入侵植物假苍耳对镉的富集特征

赵修华，任之光，祖元刚，陶 怡

(东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室，哈尔滨 150040)

工业污染、农田灌溉、农用物资等因素导致重金属对土壤的污染日趋严重。由于重金属本身的相对稳定性和难降解性［1］，使得土壤污染具有隐蔽性、不可逆性、长期性及后果严重性的特点［2］。因此土壤重金属污染已成为当今世界上最严重的环境问题之一，治理土壤重金属污染已成为人们的共识。

目前，治理土壤重金属污染的方法主要有沉淀法、淋洗法、拮抗法、电化法和磁化法等［3－5］。1983年，美国科学家提出利用“超富集植物 (hyperaccumulator)”从土壤中大量富集重金属［6］。与传统方法相比，这种技术具有投入成本低、工程量小、没有二次污染、能减少土壤侵蚀、美化景观、提高土壤有机质和培肥地力等优点［7－9］，而其关键就是选育出对污染元素有较强吸收能力的超富集植物。目前，有关超富集植物的衡量标准有3个:一是临界含量标准［10］，即植物茎或叶中重金属达到其临界含量;二是富集系数标准，即富集系数大于1.0［11］;三是转移系数标准，即重金属在植物地上部含量大于其根部含量［12］，同时还需要有一定的耐受能力［13］。尽管目前已报道的超富集植物有数百种之多，但植物修复技术还不成熟，目前大多还只处于试验阶段［14］。因此，超富集植物的筛选仍是植物修复研究的重点和难点，通过各种方式筛选超富集植物对于植物修复种质资源库的建立乃至理想超富集植物的构建都具有重要意义。

本文拟选取营养生长阶段的假苍耳作为实验材料，探求其对土壤中镉离子的去除。与其它已知的超富集植物相比，假苍耳为外来入侵物种，在我国东北地区分布广泛，材料易得，地上部分生物量大且抗逆性强。又因其生长迅速使得假苍耳作为富集材料具备高效、廉价等优势。本试验旨在不产生人为扩大入侵范围的同时研究假苍耳在含镉污染环境中的生长反应及其对镉的吸收和积累特征，以期为重金属污染土壤在植物修复和治理方面提供新种质资源的同时，探索在环境修复领域中入侵物种生态资源化利用的新途径，最终达到变废为宝、以废治废的双赢效果。

1 材料与方法

1.1 植物材料的培养

将假苍耳种子 (采自黑龙江省哈尔滨市郊)撒在盛土的塑料盆中，保持湿润，在温室中育苗。待长出4片幼叶后，选择萌发一致的假苍耳幼苗去土洗泥，置于智能植物培养箱 (ZPW－400型号)中进行培养，以Hoagland为基础配制营养液各元素浓度 (mmol/L)为:N，4.8;P，0.4;K，2.0;Ca，2.5;Mg，0.25;Na，0.2;Fe，2.24 ×10－2;Mn，2.3 × 10－3;B，1.15 × 10－2;Zn，1.9 ×10－4;Mo，5 ×10－5;Cl，0.2;S，0.28。每周更换1次以维持各元素的浓度。根据假苍耳大范围生长地环境条件设置培养条件为:每天12 h光照，昼/夜温度28℃/20℃，相对湿度70%，并用上述配方配制的营养液预培养30 d后待实验用。在盆栽试验中营养液每周更换1次，以维持各处理浓度。

1.2 重金属富集实验

营养液培养30 d后，选择生长一致的植株进行重金属富集实验。将CdCl2(分析纯试剂)用去离子水配制成浓度为0.1 g/L的母液，然后用Hoagland营养液稀释成0.5 mg/L、1 mg/L、2 mg/L、5 mg/L、7 mg/L、10 mg/L和14 mg/L7个浓度梯度的培养液，用0.1 mol/LNaOH或0.1 mol/L HCl调pH至6.5，设定空白对照组。每个浓度水平设3盆平行，每盆6株苗。每周更换1次营养液，并保持pH在6.5左右。培养条件为:每天12 h光照，昼/夜温度28℃/20℃，相对湿度70%。在假苍耳未开花的营养生长阶段选定取样时间［15］，分别在28 d和56 d收获植物。

1.3 样品分析与数据统计

将收获的植物分成根、茎和叶3部分，分别用自来水充分冲洗以去除粘附于植物样品上的重金属离子及污物，然后再用去离子水冲洗，沥去水分后杀青、烘干、粉碎后备用。植物样品采用干灰化法消解［16］，采用Z－5000型原子吸收分光光度计在228.8 nm 处测定样品中重金属含量［17－19］。

所有检测的数据都重复3次，运用Origin 7.5进行平均值和标准差的计算，以Mean±SD形式表示。

2 结果与分析

2.1 假苍耳对镉的耐性

实验结果表明，假苍耳能在含Cd浓度为0～14 mg/L的营养液中存活，说明假苍耳对Cd具有较强的耐性。不同Cd浓度梯度处理条件下假苍耳地上部单株生物量如图1所示。由图1可见，在0～5 mg/L的Cd营养液中，假苍耳地上部生物量与对照相比呈先增加后降低的趋势，当Cd浓度在0.5 mg/L时，地上部生物量达到最大值 (第28 d和56 d相应为0.28 g/株和0.35 g/株);Cd浓度在5～10 mg/L时，随着Cd浓度增加生物量缓慢降低，但均不显著;Cd浓度在14 mg/L时，假苍耳叶片开始出现如萎黄、缺绿等受胁迫症状，生长开始受到抑制。Cd作为一种植物非必需元素，并且带有毒性，假苍耳对其的耐受浓度为14 mg/L左右。

图1 Cd处理对假苍耳地上部生物量的影响 (平均值±标准偏差)Fig.1 Effects of Cd treatment on the biomass in shoot of Iva Xanthifolia(Mean±SD)

2.2 假苍耳对镉的富集特征

不同Cd浓度梯度营养液培养28 d和56 d后假苍耳不同部位的Cd含量及富集特征指数分别列于表1和表2中。由表1和表2可看出，在营养液培养下假苍耳根、茎和叶中镉含量均较高。在所有处理中，假苍耳地上部Cd含量均大于其根系Cd含量，转移系数为1.43～8.62(均大于1)。在实验设定的浓度范围内，假苍耳地上部的Cd含量第28 d和56 d分别为203.81～468.37 mg/kg和121.22～474.30 mg/kg，均超过了Cd超富集植物应达到的临界含量标准 (植物地上部Cd含量大于100 mg/kg)。因此从植物对Cd的积累特性来看己经满足Cd超富集植物的临界含量特征和富集系数及转运系数特征。

表1 营养液培养28 d后假苍耳各部位中镉的积累浓度 (平均值±标准偏差)Tab.1 Cd cumulative concentrations in different organs of Iva Xanthifolia after growing for 28 days in nutrient solution(Mean±SD)

表2 营养液培养56 d后假苍耳各部位中镉的积累浓度 (平均值±标准偏差)Tab.2 Cd cumulative concentrations in different organs of Iva Xanthifolia after growing for 56 days in nutrient solution(Mean±SD)

图2为假苍耳在不同Cd浓度梯度营养液培养不同时间后各部位Cd含量变化图。由图2可见，营养液培养28 d后，随着Cd浓度的增加各部位的含量均呈增加趋势，总体表现为茎＞叶＞根。培养56 d后，茎的Cd含量随着培养液的浓度增加而增加，而叶和根则表现为在低浓度区增加，在高浓度区降低的趋势。

图3为不同Cd浓度梯度营养液培养不同时间后假苍耳富集系数和转运系数的变化图。由图3可见，营养液培养28 d，随着Cd浓度的增加富集系数和转运系数大体上都呈现下降的趋势，而培养56 d后则不规律变化，这可能是由于随着根部积累的Cd增多，导致其代谢和吸收机能受到了抑制的结果。

2.3 假苍耳对镉的超富集特征判定

超富集植物是指能超量积累一种或同时积累几种重金属元素的植物。当植物对某种重金属的富集特征具有临界含量特征、转移特征、耐性特征和富集系数特征时，即可将其认定为是该重金属的超富集植物［18－20］，其中最重要的指标是临界含量特征。Cd的临界含量、富集系数和转移系数的标准值分别为 100 mg/kg、1 和 1［21，22］。营养液培养实验结果表明，在Cd实验的浓度范围内，假苍耳的地上部Cd量第28 d和56 d分别为203.81～468.37 mg/kg和 121.22～474.30 mg/kg，转移系数为1.43～8.62，富集系数为2.49～165.68，均满足了Cd超富集植物的各项特征，且假苍耳对Cd具有高达14 mg/L耐受浓度，因此初步说明假苍耳是Cd超富集植物。

图2 假苍耳在不同Cd浓度梯度营养液培养中不同时间后各部位Cd含量 (平均值±标准偏差)Fig.2 Cd concentrations in different organs of Iva Xanthifolia after growing for different time in nutrient solution of different concentration gradients(Mean±SD)

图3 不同Cd浓度梯度处理不同时间假苍耳富集系数和转运系数Fig.3 Enrichment coefficient and translocation factor of Cd in Iva Xanthifolia after growing for different time in nutrient solution of different concentration gradients.

3 结束语

超富集植物对污染土壤的修复效果主要取决于植物地上部分生物量、植物生长速度、植物地上部分对污染元素的生物富集系数及植物对土壤中污染元素的耐性等因素［20］。假苍耳作为一种外来入侵物种在我国东北地区广泛分布，极易获取且生长速度很快。其地上部分生物量大，高度可达2.4 m，叶片长可达8 cm、宽可达7 cm。本研究通过室内营养液培养实验初步说明假苍耳对Cd具有较强的耐受能力，且符合Cd超富集植物的特征。其可以弥补多数超富集植物虽然对金属富集能力强，但地上部分生物量小、生长慢、繁殖困难的缺点。假苍耳超富集功能的发现，将会为重金属污染的废弃地的复垦和治理提供新的植物修复种质资源的同时，探索在环境修复领域中入侵物种生态资源化利用的新途径，最终达到变废为宝、以废治废的双赢效果。上述优点同时又是在工程实践中的潜在风险所在，虽然实验证明营养生长阶段的假苍耳植株对Cd具有较强的富集能力并可有效地避免因其吸收重金属的作用而产生的人为扩大入侵范围的危险，但将其用于Cd污染土壤的植物修复工程实践中，有必要在重金属污染土壤中的定居、繁殖和扩散等方面的行为进行更深入的研究。

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