3-吲哚乙酸對植物修復重金屬污染土壤的增效作用

戚琳 宋修超 沈新 陳雅靜 張瑞敏 關瑩

摘要：為探究植物在外源3-吲哚乙酸（IAA）作用下對重金屬[銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、鎘（Cd）]污染土壤的修復效果，以江蘇省某重金屬復合污染區土壤為對象，通過盆栽種植紫花苜蓿和黑麥草2種先鋒植物，研究3-吲哚乙酸對植物修復重金屬污染土壤效果的影響。結果表明：IAA可促進植物在重金屬污染的土壤中生長，紫花苜蓿和黑麥草株高、根長和生物量均比不添加IAA的處理顯著高;相比于對照，各處理土壤重金屬含量降低，其中IAA處理下黑麥草土壤Cu、Zn、Cd含量最低，IAA處理下紫花苜蓿土壤Pb含量最低;IAA作用下土壤重金屬去除率和植物體內重金屬含量提高，2種植物對4種重金屬的生物富集系數（BCF）提高，但紫花苜蓿中Pb和Zn轉運系數（TF）降低，黑麥草中Cu和Zn的TF不受IAA影響。綜合分析，植物激素IAA可促進植物生長，對植物修復土壤重金屬污染具有增效作用。

關鍵詞：3-吲哚乙酸;植物修復;重金屬;去除率;富集系數;轉運系數

中圖分類號： X53文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）04-0193-05

收稿日期：2021-05-14

基金項目：江蘇開放大學（江蘇城市職業學院）“十三五”科研規劃課題（編號：18SSW-ZR-Y-17）;江蘇省大學生創新創業訓練計劃（編號：202014000008Y）;江蘇省環境工程重點實驗室開放基金（編號：HX2017005）。

作者簡介：戚 琳（1987—），女，山西臨汾人，碩士，實驗師，主要從事環境生態學及土壤修復相關研究。E-mail：qlkatrina@163.com。

通信作者：宋修超，博士，助理研究員，主要從事農業廢棄物肥料化與基質化利用相關研究。E-mail：xiuchao103@163.com。

土壤是動植物和微生物的主要棲息場所，同時是各種污染物的最終歸宿[1]。土壤污染具有隱蔽性、滯后性、累積性和不可逆轉性等特點，導致其治理難度大、耗時長、恢復代價大[2]。作為典型的無機污染物，重金屬毒性強，進入土壤后難降解，能與土壤有機質或礦物質相結合并長期留存于土壤中，最終在土壤中不斷積累[3]，同時通過食物鏈的富集作用危及人類健康，引發生態風險[4-5]。

植物修復（phytoremediation）是利用植物及其根際微生物群落的理化或生物過程來吸收、轉化、降解、揮發或固定土壤污染物的一種原位生物修復技術[6-7]。相較于傳統理化修復方法，植物修復成本低，對環境破壞小、擾動少[8]。然而，大多數超積累植物（hyperaccumulator）適生范圍窄、根系淺、生長慢，無法達到快速處理復合污染土壤的目的[9]。因此，植物修復的關鍵在于促進植物體根部生物量的增加，保證植物在污染土壤中定植并發揮作用。

植物激素3-吲哚乙酸（IAA）是植物體內合成的、調控植物生長發育的微量有機物質，能促進植物細胞伸長、分裂和分化生長，提高植物抗逆性、促進植物根系發育和葉片生物量的增加，對植物的生長發育和生理生化有著重要影響[10-11]。IAA用于促進植物生長已具有一定的研究基礎[12]，但應用于強化植物修復土壤重金屬的報道較少。因此，本研究選取江蘇省典型重金屬復合污染土壤，篩選先鋒植物紫花苜蓿和黑麥草，利用盆栽試驗，將IAA應用于土壤重金屬污染的植物修復領域，結合3-吲哚乙酸與植物產生的協同效應，以期為重金屬污染土壤的植物修復中引入植物激素提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）和黑麥草（Lolium perenne L.）種子購自河北景天種業有限公司;吲哚乙酸購于杭州茉鋇特生物科技有限公司。

供試土壤取自蘇北地區某重金屬復合污染區，土壤pH值6.5，有機質含量17.3 g/kg，銅（Cu）含量73.4 mg/kg，鉛（Pb）含量105 mg/kg，鋅（Zn）含量298.6 mg/kg，鎘（Cd）含量1.1 mg/kg。使用前風干、磨細并過20目篩，稱取5 kg土壤于塑料盆缽中待用。取飽滿的種子用10%H2O2消毒，無菌水反復沖洗干凈后，均勻鋪在培養皿上并覆蓋濕潤紗布，置于28 ℃培養箱。3～4 d后挑選長勢健壯一致的幼苗轉移至盆缽，移栽10株/盆，土壤水分含量調節至最大田間持水量的60%左右。IAA用乙醇溶解，加蒸餾水配制成10 mg/L溶液備用。

1.2 試驗設計

本試驗于2020年9—10月在江蘇城市職業學院屋頂花園進行，共設置5個處理：既不種植物也不添加IAA（CK）、種植紫花苜蓿（P1）、種植紫花苜蓿并添加IAA（P1+I）、種植黑麥草（P2）、種植黑麥草并添加IAA（P2+I），每個處理重復3次，試驗周期60 d。添加IAA的處理分別于試驗10、30、50 d灌根施用，以防止IAA光解。試驗結束采集土壤和植物樣品：以土鉆隨機采8個點/盆，混合均勻裝入干凈的自封袋中;隨機選取5棵/盆整株植株，作為1個植株樣品放入信封保存。

1.3 分析方法

1.3.1 紫花苜蓿和黑麥草株高及生物量測定

紫花苜蓿和黑麥草植株用蒸餾水充分洗凈，測定其株高及根長;植株于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘至恒質量，植株地上部及地下部分別稱質量。

1.3.2 土壤及植物中重金屬含量測定

植株樣品用粉碎機磨碎過80目尼龍篩，土壤樣品自然風干，研磨過100目尼龍篩，用HNO3-HClO4消解植物樣，HCl-HNO3-HClO4消解土樣[13]，通過7500A 型Aligent電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）測定植物和土壤中的Cu、Zn、Cd、Pb含量。

1.3.3 富集系數和轉運系數

富集系數BCF=Cp/C0，式中：Cp代表植物體內重金屬含量，mg/kg;C0為土壤重金屬的初始含量（1.1節），mg/kg。

轉運系數TF=Ca/Cu，式中：Ca代表植物地上部重金屬含量，mg/kg;Cu代表地下部重金屬含量，mg/kg。

1.4 數據分析

數據經Excel 2010整理，SPSS 19.0統計軟件進行單因素方差分析（One-Way ANOVA）和多重比較（LSD）檢驗處理間的差異以及試驗數據的統計，設顯著性水平α=0.05。

2 結果與分析

2.1 IAA對植物生長的影響

如圖1所示，添加IAA可促進植物生長，使其株高和根長均顯著高于不添加IAA的處理（P<0.05）。僅種植紫花苜蓿的P1處理、僅種植黑麥草的P2處理植株株高分別為17.29、14.95 cm，在IAA作用下分別增加30.0%、29.8%，而IAA作用下紫花苜蓿和黑麥草根長分別比不添加IAA的植株增加32.6%和43.0%。

如圖2所示，IAA處理下紫花苜蓿和黑麥草植株生物量均有所增加，且顯著高于不添加IAA的處理。其中，P1+I處理地上部生物量最大，達到 1.14 g/株，P2+I地下部生物量最大，達到0.70 g/株。

2.2 IAA對土壤重金屬的影響

由圖3可知，所有種植植物的處理土壤重金屬含量均低于CK，不同處理對土壤Cu、Zn和Cd的去除率表現為CK<P1<P2<P1+I<P2+I。在IAA作用下，種植黑麥草的土壤中Cu、Zn、Cd含量最低，分別為37.49、192.16、0.96 mg/kg。土壤Pb的去除率表現為CK<P2<P1<P2+I<P1+I，IAA處理下紫花苜蓿土壤Pb含量最低，為64.30 mg/kg。

2.3 IAA對植物體內重金屬含量的影響

由表1可知，2種植物地上部和地下部均可檢測出重金屬，且各處理地下部的重金屬含量高于地上部。所有添加IAA處理的植物地上部和地下部重金屬含量均高于僅種植植物的處理，其中P1+I處理地上部和地下部Pb、Zn和Cd含量最高，P2+I處理地上部和地下部Cu含量最高，說明外源添加IAA可促進紫花苜蓿對Pb、Zn和Cd的吸附以及黑麥草對土壤Cu的吸附。

由表2可知，相比于僅種植植物的處理，添加IAA可提高4種重金屬的生物富集系數（BCF），且P2+I處理Cu的BCF最大，為1.29，顯著高于其他3個處理;P1+I處理Pb、Zn和Cd的BCF最大，分別為1.12、2.26和1.34，顯著高于其他3個處理（P<0.05），說明IAA可促進植物對土壤重金屬的富集吸收。添加IAA對重金屬在植物體內的轉運系數（TF）影響隨植物種類和重金屬種類的不同而變化，Cu最大的TF是P2和P2+I處理，為0.20;而Pb、Zn和Cd最大的TF分別為P2+I、P1和 P1+I 處理，分別為0.66、0.65和0.52。紫花苜蓿添加IAA降低了Pb和Zn的TF，而黑麥草添加IAA對Cu和Zn的TF無影響。

3 討論

重金屬脅迫下植物生長會受抑制，而外源IAA使植株株高、根長和生物量增加，這是由于低濃度植物激素對植物生長發育產生調節作用，能夠促進細胞分裂、刺激細胞伸長，在器官和整株水平對植物生長起促進作用[14]。在本研究中，IAA可促進紫花苜蓿和黑麥草生長，顯著提高植株株高、根長和生物量。周建民等研究發現，IAA能促進植物根系伸長，增加植株高度，促進植物的生長發育，增加地上部生物量[15];López等認為，IAA能夠促進植物細胞分裂和分化，增強植物根系生長，促進植物對土壤營養物質和污染物質的吸收[16]。

紫花苜蓿和黑麥草在生長過程中，根系在土壤中迅速擴展，可為重金屬提供充足的吸附點，有利于植物對重金屬的吸收提取，使土壤中重金屬含量降低、去除率升高。而外源IAA促進了植物在污染土壤中的生長，尤其是對根系生長的促進，使植物得以在污染土壤中定植并發揮修復作用。本研究發現，IAA可顯著提高2種植物體內的重金屬含量，同時，種植紫花苜蓿的土壤中4種重金屬和種植黑麥草的土壤中Zn、Cd含量顯著降低。Li等連續3年種植景天屬植物，研究植物提取修復對土壤重金屬的影響，發現土壤全量Cd、Zn含量顯著低于對照組[17]。吳東墨等研究了吲哚乙酸和激動素配合施用對蜈蚣草提取土壤砷效率的影響，發現2種激素有助于總As含量顯著降低，但對土壤有效態As含量無顯著影響[18]。向言詞等研究發現，單獨施用IAA或吲哚乙酸-水楊酸（IAA-SA）聯合處理可有效緩解鉛對芥菜型油菜生長的抑制效應，并顯著增加芥菜型油菜體內鉛含量[19]。趙書晗等用20 mg/L IAA處理2種不同砷富集能力植物，發現IAA可使植物既保持正常生長又超量富集砷，植物生物量和葉片砷含量均顯著增加[20]。Fssler等發現，低濃度IAA處理可有效促進向日葵生長，同時葉片中鉛和鋅含量顯著提高[21]。

富集系數指植物體內某重金屬的含量與植物生長土壤中該重金屬含量的比值，用于評價植物將重金屬吸收轉移到其體內的能力[22]。在本研究中，2種植物在IAA的作用下對重金屬的富集能力顯著提高，這是由于IAA可有效緩解重金屬對植物的毒害，在促進植物生長的同時提高植物對重金屬的耐受性和吸收提取能力[15，23]。相比之下，黑麥草對Cu的富集能力更強，而紫花苜蓿對Pb、Zn、Cd的富集能力更強。轉運系數（TF）指植物體內地上部重金屬與地下部重金屬含量的比值，用于評價植物根部向地上部轉運重金屬的能力[13]。Hadi等用吲哚乙酸噴施玉米葉片后發現，植物生長受到促進、生物量顯著增加，玉米對鉛的吸收和轉運能力也顯著增強[24]。在本研究中，IAA能顯著提高紫花苜蓿對Cu和Cd以及黑麥草對Pb和Cd向地上部轉運的能力，對紫花苜蓿轉運Pb和Zn的能力反而起到抑制作用，這與郗厚葉等的研究結果[25]一致，推測是由于外源IAA作用下，紫花苜蓿根部對Pb和Zn積累量遠高于地上部，導致轉運系數低于不添加IAA的處理。

4 結論

相比于僅種植植物的處理，外源3-吲哚乙酸可促進紫花苜蓿和黑麥草生長，顯著提高植株株高、根長和生物量，對紫花苜蓿地上部生物量的影響更明顯，而黑麥草則表現為地下部影響更明顯。IAA作用下，土壤中重金屬的去除率和植物體內重金屬含量提高，紫花苜蓿和黑麥草對4種重金屬（Cu、Pb、Zn和Cd）的生物富集系數（BCF）顯著提高，但紫花苜蓿中Pb和Zn轉運系數（TF）降低，黑麥草中Cu和Zn的TF不受IAA影響。綜合分析，外源添加植物激素IAA可強化土壤重金屬的植物修復效果。

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