锰对超富集植物青葙镉积累的影响

2019-05-17孟德佳蒋萍萍吕黛琳

农业环境科学学报 2019年5期

孟德佳，刘杰，俞果，蒋萍萍，吕黛琳

（桂林理工大学，环境污染控制理论与技术广西重点实验室，广西桂林 541004）

镉是土壤中最为普遍的重金属污染物之一，易通过食物链在人体内积累，进而危害人类健康[1-3]。由于镉是典型的亲石元素，常见于钙、锰的氧化矿物中，导致单一镉污染土壤较少，在镉污染土壤中镉常与锰等其他重金属复合存在[4-5]。因此，在进行土壤镉修复时需考虑镉与锰的相互作用[6-8]。

目前，关于锰对植物吸收和利用镉的影响已有诸多研究。前人研究结果表明，在小麦和油菜中，施加高量的锰促进了植物对镉的积累[9-10]。在超富集植物Phytolacca americanaL.和水稻中，施加锰则缓解了镉的毒性，降低了植物对镉的吸收和积累[11-12]，但在土培条件下，施加锰则显著增加水稻对镉的积累[13]。以上矛盾的结果表明，锰在超富集植物吸收和积累镉时的影响仍有很多的不确定性。另外，在统一试验条件下同时进行水培试验与土培试验来探究锰对植物吸收和积累镉的影响的研究相对较少，并且在水培试验中采取了与实际土壤溶液中镉含量差别较大的浓度[14-16]。

青葙（Celosia argenteaLinn.）是一种新发现的锰、镉超富集植物，能够同时吸收和积累大量的镉和锰[17]。为研究植物吸收镉和锰的相互作用规律提供了理想的实验材料。本研究采用水培与土培两种方式研究了锰对青葙吸收和积累镉的影响，同时通过动态监测手段，研究了锰对土壤溶液中镉浓度的影响，为阐明植物吸收镉锰的作用关系奠定基础，为镉锰复合污染土壤的植物修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 土培试验

本试验在桂林理工大学重金属污染植物修复试验基地进行。供试土壤采自桂林理工大学雁山校区。土壤采集后，置于阴凉处风干。土壤pH、有机质、有效氮、速效磷与速效钾等基本理化性质采用土壤检测仪（SL-3A）进行测定，结果见表1。供试土壤总Mn与总Cd利用HNO3-HClO4-HF消解法进行消解，消解后采用原子吸收光谱仪（PE-AA700型）进行测定。青葙种子采集于广西壮族自治区桂林市阳朔县。将青葙种子采用1%的H2O2溶液浸泡消毒后，选取颗粒饱满的种子播种于规格为4×8的育苗盘中，置于温室中培养并且保持温室温度在25～30℃。种子萌发后每周浇灌1/2浓度的Hongland营养液1次，并保持育苗盘内的土壤含水量为田间最大持水量的70%～80%。待幼苗长出4～6片真叶且高度为5～6 cm时，移栽幼苗进行土培盆栽试验。

土壤风干过筛后，取1.5 kg装入直径12 cm，高18 cm的塑料盆中。重金属锰和镉以MnCl2·4H2O和CdCl2·2.5H2O的固态粉末形式加入盆中与土壤混合均匀，配制成锰浓度为0（对照）、500 mg·kg-1和镉浓度为0（对照）、3、5 mg·kg-1和10 mg·kg-1的土样，每个处理3个重复。调节盆栽土壤含水量为田间最大持水量的70%～80%，每日翻动土壤，平衡2周后移栽长势基本一致的青葙幼苗并同时埋入土壤溶液取样器，每隔15 d抽取一次土壤溶液，每次抽取10 mL，植物生长60 d后收获。

1.2 水培试验

该试验在桂林理工大学重金属污染植物修复试验基地进行。青葙种子采集及发芽同土培试验，待幼苗长至约5～6 cm高、4～6片真叶时挑选生长一致的幼苗分别栽进装有1/2 Hoagland营养液的塑料烧杯中，重金属锰和镉以MnCl2·4H2O和CdCl2·2.5H2O的固态粉末形式加入营养液中混合均匀，配制成锰浓度为0（对照）、100 mg·L-1和镉浓度为0（对照）、0.6、1.0 mg·L-1和2.0 mg·L-1的水溶液，每个处理3次重复，每3 d调节1次pH并用去离子水补充蒸发部分，每3 d更换营养液一次，每日曝气20 min，置于温室中培养。植物生长45 d后收获，测定青葙根、茎、叶中锰、镉含量。

1.3 样品处理及分析

青葙收获后分为叶、茎和根3部分。将青葙叶、茎和根用自来水将泥土洗净后，用去离子水冲洗3次，置于烘箱中105℃杀青30 min，70℃烘干至恒质量后用电子天平测其干质量。烘至恒质量后的叶、茎和根于植物粉碎机中粉碎，粉碎后的样品（约0.2 g）采用HNO3+HClO4（9∶1）湿消化法消解，锰、镉在青葙中的含量采用原子吸收光谱仪（PE-AA700）测定。分析过程中所采用的试剂均为优级纯试剂，采用国家标准参比物质[GBW 10015（GSB-6）]进行分析质量控制。

表1 供试土壤理化性质Table 1 Soil physical and chemical properties

土壤溶液采集后采用优级纯硝酸对其进行酸化，采用ICP-MS测定其镉含量。

1.4 试验数据处理

试验数据采用3个重复样的算术平均值±标准偏差（SD）表示。所有数据均采用Excel 2007和Origin 8.0进行统计分析和作图，用SPSS 19.0软件中的单因素方差分析（ANOVA），用最小显著差数法（LSD）进行显著性检验（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 水培条件下锰对青葙镉积累及生长情况的影响

由图1可知，在未额外添加锰的情况下，青葙叶、茎和根中的镉含量随着镉处理浓度的升高而增加，在镉处理浓度为2 mg·L-1时，青葙叶、茎和根中镉的含量最高。在镉处理浓度为1 mg·L-1时，施加锰浓度为100 mg·L-1时，青葙叶片中的镉含量较未施加锰处理组相比并无显著差异，但在青葙茎中，施加锰处理组镉含量较未施加锰处理组镉含量降低了19.1%。在镉处理浓度为0.6 mg·L-1和2 mg·L-1时，施加100 mg·L-1锰处理组青葙叶和茎中的镉含量分别比未施加锰处理组降低了35.9%、12.3%和23.2%、15.4%。由图2可知，在未额外添加镉的情况下，青葙叶、茎和根中的锰含量在施加锰后均显著增加。在锰处理浓度为100 mg·kg-1时，青葙叶片中的锰含量除在镉处理浓度为0.6 mg·L-1时较未施加镉处理组降低17.7%外，其余处理组青葙叶片中锰含量与未施加镉处理组相比并无显著差异。在青葙茎中，锰处理浓度为100 mg·kg-1时，除在镉处理浓度为2 mg·L-1时青葙茎中镉含量较未施加镉处理组降低19.0%外，其余处理组青葙茎中锰含量与未施加镉处理组相比并无显著差异。结果表明，水培条件下外源施加锰会抑制青葙对镉的吸收和积累，且随着镉处理浓度的升高锰对于青葙累积镉的抑制作用逐渐减弱，而外源施加镉则对青葙对锰的吸收和累积并无显著影响。

由图3可知，未施加锰时，青葙叶、茎和根的生物量随着镉处理浓度的升高而降低，在镉处理浓度为2 mg·L-1时青葙生物量下降最大，说明镉对青葙造成了一定的毒害作用，从而抑制了青葙的正常生长。在镉处理浓度为0.6 mg·L-1时，施加100 mg·L-1锰青葙生物量较未施加锰处理组显著降低，说明施加锰抑制了青葙的生长。在镉处理浓度为1 mg·L-1和2 mg·L-1时，施加锰处理组较未施加锰处理组相比并无显著差异，施加锰并未抑制青葙的生长。

图1 水培青葙叶、茎和根中的镉含量Figure 1 Cadmium content in leaves，stems and roots of C.argentea in hydroponic culture experiments

2.2 土培条件下锰对青葙镉积累及生长情况的影响

图2 水培青葙叶、茎和根中的锰含量Figure 2 Manganese content in leaves，stems and roots of C.argentea in hydroponic culture experiments

由图4可知，在未施加锰的情况下，青葙叶、茎和根中的镉含量随着镉处理浓度的增加而升高。在镉处理浓度相同水平的条件下，施加500 mg·kg-1锰青葙叶和茎中的镉含量较未施加锰相比均显著增加。相较于未施加锰处理组，施加锰青葙叶和茎的镉含量分别增加了351.7%、451.0%、178.2%、74.2%和105.4%、140.2%、119.4%、11.5%，且镉处理浓度为3 mg·kg-1时施加500 mg·kg-1锰青葙茎和叶中的镉含量增加最多。由图5可知，在未施加镉的情况下，青葙叶、茎和根中的锰含量较未施加锰前相比均显著增加。在锰处理浓度为500 mg·kg-1时，施加镉处理组青葙叶和茎的锰含量均较未施加镉处理组显著增加，分别增加了117.2%、61.1%、78.0%和69.6%、39.7%、31.4%，在镉处理为3 mg·kg-1时，青葙叶和茎的锰含量最高。由此可见，在土培条件下施加锰和镉可以显著促进青葙对镉和锰的吸收和积累。

图3 水培试验中锰对不同浓度镉胁迫青葙叶茎根生长的影响Figure 3 Effects of manganese on the growth of leaves，stems and roots of C.argentea under different concentrations of cadmium in hydroponic culture experiments

图4 土培青葙叶、茎和根中镉含量Figure 4 Cadmium content in leaves，stems and roots of C.argentea in soil culture experiments

图5 土培青葙叶、茎和根中锰含量Figure 5 Manganese content in leaves，stems and roots of C.argentea in soil culture experiments

表2 土壤溶液中镉含量（μg·L-1）Table 2 Cadmium content in soil solution（μg·L-1）

由表2可知，镉在土壤中从固相到液相的释放是一个缓慢而持续的过程。未施加锰处理组中，土壤溶液中镉的含量相对于外源所添加的镉含量而言极低。施加锰处理组与未施加锰处理组相比，土壤溶液中镉含量显著增加，且增加量在镉处理浓度为3 mg·kg-1时最高。由此可见，施加锰可显著促进镉向土壤溶液中的释放。

由图6a可知，青葙生物量随着镉处理浓度的增加而降低，说明镉对青葙产生了一定的毒害作用从而抑制了青葙的生长。在镉处理浓度为3、5 mg·kg-1和10 mg·kg-1时，施加锰青葙生物量较未施加锰相比显著增加，分别较未施加锰处理组增加了91.3%、31.1%和44.0%，且在镉处理浓度为3 mg·kg-1时施加锰青葙生物量增加最多。由图6b可知，收获时青葙生长良好，在镉处理相同水平下，施加锰青葙株高均高于未施加锰的处理组。本试验结果说明，在土培条件下青葙受到镉胁迫时施加锰可缓解镉对青葙的毒性。

图6 土培试验中锰对不同浓度镉胁迫青葙叶、茎、根生长的影响Figure 6 Effects of manganese on the growth of leaves，stems and roots of C.argentea under different mass fraction of cadmium in hydroponic culture experiments

3 讨论

通过水培试验和土培试验的结果可以看出，锰在水培试验和土培试验中对青葙吸收和累积镉的作用不同。在水培试验中，向营养液中施加锰抑制了青葙对镉的吸收和累积。而在土培试验中，施加锰显著促进了青葙对于镉的吸收和累积，该结果与前人研究结果不一致，前人研究认为施加锰降低植物对镉的吸收和累积[18-19]。

前期研究表明，青葙也是一种锰的超富集植物[20]。在本试验中，施加高浓度的锰后，青葙仍可对镉进行累积，其原因可能是与锰和镉在青葙体内的分布情况及其转运蛋白有关[21-24]。在水培试验中，外源添加的锰、镉含量远远高于土壤溶液中锰、镉的实际含量，且土壤溶液中镉的释放是一个缓慢且持续的过程，而在水培试验中镉的施加则是随着每次更换营养液一次性施加，无法做到与土壤溶液中的镉一样保持动态平衡。前人研究认为，锰和镉在植物体内可能享有相同的转运蛋白，如ZIP家族、NRAMP家族、CDF家族和CPx-ATPase家族等[25-26]。前人研究表明，在东南景天中锰和镉通过ZIP家族转运[27]，在芥菜中锰和镉通过HMA4转运[28]，在大麦中通过HvIRT1转运[29]，且重金属在被植物吸收过程中可能竞争相同的转运蛋白，存在竞争性抑制的关系[30]。在水培试验中，施加镉对青葙锰的累积并无显著影响，但锰的施加却显著抑制了青葙对镉的积累。其原因可能是青葙吸收和转运锰和镉这两种离子的过程中，锰离子与镉离子同时竞争在青葙体内的转运蛋白，且锰离子与转运蛋白的结合能力高于镉离子，从而导致青葙对镉离子转运数量的减少。

在土培试验中，由于土壤溶液中的锰离子和镉离子浓度显著低于水培试验中的锰离子和镉离子浓度，二者在溶液中由于金属离子的拮抗作用缓解了这两种离子本身对植物的毒害作用，所以土壤溶液中锰离子和镉离子共存的浓度并未对青葙根系造成显著的毒害作用。另外，前人研究发现，外源施加在土壤中较高浓度的锌显著抑制了镉在土壤中的吸附，从而降低了土壤胶体对镉的吸附量，进而导致水溶态镉含量的增加[31-34]。由此可推断，在土培试验中向施加镉的土壤中外源添加锰，锰与镉在土壤溶液中竞争与土壤胶体的吸附位点，由于锰的添加量显著高于镉的添加量，所以施加锰可显著降低土壤胶体对镉的吸附，从而促进镉从固相到液相的转移，导致土壤溶液中水溶态镉含量显著增加，进而导致施加锰后青葙镉含量的升高。另外，由于锰是植物生长所必需的营养元素[35-36]，能够提高植物生长发育速度、净光合速率及蒸腾量[37-38]。因此在土培盆栽试验中，施加锰提高了青葙的叶面积，使青葙的蒸腾量增加，有助于镉随蒸腾流向上转运，从而促进了青葙对镉的积累。所以，水培试验与土培试验的结果矛盾。