3种水生植物对铅污染水体的抗性研究

郭 晖 庄静静

( 新乡学院生命科学技术学院，河南 新乡 453003)

随着城市工业的迅速发展，各种工业废水和固态废弃物的渗出液直接或间接排入水体，致使水体中重金属离子含量越来越高，对水体的污染程度也越来越严重[1]，使水体重金属污染成为全球性的环境污染问题[2]。铅（Pb）是“五毒”重金属元素之一[3]，它进入水体后，可以降低水体质量、毒害水生动植物，通过动植物富集作用，经食物链进入人体，危害人类健康[4]。铅是植物生长发育必需的微量元素之一，适量的铅含量能够有效促进植物生长，缓解外界环境胁迫对植物造成的损伤。然而，植物体内铅含量过度集中会导致植物的生长受阻、代谢紊乱、甚至死亡。水生植物能够吸收重金属污染物，净化环境且具有较高的观赏价值和经济价值[3]。利用水生植物对重金属污染水体进行生态修复，投资成本少、治理效率高、灵活性高、针对性强，在治理水环境的同时还能美化环境，并且产生直接或间接的经济效益[5]。因此，水生植物在水体重金属污染的监测和生态修复方面有很广阔的应用前景[6]。

目前，在利用植物对重金属污染进行修复方面，国内外许多学者在这方面开展了广泛的研究。孙瑞莲等[7]通过对宽叶香蒲（Typha latifolia）、茭白（Zizania caduciflora）及黄花鸢尾（Iris wilsonii）3种挺水植物对污水的净化效果及生理响应进行研究，结果表明3种水生植物对不同污染负荷水体均有较高的净化效果。纪美辰等[3]对几种水生植物对铅的抗性进行研究，发现在单一污染时水葫芦（Eichhornia crassipes）对较高浓度的铅废液有一定的抗性。杨俊兴等[8]研究了18种挺水植物对铅的耐性及吸收影响，结果表明不同湿地植物对铅的吸收差异是显著的。李巧云等[2]通过沉水植物对沉积物中铜锌铅的富集研究，结果表明，单独培养和组合培养，藻体均有不同程度的增长。朱红霞等[9]进行了花卉植物对重金属修复能力的比较研究。赵云阁等[10]对北京地区常见树种对重金属的吸收转化率进行研究。可见，目前我国关于植物对重金属的研究已广泛开展，但关于耐寒型水生植物的研究较少。本研究选取常见的3种水生植物花叶芦竹（Arundo donax）、石菖蒲（Acorus tatarinowii）和水生鸢尾（Iris tectorum），采用培养盆，静态模拟自然状况下的小型水体，分析3种水生植物对铅污染水体的抗性及富集能力，以期为应用植物技术修复重金属对环境造成的污染提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试植物选取长势基本一致的花叶芦竹、石菖蒲和水生鸢尾，均采购于新乡市花卉市场。供试污泥采用学院校区内的池塘污泥，取回底泥后将其混匀，风干，用作盆栽底泥。试验培养水取自学院自来水，重金属添加形式为固体硝酸铅颗粒（Pb（NO3）2），为分析纯试剂。

1.2 试验设计

试验采用盆栽培养，利用培养盆（直径50 cm，高35 cm），在静态模拟自然状况下小型水体，将配制好的底泥铺入缸内，厚度约10 cm。然后每个生态缸中加入曝晒的自来水，每种水生植物各取27株，共81株，在保证密度一致的情况下，分别植入盛有配制好的重金属污染底泥的生态缸中。污泥处理设3个水平，分别为未添加Pb（NO3）2（CK）、低浓度铅污染（200 mg/kg，Tz）和高浓度铅污染（500 mg/kg，Tg），共9个生态缸，在同一处理等级下，每种植物均设3个平行样，即单个生态缸种植9株水生植物。2017年7月开始试验，于2017年8月结束试验。试验历经45 d，试验中蒸发的水分用暴晒的自来水补充。

1.3 试验方法

栽培45 d后将幼苗取出，冲洗干净，用直尺（精确到0.01 cm）测量植株的株高和根系，并取平行样的平均值作为植株的实际株高和根系长度。植物生物量的测定采用烘干法，将测量完长度的植株根、茎叶分开，测定鲜质量，然后在烘箱中80℃烘24 h，测定干质量。叶绿素含量测定采用丙酮提取法[11]。根系活力测定采用TTC法测定[12]。水体Pb测定采用酸消解法[13-16]，使用TAS-990火焰原子化法原子吸收光谱仪（北京普析通用仪器有限责任公司，中国）进行测定。不同铅污染处理下栽培环境的基本特性见表1。

1.4 标准曲线制作

1）TTC标准曲线的制作：取0.40 % TTC溶液0.20 mL放入大试管中，加9.80 mL乙酸乙酯，再加少许Na2S2O4粉末摇匀，则立即产生红色的TTF。此溶液浓度为每毫升含有TTF 80 µg。分别取此溶液0.25、0.50、1.00、1.50、2.00 mL置10 mL刻度试管中，用乙酸乙酯定容至刻度，即得到含 TTF 20、40、80、120、160 µg 的系列标准溶液，以乙酸乙酯作参比，在485 nm波长下测定吸光度，绘制标准曲线。

表1 栽培环境的基本特性Table 1 Basic characteristics of different treatments

2）铅标准曲线的制作：准确称取0.16 g硝酸铅样品溶解入装有100 mL蒸馏水的烧杯中搅拌溶解，待完全溶解后加入5 mL硝酸，然后定容入500 mL容量瓶中作为母液，分别取100、80、60、40、20 mL母液加蒸馏水定容至100 mL容量瓶中，取5 mL硝酸定容至500 mL容量瓶中[13]。使用TAS-990火焰原子化法原子吸收光谱仪，制作铅标准溶液曲线，吸光度为纵坐标（Y），样品浓度为横坐标（X），线性回归方程为：Y=0.023X，相关系数R2=0.997，即在0～10 µg/mL范围内。

1.5 数据统计分析

所有数据采用Excel 2013软件和SPSS 13.0统计分析软件进行处理，图形采用Origin 8.0进行绘制。

2 结果与分析

2.1 不同浓度铅污染对水生植物生长状况的影响

不同浓度铅污染下水生植物生长相关指标测定结果见表2。

表2 不同浓度铅污染下水生植物的生长状况Table 2 Growth status of aquatic plants in different concentrations of lead

由表2可知，与CK相比，在低浓度铅污染水体中，花叶芦竹的株长增加了4.24 cm，而在高浓度铅污染水体中下降了5.10 cm。花叶芦竹的根长随着铅浓度的增加不断下降，在CK和高浓度铅污染水体中，其根长差值达5.40 cm。花叶芦竹的茎长的表现趋势初期与株长相似，与CK相比，低浓度铅污染有助于茎长和株长的增加，而在高浓度铅污染水体中，茎长和株长均出现下降现象。在不同浓度铅污染水体中，石菖蒲的株长和根长均表现为随着铅污染浓度的增加，而逐渐下降的趋势，与CK相比，其差值分别为2.57、5.63 cm和2.90、5.73 cm。石菖蒲的茎长，与CK相比，则在不同浓度铅污染水体中，发生增加，但其增加幅度较小，其差值分别为0.34 cm和0.40 cm。在不同浓度铅污染水体中，水生鸢尾与石菖蒲的变化趋势相一致，其株长和根长均表现为随着铅浓度的增加，其值逐渐下降的趋势。在低浓度铅污染水体中，水生鸢尾的茎长最小，其与CK和高浓度铅污染水体的差值均为0.33 cm。通过对比3种水生植物在不同铅污染水体中的生长状况，与CK相比，低浓度的铅污染对3种水生植物均有一定的刺激生长作用，但不同的植物感受部位不同。3种水生植物的根系长都表现出随着铅浓度的增加，根系长度逐渐减短的现象。但在低浓度污染的水体中，根系长度缩短的差异较小，而在高浓度污染水体中，其下降速度较快。可见，适量的铅含量能够有效促进植物生长，而植物体内铅含量过度集中会导致植物的生长受阻，甚至死亡。

由表3可知，除在CK中，石菖蒲地上部分的生物量较大外，花叶芦竹在不同浓度铅污染水体中的地上部分和地下部分生物量均为最大。与CK相比，在低浓度和高浓度的铅污染水体中，石菖蒲地上部分的生物量差值分别为1.78 g/m2和3.10 g/m2，花叶芦竹差值分别为 1.99 g/m2和0.60 g/m2。在不同浓度铅污染水体中，水生鸢尾的生物量与花叶芦竹的变化趋势相一致。在低浓度污染水体中，水生鸢尾地上部的生物量与CK相比，其差值为0.27 g/m2。在高浓度时地上部生物量最小，其与CK的差值为0.72 g/m2。通过计算3种水生植物的根冠比可知，在不同浓度铅污染水体中，花叶芦竹的根冠比最大，石菖蒲次之，水生鸢尾最小。3种水生植物的根冠比表现趋势相一致，均随着铅污染浓度的增加，根冠比逐渐下降。在高浓度铅污染水体中，根冠比的下降趋势要比低浓度明显。综上所述，在不同浓度铅污染水体中，石菖蒲的长势要明显优于其他2种水生植物，但其生物量根冠比要小于花叶芦竹，这可能与其自身是多年生草本植物的生物特性有关。

表3 不同浓度铅污染下水生植物的生物量和根冠比Table 3 Biomass and root /shoot ratio of aquatic plants in different concentration of lead

2.2 不同浓度铅污染下水生植物的根系活力变化

根的活力水平直接影响茎、叶甚至整个植株的营养状况，在一定的环境胁迫下，根系活力有所增加是一种植物体控制根系提高呼吸作用，来抵抗胁迫环境以维持植物正常生长的结果[17]。由图1可知，在CK中，3种水生植物的根系活力基本相近，其值分别为 0.19、0.18、0.16 mg/（g·h），差异性不显著。在低浓度和高浓度污染水体中，花叶芦竹的根系活力仍高于石菖蒲和水生鸢尾，其值分别为 0.23 mg/（g·h）和 0.06 mg/（g·h）。差异性分析表明，在低浓度和高浓度污染水体中，3种水生植物的根系活力之间差异显著（P＜0.05）。可见，花叶芦竹对铅污染具有一定的抗性，使其在铅污染水体中仍能保持较高的根活力。但从不同浓度铅污染水体中来看，3种水生植物虽然仍然保持一定的根系活力，但在高浓度铅污染水体中，与CK和低浓度铅污染相比，其根系活力发生了明显下降。花叶芦竹在低浓度铅污染水体中，与CK相比，其根系活力发生了轻微的增加，其差值为0.03 mg/（g·h），这说明低浓度的铅污染对花叶芦竹根生长具有一定的促进作用，这也与之前关于花叶芦竹地下部分生物量的计算相一致。石菖蒲和水生鸢尾在不同浓度铅污染水体中，其根系活力随着铅污染浓度的增加，均表现为逐渐下降的趋势。与CK相比，石菖蒲的根系活力差值分别为0.01 mg/（g·h）和0.14 mg/（g·h）。在高浓度水体中，水生鸢尾根系活力下降速度较低浓度铅污染水体有所增加，其根系活力值最低，仅为0.01 mg/（g·h），这表明水生鸢尾对铅的抗性较低，不适宜在铅污染水体中生存。

图1 不同浓度铅污染下水生植物的根系活力Fig. 1 Root activity of aquatic plants in different concentrations of lead

2.3 不同浓度铅污染水体中水生植物的叶绿素含量变化

重金属胁迫会使叶绿素a的含量降低，植物在不同重金属胁迫下其光合作用和叶绿素a含量的变化是不同的，其含量可表征植物生理状况[15]。由图2可知，在不同浓度铅污染水体中，CK的3种水生植物其叶绿素a含量最高，值分别为1.64、3.01、3.26 mg/g。花叶芦竹在不同浓度铅污染水体中，其叶绿素a含量最低，并呈现出随着铅浓度的增加，其叶绿素a含量逐渐下降的趋势。在CK和低浓度铅污染中，方差分析结果也表明，石菖蒲和水生鸢尾之间的差异性不显著，而与花叶芦竹的差异显著（P＜0.05），这可能与花叶芦竹本身叶片中叶绿素含量较低有关。石菖蒲的叶绿素a含量在不同浓度铅污染水体中，并未表现出相同趋势。在CK中，石菖蒲的叶绿素a含量最高，高浓度污染次之，中浓度污染最低，其最高值为1.83 mg/g，与最低值差值为0.86 mg/g。水生鸢尾的叶绿素a含量变化趋势与花叶芦竹相一致，均表现为随着铅浓度的增加，其叶绿素a含量逐渐降低，为1.16～3.26 mg/g。

由图3可知，在不同浓度铅污染水体中，花叶芦竹和石菖蒲的叶绿素b含量变化趋势相一致，均表现为随着铅浓度的增加，其叶绿素b含量逐渐下降。在CK和低浓度铅污染中，方差分析结果也表明，花叶芦竹和石菖蒲的叶绿素b含量差异不显著。水生鸢尾在低浓度铅污染中，其叶绿素b含量最大，值为4.35 mg/g，与CK的叶绿素b含量差值为2.36 mg/g。在CK和低浓度铅污染水体中，水生鸢尾叶绿素b含量与花叶芦竹和石菖蒲的差异性显著（P＜0.05）。这一方面与水生鸢尾自身叶片中叶绿素含量较高有关外，也可以说明铅对水生鸢尾的根系和生物量影响作用较大，而对叶片的影响作用较小。在3种浓度铅污染处理水平下，花叶芦竹和石菖蒲的叶绿素b含量为0.96～2.04、0.84～3.29 mg/g，其差值分别为1.08 mg/g和2.45 mg/g。在低浓度和高浓度铅污染水体中，水生鸢尾的叶绿素b含量均高于花叶芦竹和石菖蒲，其差值分别为2.36、1.62 mg/g和0.25、0.36 mg/g。在CK中，石菖蒲的叶绿素b含量最大，值为3.29 mg/g。

图2 不同浓度铅污染下水生植物的叶绿素a含量Fig. 2 Chlorophyll a content of aquatic plants in different concentrations of lead

图3 不同浓度铅污染下水生植物的叶绿素b含量Fig. 3 Chlorophyll b content of aquatic plants in different concentrations of lead

由图4可知，在不同浓度铅污染水体中，花叶芦竹和石菖蒲的总叶绿素含量变化趋势相一致，均表现为随着铅浓度的增加，总叶绿素含量逐渐下降。在CK中，石菖蒲和水生鸢尾的总叶绿素含量与花叶芦竹的差异性分析表明，石菖蒲和水生鸢尾的总叶绿素含量的差异不显著，而其与花叶芦竹的差异性显著（P＜0.05）。在CK和高浓度铅污染水体中，石菖蒲的总叶绿素含量均为最高，其值分别为6.28 mg/g和2.98 mg/g。在低浓度铅污染水体中，水生鸢尾的总叶绿素含量最高，其与石菖蒲和花叶芦竹差值分别为1.50 mg/g和3.00 mg/g，差异性显著（P＜0.05）。在3种浓度铅污染水体中，花叶芦竹、石菖蒲和水生鸢尾的总叶绿素含量为1.91～3.67、2.98～6.28 mg/g和2.36～6.04 mg/g。由此可知，不同浓度铅污染对水生植物的叶绿素含量会产生一定影响，而且不同植物的反应也各不相同。但总的来说，随着铅浓度的增加，植物体内的叶绿素含量会逐渐下降。

图4 不同浓度铅污染下水生植物的总叶绿素含量Fig. 4 Total chlorophyll content of aquatic plants in different concentrations of lead

2.4 不同浓度铅污染水体中的铅含量变化

水生植物能够吸收重金属污染物，净化环境且具有较高的观赏价值和经济价值[3]。由图5可知，在不同浓度铅污染处理水平下，花叶芦竹、石菖蒲和水生鸢尾所在的水体中铅含量呈现出相似的变化趋势，即随着浓度的增加，水体中铅含量逐渐增加。在CK中，由于未添加Pb（NO3）2，各水体的铅含量最低，为0.04～0.05 μg/mL，它们之间差异性不显著。在低浓度和高浓度铅污染水体中，花叶芦竹的铅吸收能力均表现为最强，其所在水体中的铅含量分别为0.11 μg/mL和0.20 μg/mL，其下降百分比分别为64.39 %和60.40 %。在低浓度铅污染水体中，花叶芦竹、石菖蒲和水生鸢尾所在的水体中铅含量为0.11～0.32 μg/mL，其下降百分比分别为64.39%、43.27%和28.07%，差异性显著（P＜0.05）。在高浓度铅污染水体中，花叶芦竹、石菖蒲和水生鸢尾所在的水体中铅含量为0.20～0.55 μg/mL，其下降百分比分别为60.40 %、20.48 %和18.07 %。石菖蒲和水生鸢尾的差异性不显著，而它们与花叶芦竹之间的差异性显著（P＜0.05）。由此可知，在不同浓度铅污染水体中，花叶芦竹的铅吸收能力虽强，但随着铅浓度的增加，花叶芦竹的吸收能力也会下降，使高浓度铅污染水体的铅含量仍高于低浓度铅污染水体。在低浓度铅污染水体中，石菖蒲和水生鸢尾的吸收能力相近，其水体中的铅含量分别为0.23 μg/mL和 0.32 μg/mL，差值为 0.09 μg/mL。在高浓度铅污染水体中，石菖蒲和水生鸢尾的铅吸收能力较弱，其与花叶芦竹所在水体的铅含量差值分别为0.33 μg/mL 和 0.35 μg/mL。综上所述，3 种水生植物在不同浓度铅污染条件下，都能使水体铅含量有所下降。但在不同浓度铅污染条件下，石菖蒲和水生鸢尾的净化效果要明显弱于花叶芦竹。花叶芦竹在高浓度铅污染条件下的净化效果也低于在低浓度条件下。

图5 不同浓度铅污染水体中的铅含量Fig. 5 Lead content of water in different concentrations of lead

3 结论与讨论

植物的生长特性与其对水体中的物质的吸收有着显著的关系[14]。本研究发现，3种水生植物在低浓度铅污染水体中，对植物的生长特性均有促进作用，而在高浓度铅污染水体中，则表现为抑制作用。王敏等[18]对常见水生植物对富营养化和重金属复合污染水体修复效果的研究中指出，菖蒲的株高增加幅度大于根长，说明污染水体对菖蒲根的毒害作用大于对地上部的毒害作用。付佳佳等[19-20]对铅、锌及其复合胁迫对花菖蒲（Iris ensatavar.hortensis）幼苗生长及生理抗性的影响的研究结果表明，花菖蒲幼苗对单一胁迫有一定的耐受性，而在复合胁迫下，花菖蒲的幼苗生长受到明显的抑制作用。周玉卿等[21]对铅、镉及其复合胁迫对黄菖蒲（Iris pseudacorus）幼苗生长和生理抗性影响的研究中指出，与CK相比，在有重金属污染的处理中，黄菖蒲幼苗的地上部和地下部干质量及叶绿素a含量都明显下降。这些研究均与本研究观点相一致。根系活力的变化是植被适应能力强弱的生理表现指标[15]。本研究与解纯芬[22]的研究中水生鸢尾的适应能力高于菖蒲不一致。这可能是由于本研究中实验环境与人工湿地有所区别，使石菖蒲表现出比水生鸢尾更强的适应性。

叶绿素是植物体内光合作用赖以进行的物质基础，作为叶绿体中最为重要的一类光合色素广泛存在于高等植物的叶绿体中[21]。叶绿素含量的多少是植物光合作用、生长能力的强弱的重要标志[23]。本研究中，在不同浓度铅污染水体中，花叶芦竹和水生鸢尾表现出随着铅浓度的增加，叶绿素a含量逐渐下降的趋势。这可能是由于铅与相关酶作用，抑制叶绿素前体的合成，促进叶绿素分解或直接破坏叶绿体结构，从而降低叶绿素含量及组成[24]。石菖蒲则表现为随着铅浓度的增加，叶绿素a含量先升高后降低的趋势，这可能是由于低浓度的铅胁迫促进了叶绿素的生成或使少数的叶绿素a处于激发状态，增强了其对光能的利用率。但当铅浓度过高时，则可能破坏植物的细胞膜或叶绿体，从而对植物造成了损伤。这与顾艾博等[25]关于重金属胁迫对单子叶植物光合特性的影响结果相类似。

本研究中3种水生植物对不同浓度铅污染水体的净化效果结果与任珺等[26]的研究结果中菖蒲的净化能力高于水葱（Scirpus validus）和鸢尾有所不同，这主要是由于本研究中花叶芦竹的净化效果明显更优于石菖蒲，使石菖蒲的净化效果不显著。王敏等[18]对常见水生植物对富营养化和重金属复合污染水体的修复效果研究中提出，旱生美人蕉（Canna indica）、水生美人蕉（Canna indicavar.flava）、旱伞草（Cyperus alternifolius）、鸢尾、马蔺（Iris lacteavar.chinensis）和菖蒲6种水生植物对铅均有去除作用，去除效果的大小与栽培方式及周边环境也密切相关。

通过对3种水生植物在不同浓度铅污染水体中的抗逆性和适应性研究可知，花叶芦竹由于自身的生长特性使其地上部分生物量、株长和叶绿素含量低于石菖蒲和水生鸢尾，但其根系活力及其所在水体中的铅含量明显优于石菖蒲和水生鸢尾。由此表明，花叶芦竹对铅胁迫具有一定的抗性。石菖蒲虽然不能适应高浓度的铅污染水体，但在低浓度水体中有很好的生长特性。石菖蒲的地上部分生物量和叶绿素含量也表现出较好的特性。综上所述，花叶芦竹、石菖蒲和水生鸢尾3种水生植物对不同浓度铅污染水体均有一定的适应性和净化效果，表现为石菖蒲的适应性较强，花叶芦竹净化效果最好。