四种花灌木对镉的耐性和富集特性研究

朱丽霞，韩 琰，陆銮眉，张 琼，蔡月琴，陈清森

（1.闽南师范大学生物科学与技术学院，福建漳州363000；2. 闽台特色园林植物福建省高校重点实验室，福建漳州363000）

社会经济的快速发展，导致大量重金属元素以多种形式进入土壤，使得土壤重金属污染日趋严重[1].由于重金属会在生物体和土壤中积累，引起食物链发生无法预知的后果，所以，土壤重金属的污染修复与防治工作成为中外研究的重点和难点[2].重金属不易降解和转化，在生态环境中可以在物质间相互迁移和转换，因此一旦环境中重金属超标，那么消除起来会非常困难，对生物的不利影响更加让人关注[3].土壤中镉污染对生物体具有较强的毒性[4-5]，对农产品产量、生态环境安全以及生物生长等多方面会造成严重影响[6-7].植物修复的土壤污染治理方法是选用对重金属具有超富集作用的植物种在具有重金属污染的土壤中，植物根系会从土壤中吸走重金属元素，并将重金属转运到地上各部分，从而达到土壤修复的目的[8].目前超富集植物主要借助人工的筛选和鉴定来确定植物是否具有某种重金属的富集特性，主要的筛选方法有六种方式.第一种是通过野外调查生长于受重金属污染环境中的植物体中的重金属含量，对照超富集植物的标准判断是否具有超富集特性[9]；二是通过微量分析法，直接采集野外植物体各部分和根际或根区土壤样品来检测其中的重金属含量，再根据标准判断是不是超富集植物[10]；三是试纸诊断法，通过采集野外新鲜的植物组织用特制试纸检测，可通过试纸颜色的变化来判断植物体中重金属含量，从而初步可确认其是否具有超富集特性[11]；四是采用人工培养法，人工预先配置好重金属污染土壤，再在其中种植野外采集来的植物，观察其在一定时间的生长状况，并检测其体内重金属含量以判断其是否为超富集植物[12]；五是通过土壤种子库和重金属浓度梯度法从丰富的土壤种子库资源中筛选对重金属具有超富集作用的植物品种，并设计不同浓度梯度的重金属处理来检验其富集特性[13].但这些方法应用起来有些局限性，且筛选效率不高.还有一种方法就是土壤高浓度污染法，即人工配制高浓度的重金属污染土壤，再种上生长较一致的植物幼苗，观察幼苗生长情况，经过生长一段时间后测定植物体内重金属含量来判断筛选超富集植物[14].这种方法筛选效率较高，且可避免野外筛选的不确定性，还能就地取材，方便实施等优点.随着工业和城市的大发展，重金属(尤其是镉)污染是越来越不容忽视[15].作为美化城市环境的花灌木可作为城市环境重金属污染修复的优质材料应用，但目前有关花灌木的富集特性方面的研究不多，发现的超富集花灌木还很少.鉴于此，本研究拟采用土壤高浓度镉污染法[14]从多种花灌木中筛选出对镉具有耐性或抗性的超富集品种，以期为城市镉污染土壤修复提供新材料和新方法.

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试植物

千里香、长春花、大花芦莉和红花檵木幼苗购自漳州花博园，栽植于闽南师范大学植物园温室适应两周.供试植物基本情况见表1.

表1供试植物基本情况Tab.1 Basic information of the tested plants

1.1.2 镉污染土壤

1）采集无污染土壤，进行充分晾晒后，用20目筛子过筛，备用；

2）配制不同浓度镉污染土壤：选用硫酸镉粉末（分子量208.47）混于适量土壤中配制成4个不同镉浓度0（对照）、100、200和400 mg·kg-1的土壤，装入花盆，用蒸馏水浇透待用.

1.2 试验方法

1.2.1 植物种植

将温室适应好的，长势一致的千里香、长春花、大花芦莉和红花檵木幼苗移植到装有不同浓度镉土壤的塑料花盆中，每个浓度有4个重复，然后将花盆放到温室培养；同时测定每盆植物的株高并记录.

1.2.2 样品收集与处理

3个月后采收所有植物样品，测定采集样品的株高数据、鲜重和干重数据，根系用蒸馏水洗干净，用万深LA-S根系分析仪扫描根系生长情况，然后把样品进行烘干.烘箱初始温度设定105 ℃，杀青20 min，再将温度设置为80 ℃烘至样品完全干燥.

1.2.3 植物元素分析方法与步骤

1）本试验验所用塑料瓶、容量瓶、消解罐中内胆、漏斗等相关仪器均放置于10%HNO3的酸缸，浸泡过夜，再用超纯水洗净后烘干备用.

2）以HNO3∶H2SO4∶HClO4=3∶1∶1 的比例，配制足够的混酸溶液.称量0.2 g 的植物不同部位的粉末，放入消解罐内胆之中，加入调配好的10 ml 混酸溶液，盖上盖子放入消解罐中，然后将消解罐外盖拧紧，放入160 ℃烘箱中高温消解30 min，关掉烘箱，待冷却取出消解罐.

3）打开已经冷却的消解罐，将消解罐之中的内胆取出，将内胆之中的消解好的液体倒入50 ml的容量瓶中定容.

4）使用0.22µm 微孔滤膜过滤约5 ml 消解液，再用移液枪吸取1 ml 的滤液放入容量为25 ml 的塑料瓶之中，然后量取19 ml的超纯水，倒入25 ml塑料瓶中，使溶液再稀释20倍，塑料瓶贴好标签待测.

5）将稀释好的所有样品待测液使用原子吸收分光光度计测定其中的镉浓度.

1.2.4 转移系数

植物的富集特性与其转移系数相关，转移系数即植物体地上部分重金属元素含量与根部重金属元素含量之比，可说明植物把重金属从根系向地上部分的富集和转运的能力.计算公式如下：

重金属转移系数(FT)=地上部分重金属含量（mg·kg-1）/根系重金属含量（mg·kg-1）.

1.2.5 数据处理及分析

所有试验数据采用Excel 2010 整理，SPSS21.0 统计软件进行方差分析，采用Duncan 法进行差异显著性检验.

2 结果与分析

2.1 不同Cd浓度胁迫下四种花灌木生物量和株高变化

从表2 四种花灌木根茎叶干重和株高增长量数据可知，四种花灌木在3 个月左右的生长期内株高变化不大，除红花檵木各处理比对照有显著增加以外，其他三种均没有显著差异；低浓度对千里香根系有促进用，而在不同浓度处理下千里香的茎和叶干重均小0 mg·kg-1Cd浓度处理下的鲜重，表明不同浓度镉离子对千里香的茎叶生长都有一定抑制作用，且400 mg·kg-1高浓度镉对千里香生长有较强抑制作用，导致根茎叶干重均显著降低；长春花在200 mg·kg-1浓度下有促进作用，能显著增加根系和地上茎生物量的，而400 mg·kg-1浓度下植株生长受到抑制，叶片脱落较为严重，导致生物量减少；从大花芦莉的生长状况可知，大花芦莉在各镉浓度处理长势较好，存活率高；大花芦莉根系、地上茎和叶干重各处理与对照均没有显著性差异，叶干重各处理比对照稍有降低，说明大花芦莉对土壤镉有较强的耐受性或抗性.红花檵木茎叶和根系生物量各处理与对照没有显著性差异，较高浓度400 mg·kg-1浓度下植物生长良好，且地上部茎干重要比对照高，说明红花檵木对镉具有较强的耐受性；从四种花灌木的生物量和株高变化总结来看，红花檵木在镉污染土壤中生长状况最好，其次是大花芦莉；千里香和长春花受土壤不同镉浓度影响长势不一，低浓度镉对根系有促进作用，高浓度有一定的抑制作用；长春花地上部各镉浓度处理生长一般，特别是叶片较少.

表2 不同Cd处理浓度对4种花灌木的生物量和株高的影响Tab.2 Effect of Cd concentrations in soil on dry weight and plant height of 4 flower shrubs

2.2 不同Cd浓度胁迫下对四种花灌木根系性状的影响

根系性状数据（表3）可知，千里香对照根长、根表面积和根体积均大于各处理，根平均直径稍少，但各处理性状指标与对照没有显著性差异；长春花土壤镉能够显著提高根长、表面积和根体积，根直径各处理之间没有显著性差异；100 mg·kg-1Cd浓度处理下大花芦莉的根长、表面积、体积、平均直径最大，说明低浓度的镉离子有促进作用，400 mg·kg-1浓度下根系受到一定的抑制，根长最低，根系体积、表面积和平均直径各处理之间没有显著性差异.高浓度镉能促进红花檵木根系加粗生长，400 mg·kg-1浓度下各根系性状均比对照显著增加；从四种花灌木根系在不同镉浓度处理中的生长情况来看，红花檵木根生长状况最好，其次是长春花和大花芦莉.

表3 不同Cd浓度胁迫对四种花灌木的根系性状的影响Tab.3 The effects of different concentrations Cd stress on root characters of 4 flower shrubs

2.3 不同Cd浓度胁迫下四种花灌木体内重金属镉的含量和转移系数

按照Brooks[10]对超富集植物的定义，超富集植物的临界值是100 mg·kg-1，且转运系数(TF)要大于1.从表4四种花灌木体内各部分重金属含量和转移系数来看，千里香随着土壤镉浓度的增加，植物根茎叶中的含量随着增加，但只有400 mg·kg-1浓度下根系中的含量超过了镉超富集植物临界值（100 mg·kg-1），而且转移系数均没有超过1，说明千里香吸收的镉主要集中于根系，根系对镉具有一定的富集作用；长春花虽说在200 mg·kg-1和400 mg·kg-1浓度下的转移系数均大于1，说明茎叶中镉含量比根系要高，但是各部分吸收量不大，各部分浓度均未超过镉超富集植物临界值(100 mg·kg-1)，且叶片脱落严重，说明不同浓度镉对长春花地上部生长具有一定的抑制作用，不适合作为土壤镉污染修复的材料；大花芦莉各部分镉浓度随土壤中镉浓度的增加而增加，而且均超镉超富集植物临界值(100 mg·kg-1)，各镉浓度下的转移系数均超过1，说明大花芦莉对土壤中镉有较强的吸收作用，具有对镉的超富集能力，可以用来作为镉污染土壤的植物修复材料；红花檵木随着镉浓度增加植物体各部分镉含量随着增加，但是含量均未超过镉超富集植物临界值(100 mg·kg-1)，但是转移系数均超过0.9，400 mg·kg-1浓度还超过1，说明红花檵木对镉污染具有较强的耐受性或抗性，可以作为镉污染土壤的美化种植的优良品种.从四种花灌木根茎叶各部分镉含量及转移系数总结来看，四种花灌木对土壤镉的富集作用的大小顺序是：大花芦莉＞千里香＞红花檵木＞长春花；耐性或抗性顺序为大花芦莉＞红花檵木＞千里香＞长春花；大花芦莉和长春花各部位镉积累量大小顺序是：茎＞根系＞叶；千里香是根系＞叶＞茎；红花檵木各部分含量相差不大.

表4不同Cd浓度胁迫对4种花灌木体内重金属镉的含量及转移系数的影响Tab.4 The effects of different concentrations Cd stress on the content and translocation factor of 4 flower shrubs

3 结论与讨论

利用植物修复技术进行土壤重金属污染治理具有效率高、安全环保、成本低等优点，已经被认为是重金属污染土壤修复的最佳技术之一.然而绝大多数筛选出来的重金属超富集植物的生长量低，生长速度慢，且只能富集1 到2 种重金属，这极大的局限了植物修复技术的应用和发展[16].所以筛选到能大面积推广应用重金属超富集植物很难[17].有研究表明人工设置土壤高浓度镉污染法来筛选镉的超富集植物是一种高效的方法，在农田杂草的筛选中效率可达50%[14].而且研究发现园林植物不但有着较高的观赏价值，在环境净化和污染修复当中也发挥着重要生态功能[18]，同自然生长未经过人工驯化的植物相比，多种园林植物如花灌木已经适应城市的环境条件，在育种、栽培及病虫害防治等方面非常成熟，还可以产生木材或生物质能源，并且有可不进入食物链，仅用来作为观赏和美化环境等优点，因此，筛选具有超富集作用的园林植物应成为植物修复技术的新趋势[19].

本研究即采用土壤高浓度镉污染法来筛选花灌木中的镉的超富集品种，研究结果表明，所选4种花灌木在不同Cd浓度土壤中的生长及富集状况存在差异，大花芦莉对土壤重金属具有最好的耐性和超富集作用，适合作为镉污染土壤的修复植物；其次是千里香根茎叶对镉具有一定的富集作用，生长状况良好，可用于低浓度镉污染的土壤修复；红花檵木虽体内重金属镉富集较少，但能在高浓度镉处理下生长较好，说明红花檵木对镉具有很强的耐受性或抗性，适合选用为镉污染土壤的植被恢复品种，但不能作为修复品种；长春花对镉吸收量不大，而且生长不良，不适合种植在镉污染土壤.4种花灌木对土壤镉的富集作用的大小顺序是：大花芦莉＞千里香＞红花檵木＞长春花；耐性或抗性顺序为大花芦莉＞红花檵木＞千里香＞长春花.