香根草和黑麥草對重金屬鉛的生理響應及累積性研究

李 棟 宋 航 陳振普 萬建信* 王西法

(1.青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，山東 青島 266101；2.中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023；3.海洋腐蝕與防護重點實驗室，山東 青島 266237)

鉛是自然界常見且危害較大較普遍的重金屬元素之一，在我國24個省(市)城郊、工礦區和污水灌溉區等320個污染區中，占污染區總面積80%以上的農產品重金屬含量超標，鉛是超標重金屬中污染最嚴重的元素之一[1]。重金屬鉛污染土壤的修復迫在眉睫。

目前用于重金屬污染土壤的修復方法多種多樣，與其他治理方法相比，植物修復具有經濟及生態協調性等優勢，不但能夠減少污染土壤中的重金屬含量，還能降低二次污染的風險及對土壤結構的破壞，得到學術界廣泛研究，符合我國兩型社會建設的方針政策。

用于修復重金屬污染土壤的植物一般選用超積累植物，目前超積累植物的篩選方法主要包括野外采樣分析法和盆栽模擬實驗[2]，野外采樣或是土培種植的植物地上部分鉛積累量達到1 000 mg/kg才能稱為鉛超積累植物，目前國內外發現的鉛超積累植物并不多，并且主要分布于鉛鋅礦區，Reeves等[3]研究發現圓葉遏藍菜是一種鉛超積累植物，其吸收鉛量可達8 500 mg/kg；Xiong等[4]研究發現brassicanigua也是一種鉛超積累植物。我國對鉛超積累植物的篩選和研究起步較晚，不過該工作逐步受到重視并取得了不少成果。胡宗達等[5]對四川鉛鋅礦區草本植物進行研究發現小鱗苔草地上部分鉛高達1 834 mg/kg，且對鉛的富集系數和轉移系數達到3.1和9.9，可以被稱為鉛超積累植物；劉秀梅等[6]對鉛鋅礦區6種植物采樣分析，研究發現酸模和羽葉鬼針草能夠超積累鉛；侯曉龍等[7]研究發現多年生禾本植物金絲草是一種鉛超積累植物，且該植物具有較強應用潛力；利用野外采樣分析法發現的鉛超積累植物還有密毛白蓮蒿、土荊芥等[8-9]。柯文山等[10]利用盆栽篩選法研究了蕓薹屬5種植物，發現芥菜和魯白地上部分鉛積累量高于1 000 mg/kg，并且魯白對鉛的轉移系數較高，可將85%的鉛轉移至地上部分。

香根草又名巖蘭草，是禾本科巖蘭草屬多年生草本植物，它具有發達的須根，其水土保持能力非常顯著，研究表明[11]，香根草對于重金屬離子的積累能力較強；黑麥草，禾本科黑麥草屬，多年生草本植物。其生長迅速、根系發達、生物量大，對重金屬具有較強的耐受能力，在鉛鋅尾礦區能夠正常生長。本試驗采用水培法展開了香根草和黑麥草對鉛的生理響應及累積性的研究，旨在明確兩種植物對重金屬鉛的耐受性，同時也為植物修復重金屬污染土壤的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用香根草種子產自云南大理，黑麥草種子產自意大利，均購于景香園苗木公司。試驗所用水培營養液為霍格蘭營養液，由于營養液中存在大量磷酸根離子，且較易與試驗所用Pb2+發生反應產生沉淀，因此，將KH2PO4(分析純)用量調整為0.01 mmol/L(1.36 mg/L)，其余不變。

1.2 試驗設計

將2L營養液倒入試驗所用水培塑料盆內，水培盆長寬高分別為13 cm、12 cm、14 cm，用鋁箔紙將水培盆包裹防止透光避免植物根系遭陽光直曬。篩選顆粒飽滿、大小相同的香根草和黑麥草種子用0.1% NaClO(分析純)浸泡消毒10 min，用蒸餾水沖洗多次后放置于帶有濾紙的定植籃內，每個定植籃內放入30粒種子。營養液pH每兩天用0.1 mol/L HCl(分析純)或0.1 mol/L NaOH(分析純)調至5.60左右，保持全天候通氣，植物在室溫自然光下培養，白天與夜晚溫度分別為25℃和20℃，待植物發芽后使用1/4霍格蘭營養液培養1周，將未發芽種子取出并進行間苗，每個定植籃內保留長勢相同的植株20棵，更換營養液并以Pb(NO3)2(分析純)加入不同鉛處理濃度(0，5，10，50，200，500 mg/L)，各處理濃度重復3次，每周觀察植物外傷情況并記錄，測定植物株高及根長等生長指標，待重金屬脅迫四周后破壞性取樣，測定植物株高、根長、總生物量等相關指標，并取植株根和莖葉樣品，蒸餾水快速洗凈，將樣品放置于烘箱中105℃殺青1h，70℃烘干至恒重，將烘干后樣品用研缽磨碎并過0.425 mm篩，用于測定植物體內重金屬含量等指標。

1.3 測定項目與方法

(1)試驗過程中，每周觀測植物外傷情況，根據秦天才等[12]提出的外傷觀測方法，用目測估計，將植物外表傷害癥狀分為4級，正常生長(無傷害)：目測觀察不到傷害癥狀；輕度傷害：僅中心部位的葉有輕微的失綠；中度傷害：中心部位至外圍的葉不同程度失綠；重度傷害：葉片縮小，植株萎蔫，矮化。

(2)試驗結束后，選取植物相同部位測量植物鮮重、干重、株高、根長等相關生長指標，植物鮮重及干重使用萬分之一電子分析天平(日本島津公司)進行測定，植物株高根長使用精確度為1 mm的直尺測量。

(3)用萬分之一天平分別取經過電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精宏公司)烘干過篩的植物根、莖葉質量為0.1000 g和0.0100 g左右于10 ml消解管中，采用高氯酸-硝酸消解法加入4 ml KNO3(優級純)和1 ml HClO4(優級純)置于電熱板(龍口市電爐制造廠)200℃條件下對樣品進行消解，至消解管中冒出大量白煙并加熱至無色，取出冷卻用蒸餾水定容至25 ml，搖勻并置于4℃冰箱中冷藏待測，同法制備空白樣品[13]。

(4)植物體內重金屬含量用火焰原子吸收分光光度法測定[14]，采用火焰原子吸收分光光度計(美國熱電公司)測樣，計算兩種植物對鉛的遷移系數(TF)。

TF=植物莖葉中鉛總量(mg/kg)/植物根部所含鉛總量(mg/kg)

1.4 數據處理

有關數據采用EXCEL2010、SPSS16.0進行方差分析。

2 結果與討論

2.1 鉛脅迫下香根草和黑麥草的外傷情況分析

重金屬脅迫下植物的外傷癥狀能夠直觀地表現植物的生長情況以及植物對重金屬的耐受情況。鉛對植物的外部傷害與營養液中鉛的濃度、水培培養天數以及不同植物的鉛耐受性有關，水培培養的整個周期內，發現Pb濃度在低于10 mg/L時，兩種植物均能夠正常生長；隨著鉛濃度增大，以及脅迫時間的延長，香根草和黑麥草均表現出不同的外傷癥狀，在50 mg/L鉛脅迫下，香根草在水培培養前三周長勢良好，第四周出現輕度傷害癥狀，而黑麥草在第三周時就出現輕度傷害癥狀，第四周時傷害更加嚴重；在鉛濃度增加到200 mg/L時，兩種植物均在培養第二周即表現出不同傷害癥狀，黑麥草在第三周時的外傷癥狀與香根草相比更加明顯；在500 mg/L鉛脅迫下，香根草和黑麥草的外傷癥狀均表現地非常明顯，出現重度傷害癥狀甚至葉片完全失綠死亡，見表1。

表1 Pb脅迫下香根草和黑麥草的外傷癥狀

2.2 鉛脅迫對香根草和黑麥草的生物量的影響

植物鮮重、干重是植物在衡量植物生長發育及重金屬脅迫下植物耐性生長優勢的指標，鉛脅迫對香根草和黑麥草的鮮重和干重均產生較大影響，見表2。試驗結果表明，鉛脅迫下，香根草莖葉生物量呈現先增加后減少趨勢，在鉛濃度5 mg/L時生物量最高，10 mg/L之后開始降低，但與對照組相比差異性并不顯著(P>0.05)，表明低濃度鉛脅迫對香根草莖葉生長影響較小，高于50 mg/L鉛脅迫則對香根草生長產生較大影響，其莖葉生物量分別僅為對照組的31.3%、11.6%、4.7%，不同鉛濃度脅迫下香根草根系生物量一直呈現降低趨勢，且差異性顯著(P<0.05)，表明鉛濃度的升高對其根系生長產生了不利影響且低濃度鉛脅迫也會影響香根草根系生長；黑麥草莖葉及根系生物量均呈現先增加后減少的趨勢，鉛濃度為5 mg/L時，黑麥草莖葉及根系生物量均有增加，且差異性顯著(P<0.05)，表明該濃度鉛脅迫能夠促進黑麥草莖葉及根系生長發育，鉛脅迫濃度高于50 mg/L對黑麥草莖葉產生較大影響，其生物量分別僅為對照組的30.6%、13.0%、5.2%，根系生物量分別為對照組的16.3%、4.9%、2.1%，與莖葉生物量相比，高濃度鉛脅迫對根系生物量的影響更為明顯。

株高和根長是植物在重金屬脅迫下的表觀生長指標。不同濃度鉛脅迫對兩種植物的莖葉及根的伸長量有不同影響，見表3，表4。測量及分析結果表明，5 mg/L鉛脅迫下，香根草和黑麥草的莖葉伸長總量與對照組相比均有增加，且差異性顯著(P<0.05)，表明該濃度鉛脅迫對兩種植物的莖葉生長具有促進作用，鉛濃度10 mg/L時，兩種植物莖葉伸長總量均有所降低，香根草和黑麥草的伸長總量分別為對照組的89.3%、94.3%，經過SPSS軟件分析所得，10 mg/L時，香根草莖葉伸長總量與對照組相比差異性顯著(P<0.05)，表明其莖葉生長受到鉛脅迫影響，而黑麥草莖葉伸長總量與對照組相比差異性不顯著(P>0.05)，可以認為該濃度鉛脅迫不會對黑麥草莖葉生長產生影響；在鉛脅迫濃度高于50 mg/L之后，兩種植物莖葉生長均受到較大影響，200 mg/L及500 mg/L時，兩種植物莖葉均出現停止生長，枯萎變黃情況，甚至部分植株出現死亡現象。香根草和黑麥草的根系伸長量隨鉛濃度升高呈現減少趨勢，在鉛濃度10 mg/L及以下，香根草根系伸長量分別為對照組的85.8%、79.6%，且差異性顯著(P<0.05)，表明鉛濃度在5 mg/L及10mg/L時即對香根草的根系伸長產生了影響，通過SPSS軟件分析得到，黑麥草在該濃度下根系伸長量與對照組相比差異性不顯著(P>0.05)，可以認為10 mg/L鉛脅迫不會對黑麥草根系伸長產生影響，在鉛脅迫濃度高于50 mg/L之后，兩種植物根系生長均受到較大影響，200 mg/L及500 mg/L時，兩種植物根系均出現停止生長以及植株死亡現象。

表2 香根草和黑麥草根系、莖葉的鮮重和干重[1]

注：1)數據為平均值±標準差，每個指標同列數據后的不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同

表3 香根草和黑麥草莖葉伸長量(cm)

表4 香根草和黑麥草根伸長量(cm)

2.3 鉛在香根草和黑麥草體內的遷移

鉛脅迫下兩種植物莖葉和根系鉛含量如表5所示，兩種植物根系鉛含量均高于莖葉。鉛脅迫下，香根草和黑麥草莖葉中鉛含量均于200 mg/L時開始顯著提高(P<0.05)，香根草和黑麥草莖葉中鉛含量最高達到29 751.7 mg/kg、36 443.7 mg/kg，且黑麥草莖葉鉛含量高于香根草；兩種植物根系中鉛含量均于50 mg/L時開始顯著提高(P<0.05)，香根草和黑麥草根系中鉛含量分別為93 077.4 mg/kg、101 714.7 mg/kg，黑麥草鉛含量高于香根草，由此可見，黑麥草對鉛的吸收積累能力強于香根草。

隨鉛濃度升高，兩種植物對鉛的遷移系數基本呈現上升趨勢，但均低于1.0，根系中鉛含量遠高于莖葉中鉛含量，且在不同鉛濃度脅迫下，黑麥草對鉛的遷移系數普遍高于香根草，由此可見，黑麥草對鉛的轉運能力要高于香根草。

表5 植物體內鉛含量

3 結論

通過水培試驗主要研究了鉛脅迫下香根草和黑麥草的外傷情況、生長狀況以及對鉛的積累遷移能力，得到的結論及討論如下：

(1)鉛濃度10 mg/L以下，香根草和黑麥草均未出現外傷癥狀，能夠正常生長，表明兩種植物完全能夠耐受0～10 mg/L鉛濃度的影響。鉛濃度超過50 mg/L，兩種植物均開始出現不同程度外傷癥狀，且在500 mg/L高濃度鉛脅迫下，兩種植物均出現重度傷害甚至植株死亡現象。

(2)對兩種植物莖葉及根系的生物量、伸長量研究發現，鉛濃度為5 mg/L條件下，對兩種植物的生物量及莖葉和根系的伸長量均有促進作用，在鉛濃度高于200 mg/L時，對植物的抑制作用較為明顯。

(3)兩種植物根部對鉛的積累量遠高于莖葉的積累量，對鉛的遷移系數均低于1，并且黑麥草對鉛的積累量和耐受能力均高于香根草，因此，與香根草相比，黑麥草更適宜用于修復鉛污染土壤，可作為較低濃度鉛污染場地的植物修復備選資源。

(4)今后可對重金屬在植物體內的遷移轉化規律進行研究，以便于通過選擇適當措施，如施加改良劑、改善根際微生物、利用基因工程技術等提高植物修復效率，對土壤修復后的植物進行合理的減量化、無害化、資源化處理以及植物修復重金屬污染土壤的大規模應用。