铅尾矿渗出液胁迫对香菇草生长和生理抗性的影响

葛海香， 白院生， 李 民， 章清波， 刘 森， 韩玉林

(江西财经大学艺术学院，江西南昌 330032)

重金属铅(Pb)污染作为常见的污染源之一，以其在环境中累积和降解方面的不可逆性，一旦污染土壤和水体，便参与食物链的富集，进而极大地危害人类健康及生命[1-2]。而植物修复技术是一项绿色修复技术，以环保、经济、生态等优点为社会所接受[3-4]，对被污染环境的修复有重要的意义。

香菇草(Hydrocotylevulgaris)为多年生伞形科草本植物，多分枝，节生根且根茎发达，适应性极强，分布范围广泛，具有很高的观赏和药用等应用研究价值。本试验以液体培养法研究重金属Pb的尾矿渗出液对香菇草生长的影响，测定叶绿素含量、光合及非酶系统等生理指标，以期为今后进一步探讨和修复江西德兴被重金属Pb矿尾矿渗出液污染的水体环境及在Pb超富集植物的选择上提供理论和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

供试的植物幼苗为香菇草，其来源于无重金属环境影响的江苏某苗圃基地，Pb尾矿渗出液源自于江西省德兴市铅尾矿坝。

1.2 方法

1.2.1 香菇草幼苗培育和Pb胁迫处理方法 试验于2017年3月在江西财经大学原资源与环境管理学院植物生理实验室(115.81°E、 28.73°N)开展。其培养方法参考Han等的方法[5]，选其长势良好且一致的约5～7 cm幼苗，以每盆栽5株分植于塑料花盆中(规格20.5 cm×15.5 cm)，并在盆内套入2层塑料袋以防止液体中Pb尾矿渗出液的外渗，并各加入 1/4 Hoagland Nutrition液(HN)500 mL进行1周的预培养后，再按序进行5组不同体积分数Pb尾矿渗出液的处理，依次为：HN(CK)，其他的体积分数为75% HN+25% Pb(1/4 Pb)、50% HN+50% Pb(1/2 Pb)、25% HN+75% Pb(3/4 Pb)、100% Pb(Pb)，每个处理3盆(每盆视为1次重复)。每周更换1次处理液，处理28 d后取样测定香菇草幼苗的生长、生理等指标。

1.2.2 香菇草生长势和生理指标的测定方法 将每个处理组随机选取3株幼苗用去离子水冲洗干净后，再用直尺法分别测量幼苗的地上部和地下部长度。在植物生理指标方面，分别取该植物0.1 g地上部和地下部进行测定。参照李合生的方法[6]，摘取幼苗叶片进行光合色素含量的测定；用电导仪法测定新鲜叶片(取测定光合色素含量相同部位的叶片)和根系的相对电导率；用硫代巴比妥酸法测定植物体内丙二醛(MDA)含量；在抗坏血酸(AsA)和谷胱甘肽(GSH)含量测定上分别参考Kampfenkel等[7]和Ma等[8]的方法。

1.3 数据统计处理

应用软件Excel 2016和SPSS 20.0进行相关试验数据的处理和分析，并采用邓肯氏(Duncan’s)新复极差法对数据进行差异显著性分析。耐性指数公式参考Han等的公式：耐性指数=(处理组幼苗平均根长/对照组幼苗平均根长)×100%[9]。

2 结果与分析

2.1 Pb尾矿渗出液单一胁迫对香菇草幼苗生长和耐性指数的影响

由图1、图2可知，香菇草幼苗在不同体积分数的Pb尾矿渗出液浓度处理中，其各项生长指标较对照均有一定的降低。Pb尾矿渗出液体积分数越大，其幼苗的地上部和地下部长度越短。地上部在纯Pb尾矿渗出液胁迫中，较对照显著降低33.3%(P<0.05)，说明Pb浓度增加与幼苗的耐性指数成反比。在0～100% Pb尾矿渗出液处理下，其地下部分根系的耐性指数的逐渐呈降低趋势，说明幼苗根系的各项生长指标受到明显抑制。

2.2 Pb尾矿渗出液单一胁迫对香菇草幼苗部分生理指标的影响

2.2.1 对光合色素含量及相对电导率的影响 由图3可知，香菇草幼苗叶片中光合色素叶绿素a(Chl a)和叶绿素b(Chl b)含量随着Pb尾矿渗出液体积分数增加，呈先增加后降低的趋势，而类胡萝卜素(Car)含量随着Pb尾矿渗出液体积分数增加呈下降趋势。在1/4 Pb尾矿渗出液处理中，Chl b 含量显著高于对照(P<0.05)，比对照增加7.7%，而Car含量比对照减少了2.1%。在全Pb尾矿胁迫处理下，植物叶片中的Chl a、Chl b和Car含量分别较对照仅下降了1.0%、8.0%和6.4%。表明香菇草幼苗叶片中光合色素的合成在低浓度的Pb胁迫处理中具有一定的促进作用，但随着Pb胁迫浓度的增加，其对叶片中的光合色素合成产生了一定的破坏作用。由图4可知，不同体积分数的Pb尾矿渗出液胁迫下，香菇草幼苗地上部和地下部的相对电导率均高于对照，但均未达到显著水平。

2.2.2 对丙二醛(MDA)含量的影响 在不同体积分数的Pb尾矿渗出液处理的基质中，香菇草幼苗地上部和地下部MDA含量的变化见图5。在不同的Pb尾矿渗出液体积分数的处理中，香菇草幼苗地上部MDA含量呈上升趋势，在纯Pb处理下与对照处理差异显著(P<0.05)，较对照增加57.1%。而地下部分的MDA含量呈现在低体积分数中下降、高体积分数的胁迫下上升趋势，在纯Pb尾矿渗出液处理中MDA含量较高，较对照增加100%。

2.2.3 对抗坏血酸(AsA)和谷胱甘肽(GSH)含量的影响 在不同体积分数的Pb尾矿渗出液胁迫处理中，香菇草幼苗地上部和地下部AsA和GSH含量的变化分别见图6和图7。从图6可知，不同体积分数Pb尾矿渗出液处理的香菇草地下部AsA含量与对照均无显著差异，地上部呈先上升后下降趋势，3/4 Pb和Pb处理较对照达显著差异(P<0.05)。其中，在1/2 Pb胁迫下，幼苗地上部和地下部AsA含量最高，较对照分别增加6.6%和7.5%。而在纯Pb条件下，幼苗地上部AsA含量明显低于对照，降幅为12.7%，而地下部AsA含量较对照略有增加，仅为4.4%。结果表明，低体积分数的Pb胁迫对香菇草AsA的合成和积累有促进作用，而随着Pb液体积分数增加，对其影响则不明显。

由图7可见，香菇草随Pb尾矿渗出液体积分数的增加，各部GSH含量变化总体呈上升趋势，且均高于对照。在纯Pb胁迫下，幼苗地上部和地下部GSH的含量均显著高于对照(P<0.05)，分别比对照增加64.9%、53.6%。其中，随Pb液体积分数的增加，幼苗地上部GSH含量比地下部含量增长趋势更为明显。说明高体积分数的Pb胁迫对香菇草幼苗地上部GSH含量积累比地下部分的GSH含量积累更为显著。

3 讨论

Pb含量不仅会造成环境的污染，而且还会直接影响到植物生长，甚至会导致植物死亡[10-11]。植物自身的生长状况能直接反映植物在受重金属胁迫时的耐性程度[12-13]，也是判断植物抵抗所受胁迫能力的重要依据。本试验显示，在Pb尾矿渗出液胁迫中，香菇草幼苗地上赔和地下部生长指标均低于对照，且呈下降趋势。

植物的光合作用是其生长的重要物质来源，而叶绿素质量分数高低恰恰又决定植物光合作用能力的强弱[14]。有研究指出，重金属Pb、镉(Cd)胁迫对一些植物的生理耐性有着明显的低促高抑现象[15]，这可能与植物的种类以及在发育期间重金属体积分数变化有直接的关系。另有研究表明，绿豆叶绿素含量在Pb处理下减少，主要原因可能是由叶绿素合成以及叶绿素酶的活性受到高浓度Pb破坏造成的[16]。在本试验中，不同体积分数Pb处理中，香菇草幼苗叶片中光合色素叶绿素a(Chl a)和叶绿素b(Chl b)含量随着Pb尾矿渗出液体积分数增加呈先增加后降低趋势，而类胡萝卜素(Car)含量随着Pb尾矿渗出液体积分数增加呈下降趋势。在1/4 Pb尾矿渗出液处理中，Chl b含量显著高于对照(P<0.05)，比对照增加7.7%，而Car含量比对照减少2.1%。植物细胞膜外渗出液中的电导率，在一定程度上说明了植物叶片受害后的生理变化，与植物的伤害程度和抗性有密切关系[17]。植物的膜透性通过相对电导率反映出来，相对电导率越大，表明植物受到的胁迫程度越深[18]。本研究显示，不同体积分数的Pb尾矿渗出液胁迫下，香菇草幼苗地上部和地下部的相对电导率均高于对照，且在纯Pb尾矿渗出液胁迫下，分别比对照增加24.8%、25.1%。说明香菇草体内的细胞膜系统在此过程中受到极大的伤害。这可能由于香菇草幼苗细胞膜透性受到影响，导致其内可溶性物质外渗，从而打破了细胞间的代谢平衡引起的，同时反映香菇草具有一定的胁迫诱导抗性能力。

在本研究中，不同体积分数Pb处理的香菇草地上部叶片中MDA含量均明显高于对照，并随Pb液体积分数的变化，MDA含量呈先上升后下降，这一研究结论与原海燕对Pb胁迫下马蔺的相关研究部分结果[19]不一致。可能由于其体内活性氧水平较高导致植物细胞受到氧化胁迫的伤害。随着时间推移，其体内所受的氧化反应慢慢趋于稳定。而本研究中地下部MDA含量变化也与原海燕对马蔺的研究结果[19]不一致。这可能与本研究中Pb处理时间过长有关。

植物体内GSH和AsA在清除活性氧以及抗氧化胁迫等方面有重要作用[8]。本试验表明，在不同体积的处理中，幼苗地上部和地下部GSH含量均高于对照，说明Pb胁迫可以促使GSH的合成，对其耐Pb性方面有一定作用。香菇草在低体积分数Pb尾矿处理下对其体内AsA含量增加有促进作用，但随Pb液体积分数的增加，AsA含量逐渐下降，但与对照相比下降幅度较小，说明其有一定的耐铅性。

4 结论

在不同体积分数的Pb尾矿渗出液的处理下，香菇草幼苗生长、光合色素均受到不同程度的抑制，体内的抗氧化系统也有一定的损伤，但通过香菇草自身调节内部的生理机制来增强对Pb的耐性，并以诱导植物体内光合色素、相对电导率、丙二醛含量、GSH和AsA的合成与积累来体现。说明香菇草可以通过调节机体抗氧化系统来进一步缓解Pb对自身的毒害，保证植物自身的生长和发育，表明其在修复重金属Pb污染水体方面有一定的潜力。