用Newman-Keuls法進行顯著性檢驗(P＜0.01，P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 鎘污染土壤中茶皂素對苧麻株高的影響 以未添加茶皂素處理為對照，考察1 mg/kg Cd2+處理土壤下0.1、0.5、1.0、2.0、2.5、3.0、5.0 mmol/L 茶皂素濃度處理對苧麻株高的影響。由圖1可知，對照平均株高為114.94 cm，變異系數為0.50%，除0.10 mmol/L茶皂素濃度處理的平均株高(100.90 cm)明顯低于對照，0.5 mmol/L茶皂素濃度處理的平均株高(114.71 cm)略低于對照外，其他茶皂素濃度處理的平均株高介于115.23～119.25 cm，均高于對照;除0.1、5.0 mmol/L茶皂素濃度處理的變異系數分別為4.68%、6.19%，明顯大于對照外，其余茶皂素濃度處理的變異系數介于0.23% ～1.33%，與對照處理的變異系數接近。

方差分析結果進一步顯示，各處理平均株高間差異達0.01顯著水平，采用Duncan’s新復極差法進行平均數的多重比較，0.1 mmol/L茶皂素濃度處理的平均株高在0.01水平顯著低于對照和其他茶皂素濃度處理之值，其他茶皂素濃度處理與對照的平均株高間差異不顯著。這說明茶皂素對苧麻株高的影響存在劑量效應，其中0.1 mmol/L茶皂素濃度處理下苧麻的株高受重金屬Cd的影響在0.01顯著，0.5～5.0 mmol/L茶皂素濃度處理下苧麻的株高則不受重金屬Cd的顯著影響。

圖1 不同茶皂素處理下苧麻株高變化

2.2 鎘污染土壤中茶皂素對苧麻莖粗的影響 由圖2可知，在Cd污染土壤中，對照平均莖粗為8.34 mm，變異系數為4.81%，0.1、1.0、3.0、5.0 mmol/L 茶皂素濃度處理的平均莖粗介于7.22～8.27 mm之間，在不同程度小于對照，0.5、2.0、2.5 mmol/L茶皂素濃度處理的平均莖粗介于8.54～8.85 mm之間，略大于對照;除0.1、3.0 mmol/L茶皂素濃度處理的變異系數分別為9.57%、9.08%，明顯大于對照的變異系數外，其余茶皂素濃度處理的變異系數介于0.93%～4.08%，均低于對照處理的變異系數。

圖2 不同茶皂素處理下苧麻莖粗變化

方差分析結果顯示，處理間平均莖粗差異達0.01顯著水平。平均莖粗的多重比較結果進一步顯示，0.1 mmol/L茶皂素濃度處理的平均莖粗在0.01水平顯著低于對照和其他供試茶皂素濃度處理，其他茶皂素濃度處理的平均莖粗與對照間差異不顯著。這說明在Cd污染土壤中，不同濃度茶皂素作用下苧麻的莖粗變化與苧麻株高變化相似，即茶皂素對苧麻莖粗的影響存在劑量效應，0.1 mmol/L濃度處理的苧麻莖粗受重金屬Cd的影響極顯著，0.5～5 mmol/L茶皂素濃度處理均能避免重金屬Cd對苧麻莖粗的顯著影響。

2.3 鎘污染土壤中茶皂素對苧麻干物質重的影響 以未添加茶皂素為對照，考察了1 mg/kg Cd2+處理土壤下0.1、0.5、1.0、2.0、2.5、3.0、5.0 mmol/L 茶皂素濃度處理對苧麻籽干重、葉干重、殼干重和原麻干重的影響。方差分析結果表明，各處理籽干重、葉干重和原麻干重等考察指標存在0.01水平顯著差異，殼干重間存在0.05水平顯著差異，有必要分指標進一步分析。

由表1可知，0.1、5.0 mmol/L濃度處理的平均籽干重在0.05水平顯著低于對照，其余處理與對照的籽干重間不存在差異。低濃度的茶皂素不能解除重金屬Cd對籽干重的顯著影響。濃度適中(0.5～2.5 mmol/L)的茶皂素能解除重金屬Cd對籽干重的顯著影響。添加高濃度(3.0～5.0 mmol/L)的茶皂素有導致籽干重下降的趨勢，表明不同茶皂素濃度解除重金屬Cd對苧麻籽干物質積累的影響不一致。

Cd污染土壤中不同濃度茶皂素對苧麻葉片干重的影響差異較大。0.1、5.0 mmol/L濃度處理的平均葉干重分別為3.92、4.09 g，均在0.05水平顯著低于對照，2.5 mmol/L濃度處理的平均葉干重為5.21 g，在0.05水平顯著高于對照，其余處理的平均葉干重為4.19～4.65 g，與對照間差異不顯著，說明向重金屬Cd污染土壤中添加不同濃度的茶皂素溶液對苧麻葉干重的影響不一致。在低茶皂素濃度(0.1 mmol/L)和高茶皂素濃度(5.0 mmol/L)時苧麻的葉干重均顯著下降。在0.5～2.5 mmol/L茶皂素濃度范圍，隨著濃度的增加，苧麻的葉干重呈上升趨勢。該濃度范圍的茶皂素溶液能有效淋洗土壤中重金屬Cd，降低其生物有效性。

Cd污染土壤中不同濃度茶皂素對苧麻殼干重的影響差異較小，僅0.1 mmol/L濃度處理的殼干重與對照顯著下降，下降百分率達13.79%;其余處理的殼干重與對照間差異不顯著。而不同濃度茶皂素對苧麻原麻干重的影響差異較大。與對照相比，0.1、5.0 mmol/L濃度處理的原麻干重在0.05水平顯著下降，分別下降了21.8%、17.6%;2.5 mmol/L濃度處理的原麻干重顯著增加，增加了13.3%;其余濃度處理的原麻干重與對照間差異不明顯。這與不同濃度茶皂素對葉片干重的影響基本一致。

2.4 鎘污染土壤中茶皂素對苧麻葉綠素含量的影響

2.4.1 鎘污染土壤中茶皂素對苧麻葉綠素a含量的影響。由表2可知，不同濃度茶皂素處理苧麻葉綠素a含量間存在0.01水平顯著差異。0.1 mmol/L濃度處理的葉綠素a含量為1.53 mg/g，在0.01水平顯著低于對照;1.0、2.0、2.5 mmol/L濃度處理的葉綠素a含量分別為1.85、1.88、1.94 mg/g，在0.01水平顯著高于對照;其余濃度處理的葉綠素a含量與對照間差異均不顯著。由此可見，在低茶皂素濃度(0.1 mmol/L)時苧麻的葉綠素a含量較對照在0.01水平顯著下降;在0.5～2.5 mmol/L茶皂素濃度范圍，隨著處理濃度的增大，苧麻的葉綠素a含量增加，并且在2.5 mmol/L茶皂素濃度時達到峰值;高濃度茶皂素(3.0 mmol/L)時苧麻的葉綠素a含量相比峰值在0.01水平顯著下降，與對照含量相當。這說明向重金屬Cd污染土壤中添加不同濃度的茶皂素溶液對苧麻葉綠素a含量的影響不一致。添加濃度為2.5 mmol/L茶皂素溶液，可增加苧麻的葉綠素a含量。

表1 茶皂素對苧麻干物質重的影響

表2 不同茶皂素濃度對葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量的影響

2.4.2 鎘污染土壤中茶皂素對苧麻葉綠素b含量的影響。由表2可知，不同濃度茶皂素處理苧麻葉綠素b含量間存在0.01水平顯著水平差異。0.1、0.5、5.0 mmol/L濃度處理的葉綠素b含量分別為0.75、0.93、0.90 mg/g，與對照間差異不顯著;2.0、2.5、3.0 mmol/L濃度處理的葉綠素b含量分別為1.03、1.16、0.99 mg/g，在 0.01 水平顯著高于對照;1.0 mmol/L濃度處理的葉綠素b含量分別為0.97 mg/g，在0.05水平顯著高于對照。這說明隨著茶皂素濃度的增加，苧麻葉綠素b含量呈上升趨勢，當茶皂素濃度達到2.5 mmol/L時苧麻葉綠素b含量達到最大值，而后有下降趨勢。

2.4.3 鎘污染土壤中茶皂素對苧麻葉綠素總量的影響。由表2可知，不同濃度茶皂素處理苧麻葉綠素總量間存在0.01水平顯著差異。0.1 mmol/L濃度處理的葉綠素總量為2.42 mg/g，在0.01 水平顯著低于對照;0.5、1.0、2.0、2.5、3.0 和5.0 mmol/L濃度處理的葉綠素總量分別為2.77、2.84、3.24、3.54、2.77、2.74 mg/g，均在0.01水平顯著高于對照。這說明不同濃度茶皂素處理的葉綠素總量變化趨勢與葉綠素a含量的變化趨勢基本一致。在重金屬Cd污染的土壤中添加濃度為2.5 mmol/L茶皂素溶液，可在0.01水平顯著增加苧麻的葉綠色總量，提升苧麻的光合性能。

3 結論

(1)茶皂素通過絡合作用絡合土壤中重金屬Cd，降低重金屬Cd的生物有效性。茶皂素上的羧基與Cd2+形成絡合物，從而增加重金屬污染土壤中Cd2+的洗脫效率［12］。李光德等［13］研究指出，茶皂素溶液的濃度和土壤pH是去除土壤重金屬的主要因素。在重金屬Cd污染土壤中，茶皂素對苧麻生理生長和干物質積累存在劑量效應，濃度過高或過低均會導致苧麻的葉、籽和原麻干重在0.05水平顯著降低。試驗中，在0.5～2.5 mmol/L茶皂素濃度范圍，隨著濃度的增加，苧麻的葉、籽和原麻干重呈上升趨勢;在2.5 mmol/L濃度時，苧麻的葉、籽和原麻干重在0.05水平顯著增加。因此，在對該類重金屬Cd污染的土壤修復中，若選用苧麻作為修復植物，則在施以茶皂素溶液淋洗土壤中重金屬Cd時，茶皂素溶液濃度的選擇尤為重要。只有適宜的茶皂素濃度才能取得最佳的修復效果。這一結果與陳潔等［12］研究結果一致。

(2)在重金屬Cd污染土壤中，茶皂素能有效改善苧麻光合性能。茶皂素是一種天然非離子型表面活性劑，具有良好的乳化、分散、發泡、濕潤等功能［14］，也可以作為天然生物農藥使用。在重金屬污染土壤中加入茶皂素溶液，可以有效地改善土壤的質地和耕性，給植物生長提供良好的條件［15］，有利于苧麻光合作用。在重金屬Cd污染的土壤中，加入濃度為2.5 mmol/L的茶皂素溶液，可顯著增加苧麻的葉綠素總量，提升苧麻光合性能，但其具體的作用機理還有待進一步研究。

(3)苧麻修復重金屬鎘污染土壤具有較強的實用性和較高的經濟性。重金屬污染土壤修復的焦點莫過于植物修復。而植物修復所必須的兩個條件為:一方面，所選植物對某種重金屬要有一定的耐性，能在重金屬污染土壤中完成整個生育期;另一方面，若要植物吸收有較明顯的效果，則必須選擇吸收能力強植物，最好是重金屬超積累植物。如果選擇的修復植物兼有前面兩個方面的特點，又具有較大的生物量，那么它對重金屬污染土壤修復效果明顯。苧麻系多年生草本植物，適應性強，易于種植，且地上部分有很大的生物量。苧麻纖維被廣泛應用于紡織業，具有較高的經濟價值。同時，苧麻對土壤中的重金屬有較好的吸收。該試驗選取苧麻作為重金屬Cd污染土壤的修復植物，對礦區重金屬污染土壤的修復具有指導意義和實踐意義。

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