不同浓度重金属Pb2+对水鳖生长发育的影响

陈丽雅+马行+秦梁+陆心婷+王波

摘 要：本试验以水鳖为供试材料，采用室内培养的方式，探索不同浓度的重金属Pb2+对水鳖各项生理生化指标的影响和水鳖对不同浓度Pb2+的吸收效果。研究结果表明：随着培养液中Pb2+浓度的升高，水鳖的叶片和根系的正常生长受到明显抑制，其生物量随着Pb2+浓度的增加而下降，叶片的SPAD值及其各项光合指标也呈下降趋势。在不同浓度Pb2+的处理下，水鳖对Pb2+的吸收百分数均达到90%以上，可作为超富集植物净化水体重金属污染。

关键词：Pb2+；水鳖；生长发育

中图分类号：X171.1 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.07.006

Abstract： In this experiment taking Hydrochairs dubia as experiment material， using indoor culture， the effects of different concentrations of heavy metal Pb2+ on physiological and biochemical indexes of Hydrochairs dubia and the effect of different concentrations of Pb2+ on Hydrochairs dubia adsorption were explored. The research results show that with the increase of Pb2+concentration in culture liquid， the normal growth of Hydrocharis dubia leaf and root was inhibited， the biomass decreased with the increase of Pb2+ concentration， SPAD value and the leaf photosynthetic index also showed a trend of decline. In the treatment of different concentrations of Pb2+， absorption percentage of Hydrochairs dubia on Pb2+ were above 90%， it can be used as hyperaccumulator to purify heavy metal pollution of water body.

Key words： Pb2+； Hydrochairs dubia； growth and development

近几年来，由于人类活动的影响，水体污染越来越严重。特别是随着采矿、冶铁、化工、电镀、电子、制革等行业的发展，以及民用固体废弃物不合理填埋和堆放，重金属污染物事故性排放，使得各种重金属污染物进入水体[1]。《2011年中国环境状况公报》显示，长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河、浙闽片河流、西南诸河和内陆诸河等10大水系国控断面中，Ⅳ类及以上水质的断面比例为39.0%，40个断面出现铅、汞等重金属超标现象，处于富营养状态的湖泊（水库）比例高达53.8%。在自然水体中，重金属并不完全以自由离子的简单形态存在，而主要是结合在水中的生物体、悬浮颗粒物以及表层沉积物等固相表面上[2]。目前去除重金属的方法主要包括化学、物理、生物三大类处理方法及新型复合处理方法[3]，其中较生态的方法是采取水生植物修复水体污染。该技术投资少、运行费用低、管理简便，既可改善和恢复生态环境，又可回收资源，节约能源[4]。

目前国内外已经有学者研究采用水生植物来修复水体污染。水生植物包括常年生活在水中以及长期生活在非常潮湿或者100%饱和水土壤中的植物。水生植物具体可分为挺水、漂浮、浮叶和沉水4种类型[5]。不同水生维管束植物对重金属的富集能力顺序为：沉水植物>漂浮（浮叶）植物>挺水植物。有研究显示，水鳖可作为重金属复合污染水体的修复植物[6]。水鳖是水鳖科的一种浮水植物，目前对于水鳖的研究较少，特别是水鳖受重金属的影响的研究尚未见报道[7]。本试验将利用水鳖[8-10]作为水生植物材料，研究不同浓度重金属铅对其生长发育相关指标的影响。通过研究来综合分析水鳖是否可以作为净化水体中重金属铅的植物材料，以及水鳖对不同浓度重金属铅的生理生化反应。研究结果可以为水生植物净化（或降解）被重金属铅污染的水体提供理论依据，同时结果也具有一定的实际应用价值。

1 材料和方法

1.1 试验材料与营养液配置

试验材料来源于苏州大学独墅湖校区，打捞时注意保护根系，保持水鳖植株的完整性。打捞后将水鳖用自来水冲洗干净后进行为期1周的驯化。挑选生长健康，生长状况良好，生物量相近的植株作为供试材料，培养用塑料盆的体积为4 L，营养液采用1/2Hoagland营养液，微量元素采用Arnon营养液。

培养液根据铅含量的不同划分为6个浓度梯度，1个为不加铅（对照），其余5个加铅，具体浓度梯度参照《地表水环境质量标准GB 3838—2002》来设定，处理组A的Pb2+浓度为V类水标准0.1 mg·L-1，处理B为V类水标准的2.5倍，处理C为V类水标准的5倍，处理D为V类水标准的7.5 倍，处理E为V类水标准的10倍，除Pb元素外，其他营养元素的含量均按照1/2 Hoagland和Arnon营养液的要求配置。每天在培养液中滴加双氧水以代替通气，定时测量培养液的pH值，并用稀盐酸和稀氢氧化钠溶液调节，使其稳定在7.5～8.0之间。每隔3 d换1次培养液。整个试验过程在温光控制室中进行。

1.2 样品采集与数据测定

每隔2 d挑选同一植株用分析天平测定水鳖生物量，并采用SPAD-502（每个叶片选择5个避开叶脉，大致类似的部位进行测定，然后取其平均值）测定叶片的SPAD值。每隔3 d取样液并更换培养液，测定样液中的铅含量，以分析水鳖对Pb2+的吸收百分数。水鳖生长16 d后采用LI6400便携式光合测定仪测定叶片包括的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率等光合作用指标。

1.3 数据处理

数据处理和绘图用Microsoft Excel 2003进行，数据分析采用SPSS11.0进行。

2 结果与分析

2.1 对生物量的影响

从图1中可以看出，对照组的水鳖生物量几乎没有变化，与对照相比，随着处理时间的延长，含铅营养液中生长的水鳖生物量普遍呈现先增加后减少的趋势。有铅处理的5组浓度梯度下的水鳖，在处理第3 d时生物量均显著增加，说明一定时间内水鳖在含铅的环境中可以生存，水鳖可以净化一定浓度的重金属铅，并在其体内富集一定量的铅，故其生物量在处理第3天 时显著增加；在处理第6，9 天时生物量显著减少，一直处于负增长的状态，说明水鳖鲜质量不仅没有增长，反而一直在降低。在试验中观察发现，其鲜质量降低的原因是水鳖叶片失水，叶片边缘出现枯萎现象。结合后边的数据，说明水鳖体内迅速富集的铅影响到水鳖的正常生长。

2.2 对光合特性的影响

如图2显示，随着处理时间的不断延长，各处理组的SPAD值呈现出逐渐降低的趋势。当处理时间相同时，各处理组的SPAD值均低于对照组；随着铅处理浓度的增加，水鳖的SPAD值也呈现出逐渐下降的趋势。处理第3 天，对照组CK和处理组A、B、C、D、E的SPAD值分别为12.20， 11.38，8.88，8.32，7.90，6.14，其中处理A和处理B、C、D、E之间的差异显著。处理第6 天，处理组A、B、C、D、E的SPAD值变化趋势与第3 天类似。处理第9天，对照组CK和处理组A、B、C、D、E的SPAD值分别为9.15，8.20，7.36，6.05， 5.09，4.51，各处理组的SPAD值均低于对照组，且呈现平稳的下降趋势。处理第12天的水鳖叶片SPAD值和处理第9天时的变化趋势类似。说明重金属铅对降低水鳖的SPAD值有显著的影响，同时可以得出不同浓度的重金属铅均对水鳖的正常生长产生影响的结论。

如图3所示，对照组水鳖的胞间CO2浓度达到361.93 μmol·mol-1，5个铅处理组中，从低浓度到高浓度处理所得的水鳖胞间CO2浓度分别为361.89，352.20，343.84，342.68，343.51 μmol·mol-1。对照组与处理组A之间不存在显著性差异，对照组与处理组B、C、D、E之间的差异达到显著性水平，处理组B与处理组C、D、E之间的差异性达到显著性水平，并且随着铅处理浓度的逐渐增加，水鳖的胞间CO2浓度呈下降趋势。由此说明，重金属铅的处理浓度越高，其对水鳖叶片的胞间CO2 浓度的影响就越显著，当铅的浓度达到1 mg·L-1时，水鳖叶片的胞间CO2 浓度骤然降低。

不同浓度铅对水鳖叶片的气孔导度变化的影响情况如图4。对照组CK和处理组A、B、C、D、E的气孔导度分别为12.08，7.29，7.18，5.12，2.98， 3.06 mol·m-2·s-1，与对照组相比较，各处理组的水鳖叶片的气孔导度均显著低于对照组，且随着铅处理浓度的增加，气孔导度逐渐降低。由此说明，不同浓度的铅对水鳖叶片的气孔导度产生显著影响，导致其呈现逐渐下降的趋势。

如图5所示，对照组的水鳖蒸腾速率为9.993 g·m-2·h-1，处理组2、3、4、5、6的水鳖蒸腾速率分别为9.989，9.324，9.261，8.984，8.969 g·m-2·h-1。对照组与处理组2之间不存在显著性差异，与处理组3、4、5、6之间的差异达到显著性水平，处理组3、4、5、6之间不存在显著性差异。由此说明，铅处理浓度较低时，其对水鳖叶片的蒸腾速率几乎不产生影响，当铅浓度达到0.25 mg·L-1时，水鳖叶片的蒸腾速率骤然下降，并随着铅浓度的增加呈现显著下降的趋势，高浓度的含铅营养液更是严重影响了水鳖叶片的蒸腾速率。

从图6中可看出，对照组中的水鳖净光合速率最高，达到9.39 μmol·m-2·s-1，其余5组不同铅浓度梯度处理组的净光合速率分别为9.23，9.11，9.08，7.12，6.52 umol·m-2·s-1，结果表明，5个处理组的净光合速率均低于对照组，但对照组与处理组A、B、C之间不存在显著性差异，与处理组D、E之间的差异均达到显著性差异水平，并且随着铅处理浓度的增加，水鳖叶片的净光合速率呈下降趋势。说明不同浓度的铅均对水鳖叶片的正常光合作用产生一定影响，且水鳖在处理组D、E的铅浓度营养液中生存时，其净光合速率受铅浓度高低的影响效果更为显著。

2.3 水鳖对不同浓度铅的吸收百分数

在浓度大（ 致死浓度以下） 的条件下， 水生植物对重金属的吸收能力必然强于浓度低的时候[11-14]。但当重金属的浓度过高时，水生植物的生长将会受到影响。从图7中可看出，低浓度下（0.1 mg·L-1）处理第4，9，13，17 天时，水鳖吸收铅的百分数分别达到96.64%，97.59%，98.26%，98.57%；铅处理浓度为0.25 mg·L-1，并在处理第4，9，13，17天时水鳖吸收铅的百分数为96.99%，92.30%，94.19%，95.30%；铅处理浓度为0.5 mg·L-1，并在处理第4，9，13，17天时水鳖吸收铅的百分数为97.54%，90.82%，91.10%，92.73%；铅处理浓度为 0.75 mg·L-1，并在处理第4，9，13，17 d时水鳖吸收铅的百分数为94.56%，92.39%，93.96%，94.03%；铅处理浓度为1 mg·L-1时，水鳖吸收铅的百分数为93.66%，90.47%，92.06%，92.40%。

结果表明，在0.1 mg·L-1的铅胁迫浓度下，随时间推移，水鳖对铅的吸收百分数呈现逐渐上升的趋势，而其余4组不同浓度梯度的处理组中的水鳖吸收铅的百分数均在第4天时达到最高，之后迅速降低，处理至第9天时水鳖吸收铅的百分数达到最低，一段时间的适应后水鳖对铅的吸收又随着处理时间的延长而呈现缓慢上升的趋势。由此说明，水鳖在低浓度的含铅营养液中可以正常生长，并能大量吸收重金属铅以净化水质；当铅浓度达到一定高度时，会抑制水鳖的生长并降低其净化能力。

3 结论与讨论

铅对水鳖的毒害是对其体内生理生化和细胞结构造成整体伤害，使水鳖的生理代谢失调并最终衰老和死亡的[11]。铅离子通过水鳖的根系进入水鳖体内并迅速累积，对水鳖产生毒害作用，从而影响了水鳖的正常生长，直接影响了水鳖生物量的变化，并导致水鳖叶片的SPAD值、净光合速率、气孔导度、胞间CO2 、蒸腾速率等光合指标的下降。

本试验表明，水鳖在低浓度的含铅营养液中经过一段时间的适应后可以存活并正常生长，但随着水鳖体内铅的不断累积，铅的毒害作用逐渐明显，从而影响水鳖的正常生长及其对铅的净化效果。水鳖在高浓度的含铅营养液中，无法正常生长，重金属铅加速了水鳖的死亡。重金属铅显著抑制了水鳖的正常生长，但水鳖对铅的净化效果仍保持在百分之九十以上，说明水鳖可作为有效治理水污染中重金属铅的水生植物。当铅含量过高时，水鳖死亡速度加快，应注意及时打捞死亡的水鳖以防腐烂造成二次水污染。从国内的研究现状来看，植物修复不仅是一条绿色的、生态的净化途径，是一种符合公众心理需求的新技术，而且也是一种经济有效的净化方案[12]。

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