翅堿蓬對鎘的耐性及吸收特性的研究

黃欣, 何潔, *, 趙肖依, 萬婷, 魏海峰, 劉遠

翅堿蓬對鎘的耐性及吸收特性的研究

黃欣1, 2, 何潔1, 2, *, 趙肖依1, 2, 萬婷1, 2, 魏海峰1, 2, 劉遠1, 2

1. 大連海洋大學 海洋科技與環境學院, 近岸海洋環境科學與技術遼寧省高校重點實驗室, 大連 116023 2. 遼寧省海洋生物資源恢復與生境修復重點實驗室, 大連 116023

重金屬Cd具有高毒性, 對生物體危害較大。盤錦紅海灘優勢物種翅堿蓬能夠吸收一定量的重金屬, 因此可用于濕地灘涂污染的原位修復。通過水培的方法, 以翅堿蓬為研究對象, 測定不同濃度Cd脅迫下翅堿蓬的根長、苗高、鮮重、葉綠素含量、及根、莖、葉內Cd的含量, 探討Cd對于翅堿蓬生長發育的影響以及對Cd的吸收規律。結果表明: 低濃度Cd對翅堿蓬的根長和苗高起到促進作用, 而低濃度 Cd對翅堿蓬根長和苗高生長起到抑制; 無論低濃度還是高濃度, 對翅堿蓬鮮重均具有一定的抑制作用, 抑制強弱表現為20 μg·L-1濃度組>1 μg·L-1濃度組。不同Cd濃度下翅堿蓬葉綠素含量表現為“低促高抑”; 植物各個部位對于Cd的吸收為地下部分>地上部分。

Cd; 翅堿蓬; 濕地修復; 吸收

0 前言

近年來, Cd為污染我國土壤的最主要污染物之一[1], 因其具有毒性強, 積累性大和作用連續等特點, 成為眾多重金屬污染之首[2], 并被國際癌癥研究機構列為強致癌物質之一[3]。1955年, 位于日本的富士山縣神通川, 爆發了驚世駭俗的痛痛病, 此次事件便是由Cd所引起的, 造成極大影響[4]; 在中國, 一些城市的土壤受到嚴重的重金屬污染[5]; 有報道稱, 在140×104hm2的土地上, 廢水灌溉的土壤中有64.8%被重金屬污染, 占我國耕地總數的16%, 其中Cd的含量達到1.58 mg·kg-1[6–7]。因此鎘污染及其防治需要我們投入高度的關注與重視。

Cd屬于對人和植物有毒害作用的重金屬, 為非必需元素, 過量的鎘能夠抑制植物的生長和光合作用, 干擾礦質代謝并誘發氧化脅迫, 影響植物的生長發育[8]。翅堿蓬為一年生草本耐鹽植物, 是我國北方灘涂濕地的優勢物種[9–10]。研究證實, 翅堿蓬、龍葵等濕地植物具有較強的重金屬富集能力[11–13], 其根部可以吸收重金屬, 然后運輸并儲存在植物體的根部及地上部分[14]。其體內有機酸、氨基酸、植物螯合鈦的、金屬硫蛋白等, 可以和鎘離子發生螯合作用, 降低原生質體中游離態重金屬濃度[15]。周慧芳[16]等人通過盆栽實驗發現伴礦景天可吸收土壤中的Cd, 并使土壤酶活性增強。因此植物常被用于修復重金屬污染。

本文主要以翅堿蓬為研究對象, 采用水培的實驗方法, 通過測定翅堿蓬各項生長指標以及其體內Cd的含量, 來探究翅堿蓬對于重金屬Cd的耐受性及在植物體內吸收轉移規律, 為其用于濕地的修復提供依據。

1 材料和方法

1.1 材料

翅堿蓬種植: 取當年生采自于盤錦的翅堿蓬種子于實驗花盆(直徑為13.5 cm, 高為12 cm)中, 將花盆置于通風處, 每天用稀釋后的海水(海水: 自來水=1:3)澆灌一次, 保持土壤持水率大概為70%。于50 d后選取生長時間一致, 苗高相近的翅堿蓬進行水培實驗。

營養液[17]: 改良的Hoagland(霍格蘭氏)營養液。

1.2 方法

1.2.1 實驗方法

水培方法參照田靜[18]的方法, 根據海洋監測規范(GB17378.4-2007), 以CdCl2溶液的形式向改良的Hoagland's營養液中加入Cd, 使營養液中的Cd的濃度分別為0(對照組)、0.1 μg·L-1和20 μg·L-1, 。將選好的翅堿蓬苗的根部用清水洗凈, 然后用去離子水沖洗3次, 再用吸水紙吸干, 放入盛有培養液的燒杯中不添加Cd的, 將燒杯置于光照培養箱中, 培養條件設定為光照周期12 h, 白天25 ℃, 晚上20 ℃, 相對濕度75%, 光照強度6000 Lx。分別于7 d、14 d和21 d收集樣品。上述實驗每組平行3次。

1.2.2 測定方法

苗高和根長: 每個燒杯取20棵植株, 用精密至0.1 mm的刻度尺測量, 取均值。

鮮重: 每個燒杯取20棵植株, 用分析天平測量苗的質量, 取均值;

葉綠素含量[19]: 采用分光光度計法(GB/T 22182—2008)。

Cd的含量[20]: 以干灰化法消化, 采用火焰原子吸收分光光度(AAS)法。

1.2.3 數據處理

采用Office2011和Origin9.1作圖，SPSS 20.0 進行數據分析，采用單因素方差分析評估組間差異的顯著性；本研究中的數據均為三次獨立實驗的平均值。

翅堿蓬對Cd的轉移系數P=M地上/M地下

M地上為翅堿篷地上部分的Cd含量, M地下為翅堿篷地下部分的Cd含量

2 結果與分析

2.1 Cd脅迫下翅堿蓬生長情況

表1為翅堿蓬在Cd的脅迫下根長、苗高、葉綠素含量和植物鮮重變化情況。表1可見各Cd濃度處理組的翅堿蓬根長、苗高隨實驗時間的延長而增加。三個濃度下，水培至21 d，翅堿蓬根長、苗高均達到最大值，并且1 μg·L-1濃度組和20 μg·L-1濃度組與CK(對照組)存在顯著性差異(p<0.05)，根長與苗高表現為1 μg·L-1濃度組>20 μg·L-1濃度組。總體上看，實驗時間內, 各實驗組苗高的增加主要是由于根的發育造成，莖的生長有限，說明翅堿蓬水培條件下優先發育根。除14 d外，翅堿蓬鮮重隨著Cd濃度的增加呈下降趨勢，各濃度組鮮重在0 d時無顯著性差異(P> 0.05)，隨著實驗時間的延長而增加，在21 d時達到最大值，表現為1 μg·L-1濃度組>20 μg·L-1濃度組，并且存在顯著性差異(p<0.05)。

翅堿蓬葉綠素含量在0 d不同濃度組無顯著性差異(P> 0.05)，隨著時間的延長而增加，至21 d達到最大值。在實驗時間內, 葉綠素含量與Cd濃度關系表現為“低促高抑”, 即葉綠素含量從高到低分別為1 μg·L-1濃度組、CK(對照組)、20 μg·L-1濃度組。

表1 Cd脅迫對翅堿蓬生長指標的影響

相同大寫字母表示相同天數的數值無顯著差異(P>0.05), 不同大寫字母表示相同天數的數值存在顯著差異(P< 0.05); 相同小寫字母表示在同一濃度的數值無顯著差異(P> 0.05), 不同小寫字母表示在同一濃度的數值存在顯著差異(P< 0.05)。

綜上所述, 說明低濃度的Cd對翅堿蓬的生長具有一定的促進作用, 但高濃度的Cd會抑制翅堿蓬的生長。

2.2 翅堿蓬對Cd的吸收

2.2.1 翅堿蓬不同部位Cd的含量

圖1(a)為翅堿蓬在不同Cd濃度脅迫下, 不同實驗天數其根內Cd的含量。由圖可以看出, CK(對照組)在實驗時間內的Cd含量值均無顯著性差異(p> 0.05), 兩個處理組翅堿蓬根內Cd含量隨著時間的延長而增加, 其中在14 d和21 d, 兩個處理組存在顯著性差異(p<0.05), 在實驗時間內, 根內Cd含量表現為20 μg·L-1濃度組>1 μg·L-1濃度組>CK(對照組)。

圖1(b)為翅堿蓬在不同Cd濃度脅迫下, 不同實驗天數其莖內Cd的含量。由圖可以看出, CK(對照組)在實驗時間內的Cd含量值均無顯著性差異(p>0.05), 兩個處理組翅堿蓬莖中Cd含量在實驗時間內均隨時間的延長而增加。1 μg·L-1濃度組0 d 與21 d存在顯著性差異(p<0.05), 而20 μg·L-1濃度組莖中Cd含量變化不大, 并在21 d時, 與1 μg·L-1濃度組表現出顯著性差異(p<0.05), 含量略小于1 μg·L-1濃度組, 在實驗時間內, 根內Cd含量表現為20 μg·L-1濃度組>1 μg·L-1濃度組>CK(對照組)。

圖1(c)為翅堿蓬在不同Cd濃度脅迫下, 不同實驗天數其葉內Cd的含量。由圖可以看出, CK(對照組)在實驗時間內的Cd含量值均無顯著性差異(p>0.05), 兩個處理組翅堿蓬莖中Cd含量在實驗時間內均隨時間的延長而增加, 在7 d和14 d, 兩個處理組存在顯著性差異(p<0.05), 在實驗時間內, 葉內Cd含量, 均表現為1 μg·L-1濃度組>20 μg·L-1濃度組>CK(對照組)。

Figure 1 Content of Cd in, a: the roots; b: the stem; c: the leaves

從總體上來看, 翅堿蓬體內Cd含量分布表現為根>葉>莖, 莖和葉內的含量遠遠小于根部。根內Cd含量最大值為0.684 μg·kg-1, 莖內Cd含量最大值為0.001 μg·kg-1, 葉內Cd含量最大值為0.007 μg·kg-1, 莖和葉內的含量差別不大, 即地上部分Cd含量較少。除翅堿蓬葉外, 根內和莖內Cd含量均為20 μg·L-1濃度組>1 μg·L-1濃度組>CK(對照組)。

2.2.2 翅堿蓬對Cd的轉移系數

表2為翅堿蓬在不同Cd濃度下隨著時間的變化對Cd的轉移系數。從表中我們可以看出, 1 μg·L-1濃度組的轉移系數高于20 μg·L-1濃度組。1 μg·L-濃度組在實驗天數內均無顯著性差異(p>0.05), 轉移系數基本相同, 20 μg·L-1濃度組在三個時間點的轉移系數存在顯著性差異(p<0.05), 并且隨著時間的延長表現為先減小后增大的趨勢。

2.2.3 翅堿蓬對Cd的吸收動力學

圖4為翅堿蓬吸收Cd的時間動力學曲線, 由圖可以看出, 翅堿蓬對于Cd的吸收隨著時間的增加而增加, 并且高濃度下的吸收速率要大于低濃度下的吸收速率, 即Vmax(20μg·L-1)>Vmax(1μg·L-1), 在Cd濃度分別為1 μg·L-1和20 μg·L-1下, 翅堿蓬吸收Cd總量隨時間變化的擬合方程如表3所示, 由此可知, 翅堿蓬對于Cd的吸收隨時間變化情況符合一級動力學方程, 在Cd濃度為1 μg·L-10時, 翅堿蓬對其最大吸收速率為0.4402 (μg·kg-1)(FW·d-1), 在Cd濃度為20 μg·L-1下, 翅堿蓬對其最大吸收速率為0.4633(μg·kg-1)(FW·d-1)。

相同小寫字母表示在同一濃度的數值無顯著差異(P> 0.05), 不同小寫字母表示在同一濃度的數值存在顯著差異(P< 0.05)

圖2 翅堿蓬吸收Cd的時間動力學

Figure 2 Time dynamics of absorption of Cd by

3 討論

Cd是環境中一種常見的重金屬, 具有很高的毒性及遷移性, 容易被植物所吸收, 并且在植物體內累積, 影響植物的生長發育[21–22]。但是也有研究[23]證實, 低濃度的Cd對植物的生長具有促進作用, 不同植物的承受能力也具有一定的差異性。水培條件下, 在低濃度Cd(0.3 mg·kg-1)下對吉祥草地上生物部分、株高及葉長等有促進作用[24]。本實驗中, 低濃度的Cd對翅堿蓬的根長和苗高有促進作用, 可能是由于低濃度的Cd脅迫下, 發生了應激反應, 翅堿蓬體內的抗氧化酶活性增強, 在一定范圍內反而有利于植物生長。有研究表明, 當鎘含量升高時, 植物體內過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)的活性先升高后降低[25], 可解釋上述猜測; 也有可能是低劑量的重金屬使植物產生了保護反應性, 從而促進其生長[26]。在本實驗中, 不同Cd濃度下, 翅堿蓬葉綠素含量表現為“低促高抑”, 低濃度的Cd對于葉綠素合成酶具有一定的刺激作用, 加快了葉綠素的合成, 高濃度的Cd會破壞植物體內的防御系統, 引起葉綠素體內氧自由基增多, 葉綠體膜系統受損, 從而導致葉綠素降解[27]。張佳佳[28]等通過大田試驗發現Cd對三七的抑制作用不是簡單的毒害作用, 而是在低濃度(2 mg·kg-1)促進三七生長, 高濃度下抑制三七生物量的積累及葉綠素的合成。張嘉桐[29]等人通過土培實驗發現在Cd單一脅迫下, 桑樹葉綠素含量在Cd濃度小于1 mg/kg時顯著增加, 大于1 mg·kg-1時顯著降低, 均與本實驗的結果一致。無論低濃度還是高濃度的Cd對于翅堿蓬的鮮重均具有一定的抑制作用, 但低濃度Cd抑制作用不明顯, 隨著濃度增加, 抑制作用增強, 可能大量Cd進入植物體內, 導致體內營養元素不平衡, 造成代謝失調, 從而使翅堿蓬鮮重降低。鄒淑華[30]等人的研究表明, 隨著Cd濃度的增加, NEH東南景天的生長受到抑制, 隨著濃度的增加, 抑制作用增強。

表3 翅堿蓬吸收Cd的時間動力學方程

朱鳴鶴[14]的研究表明, 翅堿蓬對常見重金屬具有累積作用, 其體內重金屬的含量均高于潮灘背景值。本實驗數據顯示, 翅堿蓬根部吸收的Cd含量要遠高于莖和葉內的Cd含量, 分別為根>葉>莖, 即地下部分>地上部分, 與張標金[31]、付婧怡[32]、霍文敏[33]的研究一致, 導致這種現象的原因可能是與重金屬本身的生物有效性和植物本身所特有的生理機制有關, 重金屬Cd從植物根部運往莖內是通過以蒸騰作用為動力的質部裝載來完成的, 并且運輸的量也較少[34]。可以判斷出, 翅堿蓬主要靠根部來吸收Cd, 可能與翅堿蓬對于非必須元素的抗性有關, 并且與其吸收Cu、Pb的規律一致[35]。向明文[36]通過盆栽實驗證明植物的根部是鈾和鎘的主要富集器官; 唐瑩瑩[37]通過漂浮盆栽的方法來研究吊蘭對鉛污染的耐性和吸收特性時發現, 吊蘭根部對于鉛的積累能力較強, 上述結論均與本實驗結論一致。根系、莖和葉中的Cd含量隨著實驗的進行而顯著增加, 21 d莖和葉內Cd含量1 μg·L-1濃度組>20 μg·L-1濃度組, 可能是由于Cd的毒性隨著翅堿蓬體內含量的增加而增強, 對植物體內器官和身體機能造成損傷, 從而抑制了翅堿蓬向地上轉運的能力[35], 并且本實驗數據還顯示, 翅堿蓬在低濃度Cd培養液中的轉移系數大于高濃度, 即向地上部分轉移的少, 也能證明上述猜測。也說明翅堿蓬對于Cd有一定的適應性, 由此可見, 增加培養液中重金屬的濃度是否影響植物對其吸收, 與植物的種類、培養液環境及重金屬的種類密切相關。

本實驗中, 翅堿蓬根部對于Cd的轉移系數表現為1 μg·L-1濃度組>20 μg·L-1濃度組, 并且兩個濃度下翅堿蓬對于Cd的轉移系數均較小, 大部分集中在根部, 地上部的濃度較小, 說明翅堿蓬根部對于Cd在其體內的分布具有調控作用。王欣[38]等人表示, 隨著Cd濃度的升高, 苧麻對Cd的轉移系數減小, 其結論與本實驗結果一致。翅堿蓬對于Cd的吸收隨時間變化情況符合一級動力學方程, 翅堿蓬體內Cd含量隨著時間的增加而增加。趙明[39]等人研究表明, 煙草根系對于Cd的吸收總量隨著處理時間的增加而增加; 李防峻[40]等人通過水培實驗證明水稻對于Cd含量的吸收隨著時間的延長而增加。

4 結論

1. 翅堿蓬較適用于受低濃度Cd的污染土壤的植物修復。翅堿蓬對Cd具有一定的耐性, 低濃度的Cd對于翅堿蓬的根長、苗高和葉綠素均起到促進作用。

2. 翅堿蓬對于Cd的吸收主要集中在根部, 葉和莖的累積作用較弱, 分布規律由多到少分別為: 根、葉、莖。

3. 翅堿蓬根部吸收Cd的轉移系數為1 μg·L-1濃度組>20 μg·L-1濃度組。并且其吸收Cd的含量隨時間的變化情況符合一級動力學方程, 吸收速率分別為0.4402 (μg·kg-1)(FW·d-1), 0.4633 (μg·kg-1)(FW·d-1)。

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Study on the absorption and tolerance of Cd to

HUANG Xin1, 2, HE Jie1, 2, *, ZHAO Xiaoyi1, 2, WAN Ting1, 2, WEI Haifeng1, 2, LIU Yuan1, 2

1. Key Laboratory of Nearshore Marine Environmental Science and Technology in Liaoning Province, School of Marine Technology and Environment, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China 2. Key Laboratory of Marine Bio-resources Restoration and Habitat Reparation in Liaoning Province, Dalian 116023, China

The heavy metal Cd is highly toxic and harmful to organisms. Dominant species of Panjin Red Beach,, can absorb a certain amount of heavy metals, so it can be used for in-situ restoration of wetland beach pollution. In this paper,was used as the research object, and the root length, seedling height, fresh weight, chlorophyll content, and Cd content in roots, stems, and leaves under different concentrations of Cd stress were measured by hydroponics.To explore the growth and development of Cd on Suaeda salsa and the absorption of Cd by.The results showed that low concentration of Cd promoted the root length and seedling height of, and low concentration of Cd inhibited the root length and seedling height of.Regardless of the low or high concentration, it has a certain inhibitory effect on the fresh weight of, and the inhibition strength is shown in the concentration group of 20 μg·L-1> 1μg·L-1.Under different Cd concentrations, the chlorophyll content ofshows "low promotion and high suppression"; the absorption of Cd by each part of the plant is underground part> above part.

Cd;;Wetland restoration;absorb

黃欣, 何潔, 趙肖依, 等. 翅堿蓬對鎘的耐性及吸收特性的研究[J]. 生態科學, 2021, 40(1): 37–42.

HUANG Xin, HE Jie, ZHAO Xiaoyi, et al. Study on the absorption and tolerance of Cd to[J]. Ecological Science, 2021, 40(1): 37–42.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.01.006

X55

A

1008-8873(2021)01-037-06

2019-09-29;

2019-12-10

遼河口翅堿蓬生境適宜性及其對主要污染物凈化通量評估研究(2019YFC1407703)

黃欣(1996—), 女, 遼寧鐵嶺人, 碩士研究生, 主要從事海洋環境修復研究, E-mail:593161527@qq.com

何潔, 女, 博士, 教授, 主要從事海洋生態環境修復研究, E-mail:hejie@dlou.edu.cn