鉻污染人工濕地薏米對鉻的積累和分布

李志剛 楊幽 安芮辰 李瓊 李素麗 梁和 李正文

摘 要：通過桶栽構筑微型垂直流人工濕地，在生活污水中添加不同濃度的Cr6+ （0、20、40 mg ·L1，用K2Cr2O7配置），研究了在鉻（Cr）污染條件下薏米不同器官和亞細胞水平對鉻的積累及分布。結果表明：薏米根莖葉鉻含量均隨鉻處理濃度的提高和處理時間的延長而顯著增加，根部鉻含量最高，其次是葉片，莖部鉻含量最低。隨著鉻處理濃度的增加和時間的延長，細胞壁和液泡中的鉻含量大幅上升，但細胞器中鉻含量上升幅度較低，根部細胞壁、細胞器、可溶部分及液泡鉻含量均顯著大于莖、葉相關細胞組分，根、莖、葉亞細胞水平鉻含量分布均依次為細胞壁>液泡>細胞器。其中，細胞壁鉻含量極顯著大于液泡以及其他細胞器，薏米根部把大部分鉻隔離在細胞壁中，從而降低了地上部分對鉻的吸收，導致地上部分干重、鮮重的受抑制程度均低于根系，表明根部細胞壁是降低鉻在薏米體內積累的重要屏障，也是薏米在低濃度鉻脅迫下能夠存活的根本保證。

關鍵詞：鉻，薏米，亞細胞水平，人工濕地，轉運系數

中圖分類號：Q948

文獻標識碼：A

文章編號：10003142（2018）06068106

Abstract：Vertical ow wetland microcosms （VFWM） treated with domestic sewage were set up to study the accumulation and distribution of chromium （Cr） in organs （roots，stems and leaves） and subcellular compounds of Coix lacrymajobi 0，20，40 mg·L1 of K2Cr2O7 were added into domestic sewage，respectively. The results showed that the content of Cr in the plants was increased significantly with the prolong of Cr6+ stress and the increase of Cr6+ concentration，and the Cr content in the root was the highest，followed by leaves and stems. Cr concentrations in cell walls and vacuoles were increased significantly with Cr6+ exposure，but Cr content in organelles was lower than that of cell walls and vacuoles. Cr concentrations in cell walls，organelles and vacuoles of the roots were significantly higher than those of stems and leaves. The distributions of Cr concentration from the highest to the lowest were cell walls，vacuoles and cellorgans. Under Cr stress，most Cr was fixated on the cell walls of the roots，thereby limited further transportation of Cr to stems and leaves and reduced the toxicity of Cr to shoots. C. lacrymajobi can absorb Cr effectively in the wastewater. Cell wall was one of the important physiological mechanisms for chromium detoxification in C. lacrymajobi.

Key words：chromium，Coix lacrymajobi，subcellular，constructed wetland，transfer coefficient

鉻污染是世界性問題，主要為人類活動導致的。廣西是有色金屬之鄉，礦產資源極為豐富，隨著東部發達地區落后產業如電鍍、印染、皮革產業的轉移，加上礦產資源開發過程中對于廢渣處理不科學，導致廢水中鉻污染事件時有發生，也導致耕作區重金屬污染，通過對廣西某地受污染地區糧食進行檢測，發現玉米、水稻等作物中鉻（Cr）含量超過國家標準（賴燕平等，2007；唐文杰等，2015；吳洋等，2015）。在環境中，鉻常以三價、六價化合物形式出現，一般認為三價鉻是無毒性的，而六價鉻溶解度大，遷移性大，毒性很強（黃建祥等，2013），用含鉻的水源灌溉是耕地鉻污染的主要來源，最終導致糧食中鉻的超量積累。因此，加強對鉻污染水體的治理，是降低農作物重金屬積累的重要途徑。

利用人工濕地進行水體重金屬污染治理，是當今國內外研究的熱點。李志剛等（2011）的研究表明，生活污水灌溉條件下，薏米人工濕地對生活污水中的10～20 mg·L1 的Cr6+具有很高的去除能力，在此濃度下薏米能夠維持正常生長。布銀瑤（2011）通過配制含鉻脅迫的營養液對薏米影響的研究表明，營養液中Cr6+超過10 mg·L1時薏米的生長就會受到抑制，表明生活污水灌溉條件下，薏米對鉻的吸收和分配與單純營養液培養條件下可能有較大的差別。推測生活污水條件下，鉻在植物體內的分布可能主要在質外體空間，而在代謝旺盛的原生質部位分布較少，從而導致對薏米的傷害較低。重金屬污染條件下植物體內的積累、分配及去除，以及對植物的生長狀況具有重要影響。植物對重金屬的吸收積累特性也與其在亞細胞水平分布密切相關（楊素勤等，2015），細胞壁是重金屬積累的一個重要位點，也是防止重金屬在細胞內過量積累的重要屏障。如香蒲根的細胞壁中鎘含量占細胞總鎘量的50%（游少鴻等，2016）。小麥、蘆葦根部大部分Pb以難溶狀態存在于細胞壁，減弱了Pb向地上部分的遷移，細胞壁的固持作用可有效減弱地上部分的毒害（楊素勤等，2015；白雪等，2014）。生活污水條件下，薏米人工濕地對生活污水中的鉻有更好的凈化效果，且薏米能夠維持較好的生長狀態（李志剛等，2010，2011），可能與鉻在薏米體內的分配和積累與植株對鉻的耐受性有密切關系，但對于生活污水條件下鉻在植物體內組織和細胞水平積累和分配規律的相關研究較為少見，還須進一步的深入研究。本研究通過模擬垂直流人工濕地環境，研究生活污水條件下，薏米對鉻的積累及分配，以及鉻亞細胞分布變化情況，為人工濕地修復鉻污染水體提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

參考李志剛等（2011）構建微型垂直流人工濕地系統。試驗于2016年在廣西大學農學院教學科研基地塑料大棚內進行。供試材料取自廣西農業科學院種子資源所的野生種薏米，幼苗種在模擬垂直流人工濕地系統桶載設備中，桶高28 cm，以鵝卵石（直徑3～5 cm）鋪在桶底，厚度約10 cm，上部鋪厚度13 cm的河沙作為基質。每桶種4～5株生長狀況一致的扦插苗。供試污水來自廣西大學東校園生活污水，試驗過程中水質穩定。污水主要指標含量：氮為7.136 mg·L1，磷為0.98 mg·L1，鉀為6.6 mg·L1，COD為120 mg·L1，pH值為6.8。污水中鉻的本底水平為0.02 mg·kg1，基質中鉻本底含量為17.35 mg·kg1。

1.2 方法

薏米扦插苗長至3～4片葉時，移入人工濕地模擬系統，每桶3株，利用不含鉻的生活污水進行培養，2016年4月初待長勢穩定后進行不同鉻濃度（0、20、40 mg·L1，以K2Cr2O7配置）脅迫處理。采用進水3 d、落干4 d的間歇式進水方法，每處理重復3次。

1.3 取樣

分別于處理后第5周、第14周取樣，并把根、莖、葉分開，用去離子水沖洗干凈并吸干表面水分，裝入樣品袋，4 ℃下保鮮帶回實驗室，一部分立即進行實驗，另一部分進行烘干處理。

1.4 測定

1.4.1 薏米不同器官（根、莖、葉）中鉻含量測定 鉻含量的測定參考王愛云等（2012）的方法，稱取植物干樣0.3 g加入體積比為4∶1的濃硝酸、濃高氯酸混合液進行消解。用0.2%的硝酸定容至50 mL，用原子吸收光譜儀（FAAS）測定各組分中Cr的含量。

1.4.2 薏米各器官鉻轉運系數的計算 參考周啟星和宋玉芳（2004）的方法進行不同器官中鉻轉運系數的計算，通過計算各器官間鉻含量的比值，得出薏米各器官鉻元素的轉運系數，不同器官之間的轉運系數反映鉻在器官之間轉移能力的強弱。“地上部/根”反映的是重金屬從根系轉移到地上部的能力，“莖/根”和“葉/根”分別表示重金屬由根系向莖、葉轉移的能力。

1.4.3 鉻在薏米不同器官（根、莖、葉）亞細胞中分布 參考楊居榮等（1999），不同細胞組分的分離采用差速離心法，稱取鮮樣6 g，用液氮研磨成粉末狀，加入20 mL提取液（由250 mmol·L1蔗糖+50 mmol·L TrisHCl緩沖液pH=7.5，1.0 mmol·L1的二硫赤蘚糖醇DTE配制而成），4 ℃進行差速離心以分離細胞壁（Fb）、液泡及可溶性物質（Fy）、細胞器及細胞核（Fq）。采用王愛云等（2012）的消解法，分別進行HNO3HClO4硝化處理，用0.2%的硝酸定容至50 mL，用原子吸收光譜儀（FAAS）測定各組分中Cr的含量。

1.5 統計分析

數據處理采用Excel 2016和SPSS 21軟件進行統計和分析。

2 結果與分析

2.1 不同鉻濃度處理對下薏米根莖葉中鉻含量的影響

如表1 所示，莖、葉、根之間鉻含量均隨鉻處理濃度和處理時間的延長而提高，根中鉻含量顯著大于莖和葉。對照薏米根系鉻含量顯著大于莖葉，莖葉之間差異不顯著，而在20和40 mg·L1鉻處理下，不同部位鉻含量均呈根﹥葉﹥莖的趨勢。與對照相比，處理5周時，在20和40 mg·L1鉻處理下，根、莖、葉鉻含量分別是對照的2.11倍和2.98倍、1.31倍和1.64倍、1.37倍和2.00倍。而在處理14周時，在20 和40 mg·L1處理條件下，根、莖、葉鉻含量分別是對照的2.91倍和4.47倍、1.61倍和1.90倍、1.90倍和2.00倍。總體來看，隨著脅迫時間延長，植物根、莖、葉含鉻量都隨時間延長而含量增加，40 mg·L1濃度下，根系中鉻積累增加量顯著大于莖和葉，莖、葉中鉻含量的增加量均顯著低于根系。

2.2 不同鉻濃度處理對薏米各器官轉運系數的影響

由表2可知，各處理地上部/根的轉運系數均大于0.5。不同鉻處理濃度相比較，在處理5周時，在20和40 mg·L1 Cr6+處理下，地上部/根轉運系數均顯著大于莖/根和葉/根，但均顯著低于對照，莖/根和葉/根比之間差異不顯著；在20和40 mg·L1 Cr6+處理之間差異不顯著，處理時間的延長，到了處理14周，地上部/根、莖/根、和葉/根比均隨處理濃度的提高而顯著下降，40 mg·L1 Cr6+處理下地上部/根下降幅度最大，不同部位轉運系數大小依次為地上部/根>葉/根>莖/根比，轉移至葉片的鉻相對較多。

2.3 不同鉻濃度脅迫下鉻在薏米不同器官亞細胞水平的分布

由表3可知，根、莖、葉中Fb、Fy、Fq中的鉻含量均隨鉻處理濃度的提高和處理時間的延長而增大。其中，Fb中鉻含量最高，Fy次之，Fq含量最低，同一時間段，三者之間差異極顯著（P<0.05）。

不同部位相比較，根系各細胞組分鉻含量均顯著大于莖、葉，Fb鉻占總量的57%～77%，根系和葉片Fb鉻含量所占總量的比例較高，但根和葉片Fb鉻占總量比例差異不顯著；Fy鉻占總量的12.5%～30%，低濃度處理條件下以及鉻處理初期Fy鉻含量占比較高，但隨處理濃度的提高和處理時間的延長，Fy鉻含量呈下降的趨勢；Fq鉻占總量的9.9%～14.1%，根系中Fq鉻含量顯著低于莖、葉中Fq鉻含量。

隨著處理時間的延長和濃度的提高，根不同細胞器組分鉻含量均呈顯著提高趨勢，鉻處理后第5周，在20和40 mg L1條件下，根部Fb、Fq、Fy鉻含量分別為對照的3.1倍和10倍、2倍和5.2倍、3.86倍和8.4倍，隨著處理時間的延長，到鉻處理后第14周，根部Fb、Fq、Fy鉻含量分別為對照的6.7倍和9.1倍、3.5倍和6.8倍、3.2倍和5.7倍，隨著處理濃度的增加和處理時間的延長，根系不同細胞組分鉻積累增加量依次為Fb>Fy>Fq，莖、葉中不同細胞組分鉻積累的變化趨勢與根系相類似，但莖、葉中鉻積累總量均顯著低于根系。

3 討論與結論

本研究結果表明，隨時間延長，薏米根部鉻濃度顯著提高，而莖部、葉部都對鉻吸收量顯著低于根系。可見，與莖、葉相比，根系對鉻元素有更高的吸收積累能力，是鉻積累的主要部位。這與其他學者研究結果一致，很多植物對重金屬的積累大部分都集中在根部，從而避免將過量的重金屬導入脆弱性器官和敏感性細胞器中儲存（董萌等，2013）。轉運系數反映環境中的重金屬進入到植物體后，由根系向地上部分（莖、葉、花、果實）轉移強弱的能力（馬宏瑞等，2010）。本研究表明，鉻從根部到地上部的轉運系數隨處理濃度的增加而呈減小的趨勢，不會過多向地上部分轉移，可能是重金屬污染環境下，植物緩解重金屬毒害作用的重要機制。這與鄭施雯（2009）的研究結果發現鉻的超積累植物對鉻的吸收過程中大部分都是在根部積累，以避免過多毒害地上部分的結論相似。

細胞壁既是重金屬進入植物細胞的第一道屏障，又是根系吸收重金屬往地上部分運輸的重要門戶。細胞壁的主要成分果膠質，擁有很強的陽離子結合能力，可以為細胞壁結合重金屬離子提供足夠的離子交換點，從而避免進入到植物體內的原生質中，以減緩植物細胞的受害程度（Baxteri et al，2009）。在本研究中，在不同處理時期、不同鉻濃度脅迫下，55%～70%的鉻積累在在薏米細胞壁中，其含量顯著大于細胞器及可溶性部分的鉻含量，表明根系細胞壁是影響人工濕地植物薏米對鉻吸收和遷移轉運的重要影響因素，也這可能是生活污水條件下低濃度鉻脅迫薏米能夠正常生長的重要原因之一。

隨著重金屬處理濃度增大和處理時間的延長，重金屬離子經細胞壁進入細胞質內，主要是以游離態的形式存在的，但在細胞內不能以游離態大量存在（Sarret et al，2002），可以與一些大分子及氨基酸結合成絡合物儲存在細胞器及細胞核中，以降低植物體內自由態的重金屬離子。本研究結果表明，隨著莖、葉細胞中Cr濃度的增加，可溶部分（主要是液泡）的積累量會越來越多，尤其在莖、葉部變化最為顯著，說明液泡中可溶部分是鉻積累的重要部位，也是植物減輕鉻毒害的重要機制，這與薛永等（2014）研究的結論一致。王愛云等（2012）的研究表明，隨Cr6+處理時間延長，植物體內自由基積累加劇，酶活性降低。我們的前期研究表明，高濃度鉻脅迫下，葉片的抗氧化系統的受損加劇，導致薏米生長受限（康亮等，2014）。這可能與高濃度鉻脅迫下，細胞質鉻含量增加，加劇了對細胞的傷害有密切的關系，本研究結果表明，高濃度各脅迫下，細胞器鉻含量顯著增加，這可能是導致高濃度鉻脅迫下，薏米抗氧化系統受損加劇，生長受限的重要原因之一。

綜上所述，薏米可以有效地吸收重金屬鉻，將鉻主要集中在根部，地下部向地上部轉移能力也隨處理時間延長，脅迫濃度增加而下降。根部組織細胞將大部分鉻隔離在細胞壁中，細胞壁是其體內積累鉻的一個重要位點，而體內過多的鉻則分布在液泡，從而降低鉻在重要細胞器的積累，以保護細胞免受鉻的毒害。

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