外源柠檬酸对3种观赏植物修复铅污染土壤的影响

2021-05-25庄静静

西南农业学报 2021年1期

郭晖，庄静静

(新乡学院生命科学技术学院，河南新乡 453003)

【研究意义】随着人口增长、工业化和城镇化进程中不合理的开发活动，土壤污染问题日趋严重，尤其是土壤重金属污染问题已成为引发全球关注的世界性问题[1]。在被重金属污染的农田土壤中，重金属可以通过植物吸收进入食物链，从而来危害人体和动物的生命安全[2]。因此，寻求一种经济、环保、高效的土壤重金属污染治理方法已成为解决农业环境领域的迫切需求[3]。铅(Pb)是土壤中主要的重金属污染元素之一，其微量也可对植物产生毒害作用，重金属被植物吸收后，将通过食物链进入人体，严重危害人体健康[4]。因此，治理Pb污染的土壤已成为目前亟需解决的重大课题。在大多数的土壤重金属修复技术中，植物修复技术因其具有一定的经济节约、环境友好的特点，而大众所广泛关注[5]。【前人研究进展】然而，植物对重金属利用效率低下和某些重金属离子向地上部分转移受限制是植物富集提取重金属的主要障碍[6]。外源螯合剂的添加可以直接通过酸化、沉淀、络合、氧化还原等方式改变重金属在土壤中的溶解性或者间接通过对土壤酶活性和微生物群落的作用来影响重金属的活性[7]，来促进植物对重金属的富集，因此，目前普遍应用于强化植物修复土壤污染。柠檬酸是较常见且能够与重金属发生螯合作用，在环境中也可降解，具有普遍较好的淋洗效果[6]，引起了人们的关注。有研究表明，螯合剂通过与土壤中重金属发生螯合作用形成金属螯合物，而将与土壤中固相结合的重金属溶解进入土壤溶液进而增加土壤溶液中重金属的浓度，利于植物吸收[8]。黎诗宏等[9]在螯合剂对镉污染修复的研究中指出，5 mmol·kg-1的柠檬酸有利于龙葵对Cd的吸收。杨瑞丽等[10]在柠檬酸对黑麦草吸收铀的研究中指出，柠檬酸含量为5 mmol·kg-1时，其对黑麦草吸收铀的效果最佳。【本研究切入点】利用观赏性花卉植物进行铅污染土壤修复，不仅能降低土壤中铅含量，同时还能达到美化环境的目的[11-12]。因此，本研究选取萱草(Hemerocallisfulva)、鸢尾(IristectorumMaxim.)和美人蕉(CannaindicaL.)为研究对象。【拟解决的关键问题】研究在外源柠檬酸添加的情况下，3种观赏植物对铅污染土壤的修复作用，以期为今后进一步探讨植物对重金属耐性研究和铅富集植物的选择提供参考。

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。试验培养水取自新乡学院自来水，重金属添加以固体硝酸铅颗粒[Pb(NO3)2]的形式加入，硝酸铅颗粒为分析纯试剂[12]。

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50 cm×35 cm(直径×高)的培养盆内，每盆装土50 kg，厚度约10 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。试验共设置7个处理，分别为未添加Pb(NO3)2(CK)、未添加柠檬酸低浓度铅污染(100 mg·kg-1，Wz)、未添加柠檬酸中浓度铅污染(500 mg·kg-1，Wm)和未添加柠檬酸高浓度铅污染(1000 mg·kg-1，Wg)、添加柠檬酸低浓度铅污染(100 mg·kg-1，Tz)、添加柠檬酸中浓度铅污染(500 mg·kg-1，Tm)和添加柠檬酸高浓度铅污染(1000 mg·kg-1，Tg)。在重金属添加1周后，将柠檬酸(5 mmol·kg-1)以溶液形式一次性缓慢施入土壤。在植株生长期内观察柠檬酸加入后3种植物的生长情况。2019年7月开始试验，于2019年8月结束试验，试验历经60 d。

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值用精准pH仪测定。土壤中的铅含量采用四酸(盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸)消解样品，植物中的铅含量采用硝酸-高氯酸(4∶1)混合酸消解样品。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)对土壤和植物样品进行测定。

1.4 数据处理

植物转运系数(Translocation factor，TF)=植物地上部重金属含量/根部该元素含量[8]

植物富集系数(Bioconcentration factor，BCF)=植物地上部(或根)重金属含量/土壤中该元素含量[8]

1.5 数据统计分析

所有数据采用Excel 2013进行处理，使用SPSS 13.0统计分析软件进行方差分析，各组间两两比较采用LSD法，图形采用Origin 8.0进行绘制。

2 结果与分析

2.1 外源柠檬酸添加对土壤pH值的影响

由图1可以看出，外源柠檬酸酸的添加对土壤pH值的影响作用并不一致，但总体表现为柠檬酸的添加降低了土壤的pH值。与对照组相比，添加柠檬酸酸的处理中，pH值最少降低了0.40，而未添加柠檬酸的处理则最高仅降低了0.84。通过对比3种观赏植物的土壤pH值可知，在低浓度铅污染中，3种植物的土壤pH值大小依次为鸢尾>萱草>美人蕉。添加柠檬酸处理的土壤pH值要低于未添加柠檬酸处理，其差值分别为0.03、0.03和0.05。在高浓度铅污染中，3种植物的土壤pH值变化趋势与低浓度铅污染相反，但其土壤pH值仍要低于未添加柠檬酸处理。显著性分析也表明，铅污染浓度对土壤pH值的影响作用较小，而主要受外源柠檬酸添加的影响作用。

CK.对照组; Wz.未添加柠檬酸低浓度铅污染; Wm.未添加柠檬酸中浓度铅污染;Wg.未添加柠檬酸高浓度铅污染; Tz.添加柠檬酸低浓度铅污染; Tm.未添加柠檬酸中浓度铅污染; Tg.添加柠檬酸高浓度铅污染。图中数据为平均值±标准差值。同列不同小写字母表示差异达显著水平(P<0.05)，下同图1 不同处理条件下土壤pH值的变化特征Fig.1 The characteristics of soil pH in different treatment conditions

2.2 外源柠檬酸添加对3种观赏植物生长状况及生物量的影响

从表1可知，萱草在不同浓度铅污染下，其植株的增长值随着铅污染浓度的增加而下降。但在有柠檬酸添加后，中浓度铅污染的萱草增长值要高于低浓度和高浓度铅污染。差异性分析也表明，柠檬酸的添加使中浓度铅污染的萱草增长值与对照和未添加柠檬酸之间差异性显著(P<0.05)。鸢尾由于自身的生长特性，使其植株的增长值要明显高于萱草。通过对比不同浓度铅污染下鸢尾的增长值可知(表1)，与对照组相比，有铅污染存在时，鸢尾的增长值要低于对照组，这说明铅污染对鸢尾的生长有一定的抑制作用。在相同浓度的铅污染处理下，柠檬酸的添加可减少铅污染对植物的损伤作用，使其增长值高于未添加柠檬酸。美人蕉对不同浓度铅污染处理下的影响结果与萱草和鸢尾不相同，由表1可知，与对照相比，在铅污染处理下美人蕉的植株增长值要高于对照。这可能与美人蕉的块状茎有关，使铅污染促进了植株的生长。差异性分析也表明，柠檬酸的添加使植株的增长值与对照组和未添加柠檬酸之间差异性显著(P<0.05)。通过对比外源柠檬酸添加对3种观赏植物根系生长的影响可知，外源柠檬酸的添加可使3种观赏植物的根长要高于相同浓度下未添加柠檬酸的处理。

表1 不同处理条件下植物的生长状况Table 1 The growth status of plants in different treatment conditions

生物量是表征植物生长情况的重要指标(表2)，与对照相比，萱草在铅污染处理下，其地上部分的生物量发生了增加，且在柠檬酸的添加后，其地上部分的生物量增长值分别为0.30、0.18和0.31。差异性分析表明，对照组萱草的地上部分生物量与未添加柠檬酸铅污染的低浓度和高浓度铅污染之间差异不显著(P>0.05)，而与添加柠檬酸的铅污染之间差异性显著(P<0.05)。鸢尾的地上部分生物量在中浓度铅污染处理下要高于对照、低浓度和高浓度，其差值分别为0.68、1.36和0.36。在添加柠檬酸后，其低浓度和高浓度铅污染的地上部分和地下部分生物量要高于中浓度铅污染，差异性分析也表明，柠檬酸的添加使地下部分生物量之间的差异性显著(P<0.05)。在未添加柠檬处理的美人蕉地上部分和地下部分生物量的变化特征与添加柠檬酸的相一致，均呈现在中浓度铅污染时，地上部分和地下部分的生物量高于低浓度和高浓度铅污染。通过对比3种观赏植物在不同处理下的根冠比可知(表2)，柠檬酸的添加使不同处理的萱草和美人蕉的根冠比之间差异明显，而鸢尾各处理间的差异不明显。

表2 不同处理条件下植物的生物量和根冠比Table 2 The biomass and root shoot ratio of plants in different treatment conditions

2.3 外源柠檬酸添加对3种观赏植物体内铅积累的影响

从图2可以看出，3种植物体内的总铅含量都表现出随着铅污染浓度的增加，植物地上部分和地下部分的铅含量不断增加。通过对比3种观赏植物的地上部分和地下部分铅含量可知，萱草地下部重金属含量均高于地上部，说明萱草吸收的重金属相当部分累积在根部。添加柠檬酸的鸢尾和美人蕉地上部重金属含量均高于地下部，而未添加柠檬酸的鸢尾和美人蕉则表现为地下部重金属含量均高于地上部，这说明柠檬酸的添加有利于植物对重金属的吸收。差异性分析表明，萱草和鸢尾在有外源柠檬酸添加时，在高浓度铅污染下，其与低浓度、中浓度铅污染差异性显著(P<0.05)。在低浓度和中浓度铅污染中，有无柠檬酸的添加其差异性不显著(P>0.05)。植物地上部吸收铅的量越大，对于重金属污染修复来说，也变得更有意义。柠檬酸的添加有利于鸢尾和美人蕉对重金属的吸收，而且与对照相比达到了显著性差异(P<0.05)。这更进一步说明，柠檬酸添加可以提高植物对铅的吸收，且吸收量的增加主要表现为植物地上部分对铅的积累，而这应该归咎于柠檬酸提高了植株对铅的转运能力[3]。

图2 不同处理条件下植物体内的铅含量Fig.2 Lead content of plants in different treatment conditions

2.4 外源柠檬酸添加对3种观赏植物铅转运的影响

续表3 Continued table 3

转运系数是指地上部某元素质量分数与根系某元素质量分数之比，用来评价植物将重金属从地下部向地上部运输和富集的能力[13]。由表3可知，与对照相比，铅污染处理下的萱草铅转运能力要高于对照，其值都大于1。差异性分析也表明，柠檬酸的添加使萱草的运转系数与未添加和对照组之间差异性显著(P<0.05)。在添加柠檬酸的处理下，鸢尾的转运系数较对照大，且差异性分析也表明添加柠檬酸处理与未添加和对照之间差异性显著(P<0.05)，说明柠檬酸能有效提高铅从根向茎叶中的转移。在进行植物修复评价时，富集系数常常被用于判断植物对重金属富集能力和富集程度的大小，一般来说，富集系数越大也就反映了植物对重金属的富集能力越大[14-15]。从表3中可以明显看出，相比与对照组，添加柠檬酸的鸢尾和美人蕉的土壤可以增加铅的富集系数，且其富集系数都大于1，达到了超积累植物的要求，而萱草土壤的铅富集效果还不够理想，地下部分的铅富集要高于地上部分，造成这种现象的主要原因是萱草根系生物量较小，铅富集量基数较大，而且也不易向上层转移。与未添加柠檬酸的土壤相比，添加柠檬酸处理的3种植物地上部分和地下部分铅富集系数和转运系数都较高，使重金属铅由根部向地上部分进行转移，从而增加地上部铅富集能力。差异性分析表明，3种植物在不同处理下，地下部分铅富集系数无显著性差异(P>0.05)，而地上部分铅富集系数则表现出差异性显著(P<0.05)。

表3 不同处理条件下植物的转运系数和富集系数Table 3 The translocation factor and bioconcentration factor of plants in different treatment conditions

3 讨论

3.1 土壤铅污染对3种观赏植物生长的影响

大多数研究表明，当土壤重金属含量低于影响植物生长临界值时，其不会对植物的生长造成影响，但当土壤重金属含量达到植物生长的临界值时，就会对植物生长造成严重影响。土壤重金属含量过高时，对植物产生影响的最明显表征是株高和根长的变化，而这些变化也终将会影响植物地上部生物量的变化[15-16]。本研究结果表明，在不同浓度铅污染处理下，植物的株高会随着铅污染浓度的增加，株高会呈现出先上升后下降的趋势，这表明，当土壤铅污染浓度适宜时(500 mg·kg-1)，有利于3种观赏植物的株高和根系的生长，使其高度要高于对照组。当土壤铅污染达到1000 mg·kg-1时，3种观赏植物受害严重，表现为植株变矮、根系变短。当外界环境生长变化时，植物可通过调整自身的生长来适应外界的变化[16]，在本研究中，3种观赏植物的地上部分和地下部分生物量随土壤铅浓度的增加呈现出与株高增长相一致的趋势，先上升后下降。500 mg·kg-1铅污染会增加植物根的生物量，1000 mg·kg-1铅污染则会降低植物根系的生物量。这也更加说明了中、低浓度铅污染对3种观赏植物地上部分的生长并无显著影响，并且会促进植物根系的生长，当土壤铅污染浓度大于1000 mg·kg-1时，铅对3种观赏植物的生长有显著的抑制作用。

3.2 3种观赏植物对铅的吸收累积特性

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[16-17]。在本研究中，3种观赏植物在不同浓度铅污染下，其地上部分和地下部分的铅富集含量表现出地下部分>地上部分。这是由于根系是重金属进行植物的重要通道，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[15,18]。3种观赏植物的地上部分和地下部分铅含量随处理浓度的增加呈现逐渐上升的趋势，这说明3种观赏植物对铅的吸收富集能力较强，但过高浓度的铅污染会仍极大降低根系的吸收能力，从而导致植株体内铅吸收含量较低浓度降低，这与张思悦[16]对黄葛树对土壤Pb、Cd污染的修复潜力研究中，由于根系分泌物或根表铁膜的作用，使植物根系减少对土壤铅的吸收，而降低铅污染对植物毒害机制相一致。在植物修复中，绝大部分植物都是通过降低重金属在土壤中的移动性，来降低重金属对环境的污染作用[14,16]。鸢尾和美人蕉对铅的转移系数均小于1，转移系数随铅浓度的增加而增加，最高时可达1.17，这表明这3种观赏植物植物对铅的吸收作用较强。本研究中，由于鸢尾和美人蕉对土壤铅的转移系数均小于1，它们都不能用作植物提取来修复土壤铅污染。因此，土壤重金属在植物根系的固定和积累量是评价鸢尾和美人蕉对铅修复效率的主要依据。

3.3 柠檬酸对土壤铅胁迫下3种观赏植物修复效率的影响

外源柠檬酸通过影响3种观赏植物对土壤铅的生理耐性与吸收累积特性对萱草、鸢尾和美人蕉的修复效率造成影响。通过不同浓度铅污染处理下，3种观赏植物的生长、根冠比与植株体内重金属含量分析可知，柠檬酸的添加能使3种浓度铅污染土壤中植物的株高、净生长量、根长、生物量增加、缓解铅对植株的毒害作用，使地上部分和地下部分铅积累量均达到最大值。与未添加柠檬酸处理组相比，柠檬酸的添加不仅降低了土壤的pH值，还使3种观赏植物的株高、根系和生物量要高于相同浓度下未添加柠檬酸的处理。地上部分和地下部分铅含量分析也表明，外源柠檬酸的添加使3种观赏植物的地上部分铅含量增加，地下部分铅含量降低，这是由于当土壤铅污染浓度较高时，柠檬酸会与土壤中的铅离子形成稳定的金属配合物，改变重金属在土壤中的移动性，并阻止金属离子在根部累积，与此同时柠檬酸还会与进入植物体的铅离子进行螯合，缓解毒害效应、增加生物量和铅在植物体内的流动性，促进铅从根系向地上部转移，从而使地上部分的铅积累量大于未添加柠檬酸处理[15-16,19]。这与3种观赏植物的铅运转研究结果相一致，本研究发现，添加柠檬酸处理时，3种观赏植物的转移系数要高于未添加柠檬酸处理，且值都大于1。