翅碱蓬对镉的耐性及吸收特性的研究

黄欣, 何洁, *, 赵肖依, 万婷, 魏海峰, 刘远

翅碱蓬对镉的耐性及吸收特性的研究

黄欣1, 2, 何洁1, 2, *, 赵肖依1, 2, 万婷1, 2, 魏海峰1, 2, 刘远1, 2

1. 大连海洋大学 海洋科技与环境学院, 近岸海洋环境科学与技术辽宁省高校重点实验室, 大连 116023 2. 辽宁省海洋生物资源恢复与生境修复重点实验室, 大连 116023

重金属Cd具有高毒性, 对生物体危害较大。盘锦红海滩优势物种翅碱蓬能够吸收一定量的重金属, 因此可用于湿地滩涂污染的原位修复。通过水培的方法, 以翅碱蓬为研究对象, 测定不同浓度Cd胁迫下翅碱蓬的根长、苗高、鲜重、叶绿素含量、及根、茎、叶内Cd的含量, 探讨Cd对于翅碱蓬生长发育的影响以及对Cd的吸收规律。结果表明: 低浓度Cd对翅碱蓬的根长和苗高起到促进作用, 而低浓度 Cd对翅碱蓬根长和苗高生长起到抑制; 无论低浓度还是高浓度, 对翅碱蓬鲜重均具有一定的抑制作用, 抑制强弱表现为20 μg·L-1浓度组>1 μg·L-1浓度组。不同Cd浓度下翅碱蓬叶绿素含量表现为“低促高抑”; 植物各个部位对于Cd的吸收为地下部分>地上部分。

Cd; 翅碱蓬; 湿地修复; 吸收

0 前言

近年来, Cd为污染我国土壤的最主要污染物之一[1], 因其具有毒性强, 积累性大和作用连续等特点, 成为众多重金属污染之首[2], 并被国际癌症研究机构列为强致癌物质之一[3]。1955年, 位于日本的富士山县神通川, 爆发了惊世骇俗的痛痛病, 此次事件便是由Cd所引起的, 造成极大影响[4]; 在中国, 一些城市的土壤受到严重的重金属污染[5]; 有报道称, 在140×104hm2的土地上, 废水灌溉的土壤中有64.8%被重金属污染, 占我国耕地总数的16%, 其中Cd的含量达到1.58 mg·kg-1[6–7]。因此镉污染及其防治需要我们投入高度的关注与重视。

Cd属于对人和植物有毒害作用的重金属, 为非必需元素, 过量的镉能够抑制植物的生长和光合作用, 干扰矿质代谢并诱发氧化胁迫, 影响植物的生长发育[8]。翅碱蓬为一年生草本耐盐植物, 是我国北方滩涂湿地的优势物种[9–10]。研究证实, 翅碱蓬、龙葵等湿地植物具有较强的重金属富集能力[11–13], 其根部可以吸收重金属, 然后运输并储存在植物体的根部及地上部分[14]。其体内有机酸、氨基酸、植物螯合钛的、金属硫蛋白等, 可以和镉离子发生螯合作用, 降低原生质体中游离态重金属浓度[15]。周慧芳[16]等人通过盆栽实验发现伴矿景天可吸收土壤中的Cd, 并使土壤酶活性增强。因此植物常被用于修复重金属污染。

本文主要以翅碱蓬为研究对象, 采用水培的实验方法, 通过测定翅碱蓬各项生长指标以及其体内Cd的含量, 来探究翅碱蓬对于重金属Cd的耐受性及在植物体内吸收转移规律, 为其用于湿地的修复提供依据。

1 材料和方法

1.1 材料

翅碱蓬种植: 取当年生采自于盘锦的翅碱蓬种子于实验花盆(直径为13.5 cm, 高为12 cm)中, 将花盆置于通风处, 每天用稀释后的海水(海水: 自来水=1:3)浇灌一次, 保持土壤持水率大概为70%。于50 d后选取生长时间一致, 苗高相近的翅碱蓬进行水培实验。

营养液[17]: 改良的Hoagland(霍格兰氏)营养液。

1.2 方法

1.2.1 实验方法

水培方法参照田静[18]的方法, 根据海洋监测规范(GB17378.4-2007), 以CdCl2溶液的形式向改良的Hoagland's营养液中加入Cd, 使营养液中的Cd的浓度分别为0(对照组)、0.1 μg·L-1和20 μg·L-1, 。将选好的翅碱蓬苗的根部用清水洗净, 然后用去离子水冲洗3次, 再用吸水纸吸干, 放入盛有培养液的烧杯中不添加Cd的, 将烧杯置于光照培养箱中, 培养条件设定为光照周期12 h, 白天25 ℃, 晚上20 ℃, 相对湿度75%, 光照强度6000 Lx。分别于7 d、14 d和21 d收集样品。上述实验每组平行3次。

1.2.2 测定方法

苗高和根长: 每个烧杯取20棵植株, 用精密至0.1 mm的刻度尺测量, 取均值。

鲜重: 每个烧杯取20棵植株, 用分析天平测量苗的质量, 取均值;

叶绿素含量[19]: 采用分光光度计法(GB/T 22182—2008)。

Cd的含量[20]: 以干灰化法消化, 采用火焰原子吸收分光光度(AAS)法。

1.2.3 数据处理

采用Office2011和Origin9.1作图，SPSS 20.0 进行数据分析，采用单因素方差分析评估组间差异的显著性；本研究中的数据均为三次独立实验的平均值。

翅碱蓬对Cd的转移系数P=M地上/M地下

M地上为翅碱篷地上部分的Cd含量, M地下为翅碱篷地下部分的Cd含量

2 结果与分析

2.1 Cd胁迫下翅碱蓬生长情况

表1为翅碱蓬在Cd的胁迫下根长、苗高、叶绿素含量和植物鲜重变化情况。表1可见各Cd浓度处理组的翅碱蓬根长、苗高随实验时间的延长而增加。三个浓度下，水培至21 d，翅碱蓬根长、苗高均达到最大值，并且1 μg·L-1浓度组和20 μg·L-1浓度组与CK(对照组)存在显著性差异(p<0.05)，根长与苗高表现为1 μg·L-1浓度组>20 μg·L-1浓度组。总体上看，实验时间内, 各实验组苗高的增加主要是由于根的发育造成，茎的生长有限，说明翅碱蓬水培条件下优先发育根。除14 d外，翅碱蓬鲜重随着Cd浓度的增加呈下降趋势，各浓度组鲜重在0 d时无显著性差异(P> 0.05)，随着实验时间的延长而增加，在21 d时达到最大值，表现为1 μg·L-1浓度组>20 μg·L-1浓度组，并且存在显著性差异(p<0.05)。

翅碱蓬叶绿素含量在0 d不同浓度组无显著性差异(P> 0.05)，随着时间的延长而增加，至21 d达到最大值。在实验时间内, 叶绿素含量与Cd浓度关系表现为“低促高抑”, 即叶绿素含量从高到低分别为1 μg·L-1浓度组、CK(对照组)、20 μg·L-1浓度组。

表1 Cd胁迫对翅碱蓬生长指标的影响

相同大写字母表示相同天数的数值无显著差异(P>0.05), 不同大写字母表示相同天数的数值存在显著差异(P< 0.05); 相同小写字母表示在同一浓度的数值无显著差异(P> 0.05), 不同小写字母表示在同一浓度的数值存在显著差异(P< 0.05)。

综上所述, 说明低浓度的Cd对翅碱蓬的生长具有一定的促进作用, 但高浓度的Cd会抑制翅碱蓬的生长。

2.2 翅碱蓬对Cd的吸收

2.2.1 翅碱蓬不同部位Cd的含量

图1(a)为翅碱蓬在不同Cd浓度胁迫下, 不同实验天数其根内Cd的含量。由图可以看出, CK(对照组)在实验时间内的Cd含量值均无显著性差异(p> 0.05), 两个处理组翅碱蓬根内Cd含量随着时间的延长而增加, 其中在14 d和21 d, 两个处理组存在显著性差异(p<0.05), 在实验时间内, 根内Cd含量表现为20 μg·L-1浓度组>1 μg·L-1浓度组>CK(对照组)。

图1(b)为翅碱蓬在不同Cd浓度胁迫下, 不同实验天数其茎内Cd的含量。由图可以看出, CK(对照组)在实验时间内的Cd含量值均无显著性差异(p>0.05), 两个处理组翅碱蓬茎中Cd含量在实验时间内均随时间的延长而增加。1 μg·L-1浓度组0 d 与21 d存在显著性差异(p<0.05), 而20 μg·L-1浓度组茎中Cd含量变化不大, 并在21 d时, 与1 μg·L-1浓度组表现出显著性差异(p<0.05), 含量略小于1 μg·L-1浓度组, 在实验时间内, 根内Cd含量表现为20 μg·L-1浓度组>1 μg·L-1浓度组>CK(对照组)。

图1(c)为翅碱蓬在不同Cd浓度胁迫下, 不同实验天数其叶内Cd的含量。由图可以看出, CK(对照组)在实验时间内的Cd含量值均无显著性差异(p>0.05), 两个处理组翅碱蓬茎中Cd含量在实验时间内均随时间的延长而增加, 在7 d和14 d, 两个处理组存在显著性差异(p<0.05), 在实验时间内, 叶内Cd含量, 均表现为1 μg·L-1浓度组>20 μg·L-1浓度组>CK(对照组)。

Figure 1 Content of Cd in, a: the roots; b: the stem; c: the leaves

从总体上来看, 翅碱蓬体内Cd含量分布表现为根>叶>茎, 茎和叶内的含量远远小于根部。根内Cd含量最大值为0.684 μg·kg-1, 茎内Cd含量最大值为0.001 μg·kg-1, 叶内Cd含量最大值为0.007 μg·kg-1, 茎和叶内的含量差别不大, 即地上部分Cd含量较少。除翅碱蓬叶外, 根内和茎内Cd含量均为20 μg·L-1浓度组>1 μg·L-1浓度组>CK(对照组)。

2.2.2 翅碱蓬对Cd的转移系数

表2为翅碱蓬在不同Cd浓度下随着时间的变化对Cd的转移系数。从表中我们可以看出, 1 μg·L-1浓度组的转移系数高于20 μg·L-1浓度组。1 μg·L-浓度组在实验天数内均无显著性差异(p>0.05), 转移系数基本相同, 20 μg·L-1浓度组在三个时间点的转移系数存在显著性差异(p<0.05), 并且随着时间的延长表现为先减小后增大的趋势。

2.2.3 翅碱蓬对Cd的吸收动力学

图4为翅碱蓬吸收Cd的时间动力学曲线, 由图可以看出, 翅碱蓬对于Cd的吸收随着时间的增加而增加, 并且高浓度下的吸收速率要大于低浓度下的吸收速率, 即Vmax(20μg·L-1)>Vmax(1μg·L-1), 在Cd浓度分别为1 μg·L-1和20 μg·L-1下, 翅碱蓬吸收Cd总量随时间变化的拟合方程如表3所示, 由此可知, 翅碱蓬对于Cd的吸收随时间变化情况符合一级动力学方程, 在Cd浓度为1 μg·L-10时, 翅碱蓬对其最大吸收速率为0.4402 (μg·kg-1)(FW·d-1), 在Cd浓度为20 μg·L-1下, 翅碱蓬对其最大吸收速率为0.4633(μg·kg-1)(FW·d-1)。

相同小写字母表示在同一浓度的数值无显著差异(P> 0.05), 不同小写字母表示在同一浓度的数值存在显著差异(P< 0.05)

图2 翅碱蓬吸收Cd的时间动力学

Figure 2 Time dynamics of absorption of Cd by

3 讨论

Cd是环境中一种常见的重金属, 具有很高的毒性及迁移性, 容易被植物所吸收, 并且在植物体内累积, 影响植物的生长发育[21–22]。但是也有研究[23]证实, 低浓度的Cd对植物的生长具有促进作用, 不同植物的承受能力也具有一定的差异性。水培条件下, 在低浓度Cd(0.3 mg·kg-1)下对吉祥草地上生物部分、株高及叶长等有促进作用[24]。本实验中, 低浓度的Cd对翅碱蓬的根长和苗高有促进作用, 可能是由于低浓度的Cd胁迫下, 发生了应激反应, 翅碱蓬体内的抗氧化酶活性增强, 在一定范围内反而有利于植物生长。有研究表明, 当镉含量升高时, 植物体内过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)的活性先升高后降低[25], 可解释上述猜测; 也有可能是低剂量的重金属使植物产生了保护反应性, 从而促进其生长[26]。在本实验中, 不同Cd浓度下, 翅碱蓬叶绿素含量表现为“低促高抑”, 低浓度的Cd对于叶绿素合成酶具有一定的刺激作用, 加快了叶绿素的合成, 高浓度的Cd会破坏植物体内的防御系统, 引起叶绿素体内氧自由基增多, 叶绿体膜系统受损, 从而导致叶绿素降解[27]。张佳佳[28]等通过大田试验发现Cd对三七的抑制作用不是简单的毒害作用, 而是在低浓度(2 mg·kg-1)促进三七生长, 高浓度下抑制三七生物量的积累及叶绿素的合成。张嘉桐[29]等人通过土培实验发现在Cd单一胁迫下, 桑树叶绿素含量在Cd浓度小于1 mg/kg时显著增加, 大于1 mg·kg-1时显著降低, 均与本实验的结果一致。无论低浓度还是高浓度的Cd对于翅碱蓬的鲜重均具有一定的抑制作用, 但低浓度Cd抑制作用不明显, 随着浓度增加, 抑制作用增强, 可能大量Cd进入植物体内, 导致体内营养元素不平衡, 造成代谢失调, 从而使翅碱蓬鲜重降低。邹淑华[30]等人的研究表明, 随着Cd浓度的增加, NEH东南景天的生长受到抑制, 随着浓度的增加, 抑制作用增强。

表3 翅碱蓬吸收Cd的时间动力学方程

朱鸣鹤[14]的研究表明, 翅碱蓬对常见重金属具有累积作用, 其体内重金属的含量均高于潮滩背景值。本实验数据显示, 翅碱蓬根部吸收的Cd含量要远高于茎和叶内的Cd含量, 分别为根>叶>茎, 即地下部分>地上部分, 与张标金[31]、付婧怡[32]、霍文敏[33]的研究一致, 导致这种现象的原因可能是与重金属本身的生物有效性和植物本身所特有的生理机制有关, 重金属Cd从植物根部运往茎内是通过以蒸腾作用为动力的质部装载来完成的, 并且运输的量也较少[34]。可以判断出, 翅碱蓬主要靠根部来吸收Cd, 可能与翅碱蓬对于非必须元素的抗性有关, 并且与其吸收Cu、Pb的规律一致[35]。向明文[36]通过盆栽实验证明植物的根部是铀和镉的主要富集器官; 唐莹莹[37]通过漂浮盆栽的方法来研究吊兰对铅污染的耐性和吸收特性时发现, 吊兰根部对于铅的积累能力较强, 上述结论均与本实验结论一致。根系、茎和叶中的Cd含量随着实验的进行而显著增加, 21 d茎和叶内Cd含量1 μg·L-1浓度组>20 μg·L-1浓度组, 可能是由于Cd的毒性随着翅碱蓬体内含量的增加而增强, 对植物体内器官和身体机能造成损伤, 从而抑制了翅碱蓬向地上转运的能力[35], 并且本实验数据还显示, 翅碱蓬在低浓度Cd培养液中的转移系数大于高浓度, 即向地上部分转移的少, 也能证明上述猜测。也说明翅碱蓬对于Cd有一定的适应性, 由此可见, 增加培养液中重金属的浓度是否影响植物对其吸收, 与植物的种类、培养液环境及重金属的种类密切相关。

本实验中, 翅碱蓬根部对于Cd的转移系数表现为1 μg·L-1浓度组>20 μg·L-1浓度组, 并且两个浓度下翅碱蓬对于Cd的转移系数均较小, 大部分集中在根部, 地上部的浓度较小, 说明翅碱蓬根部对于Cd在其体内的分布具有调控作用。王欣[38]等人表示, 随着Cd浓度的升高, 苎麻对Cd的转移系数减小, 其结论与本实验结果一致。翅碱蓬对于Cd的吸收随时间变化情况符合一级动力学方程, 翅碱蓬体内Cd含量随着时间的增加而增加。赵明[39]等人研究表明, 烟草根系对于Cd的吸收总量随着处理时间的增加而增加; 李防峻[40]等人通过水培实验证明水稻对于Cd含量的吸收随着时间的延长而增加。

4 结论

1. 翅碱蓬较适用于受低浓度Cd的污染土壤的植物修复。翅碱蓬对Cd具有一定的耐性, 低浓度的Cd对于翅碱蓬的根长、苗高和叶绿素均起到促进作用。

2. 翅碱蓬对于Cd的吸收主要集中在根部, 叶和茎的累积作用较弱, 分布规律由多到少分别为: 根、叶、茎。

3. 翅碱蓬根部吸收Cd的转移系数为1 μg·L-1浓度组>20 μg·L-1浓度组。并且其吸收Cd的含量随时间的变化情况符合一级动力学方程, 吸收速率分别为0.4402 (μg·kg-1)(FW·d-1), 0.4633 (μg·kg-1)(FW·d-1)。

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Study on the absorption and tolerance of Cd to

HUANG Xin1, 2, HE Jie1, 2, *, ZHAO Xiaoyi1, 2, WAN Ting1, 2, WEI Haifeng1, 2, LIU Yuan1, 2

1. Key Laboratory of Nearshore Marine Environmental Science and Technology in Liaoning Province, School of Marine Technology and Environment, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China 2. Key Laboratory of Marine Bio-resources Restoration and Habitat Reparation in Liaoning Province, Dalian 116023, China

The heavy metal Cd is highly toxic and harmful to organisms. Dominant species of Panjin Red Beach,, can absorb a certain amount of heavy metals, so it can be used for in-situ restoration of wetland beach pollution. In this paper,was used as the research object, and the root length, seedling height, fresh weight, chlorophyll content, and Cd content in roots, stems, and leaves under different concentrations of Cd stress were measured by hydroponics.To explore the growth and development of Cd on Suaeda salsa and the absorption of Cd by.The results showed that low concentration of Cd promoted the root length and seedling height of, and low concentration of Cd inhibited the root length and seedling height of.Regardless of the low or high concentration, it has a certain inhibitory effect on the fresh weight of, and the inhibition strength is shown in the concentration group of 20 μg·L-1> 1μg·L-1.Under different Cd concentrations, the chlorophyll content ofshows "low promotion and high suppression"; the absorption of Cd by each part of the plant is underground part> above part.

Cd;;Wetland restoration;absorb

黄欣, 何洁, 赵肖依, 等. 翅碱蓬对镉的耐性及吸收特性的研究[J]. 生态科学, 2021, 40(1): 37–42.

HUANG Xin, HE Jie, ZHAO Xiaoyi, et al. Study on the absorption and tolerance of Cd to[J]. Ecological Science, 2021, 40(1): 37–42.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.01.006

X55

A

1008-8873(2021)01-037-06

2019-09-29;

2019-12-10

辽河口翅碱蓬生境适宜性及其对主要污染物净化通量评估研究(2019YFC1407703)

黄欣(1996—), 女, 辽宁铁岭人, 硕士研究生, 主要从事海洋环境修复研究, E-mail:593161527@qq.com

何洁, 女, 博士, 教授, 主要从事海洋生态环境修复研究, E-mail:hejie@dlou.edu.cn