不同营养条件对少根紫萍生长及镉富集的响应

2021-11-24龚之涵王香莲谢荟翠章曈曈汤玉玲张艳云刘子龙陈子铭

人民珠江 2021年11期

龚之涵，王香莲，谢荟翠，章曈曈，汤玉玲，张艳云，刘子龙，胡良，闻洁，陈子铭

(1.南昌工程学院土木与建筑工程学院,江西南昌 330099；2 .广州大学土木工程学院,广东广州 510006；3 .南昌工程学院水利与生态工程学院,江西南昌 330099)

镉作为人体非必需且有毒的元素，具有“三致”作用，主要在自然界以化合物状态存在，一般含量很低，在正常的自然环境下，不会影响人体健康。镉是重要的工业和环境污染物，主要来源于锌、铜、铅矿的冶炼、电镀、蓄电池、合金、油漆和塑料等工业生产中。随着现代工业的大力发展，含镉废水流入水体，水体中的镉离子在生物体内富集，通过食物链进入人体引起慢性中毒。2011年,国家农业部对湖北、湖南、江西、四川4省重点污染区的88个县1 580 km2水稻田调查，重金属超标率高达67.8%，其中Cd污染最突出[1]。2014年全国土壤污染状况调查公报显示，中国耕地土壤点位污染物超标率为19.4%，其中Cd超标率位居榜首。环境保护部对中国30万hm2农田土壤中有害重金属的抽查结果发现,土壤重金属点位超标率达12.1%，其中Cd污染情况最为突出[2]。

浮萍科植物约有37个种、5个属(Spirodela紫萍属、Landoltia少根紫萍属、Lemna青萍属、Wolffiella小芜萍属和Wolffia无根萍属)[3]，生长在静止或缓慢流动的淡水中，广泛分布在世界各地。浮萍进行无性生殖，生长速度快，生物量能在短时间(2～7 d)内增长1倍，生长周期可达9～12个月，因此能快速去除污水中氮、磷等营养物质和其他污染物[4]。同时浮萍还具有经济、操作性强等优点，因为其来源广泛，原材料易于获得，将其用于污染水体的修复有着广大前景。针对浮萍的以上生物特性，本研究选用浮萍作为去除镉离子的试验生物。

目前在不同营养条件下对植物生长及生理变化开展了一些研究。张传召等[5]研究了不同营养液浓度对温室番茄生长发育的影响，发现温室环境下番茄培养的最佳营养液浓度为1∶150的霍格兰营养液。陆欢等[6]研究了不同营养条件对花脸香蘑菌丝生长的影响，并得出了优化后的营养配方。龚记熠等[7]研究了5种浓度 Hoagland 溶液处理对辣椒种子萌发、幼苗形态和矿物质元素含量的影响，发现1倍的Hoagland溶液不影响种子的萌发，能促进植物生长，有利于叶绿素的合成。可见，营养液条件对不同物种生长的影响不尽相同。而植物生物量的高低必然影响其对重金属的吸收富集效果。浮萍对镉的吸收受诸多因素影响，其生存环境中的营养条件是影响镉富集的重要因素之一。环境中不同的营养条件对于浮萍吸收镉离子起着复杂的作用。

针对Hoagland营养液与Steinberg营养液营养成分的差异，本试验以少根紫萍为材料，以最具代表性的重金属镉污染物为代表，研究了不同营养条件下对少根紫萍的生长和镉富集量的影响，为少根紫萍的培养以及运用少根紫萍吸收污染水体中的镉离子提供理论基础和实验依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

从南昌市某水体采集浮萍，根据《中国植物志》[8]《中国湿地高等植物图志》[9]和《江西水生高等植物》[10]，结合浮萍的形态特征，对采集的浮萍鉴定种为少根紫萍。

1.2 试验设计

1.2.1试验水平

Hoagland营养液1/1(未稀释)、1/5(稀释5倍)、1/10(稀释10倍)，Steinberg营养液1/1(未稀释)、1/5(稀释5倍)、1/10(稀释10倍)。镉处理浓度10 mg/L(高)、5 mg/L(中)、0.5 mg/L(低)镉溶液和0 mg/L镉对照组(CK)。

1.2.2少根紫萍生长试验

挑选生长良好、大小一致的初始植株体40株(每株3～4片叶)于装有100 mL以上各营养液的培养皿中，每个重复处理3次，放入培养箱中培养，培养条件为25°C，16 h 光照 (100 μmol·m-2·s-1)/8 h黑暗，营养液pH为5.5，记录初始鲜重、初始覆盖率。试验期间，每天记录总叶片数、覆盖率。培养周期5 d，试验结束，记录总叶片数、覆盖率。称量鲜重、干重。

1.2.3镉毒性实验

用以上6种营养液，分别配制10 mg/L(高)、5 mg/L(中)、0.5 mg/L (低)镉溶液，每个重复处理3次，并设不含镉离子的空白对照组(CK)，每个设3个平行样。25°C，16 h 光照 (100 μmol·m-2·s-1)/8 h黑暗光照培养箱中培养5 d，每天观察浮萍的生长、中毒状况，实验结束，记录叶状体数目，测量收获鲜重、干重、覆盖率和浮萍体内镉含量。

1.3 试验方法

1.3.1鲜重的测定

用漏勺将浮萍捞起，滤去自由水，并用去离子水清洗3次，待测浮萍平铺在滤纸上吸水1 min，立即用精度为0.000 1 g电子天平测定。

1.3.2干重的测定

将吸干水分的少根紫萍放入培养皿中，蒙上保鲜膜，扎小洞便于水蒸气逸出，放入80℃烘箱烘干24 h以上，取出后在干燥器中冷却至室温后立即称重。

1.3.3少根紫萍叶片表面积的测定

将浮萍无重叠地浮在水面，用根系分析仪(WinRHIZO Regent,Canada)测叶片的面积，精确度为0.01 cm2。

1.3.4相对增长率(RGR)

RGR=(ln实验结束时的叶片数-ln初始的叶片数)/培养时间

1.3.5生物富集因子(BCF)

BCF=(植物体内的重金属含量 (mg/kg)) / (培养溶液中的初始重金属浓度 (mg/L))

1.3.6重金属的测定

少根紫萍样采用微波消解法，准确称取样品0.1 g(精确到万分之一)于消煮管中，加入8 mL硝酸和2 mL 30%的过氧化氢试剂(试剂均为优级纯)，轻轻摇晃均匀后置于微波消解仪中进行消煮。每次消煮均做一个空白对照，以消除消煮时所带来的误差。消煮好的样品应为无色透明液体，用去离子水将消解管中的液体全部洗出定容，经0.45 μm无机滤膜过滤后ICP-OES(iCAP 7000，Thermo Scientific，美国)测定。

1.4 数据处理

实验数据均来源于实测数据，用SPSS 17.0进行数据处理。图和表中的值用3次平行样的平均值和标准差(SD)表示。富集量数据以干重计。用Origin 9.1作图。

2 结果与分析

2.1 不同营养条件下少根浮萍生长曲线

考虑到叶片的基数差异，以叶片相对增长率(RGR)为指标绘制少根紫萍生长曲线。从生长曲线(图1)可知，Hoagland营养液与Steinberg营养液均能显著促进少根紫萍的生长。同等稀释条件下，Hoagland营养液与Steinberg营养液在培养初期新鲜叶片增长率相似。从培养的第2天开始，Hoagland营养液新鲜叶片相对增长率超过Steinberg营养液。Hoagland营养液的生长曲线在培养后期趋于稳定，而Steinberg 还处于上升阶段，表明少根浮萍在Hoagland营养液中的增长速率高于Steinberg。总体来看，Hoagland下增长速率大小为 1/10 H>1/1 H>1/5 H，对应的相对增长率分别为0.66、0.63、0.59。Steinberg为1/5 S>1/1 S>1/10 S。对应的相对增长率分别为0.49、0.29、0.17。

图1 不同营养条件下少根紫萍生长曲线

2.2 不同营养条件下少根紫萍的生物量

试验结束时(培养第五天)，少根紫萍的鲜重和覆盖率指标见表1。由表1可知，在Hoagland营养液中，覆盖率大小为1/10 H>1/5 H>1/1 H ，鲜重大小为1/10 H>1/1 H>1/5 H；在Steinberg营养液中，覆盖率大小为1/10 S>1/5 S>1/1 S ，鲜重大小为1/10 S>1/5 S>1/1 S。可见，无论哪种营养液，1/10条件下的生物量指标最高，表明过高的营养液浓度会抑制少根紫萍的生长。由各指标的Pearson相关性分析可知(表2)，相对增长率(RGR)与叶片数、鲜重极显著正相关(相关系数r分别为0.941、0.670，p<0.01)，叶片数和鲜重极显著正相关(相关系数r为0.781，p<0.01)，而覆盖率与其他指标的相关性均不显著。总体来看，Hoagland营养液的各项生物量指标都高于Steinberg营养液。

表1 不同营养条件下少根紫萍的生物量指标

表2 各指标的相关性分析

营养液必须含植物生长所必须的全部营养元素，而且各营养元素的数量比例和总浓度应符合植物生长发育要求[11]。对比Hoagland营养液(表3)与Steinberg营养液成分(表4)，Hoagland营养液中N元素含量约为14.018×10-3mol/L(其中氨氮浓度1.000×10-3mol/L，占比7.13%；硝态氮浓度13.018×10-3mol/L，占比92.87%)，P元素约为1.000×10-3mol/L；Steinberg营养液中N元素约为8.171×10-3mol/L(其中硝态氮浓度8.171×10-3mol/L，占比100%)，P元素约为0.732×10-3mol/L。由数据可以看出，Hoagland营养液中N、P含量明显高于Steinberg营养液。并且Hoagland营养液中微量元素含量也高于Steinberg营养液，所以少根紫萍在Hoagland营养液中各生物量指标优于Steinberg营养液。说明少根紫萍更倾向于在Hoagland营养液条件下生长。而在生长条件较好的Hoagland营养液中，1/10 H浓度下各项生物量指标相较于其他浓度最好。这说明过高的N、P等大量元素会抑制少根紫萍的生长。

表3 Hoagland营养液配方单位：mg/L

表4 Steinberg营养液配方单位：mg/L

2.3 镉处理下不同营养液条件少根浮萍的生物量指标

不同镉浓度处理下，6种营养液浓度下少根紫萍生长指标的结果见表5—7。

表5 不同镉离子浓度下叶片数单位：片

表6 不同镉离子浓度下叶片表面积单位：cm2

表7 不同镉离子下鲜重指标单位：g

由表5—7可知，在Hoagland营养液中随着镉离子浓度的增大，少根紫萍的叶片数、覆盖率、鲜重呈现下降趋势，与对照组比，生物量指标明显降低。说明镉处理会显著抑制浮萍的生长。同时试验中观察到随着溶液中镉含量增大，浮萍出现叶片褪色乃至泛白的现象，根部伴随出现泛白、分根、脱根。而同样的镉浓度处理下，随着营养液水平的降低，叶片数、覆盖率、鲜重均大致呈现上升趋势，与无镉处理时的变化规律一致。这说明镉处理条件时，Hoagland营养液在一定范围内稀释倍数越大，少根紫萍生长状况越好。

在Steinberg营养液中随着镉离子浓度的增大，少根紫萍的各项生物指标虽然有下降但变化不明显。虽然在有些条件下， Steinberg营养液的生长指标比Hoagland营养液要好，但是综合各个生长指标，Steinberg营养液中的少根紫萍生长状况从总体上看差于Hoagland营养液。这说明相同镉处理下，在Hoagland营养液中生长的少根紫萍受到镉离子的胁迫作用要低于在Steinberg营养液中生长的少根紫萍。

2.4 不同营养条件对少根浮萍吸收富集镉的影响

在5 mg/L镉离子处理下，不同浓度营养液条件下少根紫萍对镉的富集量见图2。由图2可知，少根紫萍对镉离子的富集呈现出一定规律。1/1 H条件下Hoagland营养液对于镉离子的富集量为3 346 mg/kg，1/5 H为2 723 mg/kg，而1/10 H时，富集量达到9 986 mg/kg。可见，当营养液超过一定的稀释倍数时，少根紫萍对于镉离子的富集效果显著上升。有研究表明，高磷、高氮能缓解镉离子对生物造成的毒害。如隆线溞在N元素为0.5 mg/L营养水平下，N对Cd生物毒性效应起着拮抗作用[12]；刘世亮等[13]、刘芳等[14]发现添加P可减轻Cd对油麦菜、菠菜的毒害。

图2 不同营养条件下镉离子的富集量

由图2可知，相同浓度时Steinberg营养液对镉的富集量高于Hoagland营养液，具体富集量为1/1 S浓度下10 969 mg/kg,1/5 S浓度下11 383 mg/kg，1/10 S浓度下12 396 mg/kg。随着S营养液的稀释程度越高，镉富集量也增大。这解释了镉处理下，Steinberg营养条件下少根紫萍的各项生长指标大部分情况下低于Hoagland营养条件的原因。镉胁迫下，Steinberg营养条件下少根紫萍富集了更多的镉，因此受到的毒害更严重，导致其生物量降低。对比2种营养液的成分，Steinberg营养液的氮、磷含量均低于Hoagland营养液，这进一步表明，高浓度的氮、磷会抑制少根紫萍对镉离子的富集。

生物富集系数(BCF)可以用来表征不同植物富集污染物的能力。BCF 值越高代表植物富镉能力越强。从图3可以看出Steinberg溶液中少根紫萍对镉的富集系数明显高于Hoagland营养液，亦说明Steinberg营养条件下，更有利于少根紫萍富集镉。

图3 不同营养条件下生物富集系数

3 讨论

试验结束时1/10 H浓度培养下的少根紫萍相较于1/5 H其覆盖率高出6.95%，鲜重高出11.19%；对比1/1 H其覆盖率高出10.83%，鲜重高出5.59%，结果表明营养液超过一定浓度后，生长促进作用将会下降，甚至可能会抑制植物本身正常的生长作用。在1/1 H与1/5 H条件下，营养液浓度过高，养分积累，溶液渗透压过高引起植物植物生长发育不良，产生盐害效应。过高的营养液浓度对于其他植物有着同样影响。龚记熠等[7]的研究表明在2 H(2倍标准浓度的Hoagland营养液)条件时紫美人与绥阳小米椒2个辣椒品种的叶绿素SPAD值、主根长度等生长指标低于0.5 H、1 H、1.5 H，发芽率除了低于以上3组，还低于空白对照组0 H。

在本研究中， Steinberg营养液对镉的富集量高于Hoagland营养液，其原因主要是因为Steinberg营养液的氮、磷浓度明显低于Hoagland营养液，且Steinberg营养液只含NO3-N,不含NH4-N，其溶液中仅存在NO3-N的抑制作用，因此，可以推测， NH4-N和NO3-N共同存在时对少根紫萍的抑制作用强于单独NO3-N处理时。研究表明，氮素能够通过改变植物的生长、根系的构型以及根系细胞膜势的变化影响镉的吸收和积累，NH4-N能够通过改变细胞壁中果胶和半纤维素的含量从而影响细胞壁对镉的阻隔，NO3-N对镉离子的吸收促进与Fe的吸收有关[22]。