铅胁迫对2种三峡库区消落带适生植物生长及铅积累的影响

潘杰+来守军+黄怡民+等

摘要：研究铅胁迫对三峡库区消落带适生植物狗牙根、双穗雀稗2种草本植物的毒害机制，采用水培试验，模拟三峡库区长江水体Pb2+污染环境，在Hoagland营养液中加入不同浓度的Pb2+[Pb（NO3）2]，研究了铅胁迫对2种适生草本植物生长、叶绿素含量、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性和铅富集的影响。结果表明，低浓度铅能促进狗牙根、双穗雀稗植株生长，增加新芽数、新根数、叶绿素含量；高浓度铅导致狗牙根、双穗雀稗新芽数、新根数、叶绿素含量下降。狗牙根在铅浓度<20 mg/L、双穗雀稗在铅浓度<10 mg/L时，铅处理使2种草本植物叶片中POD和CAT活性都增加；当狗牙根在铅浓度>20 mg/L、双穗雀稗在铅浓度>10 mg/L时，铅抑制叶片中POD和CAT 活性，而SOD活性随着铅浓度的增加一直下降。当狗牙根在铅浓度为20 mg/L、双穗雀稗铅浓度为 10 mg/L 时，狗牙根、双穗雀稗SOD、POD及CAT活性分别为对照的-2.87%、121.02%、46.23%和-8.68%、6989%、91.48%。2种草本植物地上部、地下部铅含量随着铅处理浓度增高而增加，狗牙根、双穗雀稗地上部、地下部富集系数平均值分别为9.15、59.28，14.32、26.26；转运系数平均值分别为0.44、0.42。在铅污染的土壤、水体植物修复中，狗牙根具有一定的潜在应用价值，是三峡库区消落带环境修复优良物种。

关键词：铅；胁迫；适生植物；生长；铅积累

中图分类号： X173文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）06-0332-04

收稿日期：2013-08-26

基金项目：重庆高校市级重点实验室开放基金 （编号：WEPKL2012MS-01、WEPKL2012MS-08）。

作者简介：潘杰（1977—），男，湖南桃源人，博士研究生，讲师，主要从事环境生态学研究。Tel：（023）58102513；E-mail：jie530@sina.com。

通信作者：余顺慧，硕士，教授，主要从事植物生态学研究。Tel：（023）58105874；E-mail：ysh_dch@163.com。三峡工程举世瞩目，三峡工程竣工后形成了一座长 600 km，最宽处为2 km，面积为10 000 km2的水库。因水库采用“冬蓄夏泄”运行方案，使库区形成最高水位175 m，最低水位145 m，垂直落差30 m的消落带[1-2]。消落带是指由于季节性水位涨落而使水库周边被淹没土地露出水面的一段特殊区域。消落带作为陆地与水域环境的过渡地带，由于三峡工程反季节性的蓄水泄洪运行机制，生态系统将受到来自水陆两个界面的交叉污染。水域中的某些污染物由于风浪和库中水体的运动，将向两岸消落带移动，水中的部分垃圾将进入消落带；三峡库区人口密集，水库两岸人类活动频繁，人类生产、生活产生的大量废物和垃圾、工业废水生活污水都将经过消落带进入水库，造成水体污染。作为消落带污染物的重要组成部分，重金属污染具有形态多变、容易在生物体内累积、无法被生物降解、隐蔽性强等特点[3]，同时重金属在土壤中积累不仅直接影响土壤理化性状、降低土壤生物活性、阻碍养分有效供应，通过食物链数十倍富集，通过多种途径直接或间接威胁人类健康[4]。如何消除消落带土壤及其水体中重金属成为人们关注的热点。在众多土壤重金属污染物处理技术中，利用超积累植物对重金属的富集特性而进行植物修复，具有运作成本低、操作简便、生态友好等优点而成为目前治理重金属污染土壤和水体的有效方法之一。目前，自然界中存在的超积累植物分布受地域局限，种类稀少，生物量低，从植物资源中筛选富集重金属能力较强、生物量高的植物将成为植物修复技术的一条新思路。

禾本科植物狗牙根、双穗雀稗能够忍耐长期深水胁迫，是三峡库区消落带植被恢复与重建的优良物种[5]。近年来，各国环境科学工作者在植物耐铅方面做了大量研究工作，但就消落带库岸适生植物狗牙根和双穗雀稗对铅积累特性、铅污染土壤及水体修复的研究较少。本研究以狗牙根、双穗雀稗为材料，采用水培试验，在不同外源铅含量水平的营养液上，研究了狗牙根和双穗雀稗的生长状况、富集铅效应，以期为阐明植物遭受铅胁迫的毒害机制、环境修复技术，为消落带植被重建物种的筛选提供科学依据。

1材料与方法

1.1材料

试验植物狗牙根、双穗雀稗均采自于三峡库区万州牌楼消落带，选取生物量大致相同的幼苗，采回后先移栽到土壤中培养直至长出新叶。移出培养后的植株先后用自来水、去离子水冲洗狗牙根、双穗雀稗根、茎数次，直至去离子水中检测不出Pb2+后，放入装有65 mL的Hoagland营养液的广口试剂瓶中水培培养。

1.2方法

以Hoagland营养液为稀释液，一次性加入Pb（NO3）2，使溶液中含Pb量（以纯Pb计算）分别为0、10、20、40、80 mg/L，在装有65 mL Hoagland营养液的广口试剂瓶中分别加入上述处理液。保持24 h连续通气，白天移至室外充分光照，每天观察。若瓶中液体量减少则进行补充，每5 d更换带有重金属的营养液。试验设3个重复，共15个组。在培养22 d后，取植株从上到下第2～3叶，测定各项生理生化指标。植株生长30 d后，收获植物，测定地上部、地下部铅含量，并计算富集系数和转运系数。

富集系数= 植物地上或地下部分铅含量/营养液中铅含量；

转运系数= 地上部分铅含量/根中铅含量。

1.3测定项目与方法

1.3.1生理指标叶绿素含量采用丙酮—乙醇分光光度法[6]；过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）活性，用南京建成生物工程研究所的试剂盒测定；过氧化氢酶（CAT）活性，采用分光光度法[7]测定。

1.3.2重金属铅含量的测定将30 d后的狗牙根、双穗雀稗用去离子水洗净后根、茎分离，并在40～60 ℃鼓风干燥箱中烘干。干燥后称重，将根、茎剪碎后放入磨砂研钵内研磨至大小、粗细均匀的粉末，精确称取0.200 0 g样品，加入浓HNO3 ∶浓H2SO4=4 ∶1，同时做空白组；将以上溶液在MARS240微波消解系统（美国CEM公司生产）消解后，移入塑料瓶中保存，用AA-6300原子吸收分光光度计（日本岛津公司生产），测定样品Pb2+含量。单位为mg/kg干重。

1.4数据处理

利用SPSS 12.0软件进行试验数据处理和分析。

2结果与分析

2.1铅胁迫对2种消落带适生草本植物生长的影响

铅胁迫对狗牙根、双穗雀稗生长都有一定的影响，从表1 可以看出，随着Pb2+离子浓度的增大，狗牙根、双穗雀稗的生长都呈现先升后降的趋势：Pb2+浓度小于20 mg/L对狗牙根和浓度为 10 mg/L对双穗雀稗时，新发芽数及新根数高于空白组，同时新根数、新发芽数达最大值；当Pb2+浓度达到 80 mg/L 时均生长缓慢，到第30天时死亡。表明低浓度的Pb2+对狗牙根、双穗雀稗的生长具有促进作用，高浓度Pb2+对生长有抑制作用。

2.2铅胁迫对2种适生草本植物叶绿素含量的影响

营养液中铅对叶绿素含量的影响与生长的变化趋势基本相似。从图1看出，狗牙根、双穗雀稗经过铅胁迫后，叶片叶

绿素含量在铅低浓度时增加，随着铅浓度增加叶绿素含量减少。叶绿素含量呈现先增后递减，处理间差异显著，相关系数分别为-0.539、-0.587。当狗牙根生长在10～20 mg/L铅处理的营养液中，叶绿素含量均比对照高，以20 mg/L铅处理的叶绿素含量最高，比对照增加59.03%。双穗雀稗以 10 mg/L 铅处理的叶绿素含量最高，达1.675 mg/g，比对照增加59.22%。表明在一定铅浓度范围内，铅具有促进叶绿素合成的作用，但不同植物最适浓度不同。当营养液中铅处理浓度均达到80 mg/L时，2种植物叶绿素含量都明显降低，狗牙根比对照降低40.2%、双穗雀稗降低42.99%。植物形态上也有明显变化，表现为植株矮化、叶色变淡甚至出现黄化现象，以双穗雀稗表现较为明显。表明双穗雀稗对铅胁迫较为敏感，狗牙根叶绿素相对稳定，狗牙根对铅胁迫有较强的抵抗能力。

2.3铅胁迫对2种适生草本植物SOD、POD、CAT活性的影响

POD、SOD、CAT共同组成一个有效的活性氧清除酶系统，是植物适应多种逆境胁迫的重要酶类，被称为植物保护酶系统。在植物受到逆境胁迫时，它们可以协同清除植物体内的自由基，从而保护膜系统。高浓度Pb2+胁迫下三者的平衡被打破，植物体内自由基含量上升，影响植物体正常生长，使之出现毒害症状[8-9]。

SOD是重要的活性氧清除酶，在逆境胁迫下，植物体内产生大量的活性氧自由基，为了保护细胞免受活性氧胁迫的伤害，SOD能及时有效清除自由基。SOD 活性变化可以较好地反映植物遭受逆境胁迫的状况。由图2可知，狗牙根、双穗雀稗在正常的生长条件下，SOD活性存在一定的差异，随着营养液中外源铅浓度的增加，2种适生草本植物的SOD活性逐渐下降，并低于对照，各处理间差异显著，SOD活性与铅浓度呈负相关，相关系数狗牙根为-0.367、双穗雀稗为 -0.973**。在铅浓度小于20 mg/L时，狗牙根、双穗雀稗SOD活性分别比对照降低10.28%、14.81%。在铅浓度达到80 mg/L时狗牙根和双穗雀稗SOD活性急剧下降，分别比对照降低62.17%、44.14%。表明在铅胁迫浓度较低时，植物体内SOD 活性降低较慢，而当铅浓度增加到一定量时，SOD活性迅速降低，活性明显受到抑制，铅对植株叶片SOD活性毒害作用较大。

POD和SOD一样，也是植物抗氧化系统中重要的酶。它能将SOD的歧化产物H2O2分解成H2O。严重的逆境可能诱使植物产生更多的过氧化物，增强POD的活性。较高的POD活性可以反映植物组织受到破坏和损害的程度。随着营养液中外源铅浓度的增加，狗牙根、双穗雀稗叶片内POD活性先增加后下降，各处理间差异显著（图3）。狗牙根、双穗雀稗POD活性与外源铅浓度呈正相关，相关系数分别为0.899*、0.799。当铅含量狗牙根为20 mg/L、双穗雀稗为 10 mg/L 时，2种植物的POD活性达到最大值，分别比对照增加12002%、69.89%。当铅含量狗牙根超过 20 mg/L、双穗雀稗超过10 mg/L时，2 种草本植物的POD 活性迅速下降，表明在同样铅污染环境中，狗牙根比双穗雀稗具有更强的抵御能力。

CAT可促使H2O2分解为分子氧和水，清除体内的过氧化氢。随着营养液中外源铅浓度的增加，狗牙根和双穗雀稗叶片内CAT活性先增加后下降，各处理间差异显著（图4）。狗牙根和双穗雀稗CAT活性与外源铅浓度相关系数分别为0.178、0.536。当铅含量狗牙根为20 mg/L、双穗雀稗为 10 mg/L 时，狗牙根、双穗雀稗的CAT活性均达到最大值，分别比对照增加46.23%、91.48%。当铅含量狗牙根超过 20 mg/L、双穗雀稗超过10 mg/L时，2种植物CAT活性均下降。表明狗牙根比双穗雀稗具有较强的耐受能力。

2.4铅在2种适生草本植物体内的积累与分布

随着营养液中外源铅浓度的增加，狗牙根和双穗雀稗2种草本植物地上部分和地下部分铅积累的浓度明显上升，各处理间差异显著（表2）。分析结果，狗牙根和双穗雀稗2种草本植物地上部、地下部铅积累浓度与营养液中外源铅浓度呈正相关，相关系数分别为0.985**、0.975**和0.905*、0902*。但无论外源铅浓度高或低，2种草本植物地上部铅浓度都低于地下部，说明根部积累的铅只有部分转移到地上部分。耐性植物选择重要指标之一是植物对重金属的吸收分布状况，富集系数反映了植物对重金属的富集能力，转运系数则反映了重金属在植物体内的运输和分布。狗牙根、双穗雀稗地上部和地下部富集系数平均值分别为9.15、59.28和1432、26.26，说明狗牙根对铅富集能力大于双穗雀稗。狗牙根、双穗雀稗2种草本植物转运系数平均值分别是0.44、042，表明狗牙根能较快地将吸收的铅向地上部分转运，双穗雀稗转运铅的能力相对较低。在三峡库区消落带铅污染的土壤、水体上种植狗牙根、双穗雀稗，狗牙根的修复效果较好。表2Pb2+在2种草本植物体内的积累和分布情况

植物种类Pb2+浓度

（mg/L）Pb2+浓度（mg/kg）地上部地下部转运系数富集系数地上部地下部狗牙根017.25±0.34e28.48±0.37e0.61--10102.25±3.27d103.30±2.74d0.9910.2310.3320249.73±2.05c1062.78±2.38c0.2312.4953.1440252.02±2.03b1709.63±1.75b0.156.3042.7480807.36±2.89a3033.76±1.49a0.207.5937.92双穗雀稗051.20±0.28e74.80±0.26e0.60--10170.30±2.83d410.56±2.54d0.2417.0341.0620238.12±1.67c551.30±1.69c0.1111.9127.5740746.75±2.44b753.88±2.94b0.9918.6718.8580773.43±2.49a1084.47±2.67a0.199.6713.56注：同列数据后不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

3讨论与结论

铅影响植物的生长发育[10]，本研究结果表明，低浓度铅胁迫能够提高狗牙根、双穗雀稗新根数和新芽数，但当铅浓度超出一定范围时，新根数和新芽数降低。狗牙根对铅的耐受性强于双穗雀稗，体现了不同植物对铅的耐受性不同，结论与前人的研究结果[11-12]一致。

叶绿素是光合作用的主要色素，叶绿素含量高低直接标志着植物生长能力的强弱。低浓度铅胁迫促进叶绿素形成，高浓度则抑制叶绿素形成[10]。本研究也获得了同样的结论，低浓度铅胁迫对狗牙根和双穗雀稗叶绿素形成均有促进作用，高浓度铅则表现抑制作用。SOD、POD和CAT组成植物抗氧化酶系统，其活性直接影响到活性氧的生成代谢。高活性抗氧化酶有利于提高植物对各种生物及非生物胁迫的耐受性[11]。本研究表明，低浓度铅处理对2种草本植物POD、CAT活性均有增加，高浓度铅处理表现抑制作用，致使POD、CAT降低，但SOD活性随着铅浓度增加逐渐降低，并低于对照。表明铅对植株叶片SOD活性毒害作用较大，植株SOD活性受到抑制明显；随铅浓度的增加，POD活性呈上升的趋势，可能是铅胁迫对狗牙根、双穗雀稗POD活性起到了诱导作用；CAT 活性升高的原因可能是由于SOD活性增加，歧化反应的生成产物H2O2增加，为了对过量的H2O2作出应激反应，致使植物体内CAT活性上升。当铅含量超过某一值时，表现为POD和CAT活性下降，而SOD活性一直下降，表明在重金属胁迫下，为了清除过多的活性氧，增强植株的抗逆性，减少重金属的毒害作用，植株可通过抗氧化系统的应激反应，形成一个应急系统[12]。随着重金属浓度增加，重金属铅将钝化植株保护酶的活性，最终造成活性氧防御系统的瓦解，致使植物生理代谢紊乱，加速细胞的衰老和死亡，对植物产生抑制效应甚至毒害作用[13-14]。在铅胁迫下，与双穗雀稗比较狗牙根有较高的POD、CAT活性，表明狗牙根有较强的耐铅能力。

在本研究中，狗牙根、双穗雀稗对铅的富集量随外源重金属铅含量的增加而增大；但是2 种草本植物富集于根中的铅浓度比地上部分（茎、叶） 多，结论与前人研究结果[2]一致。依据Panda提出的参考值，铅超积累的临界含量为植株地上部的含量达到1 000 mg/kg[15]。本试验中，当外源铅处理浓度是80 mg/L时，两者地上部和地下部富集铅浓度达最高，狗牙根地上部、地下部富集铅浓度达最高，分别为807.36、3 033.76 mg/kg，说明这2 种草本植物都不属于超富集植物。狗牙根、双穗雀稗2种草本植物转运系数平均值分别为044、0.42，表明狗牙根能较快地将吸收的铅向地上部分转运，双穗雀稗转运铅的能力相对较低。在三峡库区消落带重金属铅污染土壤、水体治理中，结合环境绿化，狗牙根有一定的潜在应用价值。

低浓度铅胁迫增加2种适生草本植物新根数和新芽数、叶绿素含量、POD、CAT活性，高浓度却具有抑制作用，SOD活性则随着Pb2+浓度的增加呈下降趋势。表明在铅胁迫下，狗牙根和双穗雀稗可通过抗氧化酶系统的应激反应形成一个应急系统，用以清除过多的活性氧，减少重金属毒害作用，增强植株的抗逆性。不同植物最适浓度不同。随着重金属浓度增加，最终造成活性氧防御系统瓦解，活性氧数量迅速增加而使得抗氧化酶活性降低，重金属毒害作用开始显现。

虽然2种适生草本植物对铅的富集都没有达到超富集植物的标准，但从耐铅能力、植株富集铅量和长期耐干旱、水淹等方面综合考虑，在铅污染土壤和水体的植物修复中，狗牙根具有潜在的应用价值，是三峡库区消落带环境修复的优良物种。

参考文献：

[1]谭淑端，张守君，张克荣，等. 长期深淹对三峡库区三种草本植物的恢复生长及光合特性的影响[J]. 武汉植物学研究，2009，27（4）：391-396.

[2]邱喜阳，许中坚，史红文，等. 重金属在土壤-空心菜系统中的迁移分配[J]. 环境科学研究，2008，21（6）：187-192.

[3]张艳敏，刘海，魏世强，等. 三峡库区消落带不同垂直高程土壤重金属污染调查与评价[J]. 中国农学通报，2011，27（8）：317-322.

[4]蔡立梅，马瑾，周永章，等. 东莞市农业土壤重金属的空间分布特征及来源解析[J]. 环境科学，2008，29（12）：3496-3502.

[5]刘云峰，刘正学.三峡水库消落区极限条件下狗牙根适生性试验[J]. 西南农业大学学报：自然科学版，2005，27（5）：661-663.

[6]郝建军. 植物生理学试验技术[M]. 沈阳：辽宁科学技术出版社，2004.

[7]李合生. 植物生理生化试验原理和技术[M]. 北京：高等教育出版社，2000.

[8]徐勤松，施国新，杜开和. 镉胁迫对水车前叶片抗氧化酶系统和亚显微结构的影响[J]. 农村生态环境，2001，17（2）：30-34.

[9]周长芳，吴国荣，施国新，等. 水花生抗氧化系统在抵御Cu2+胁迫中的作用[J]. 植物学报，2001，43（4）：389-394.

[10]牛之欣，孙丽娜，孙铁珩. 水培条件下四种植物对Cd、Pb富集特征[J]. 生态学杂志，2010，29（2）：261-268.

[11]胡霭堂. 植物营养学：下册[M]. 北京：中国农业大学出版社，1995：13-135.

[12]Dixit V，Pandey V，Shyam R. Chromium ions inactivate electron transport and enhance superoxide Generation in vivo in pea（Pisum sativum L.cv.Azad） root mitochondria[J]. Plant，Cell & Environment，2002，25（5）：687-693.

[13]Sharma D C，Sharma C P. Chromium uptake and toxicity effects on growth and metabolic activities in wheat，Triticum aestivum L. cv. UP 2003[J]. Indian Journal of Experimental Biology，1996，34（7）：689-691.

[14]Pandey V，Dixit V，Shyam R. Antioxidative responses in relation to growth of mustard （Brassica juncea cv. Pusa Jaikisan） plants exposed to hexavalent Chromium[J]. Chemosphere，2005，61（1）：40-47.

[15]Panda S K. Chromium-mediated oxidative stress and ultrastructural changes in root cells of developing rice seedlings[J]. Journal of Plant Physiology，2007，164（11）：1419-1428

[8]徐勤松，施国新，杜开和. 镉胁迫对水车前叶片抗氧化酶系统和亚显微结构的影响[J]. 农村生态环境，2001，17（2）：30-34.

[9]周长芳，吴国荣，施国新，等. 水花生抗氧化系统在抵御Cu2+胁迫中的作用[J]. 植物学报，2001，43（4）：389-394.

[10]牛之欣，孙丽娜，孙铁珩. 水培条件下四种植物对Cd、Pb富集特征[J]. 生态学杂志，2010，29（2）：261-268.

[11]胡霭堂. 植物营养学：下册[M]. 北京：中国农业大学出版社，1995：13-135.

[12]Dixit V，Pandey V，Shyam R. Chromium ions inactivate electron transport and enhance superoxide Generation in vivo in pea（Pisum sativum L.cv.Azad） root mitochondria[J]. Plant，Cell & Environment，2002，25（5）：687-693.

[13]Sharma D C，Sharma C P. Chromium uptake and toxicity effects on growth and metabolic activities in wheat，Triticum aestivum L. cv. UP 2003[J]. Indian Journal of Experimental Biology，1996，34（7）：689-691.

[14]Pandey V，Dixit V，Shyam R. Antioxidative responses in relation to growth of mustard （Brassica juncea cv. Pusa Jaikisan） plants exposed to hexavalent Chromium[J]. Chemosphere，2005，61（1）：40-47.

[15]Panda S K. Chromium-mediated oxidative stress and ultrastructural changes in root cells of developing rice seedlings[J]. Journal of Plant Physiology，2007，164（11）：1419-1428

[8]徐勤松，施国新，杜开和. 镉胁迫对水车前叶片抗氧化酶系统和亚显微结构的影响[J]. 农村生态环境，2001，17（2）：30-34.

[9]周长芳，吴国荣，施国新，等. 水花生抗氧化系统在抵御Cu2+胁迫中的作用[J]. 植物学报，2001，43（4）：389-394.

[10]牛之欣，孙丽娜，孙铁珩. 水培条件下四种植物对Cd、Pb富集特征[J]. 生态学杂志，2010，29（2）：261-268.

[11]胡霭堂. 植物营养学：下册[M]. 北京：中国农业大学出版社，1995：13-135.

[12]Dixit V，Pandey V，Shyam R. Chromium ions inactivate electron transport and enhance superoxide Generation in vivo in pea（Pisum sativum L.cv.Azad） root mitochondria[J]. Plant，Cell & Environment，2002，25（5）：687-693.

[13]Sharma D C，Sharma C P. Chromium uptake and toxicity effects on growth and metabolic activities in wheat，Triticum aestivum L. cv. UP 2003[J]. Indian Journal of Experimental Biology，1996，34（7）：689-691.

[14]Pandey V，Dixit V，Shyam R. Antioxidative responses in relation to growth of mustard （Brassica juncea cv. Pusa Jaikisan） plants exposed to hexavalent Chromium[J]. Chemosphere，2005，61（1）：40-47.

[15]Panda S K. Chromium-mediated oxidative stress and ultrastructural changes in root cells of developing rice seedlings[J]. Journal of Plant Physiology，2007，164（11）：1419-1428