珊瑚树(Viburnum odoratissinum)对污染土壤中镉的耐受和富集特征

曾 鹏,曹 霞,郭朝晖,肖细元,刘亚男,辛立庆

中南大学冶金与环境学院环境工程研究所, 长沙 410083

珊瑚树(Viburnumodoratissinum)对污染土壤中镉的耐受和富集特征

曾 鹏,曹 霞,郭朝晖*,肖细元,刘亚男,辛立庆

中南大学冶金与环境学院环境工程研究所, 长沙 410083

通过温室盆栽试验,研究珊瑚树对土壤中镉(Cd)的耐受和富集特征。研究结果表明,珊瑚树对污染土壤中Cd具有较强的耐受能力。培养56 d内,土壤中Cd含量对珊瑚树生物量影响不明显；随着培养时间的延长(105—203 d),珊瑚树的生长明显受到土壤中Cd的抑制作用。与对照处理(土壤中Cd含量为3.6 mg/kg)相比,培养154 d后,土壤中Cd含量为24.6 mg/kg处理下珊瑚树叶片中叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和丙二醛(MDA)含量没有明显变化；培养203 d后,土壤中Cd含量为24.6 mg/kg处理下珊瑚树叶片中类胡萝卜素和MDA含量无明显变化,但叶片中叶绿素a和叶绿素b含量明显受到抑制,从而导致珊瑚树叶片的生长明显受到抑制(P<0.05)。培养203 d后,珊瑚树对土壤中Cd的富集系数和转运系数均大于1,表明珊瑚树对土壤中Cd具有一定的富集和转运能力。上述结果表明,珊瑚树对Cd污染土壤具有一定的生态修复潜力。

Cd；污染土壤；景观植物；植物修复；珊瑚树

随着我国工业化和城镇化建设的快速发展,土壤污染形势严峻,尤其是重金属污染问题突出[1- 3]。Cd是毒性较强的重金属元素,0.1 mg/L处理浓度即可引起细胞代谢的紊乱和结构损伤[4],而且Cd等重金属能通过生物富集和生物放大作用对生产者和消费者产生一定的毒害[5],因此解决土壤Cd污染问题刻不容缓。利用物理和化学方法治理与修复大面积Cd污染土壤存在难度较大、处理成本高等问题,而植物修复技术具有治理成本低廉、环境友好、可原位治理且后期处理简易等特点,成为目前研究较多且发展前景较好的一种修复技术[6-7]。Cd污染土壤修复植物如东南景天(Sedumalfredii)[8]、龙葵(SolanumnigrumL.)[9]、宝山堇菜(Violabaoshanensis)[10]等备受关注,由于这些超富集植物植株矮小、生长缓慢,且均为1年生草本植物,对土壤中重金属的吸收具有明显的选择性和地理分布特征,从而限制其修复应用[11]。近年来,一些Cd耐性植物如芦竹(ArundodonaxL.)[12]、东方香蒲(TyphaorientalisPresl)[13]、蒌蒿(Artemisiaselengensis)[14]等对土壤中Cd具有较强的耐受和一定的富集能力,但主要用于湿地Cd污染土壤和矿区土壤的生态修复。一些耐性强、具有观赏价值和广泛生态位适应的景观植物,如常绿灌木或小乔木海桐(Pittosporumtobira)[15]、四季桂(Osmanthusfragransvar.thunbergii)[16]、雪松(Cedrusdeodara)[17]等是抗Cd污染较好的园林绿化树种,由于具有较好的Cd耐性、运移能力和地上部分积累能力,因此选择具有一定耐受和富集能力的景观植物修复重金属污染土壤具有重要意义[18]。

珊瑚树(Viburnumodoratissinum),为忍冬科荚蒾属常绿灌木或小乔木树种,广泛用于城市景观美化和道路绿化,具有很高的观赏价值和广泛的生态适应性。杜晓等[19]发现珊瑚树对Cd具有较强的抗性,而且土壤中Cd浓度为400 mg/kg时,根部对Cd的富集量可达90.10 mg/kg。谭立敏等[20]对株洲霞湾港域的珊瑚树重金属蓄积量进行调查,发现珊瑚树对Cd富集系数为2.299,属于重金属富集型植物。杨学军等[21]研究表明Cd在珊瑚树叶片和枝条的含量均高于其它绿化树木,分别达到1.043 mg/kg和1.834 mg/kg。然而,珊瑚树对污染土壤中Cd的耐受和富集特征目前还没有系统的研究报道,本文通过温室培养试验,研究污染土壤中Cd对珊瑚树生物量、光合色素和MDA含量的影响,以及Cd在珊瑚树不同部位的累积和分布特征,旨在为选用珊瑚树生态修复Cd等重金属污染土壤工程应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤和植物

供试土壤取自湖南省衡阳市某典型矿冶区周边0—20 cm的表层土壤,其基本理化性质如表1所示。供试植物珊瑚树幼苗从长沙市某苗木基地选购,为2年生幼苗,其Cd含量为1.37 mg/kg。

表1 供试土壤的基本理化性质

1.2 试验设计

供试土壤样品自然风干、磨细后过5 mm筛,每盆装入3.5 kg风干土于上口直径18 cm、下口直径13 cm和高17 cm的塑料盆中。根据我国《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)和《展览会用地土壤环境质量评价标准(暂行)》(HJ350—2007),以Cd(NO3)2·4H2O作为外源镉向供试土壤中分别添加0 mg/kg(对照,CK,即土壤中Cd背景值为3.6 mg/kg),6 mg/kg(T1,即土壤中Cd含量为9.6 mg/kg),21 mg/kg(T2,即土壤中Cd含量为24.6 mg/kg)形成Cd污染土壤系列,每个处理重复4次。在室内平衡2周后统一移栽健壮、大小基本一致的珊瑚树幼苗,每盆4株,于2013年7月—2014年2月在温室内进行培养。培养期间,浇灌去离子水以保持供试土壤田间持水量为70%。光照10 h/d,温室内昼夜温度为30/20℃。分别在培养56、105、154 d和203 d后进行动态取样,同时收集每株植物相同部位叶片用于叶绿素和丙二醛含量分析,其余按根、茎、叶分开,依次用自来水、去离子水清洗后,在105℃下杀青30 min,然后在60℃下烘干至恒重。称量干重、粉碎后备用。

1.3 测试与分析

土壤基本理化性质的测定采用鲁如坤[22]的方法：土壤pH采用Mettler Toledo 420 pH计测定(水土比为2.5∶1)；有机质采用低温外热重铬酸钾氧化-比色法测定；土壤叶片速效氮采用碱解扩散-硫酸滴定法测定；土壤速效磷采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾采用乙酸铵提取-原子吸收分光光度法测定。植物叶绿素和MDA含量采用分光光度计测定[23]。供试土壤样品采用HNO3-HCl-H2O2(MDS- 8G型多通量密闭微波消解仪)消解；植物样品采用HNO3-HClO4法消解[24](体积比为3∶1)。所有消解液中Cd含量采用原子吸收分光光度计(TAS- 990,北京普析通用)测定。植物中Cd的富集系数[25]和转运系数[26]根据如下公式计算：

富集系数BC=植物地上或地下部分Cd含量/土壤中Cd含量

转运系数TF=植物地上部分Cd含量/根部Cd含量

1.4 数据处理

所有试验数据采用Microsoft Excel 2010进行分析处理。采用SPSS 16.0统计软件进行显著性检验,利用单因素方差分析(One-way ANOVA)不同处理之间的差异,P<0.05为显著性水平。利用CANOCO software V 4.5软件对数据进行典型对应分析(CCA)。

2 结果与讨论

2.1 Cd对珊瑚树生物量的影响

图1 不同Cd处理对珊瑚树整株生物量的影响 Fig.1 Effect of soil Cd on the total dry biomass of Viburnum odoratissinum CK：对照Control；T1：土壤中Cd含量为9.6 mg/kg;T2：土壤中Cd含量为24.6 mg/kg

植物的生物量在一定程度上可反应植株对土壤中Cd的耐受能力。从图1可看出,当土壤Cd含量范围为9.6—24.6 mg/kg时,珊瑚树的生长受到一定的抑制作用。培养56 d,CK、T1和T2处理下,珊瑚树的生物量没有明显变化。随着培养时间的延长(105—203 d),珊瑚树的生长明显受到土壤中Cd的抑制作用。在培养105、154、203 d后,T1处理下珊瑚树的生物量与CK处理相比分别下降16.2%、37.3%、19.7%；T2处理下珊瑚树的生物量较CK处理分别下降40.6%、39.7%、20.2%。上述研究表明,土壤中Cd会对珊瑚树的生长产生不利影响,这与Zhou等[27]研究结果相似。但从整个培养周期来看,在供试条件下珊瑚树生物量呈现明显增加趋势,表明在Cd含量为3.6—24.6 mg/kg范围的污染土壤上,珊瑚树生长状况良好。

图2 培养203 d后不同Cd处理对珊瑚树根、茎、叶生物量的影响Fig.2 Effect of soil Cd on the biomass of roots, stems and leaves of Viburnum odoratissinum after 203 days cultivation不同字母表示不同水平处理间存在显著差异(P<0.05)

对培养203 d后的珊瑚树根、茎和叶生物量进行统计分析。从图2可看出,T1和T2处理下珊瑚树的根、茎和整株生物量与CK处理相比无显著差异,这与董萌等[14]研究结果类似。T1处理下(土壤中Cd含量为9.6 mg/kg),土壤中Cd对珊瑚树叶片的生长发育有促进作用,叶片生物量较CK处理显著增加13.9%(P<0.05)；T2处理下(土壤中Cd含量为24.6 mg/kg),珊瑚树叶片的生长明显受到土壤中Cd抑制作用,其叶片生物量较CK处理显著下降20.9%(P<0.05)。尽管在高Cd含量(24.6 mg/kg)土壤上珊瑚树叶片生物量有明显降低,但其整株生物量降低较小,与对照相比没有明显差异(图2),表明珊瑚树在高Cd含量(24.6 mg/kg)土壤上仍能正常生长,对土壤中Cd表现出较强的耐受能力。

2.2 Cd污染土壤上珊瑚树的逆境生理响应特征

2.2.1 光合色素含量

图3 不同Cd处理对珊瑚树叶片光合色素的影响Fig.3 Effect of soil Cd on the contents of photosynthetic pigments in Viburnum odoratissinum leaves

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素,其含量的高低直接反映植株光合作用水平的强弱[28]。在光合作用过程中,叶绿素a主要将光能进行转化,叶绿素b主要是对光能进行收集,类胡萝卜素主要保护叶绿素分子免遭受光氧化损伤,叶绿素a/b值可以反应植物的光能利用效率[29]。从图3可看出,在整个培养期间,珊瑚树叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量变化幅度较大。经过56 d培养,T1和T2处理下珊瑚树叶片叶绿素a含量与CK处理相比分别下降22.7%和34.2%,叶绿素b含量分别下降18.8%和37.4%,类胡萝卜素含量分别下降13.6%和24.8%,表明在珊瑚树生长的初期阶段,土壤中Cd对珊瑚树光合色素合成会产生一定的影响,其原因可能是培养初期珊瑚树吸收Cd后,Cd可与合成叶绿素相关酶的肽链中富含巯基(-SH)部分结合,改变酶的结构,从而抑制叶绿素合成酶的活性[30-31]。培养至105 d时,T1处理下珊瑚树叶片叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量较CK处理分别下降30.1%,18.0%和32.9%,而T2处理下珊瑚树叶片叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量与CK处理下相近,其原因可能是植株体内活性氧产生和清除处于一种动态平衡,而高浓度Cd胁迫下可导致植株产生大量的活性氧自由基,使珊瑚树体内的抗氧化系统在一定程度上可保护其免受伤害[32-33],也有研究表明一定浓度Cd对植物叶片叶绿素的合成具有刺激作用[34],从而导致T2处理下光合色素含量与CK处理相当。经过154 d培养后,T1与T2处理下珊瑚树叶片叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量均与CK处理相近,表明在9.6—24.6 mg/kg Cd作用下,珊瑚树可能通过提升自身的某种保护机制来维持正常的光合作用。当培养至203 d时,珊瑚树叶片的类胡萝卜素含量不受影响,但T1和T2处理下叶绿素a和叶绿素b含量均受到土壤中Cd的抑制作用。珊瑚树叶片叶绿素a/b随着培养时间的延长整体上呈现下降的趋势,说明Cd对珊瑚树叶片的光能利用产生微弱的影响。因此,从光合作用层次上表明珊瑚树对污染土壤中Cd具有一定的耐受能力。

2.2.2 丙二醛含量

图4 不同Cd处理对珊瑚树叶片丙二醛含量的影响 Fig.4 Effect of soil Cd on the content of malondialdehyde in Viburnum odoratissinum leaves

丙二醛(MDA)是细胞脂质过氧化的毒性产物,也是植物组织遭受自由基持续破坏的一个重要指标[35]。从图4可以看出,经过56 d培养后,T2处理下MDA含量较CK处理增加21.0%,而T1处理下MDA含量较CK处理降低17.8%。培养至105 d,T1和T2处理下珊瑚树叶片中MDA含量较CK处理分别降低16.3%和31.3%。上述结果可能与植物受到Cd毒害后会应激产生保护作用来抑制膜脂过氧化反应,从而维持细胞膜结构和功能的完整性有关[36]。经过154 d培养后,T1和T2处理下珊瑚树叶片中MDA含量逐渐高于CK处理,与CK处理相比分别增加35.6%和32.9%,表明随着培养时间的增加,Cd会对珊瑚树的生长产生一定的毒害作用,有研究表明,Cd直接或者间接的造成植物叶片细胞的损害,从而使植物细胞内产生大量的O2-、OH-和H2O2,其可使细胞内的脂肪酸转化为膜脂过氧化产物[37],这可能是在Cd作用较长时间后造成珊瑚树叶片中MDA含量增加的原因。经过203 d培养后,珊瑚树叶片中MDA含量与56 d相比并未出现明显的增加,表明供试土壤中Cd含量对珊瑚树的毒害作用处于其耐受范围之内,并未对其正常生长造成明显影响,其原因可能是珊瑚树体内存在某种保护机制(SOD、POD和CAT),可在一定浓度Cd污染范围内对膜脂过氧化物起到清除作用[38],这可能是珊瑚树对污染土壤中Cd具有一定耐性的原因。

2.3 珊瑚树体内Cd的累积和分布特征

从图5可明显看出,随着培养时间和土壤中Cd含量的增加珊瑚树体内Cd含量逐渐增加。从56 d到203 d的培养,CK、T1和T2处理下珊瑚树体内重金属Cd含量分别增加了6.16%、162.92%和179.55%,其中根部重金属Cd含量分别增加8.34%、69.50%和95.71%,茎部Cd含量分别提高了44.16%、145.38%和70.44%,叶片重金属含量分别增加43.34%、513.51%和322.58%。从56 d到203 d的培养,CK处理下,珊瑚树整株、根、茎和叶片Cd含量的变化幅度分别为4.38—4.65、3.64—3.94、4.69—6.76、4.89—7.01 mg/kg,其中珊瑚树体内重金属含量的增加趋势不明显,其中叶片和茎部Cd含量增加趋势高于根部。T1处理下,珊瑚树体内重金属含量增加趋势非常明显,从56 d到203 d的培养,珊瑚树整株、根、茎和叶片Cd含量的变化幅度分别为4.51—11.86、6.65—11.87、5.05—12.38、2.52—15.46 mg/kg。T2处理下,珊瑚树的体内Cd含量增加趋势亦非常明显,从56 d到203 d的培养,珊瑚树整株、根、茎和叶片Cd含量的变化幅度分别为9.95—27.83、14.28—27.96、15.02—25.61、6.23—25.66 mg/kg。研究结果进一步表明,随着土壤中Cd含量增加,珊瑚树根部中Cd逐渐向茎部和叶片转移。总之,在整个培养期间珊瑚树对污染土壤中Cd表现出一定的累积能力。

图5 不同Cd处理下珊瑚树根、茎、叶和整株中Cd含量Fig.5 Cd contents in roots, stems, leaves and total plants of Viburnum odoratissinum from Cd contaminated soil

富集系数是评价植物富集重金属能力的重要指标之一,植物地上部富集系数大于1,说明植株地上部的某种重金属含量大于所生长土壤中该种重金属含量[39]。从表2可以看出,CK处理下,珊瑚树的地上部分和地下部分的富集系数均在1左右,而且T1和T2处理下,珊瑚树的地上部分和地下部分对Cd的富集系数随着培养时间的增加而增加,而且随着培养时间的延长(154—203 d),珊瑚树对Cd的富集系数均大于1。CK处理下,珊瑚树的转运系数在0.84—1.73,表明当土壤中Cd含量为3.6 mg/kg,珊瑚树表现出较强的转运能力。在T1和T2处理下,珊瑚树对Cd的转运系数随着培养时间的增加而呈现逐渐递增的趋势,而且培养至203 d,珊瑚树对Cd的转运系数均大于1。上述研究表明珊瑚树能有效富集土壤中的Cd,并存在较好的转运机制。

表2 Cd在珊瑚树体内的富集系数(BC)和转运系数(TF)

CK：对照Control；T1：土壤中Cd含量为9.6 mg/kg;T2：土壤中Cd含量为24.6 mg/kg

图6 珊瑚树体内Cd含量与植物生理特征的典型对应分析 Fig.6 Canonical correspondence analysis of Cd contents and plant physiology characteristics in Viburnum odoratissinum

利用CANOCO software V 4.5对珊瑚树体内Cd含量和植物叶片的生理特征指标进行典型对应分析(CCA)。从图6中可看出,珊瑚树体内Cd对叶片叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素等生理指标影响明显。珊瑚树体内Cd含量与其叶片MDA呈正相关；而珊瑚树体内Cd含量与叶绿素a/b呈负相关。叶绿素a与类胡萝卜素之间夹角最小,表明两者之间具有较强的相关性。研究表明,污染土壤中Cd的吸收会促进珊瑚树体内MDA含量的增加,一定程度抑制叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的合成,影响珊瑚树对光能的利用,从而一定程度影响珊瑚树正常生长。

3 结论

(1)土壤中Cd对珊瑚树的生长有一定影响。珊瑚树对污染土壤中Cd的吸收会促进体内MDA含量增加,抑制叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的合成,从而影响珊瑚树对光能的利用。培养56 d内,土壤中Cd含量对珊瑚树生物量影响不明显；随着培养时间的延长(105—203 d),珊瑚树的生长明显受到土壤中Cd的抑制作用。在土壤中Cd含量为9.6 mg/kg和24.6 mg/kg供试处理条件下,整个培养期(56—203 d)珊瑚树生长良好,对土壤中Cd表现出较强的耐受能力。

(2)珊瑚树对污染土壤中Cd具有一定的耐受和富集能力。土壤中Cd含量为3.6 mg/kg处理下,珊瑚树的富集系数和转运系数均维持在1左右；土壤中Cd含量为9.6 mg/kg和24.6 mg/kg处理下,珊瑚树对Cd的富集系数和转运系数基本大于1,表明珊瑚树具有较好的转运能力和富集能力。上述结果表明,珊瑚树对Cd污染土壤具有一定的生态修复潜力。

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ToleranceandaccumulationcharacteristicsofViburnumodoratissinumtocadmiumincontaminatedsoil

ZENG Peng, CAO Xia, GUO Zhaohui*, XIAO Xiyuan, LIU Yanan, XIN Liqing

InstituteofEnvironmentalEngineering,SchoolofMetallurgyandEnvironment,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China

A pot experiment was conducted to study the tolerance and accumulation characteristics ofViburnumodoratissinumgrowing in cadmium (Cd)-contaminated soil. The results showed thatV.odoratissinumhad a strong tolerance to Cd in contaminated soil. The biomass ofV.odoratissinumwas slightly changed by the soil Cd content within 56 days cultivation. With extended cultivation time (105—203 d), the growth ofV.odoratissinumwas obviously inhibited by the soil Cd content. After 154 days of cultivation, when the content of Cd in soil was 24.6 mg/kg, the contents of chlorophyll a, chlorophyll b, carotenoid and malondialdehyde (MDA) in fresh leaves ofV.odoratissinumwere slightly different from that of the control. After 203 days of cultivation, the carotenoid and MDA contents in fresh leaves increased slightly, whereas the chlorophyll a and chlorophyll b contents was obviously inhibited. Especially, the leaf growth ofV.odoratissinumwas inhibited significantly (P<0.05) when the Cd content in soil was 24.6 mg/kg. Moreover, the accumulation and transferring factors ofV.odoratissinumfor Cd in the soil were more than 1 after 203 days of cultivation. The results suggested thatV.odoratissinumis helpful for Cd-contaminated soil ecoremediation.

Cd; contaminated soil; ornamental plants; phytoremediation;Viburnumodoratissinum

国家自然科学基金面上项目(41271330)

2016- 07- 19; < class="emphasis_bold">网络出版日期

日期:2017- 05- 27

*通讯作者Corresponding author.E-mail: zhguo@csu.edu.cn

10.5846/stxb201607191464

曾鹏,曹霞,郭朝晖,肖细元,刘亚男,辛立庆.珊瑚树(Viburnumodoratissinum)对污染土壤中镉的耐受和富集特征.生态学报,2017,37(19):6472- 6479.

Zeng P, Cao X, Guo Z H, Xiao X Y, Liu Y N, Xin L Q.Tolerance and accumulation characteristics ofViburnumodoratissinumto cadmium in contaminated soil.Acta Ecologica Sinica,2017,37(19):6472- 6479.