3种草本能源植物对Zn胁迫的生理响应与积累特性

李 翠，王庆海，肖 波

(北京市农林科学院 北京草业与环境研究发展中心,北京 100097)

3种草本能源植物对Zn胁迫的生理响应与积累特性

李 翠，王庆海，肖 波

(北京市农林科学院 北京草业与环境研究发展中心,北京 100097)

草本能源植物通常具有抗逆性强、生物量大的特点，而且利用能源植物去除重金属污染能有效避免二次污染。本研究通过盆栽试验研究了大油芒(Spodiopogonsibiricus)、狼尾草(Penniseturnalopecuroides)、柳枝稷(Panicumvirgatum)3种草本能源植物在5种浓度(62.5、125、250、500、1 000 mg·kg-1)Zn胁迫下的生长状况和生理响应，并对3种草本能源植物对Zn的吸收进行了测定。结果显示，3种植物的生长量对Zn胁迫的耐受程度表现为狼尾草gt;大油芒gt;柳枝稷，在1 000 mg·kg-1的Zn处理下，柳枝稷的地上生物量和地下生物量与不添加Zn相比分别减少了68.2%和70.5%；狼尾草分别减少了33.7%和69.7%，大油芒与对照相近。3种植物的生理指标都有一定程度的变化，对Zn胁迫的生理响应程度表现为大油芒gt;狼尾草gt;柳枝稷。3种植物对Zn的吸收能力表现为狼尾草gt;大油芒gt;柳枝稷，在1 000 mg·kg-1的Zn处理下，狼尾草地上和地下部分对Zn的吸收均达到最大值，分别为156.38和303.51 mg·kg-1。

重金属污染；植物修复；生物量；生理指标；植物耐受性；积累特性

工业化的发展导致了严重的环境污染，而重金属是最主要的环境污染物之一，主要由矿山开采、工业废弃物处理和泄漏、污泥在农业中的应用以及一些杀虫剂的使用等造成[1]。重金属污染物在环境中长期存在并且具有较高毒性，对动物和人类健康造成一定的威胁，重金属污染物的去除成为亟待解决的问题[2]。近几十年来，Zn成为主要的工厂污染物。虽然Zn是植物生长必需的营养元素，在植物代谢过程中起着重要的作用，但是土壤中过量锌的存在会阻碍植物的生长和发育[3]，且锌在植物组织中过量存在会破坏光合作用和叶绿素的生物合成[4]。

目前用于重金属去除的方法较多：有物理法，如利用换土修复污染的土壤；化学法，如利用石灰石、沸石、磷酸盐等添加剂对土壤中的重金属进行固定提取[5]；利用溶液淋洗、电力学等方法对土壤中的重金属进行原位修复[6]。以上传统的对于污染土壤的修复技术都需要大的工程量和成本，并且具有一定的局限性。植物修复技术是利用植物对土壤中的重金属进行固定吸收，从而对污染土壤进行修复的技术[7]，它具有成本低、对环境友好等优点，因而成为一种具有发展前景的修复技术。利用超积累植物将重金属从土壤中彻底去除是植物修复中最具代表性的修复方式[8]，对于Zn超积累植物多集中在十字花科的遏蓝菜属植物[9]，遏蓝菜(Thlaspicaerulescens)茎部对Zn的积累量可以达到52 000 mg·kg-1[10]，但是目前已发现的超积累植物通常具有生长缓慢、生物量小等特点，这些特点使得超积累植物的广泛应用具有一定的局限性[11]。因此，对于重金属耐性强、生长快、生物量大并且具有一定的重金属富集能力植物的筛选成为一项重要的工作[12-13]。目前已有关于草本植物对重金属胁迫耐受性的研究，如：魏树和等[14]对杂草的重金属超积累特征进行了筛选；徐卫红等[15]研究了超积累植物黑麦草(Loliurnperennel)对Zn的响应。本研究的大油芒(Spodiopogonsibiricus)生长迅速、生物量大、且具有一定的观赏性[16-17]，狼尾草(Penniseturnalopecuroides)和柳枝稷(Panicumvirgatum)具有巨大的生物量，并且可以在边际土地上生长，具有很高的生态经济价值[18]。抗逆性强、生物量大的特点表明这3种植物可能对重金属具有较好的耐受性和积累特性，而且利用能源植物去除重金属污染能有效避免二次污染，因此，这3种植物可能在重金属污染土壤修复方面有较好的应用前景，但至今对于3种植物对重金属耐受性和积累特性的研究鲜见报道。

基于上述原因，本研究选取大油芒、狼尾草、柳枝稷3种植物,对其生物量、生理指标及其对土壤中Zn的吸收进行检测，比较Zn污染土壤对3种植物的生长和生理的影响，初步探讨3种草本植物对Zn污染土壤的耐受性以及吸收能力，以期为重金属污染土壤的治理提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1试验材料 本试验于2011年5月至7月在北京市农林科学院院内温室进行。所用土壤来自院内试验地，采集土壤表层20 cm土壤，过2 mm筛后于室温下放置3～5 d后用于盆栽试验。风干后的土壤与草炭按1∶1的质量比例混合后作为盆栽试验的基质。供试基质的理化性质及重金属含量背景值如下，pH值7.3、有机质7.4%、全氮2.0 g·kg-1、全磷1.0 g·kg-1、全钾14.0 g·kg-1、碱解氮177.7 mg·kg-1、速效磷8.9 mg·kg-1、速效钾32. 5 mg·kg-1、Zn 87.5 mg·kg-1。大油芒、狼尾草和柳枝稷均为多年生禾本科植物，试验所用幼苗均在温室培育，挑选长势一致的幼苗进行移栽，每盆种植3株植物。试验用盆为直径20 cm、高17 cm的塑料盆，每盆装混合后的基质3 kg。

1.2试验设计 根据土壤环境质量标准(15618-1995)，本试验设重金属Zn浓度和植物种类两因素。其中，Zn浓度设62.5、125、250、500、1 000 mg·kg-1共5个水平，空白对照不做Zn添加；植物种类设大油芒、狼尾草、柳枝稷3水平。即共18个处理，每处理重复3次，共54个样本。试验中，Zn以ZnCl2(分析纯)的形式添加。

1.3样品测定方法 植物移栽生长60 d后进行样品收集。用剪刀沿地表剪断植物收集地上部分，将基质倒出收集地下部分。地上和地下部分均用水冲洗干净后，于105 ℃杀青30 min，然后80 ℃烘干至质量恒定不变，并称量地上和地下部分的质量。植物生理指标的测定使用以下方法[19]：叶绿素测定使用乙醇和丙酮1∶1浸泡过夜法；丙二醛测定采用TBA法；可溶性蛋白测定采用考马斯亮蓝染色法；过氧化氢酶(CAT)活性测定采用紫外吸收法。植物中Zn的测定采用盐酸-高氯酸消煮后的原子吸收分光光度法(国标LY-T 1270-1999)。

1.4数据分析 采用统计分析软件SPSS 11.5对试验数据进行方差分析，结果以平均值±标准误的形式表示，并使用Origin Pro 8.5作图。

2 结果与分析

2.1Zn胁迫对3种植物生物量的影响 Zn胁迫下大油芒地上和地下部分的生物量均与对照相近，地上部分生物量最大值为6.0 g·株-1，最小值为2.9 g·株-1，两者与对照相比差异不显著(Pgt;0.05)；地下部分的生物量在各浓度处理下均低于对照值，但差异不显著(图1)。Zn胁迫下狼尾草地上和地下部分的生物量与对照相比均显著(Plt;0.05)减少，但是各处理间生物量的变化差异不显著，表明狼尾草在Zn胁迫下具有一定的耐受能力。在62.5 mg·kg-1的低浓度Zn处理下，地上和地下部分的生物量与对照相比分别减少了24.1%和57.9%，在1 000 mg·kg-1的高浓度Zn处理下生物量减少最多，地上部分和地下部分的生物量分别为22.1和6.4 g·株-1，与对照相比分别减少了33.7%和69.7%(图1)。Zn胁迫下柳枝稷地上和地下部分的生物量均随处理浓度的增加而减少，并且与对照相比差异显著。在62.5 mg·kg-1的低浓度Zn处理下地上部分和地下部分的生物量与对照相比分别减少了42.4%和48.4%，在1 000 mg·kg-1高浓度Zn处理下，地上和地下部分生物量与对照相比分别减少了68.2%和70.5%，但是，在Zn胁迫下，各处理间生物量的差异不显著(图1)。

2.2Zn胁迫对3种植物生理的影响 大油芒叶绿素含量随处理浓度的增加先升高后降低，并且在125 mg·kg-1的处理下达到最大值4.98 mg·kg-1(表1)。狼尾草叶绿素含量在各处理下均显著高于对照，但各处理间差异不显著。各处理柳枝稷叶绿素含量较对照均略有降低。大油芒的MDA含量在250 mg·kg-1的Zn处理下高于对照，在其它处理浓度下均低于对照。狼尾草MDA含量随处理浓度的增加先升高后降低，在250 mg·kg-1的Zn处理下达到最大值，但各处理与对照相比差异不显著。柳枝稷的MDA含量在各处理下均高于对照，并且在最大Zn处理浓度1 000 mg·kg-1下达到最大值，但各处理与对照相比差异不显著。大油芒CAT含量随处理浓度的增加呈先升高后降低的趋势，在125 mg·kg-1的Zn处理下达到最大值，且显著高于对照，其它各处理与对照相比差异不显著。狼尾草的CAT含量在1 000 mg·kg-1的Zn处理下与对照相比显著减少，其它各处理与对照相比差异不显著。柳枝稷的CAT含量在各处理下与对照相比均差异不显著。

图1 Zn胁迫下3种草本植物的生物量Fig.1 Biomass of the three herbs in Zn-polluted soil

注：不同小写字母表示同一部位不同浓度Zn处理间差异显著(Plt;0.05)。下同。

Note: Different lower case letters for the same plant part show significant difference in different Zn concentrating treatments at 0.05 level. The same below.

2.33种植物对土壤中Zn的吸收 随着Zn处理浓度的增加，大油芒地上和地下部分对Zn的吸收均呈增加的趋势(图2)，并且在1 000 mg·kg-1的Zn处理下达到最大值，分别为195.15和236.09 mg·kg-1。在高于250 mg·kg-1的Zn处理下，地上和地下部分对Zn的吸收与对照相比均差异显著。狼尾草地上和地下部分对Zn的吸收随处理浓度的增加呈增加的趋势(图2)，在1 000 mg·kg-1的Zn处理下达到最大值，分别为246.62和396.11 mg·kg-1。地上部分对Zn的吸收在高于125 mg·kg-1的Zn处理下与对照相比差异显著，而地下部分对Zn的吸收在高于500mg·kg-1的Zn处理下与对照相比差异显著。柳枝稷地上和地下部分对Zn的吸收随处理浓度的增加逐渐升高(图2)，在1 000 mg·kg-1的Zn处理下达到最大值，分别为156.38和303.51 mg·kg-1。3种植物在1 000 mg·kg-1的Zn浓度处理下，地下吸收能力均大于地上吸收能力。

图2 3种草本植物对重金属Zn的积累Fig.2 Accumulation of Zn in the three herbs

植物种类Plantspecies土壤中Zn添加量Znadditioninsoil/mg·kg-1叶绿素Chlorophyll/mg·kg-1丙二醛MDA/μmol·g-1过氧化氢酶CAT/U·g-1·min-1大油芒Spodiopogonsibiricus04.03±0.27bc55.24±6.25ab5.07±0.67b62.54.68±0.49ab35.69±2.79c5.07±0.75b1254.98±0.26a46.05±0.54abc8.62±1.08a2504.90±0.19a60.16±15.95a4.62±1.52b5004.31±0.02abc40.19±4.70bc3.47±0.75b10003.63±0.79c39.55±10.8c3.47±0.75b狼尾草Penniseturnalopecuroides02.60±0.25b10.13±0.99a35.56±4.40a62.53.57±0.20a10.51±1.77a35.07±2.43a1254.15±0.69a10.48±2.14a35.03±0.16a2503.40±0.12a10.92±2.49a39.29±4.28a5003.51±0.75a9.31±1.01a37.33±2.32a10003.97±0.08a9.73±2.45a29.07±3.77b柳枝稷Panicumvirgatum03.59±0.15a16.87±1.45a37.16±4.28a62.53.14±0.34a17.13±1.24a32.89±6.90a1253.19±0.59a17.10±0.57a34.31±9.21a2503.27±0.76a17.11±0.72a38.40±1.33a5003.37±0.41a17.09±0.97a38.49±8.67a10003.26±0.10a18.41±1.79a34.04±2.02a

注：不同小写字母表示各指标在不同Zn添加量下差异显著(Plt;0.05)。

Note：Different lower case letters show significant difference among different Zn concentrating treatments at 0.05 level.

3 讨论与结论

植物的生物量反映了植物的生长状况，是确定植物耐受性和修复潜力的一项重要指标[10]。3种植物中，Zn胁迫对大油芒生物量的影响不大，而狼尾草和柳枝稷在低浓度下即对Zn表现出敏感反应，生物量均有显著的减少，但是狼尾草的地上和地下生物量在低浓度和高浓度处理之间并无显著差异，说明胁迫浓度的提高并没有对狼尾草造成更大的损伤。虽然3种植物在Zn胁迫下其生物量均有不同程度的减少，但3种植物均能正常生长，生长迅速且生物量均比较大，这使得3种植物在植物修复中具有一定的优势。3种植物的生物量大小为狼尾草gt;大油芒gt;柳枝稷。

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，叶绿素的含量与植物的光合速率密切相关，常用叶绿素含量的高低来表征植物在逆境下受伤害的程度[20]。MDA是膜脂过氧化的产物，其含量的高低从某种程度上反映了细胞受逆境伤害的程度[21]。CAT是过氧化酶类的一种，参与清除体内过多的H2O2，保持细胞内H2O2的正常水平，防止H2O2在细胞内的积累和对细胞的毒害[22]。在本试验中，大油芒中叶绿素的含量随处理浓度的增加先升高后降低，这可能是因为Zn在低浓度下对大油芒起到了一定的促进作用，这与李铮铮等[23]对鱼腥草(Houttuyniacordata)的研究及崔大练等[24]对田菁(Sesbaniacannabina)的研究结果都是一致的，并且蔡卓等[25]在对无芒雀麦(Bromusinermis)的研究中也发现，在Zn胁迫下，叶绿素的含量在低浓度下升高，在高浓度下降低。大油芒CAT的含量也随Zn处理浓度的增加先升高后降低，在低浓度下，植物受Zn胁迫，植物开启防御机制提高CAT酶活性缓解中毒症状，但是在高浓度Zn处理下，植物受到严重伤害，酶活性开始降低。李德明等[26]在高羊茅(Festucaarundinacea)种子的萌发试验中发现，CAT活性越高，种子受迫害程度越严重，达到一定阈值后种子无法发芽。MDA含量仅在250 mg·kg-1的Zn处理下高于不加Zn处理，但是这种差异是不显著的，说明在250 mg·kg-1浓度Zn处理下，细胞膜受到了轻微破坏，但并不显著。随处理浓度的升高，狼尾草的叶绿素含量升高，MDA含量先升高后降低，CAT含量在最大处理浓度下与不加Zn处理相比降低了18.3%，且与之差异显著，这是因为过氧化酶系统在高浓度处理下无法清除过多的自由基时，自由基在植物体内过量积累从而诱导植物的过氧化损伤，这与黑枣在Zn胁迫下CAT的变化趋势是一致的[27]。柳枝稷的3个生理指标在各处理下与不加Zn处理相比均无显著差异。因此，3种植物对Zn的耐受程度为柳枝稷gt;狼尾草gt;大油芒。

3种植物对Zn的吸收能力是不同的，3种植物中，狼尾草对Zn的吸收能力最强，其次是大油芒和柳枝稷。3种植物对Zn的吸收浓度均随处理浓度的增加而升高，这与以往的研究中遏蓝菜茎部对Zn的吸收与土壤中Zn的浓度呈正相关的结论是一致的[10]。不同部位对重金属Zn的吸收能力也是不同的，大油芒在低于500 mg·kg-1的Zn处理浓度下，地上部分吸收能力均大于地下部分吸收能力，狼尾草在250和500 mg·kg-1的Zn处理浓度下，地上部分的吸收能力大于地下部分。但是，3种植物在最大Zn处理浓度(1 000 mg·kg-1)下，地下部分吸收能力均大于地上部分吸收能力，说明在高浓度处理下，Zn在根部积累增多，从根部向地上部分的转移减少，李铮铮等[23]研究表明，鱼腥草在高浓度Zn胁迫下受到毒害致使Zn不能向茎部运输而聚集在根部，努扎艾提·艾比布等[28]研究表明，Zn和Cu在香根草(Vetiveriazizanioides)植株内的分布也主要以根部积累为主，地上部积累重金属含量极少，并且，张芳等[29]总结了在多数草类中，地下部分对重金属的积累均高于地上部分对重金属的积累。因此，3种植物对Zn的积累能力为狼尾草gt;大油芒gt;柳枝稷。

本研究表明，3种植物对Zn具有较好的耐受性，其积累浓度虽然未达到超积累植物的标准，但是由于其生物量大且抗逆性强，故对于Zn污染土壤修复方面还是有较好的应用前景。

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EffectsofZnstressonphysiologicalresponseandaccumulationofthreeherbs

LI Cui, WANG Qing-hai, XIAO Bo

(Beijing Research amp; Development Center for Grass and Environment, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China)

Pot experiments were conducted to study the growth of three herbs (Spodiopogonsibiricus,Penniseturnalopecuroides,Panicumvirgatum) on Zn-polluted soil with five concentrations (62.5, 125, 250, 500, 1 000 mg·kg-1). Physiological indices and Zn concentration in the three herbs were measured to assess the tolerance and accumulation for Zn pollution. Aboveground biomass ofP.virgatumreduced by 68.2% in Zn treatment 1 000 mg·kg-1and belowground biomass reduced by 70.5% compared with control. The aboveground biomass and belowground biomass ofP.alopecuroidesreduced by 33.7% and 69.7% respectively. The biomass ofS.sibiricushas no significant difference compared with control, the tolerance wasS.sibiricusgt;P.alopecuroidesgt;P.virgatum. The physiological indices of the three herbs had significant change, and the change wasS.sibiricusgt;P.alopecuroidesgt;P.virgatum. The accumulation of three herbs for Zn wereP.alopecuroidesgt;S.sibiricusgt;P.virgatum. ForP.alopecuroides, the accumulation of aboveground and belowground reached the highest value of 156.38 mg·kg-1and 303.51 mg·kg-1in the treatment 1 000 mg·kg-1.

heavy metal pollution; phytoremediation; biomass; physiological index; plant tolerance; accumulation

XIAO Bo E-mail:xiaoboxb@gmail.com

S540.34;Q945.78

A

1001-0629(2013)10-1555-06

2013-01-11 接受日期：2013-03-07

北京市农林科学院科技创新能力建设专项(KJCX201103001)；北京科技项目(D101105046410001)作者简介:李翠(1984-),女,山东聊城人，助理研究员,硕士,主要从事重金属污染土壤的植物修复研究。E-mail:biolicui@163.com

肖波(1981-),男,陕西西乡人,副研究员,博士,主要从事水土保持与荒漠化防治方面的研究。E-mail:xiaoboxb@gmail.com