外源柠檬酸对3种观赏植物吸收和转运镉的影响

郭 晖, 庄静静

外源柠檬酸对3种观赏植物吸收和转运镉的影响

郭 晖, 庄静静*

(新乡学院生命科学技术学院，新乡 453003)

为了探究柠檬酸与植物联合修复镉污染土壤的效果，采用盆栽试验，研究外源柠檬酸的添加对萱草（）、鸢尾（Maxim.）和美人蕉（L.）3种观赏植物修复镉污染土壤的影响。结果表明：（1）与CK和未添加柠檬酸处理组相比，柠檬酸添加显著降低了土壤的pH值。（2）柠檬酸的添加显著改善了萱草、鸢尾和美人蕉的生长状况，植物的株高、根长和生长量最大值均出现在添加柠檬酸中浓度镉污染（Tm）处理中，其单株生物量最高值分别为13.97 、23.92 和56.95 g。（3）在CK和未添加柠檬酸处理组中，萱草、鸢尾和美人蕉的地上部分镉含量低于地下部分，其差值变化范围分别为-5.09 ~ -41.06、-6.44 ~ -49.77和-15.35 ~ -53.80 mg·kg-1；而柠檬酸的添加促进了地下部分镉向地上部分的转移，使地上部分镉含量高于地下部分，其差值变化范围分别为9.98 ~ 42.50、9.51 ~ 44.93和16.10 ~ 47.59 mg·kg-1。（4）萱草、鸢尾和美人蕉3种观赏植物在添加柠檬酸处理组中的转运系数大于1，显著增加了植株地上部分的镉积累量，且美人蕉的地上部分和地下部分镉积累量明显高于萱草和鸢尾，其最高值分别为7 603.39和1 545.60 μg·株-1。综上所述，萱草、鸢尾和美人蕉3种观赏植物均可作为土壤镉污染修复植物使用，添加柠檬酸可有效提高3种观赏植物对镉污染土壤的修复效率。美人蕉由于植株高大和块状根茎的特性，使其表现出比萱草和鸢尾更强大的镉修复能力。

柠檬酸；观赏植物；镉胁迫；植物修复

土壤是农业发展的必要条件，是人类赖以生存的重要自然资源之一，同时也担负着为人类生存提供物质基础的重任[1]。随着工业化和农业现代化进程的加剧，污水灌溉和汽车尾气排放等一系列不合理的人类开发活动，使农业土壤受重金属的污染越来越严重[2]。镉（Cd）由于其迁移性较强、易被植物吸收并积累的特点[3]，使其成为农田土壤中毒性最强、污染最严重的重金属之一。

目前常见重金属土壤修复方法主要有两种：一是利用植物对重金属的富集作用将土壤中的重金属吸收、转移到植物的可收获部分；二是通过化学钝化的方法将重金属阻隔在植物体之外[3]。后者的这种技术方法适合小范围污染土壤的改良和修复[4]，而前者的修复方法主要通过植物的生命代谢活动来降低土壤中重金属的含量，具有修复效果稳定、对土壤环境扰动小、生态环保、后处理简单以及不会造成二次污染等优点[2]，适合广大农耕地的生态修复。有研究表明[5-7]，污染土壤中重金属生物有效性的高低会影响植物的修复效率，添加螯合剂可活化土壤中重金属活性从而提高植物的修复效率[4]。柠檬酸（citric acid，CA）作为一种较常见且容易生物降解的有机酸，具有普遍较好的淋洗效果[8]。相关研究也表明[9-11]，添加有机酸的可以不同程度地增加植物对镉的耐性。但也有研究报道[11-12]，向土壤中添加有机酸并不能促进植物对重金属的吸收。由此可见，植物吸收重金属的影响效果不仅与有机酸种类性质有关，也与植物种类及环境条件有关[13]。

我国植物资源丰富，观赏植物更以其千姿百态、色彩丰富和种类繁多而备受人们的关注[14]。近年来，有研究发现吊竹梅[6]、向日葵[7]、红蛋[13]、蓖麻[15]、紫花苜蓿[16]、美人蕉[17]及黄菖蒲[18]等观赏植物可用于重金属污染修复。植物生长能力强，对重金属有良好耐性，在修复土壤的同时还有美化环境和避免将污染带入食物链等特点，植物修复被认为是最具发展前景的重金属污染土壤修复技术[14]。

因此，为了探究柠檬酸与观赏植物联合修复镉污染土壤的效果，本研究选取萱草（）、鸢尾（Maxim.）和美人蕉（L.）为研究对象，通过柠檬酸的添加对植物生长及镉吸收富集的研究，分析探讨有机酸对3种观赏植物对土壤中镉的吸收和富集作用的影响，为揭示有机酸影响3种观赏植物吸收、转运和富集镉的机理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试植物选取长势基本一致的鸢尾、萱草和美人蕉，均采购于新乡市花卉市场。盆栽供试土壤采用新乡学院校区内的裸露空地，取回土壤后将其风干、过筛，用作盆栽用土[19]。柠檬酸（郑州富佳化工科技有限公司）和镉粉（上海江莱生物科技有限公司）均为优级纯。

1.2 试验方法

2019年6月，将供试土壤剔除杂物后自然风干，装至20 cm×21 cm（直径×高）的培养盆内，每盆装土3.5 L，厚度约20 cm。选择长势健壮和高度基本一致的幼苗移植盆内进行培养。每盆3株，每个处理种植3盆，重复3次，共63盆。盆与盆间距10 cm，完全随机排列，不定期更换盆与盆的位置以减弱边际效应的影响。移栽好的盆栽移至室外培养，两周后加镉处理。镉施加采用CdCl22.5H2O配成溶液后施人，浇自来水至田间持水量的60%左右，静置2 d。2 d后加入柠檬酸，柠檬酸（5 mmol·kg-1）以溶液形式一次性缓慢施入土壤。种植60 d后进行整株收获，将根系和地上部分开封装。

试验共设置7个处理，分别为未添加镉（CK）、未添加柠檬酸低浓度镉污染（1 mg·kg-1，Wz）、未添加柠檬酸中浓度镉污染（5 mg·kg-1，Wm）和未添加柠檬酸高浓度镉污染（10 mg·kg-1，Wg）、添加柠檬酸低浓度镉污染（1 mg·kg-1，Tz）、添加柠檬酸中浓度镉污染（5 mg·kg-1，Tm）和添加柠檬酸高浓度镉污染（10 mg·kg-1，Tg）。

1.3 测定指标

2019年8月，将植物整株取出，并用去离子水清洗干净，用直尺测量和计算植物的高度和根系的平均长度。随后将地上部、根系放入烘箱在120 ℃下干燥30 min，然后在75 ℃下烘干24 h，称重，计算其生物量。土壤pH值采用土水比为1∶2.5的pH电位法测定[20]。土壤中重金属全量测定采用美国国家环保局（US EPA）推荐的HNO3-H2O2消煮体系[9]。植物中重金属含量采用HNO3-HClO4（4+1）混合酸湿法进行消解[21]。采用TAS-990火焰型原子吸收光谱仪（北京普析通用仪器有限责任公司，中国）测定土壤和植物镉含量。

1.4 数据处理

转运系数（TF）=植物地上部重金属含量/植物地下部重金属含量

富集量（BCQ）=植物地上部（地下部）重金属含量×植物地上部（地下部）干质量

1.5 数据统计分析

本研究采用Excel 2013进行原始数据整理，使用SPSS Version 21软件对数据进行统计分析，对不同处理的各指标的差异性采用双因素方差分析，图形采用Origin 9.0进行绘制。

2 结果与分析

2.1 外源柠檬酸对土壤pH值的影响

从图1可以看出，外源柠檬酸的添加显著降低了土壤的pH值。与CK相比，镉胁迫下，土壤pH值都发生明显的下降，且表现为随着镉污染浓度的增加，土壤pH值先上升后下降的趋势。萱草、鸢尾和美人蕉3种观赏植物在有无镉胁迫下，其土壤pH值表现趋势相一致，均表现为萱草>鸢尾>美人蕉。与CK相比，萱草在Wz、Wm和Wg处理下的土壤pH值分别下降了0.48、0.37和0.43。鸢尾在Wz、Wm和Wg处理下的土壤pH值分别下降了0.45、0.34和0.46，而美人蕉在Wz、Wm和Wg处理下的土壤pH值分别下降了0.58、0.40和0.46。在Tz、Tm和Tg处理下，萱草的土壤pH值较CK分别下降了0.87、0.78和1.04，鸢尾的土壤pH值较CK分别下降了0.83、0.76和1.07，美人蕉的土壤pH值较CK则分别下降了0.90、0.83和1.04。通过对比在同一镉污染浓度下，添加柠檬酸和未添加柠檬酸处理组中土壤pH值的变化可知，萱草在添加柠檬酸处理组中的土壤pH值较未添加柠檬酸处理组分别下降了4.92%、5.08%和7.87%；鸢尾的土壤pH值较未添加柠檬酸处理组分别下降了4.82%、5.28%和7.98%；美人蕉的土壤pH值较未添加柠檬酸处理组分别下降了4.14%、5.51%和7.64%。由此可知，在镉胁迫下，柠檬酸的添加显著降低了土壤pH值，差异性分析也表明，3种观赏植物在不同处理下，土壤pH值之间差异性显著（<0.05）。

CK.对照组；Wz.未添加柠檬酸低浓度镉污染；Wm.未添加柠檬酸中浓度镉污染；Wg.未添加柠檬酸高浓度镉污染; Tz.添加柠檬酸低浓度镉污染；Tm.未添加柠檬酸中浓度镉污染；Tg.添加柠檬酸高浓度镉污染。图中数据为平均值±标准差值。不同小写字母表示差异达显著水平（P<0.05），下同。

Figure 1 The effect of exogenous citric acid on soil pH

2.2 外源柠檬酸对镉胁迫下3种观赏植物生长影响

从表1可以看出，与CK相比，在Wz和Wg处理下，萱草、鸢尾和美人蕉3种观赏植物的株长和根长均受到明显抑制（<0.05）。3种观赏植物在镉胁迫下，其株长、根长均随着镉污染浓度的增大呈现出先上升后下降的趋势。与CK相比，3种观赏植物（萱草、鸢尾和美人蕉）在Wm、Tm处理下，其株长较CK分别增加了5.15%、0.90%、5.62%和13.68%、23.46%、21.15%。在镉胁迫下，3种观赏植物的根长表现特征与株长相一致，除萱草（Wz、Wg和Tz、Tg）外，不同处理方式之间差异性显著（<0.05）。

生物量常用于表示植物在重金属污染胁迫下是否具有一定的耐受性。由表1可知，3种观赏植物植物在镉污染胁迫下，均可正常生长，表明它们对镉污染具有一定的耐受性。萱草、鸢尾和美人蕉地上部分生物量和地下部分生物量的变化趋势与株长和根长相一致，均表现在镉污染胁迫下，生物量随着镉污染浓度的增加呈现先上升后下降。在不同处理方式下，萱草、鸢尾和美人蕉地上部分生物量的变化范围分别为10.29～12.45 g、18.16～21.91 g和38.90～43.33 g。与CK相比，萱草、鸢尾和美人蕉均在Tm处理时，地上部生物量达最大，值分别为12.45 g、21.91 g和43.33 g，较Wm分别增加了5.66%、5.99%和4.87%。萱草和美人蕉的Wm处理组与CK的地下部分生物量相比分别增加了0.38 g和0.54 g，而Wz和Wg处理组与CK的地下部分生物量相比分别降低了0.03 、0.10 g和0.40 、0.86 g。与CK处理相比，在镉胁迫下，鸢尾Wz、Wm和Wg处理组的地下部分生物量较CK处理组增加了3.87%、5.30%和8.42%。分析3种观赏植物在不同处理下单株生物量可知，镉胁迫下，不同浓度镉污染处理对萱草、鸢尾和美人蕉的单株生物量有所影响，低浓度镉污染对植物的生长起促进作用，但高浓度镉污染对植物的生长起抑制作用。添加柠檬酸后（Tz、Tm、Tg），在不同浓度镉污染下，3种观赏植物的单株生物量要高于未添加柠檬酸处理（Wz、Wm、Wg）。由此可知，柠檬酸的添加显著增加了3种观赏植物的生物量，这主要是由于柠檬酸可活化土壤中的重金属，提高重金属的生物有效性[6]。

表1 外源柠檬酸对植物生长状况的影响

注：CK.对照组；Wz.未添加柠檬酸低浓度镉污染；Wm.未添加柠檬酸中浓度镉污染；Wg.未添加柠檬酸高浓度镉污染；Tz.添加柠檬酸低浓度镉污染；Tm.未添加柠檬酸中浓度镉污染；Tg.添加柠檬酸高浓度镉污染。表中数据为平均值±标准差值。同列不同小写字母表示差异达显著水平（<0.05），下同。

图2 外源柠檬酸对植物体内的镉含量的影响

Figure 2 The effect of exogenous citric acid on Cd content of plants

2.3 外源柠檬酸对3种观赏植物体内镉积累的影响

由图2可知，萱草、鸢尾和美人蕉3种观赏植物在镉胁迫下，其地上部分和地下部分镉含量均随着镉污染浓度的增加而增加，表现出明显的集聚性。在CK处理组中，3种观赏植物的地下部分镉含量>地上部分，且与其他处理组之间差异性显著（<0.05）。与CK相比，在镉胁迫下，柠檬酸的添加显著提高了3种观赏植物（萱草、鸢尾、美人蕉）植物地上部分的镉含量（<0.05）。在未添加柠檬酸的镉（Wz、Wm、Wg）处理组中，萱草的地下部分镉含量分别为40.46、81.63和107.98 mg·kg-1；鸢尾的地下部分镉含量分别为51.23、101.67和124.11 mg·kg-1；美人蕉的地下部分镉含量则分别为63.35、124.51和151.59 mg·kg-1。由此可见，3种观赏植物对镉具有较强的富集作用。与Wz、Wm、Wg处理组相比，添加柠檬酸处理组（Tz、Tm、Tg）地上部分对镉的吸收和累积增加，其中美人蕉的地上部分增加效果最显著，Tz、Tm、Tg处理组的地上部分镉含量分别达到109.47、126.85和184.61 mg·kg-1，增加了256.12%、79.39%和73.18%。

表2 外源柠檬酸对植物镉富集量与转运系数的影响

2.4 外源柠檬酸对镉在3种观赏植物体内迁移能力的影响

由表2可知，外源柠檬酸的添加能促进镉在3种观赏植物体内积累，其积累效应随着镉污染浓度的增加而增大。3种观赏植物植物（萱草、鸢尾、美人蕉）均在Tg处理中，地上部分镉积累量达到最大，其值分别为1 642.13 μg·株-1、3 314.89 μg·株-1和7 603.39 μg·株-1，分别为CK的27.25、27.55和22.97倍，且均显著高于其他处理（<0.05）。在CK处理组下，美人蕉由于其地下部分生物量较大，使其地下部分镉积累量明显高于萱草和鸢尾，是二者的32.37和23.05倍。就单株镉积累量而言，美人蕉在Tg处理组中值为8 966.17 μg·株-1，积累量最多，萱草在CK处理组中67.68 μg·株-1，积累量最少，两者相差132.48倍。从由此可见，美人蕉从镉污染土壤中提取的镉要比萱草多。

对比3种观赏植物在镉胁迫下单株镉积累量可知，萱草、鸢尾和美人蕉的单株镉积累量随着镉污染浓度的增加而增加，尤其是在Tz、Tm、Tg处理组下。添加柠檬酸处理组（Tz、Tm、Tg）的3种观赏植物（萱草、鸢尾和美人蕉）的单株积累量的变化范围分别为980.70～1 718.75 μg·株-1、2 074.93～3 445.58 μg·株-1和5 499.79～8 966.17 μg·株-1。其中，美人蕉Tg处理组的单株镉积累量是Wg处理组的1.61倍。在不同处理下，3种观赏植物的镉转运系数均表现为CK组和未添加柠檬酸（Wz、Wm、Wg）处理组的转运系数小于1，而添加柠檬酸（Tz、Tm、Tg）处理组的转运系数均大于1。这表明，柠檬酸的添加促进了镉在植物体内的运移，增加了地上部分对镉的富集，这与前面关于柠檬酸对植物体内的镉含量影响的研究结果相一致。

3 讨论与结论

3.1 柠檬酸对镉胁迫下3种观赏植物生长状况影响

一般来说，土壤pH值对土壤中重金属的形态有很大的影响作用，甚至可以看作是控制金属离子溶解性和络合能力的催化剂[20]。有研究表明[22]，柠檬酸可有效抑制阴极液体的碱化，并使土壤维持在酸性范围之内。在本研究中，外源柠檬酸的添加虽然显著降低了土壤的pH值，但仍呈碱性范围内，这可能与本地土壤偏碱性化有关[23]。生物量可作为评价植物对重金属忍耐性的重要指标之一[24]。在本研究中，3种观赏植物均可在镉胁迫下正常生长，表明3种观赏植物对镉污染具有一定的适应性。3种观赏植物的株高、根长和生物量均随着镉污染浓度的增加而呈现先上升后下降的趋势，其中添加柠檬酸处理组的增加效应更加显著，这表明柠檬酸的添加调节了土壤pH，提高重金属的生物有效性，促进了植物的生长。孙和和等[17]研究发现，在铬胁迫下，外源柠檬酸可使美人蕉的生物量增加和根系增粗，并增加了美人蕉对铬的吸收。刘宛茹等[13]的研究表明，外源柠檬酸的加入可以不同程度地增加了红蛋对镉的耐性，如植物生物量增加和根部镉含量的提高。陈苏等[25]在土霉素、镉复合污染土壤的植物-微生物强化修复效果的研究中指出，柠檬酸的添加可显著提高孔雀草的根部生物量（<0.05），这些研究结果均与本研究相一致。陈立等对3种螯合剂对芥菜[5]、吊竹梅[6]修复铀镉复合污染土壤影响的研究中指出，低浓度的柠檬酸显著促进了芥菜和吊竹梅的生长，而在高浓度（7.5 mmol·kg-1）处理下，则对芥菜和吊竹梅生长产生抑制作用。这是因为在一定重金属污染条件下，低浓度的小分子有机酸（如柠檬酸）可以缓解重金属对植物的毒害作用，而浓度过高的有机酸，则有可能对植物生理生长产生双重毒害作用。但杨树深等[12]在土壤添加剂对蜈蚣草吸收转运铅、镉影响的研究中也指出，柠檬酸在潮土和潮褐土中对蜈蚣草吸收富集铅、镉无促进作用，这可能是由于不同的植物生理和生活习性，使其对有机酸的耐受性不同[17]。

3.2 柠檬酸对3种观赏植物镉累积特性和迁移能力的影响

植物体内重金属浓度的高低可反映植物对重金属的吸收富集能力，其是评价植物修复重金属污染效率的重要指标[19]。在本研究中，3种观赏植物在CK和未添加柠檬酸处理组中，其地上部分和地下部分的铅富集含量表现为地下部分>地上部分。这是由于根系是重金属进入植物的重要通道，为了避免植物地上部分尤其是叶片遭受重金属的毒害作用，使根系的重金属含量大于地上部分[26]。与CK和未添加柠檬酸处理组相比，柠檬酸的添加显著提高了3种观赏植物的地上部分镉含量（<0.05），且转运系数也>1，这是由于柠檬酸作为一种低分子量有机酸，土壤添加柠檬酸后，其对土壤中重金属的有效性有所增强，并降低了重金属的毒害作用。刘宛茹等[13]对外源有机酸对红蛋植物吸收和转运镉影响的研究中指出，土壤添加柠檬酸后不仅植物镉的富集效果更加显著，还能提高植物对镉的耐性。薛博晗等[21]研究中指出，柠檬酸处理对改善植物生长状况的效果最好，且可以减少根部吸收镉，促使镉从根部向茎叶部分转移。樊扬帆等[27]对外源螯合剂柠檬酸和氮三乙酸对苎麻修复铅镉复合污染土壤影响的研究中也指出，柠檬酸在促进苎麻生长、增强了苎麻对镉的吸收和转移方面效果显著。本研究结果表明，外源柠檬酸的添加促进了3种观赏植物体内重金属镉从地下部分向地上部分转移，表现出对镉污染修复的潜在能力。柠檬酸促进植物对重金属吸收和转移的主要原因，一是柠檬酸酸化了植物根际，降低了土壤pH值，增加了重金属离子的移动性，提高了植物根部对重金属的集聚向地上部分的转移[27]；二是柠檬酸中的阴离子可与重金属发生络合反应，有效促进金属离子释放，同时减少土壤有机质、黏粒和氧化物附着重金属离子，使重金属在土壤中的移动性增强[25]。

本研究中，3种观赏植物萱草、鸢尾和美人蕉在土壤镉污染胁迫下长势良好，具有较高的生物量积累，可见这3种观赏植物对重金属镉耐性较强，具有修复土壤镉污染的潜力。外源柠檬酸的添加显著增加了植株的株长、根长和生物量（<0.05）。

3种观赏植物的地上部分和地下部分镉含量均随土壤镉胁迫浓度的增加而逐渐上升，而柠檬酸的添加显著增加了3种观赏植物的地上部分、地下部分和单株镉积累量，其中，美人蕉在Wg和Tg处理组的单株镉积累量高达5 569.51 μg·株-1和8 966.17 μg·株-1，表现出对镉污染的强大修复能力。在CK和未添加柠檬酸处理组中，地下部分镉含量高于地上部分。外源柠檬酸促进了土壤镉从地下部分向地上部分的转移，使地上部分镉含量高于地下部分。

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Effect of citric acid amendment on cadmium uptake and translocation by three ornamental plants

GUO Hui, ZHUANG Jingjing

(College of Life Science and Technology, Xinxiang University, Xinxiang 453003)

In order to explore the effect of citric acid and plants on remediation of cadmium contaminated soil. In the study, we usedandas the experimental materials to the pot experiment. To study the effects of exogenous citric acid on the remediation of cadmium contaminated soil by three ornamental plants. Three species were treated with various concentrations of cadmium pollution. Control group (CK); not added citric acid group (Wz: 1 mg·kg-1, Wm: 5 mg·kg-1, Wg: 10 mg·kg-1); added citric acid group (Tz: 1 mg·kg-1, Tm: 5 mg·kg-1, Tg: 10 mg·kg-1). The results showed that: (1) Compared with CK and the treatment group without citric acid, the addition of citric acid significantly reduced the pH value of the soil. (2) The addition of citric acid significantly improved the growth of three ornamental plants (,and). The maximum plant length, root length and growth amount of plants all appeared in the cadmium pollution (Tm) treatment with citric acid, and the maximum biomass per plant was 13.97 g, 23.92 g and 56.95 g, respectively. (3) In CK and citric acid free treatment groups, the cadmium content in the overground part of the three ornamental plants was lower than that in the underground part.The different ranges were -5.09 - -41.06, -6.44--49.77 and-15.35--53.80 mg kg-1, respectively. However, the addition of citric acid promoted the transfer of cadmium from the underground part to the overground part, making the cadmium content in the overground part higher than that in the underground part. The difference ranges are 9.98-42.50, 9.51- 44.93 and 16.10-47.59 mg kg-1, respectively. (4) The transport coefficient of the three ornamental plants in the citric acid treatment group was greater than 1, which significantly increased the cadmium accumulation in the overground part of the plants. Moreover, the cadmium accumulation in the overground and underground parts ofwas significantly higher than that ofand, with the highest values of 7 603.39 and 1 545.60 μg·plant-1, respectively. In summary, all three ornamental plants can be used as remediation plants for cadmium contaminated soil, and citric acid can effectively improve the remediation efficiency of the three ornamental plants for cadmium contaminated soil.has stronger cadmium remediation ability thananddue to its tall and massive rhizome.

citric acid; ornamental plants; cadmium stress; phytoremediation

X173

A

1672-352X (2021)01-0121-07

10.13610/j.cnki.1672-352x.20210319.024

2021-3-23 12:26:25

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.S.20210319.1548.048.html

2020-02-28

河南省高等学校青年骨干教师培养计划（2019GGJS251）和河南省科技攻关项目（212102110058）共同资助。

郭 晖，副教授。E-mail：290711657@qq.com

庄静静，博士，讲师。E-mail：zhuangjingnd@126.com