重金属镉对5种湿生植物生理特性的影响

周 慧 寇太记

（1. 河南科技大学农学院，河南 洛阳 471023；2. 新乡学院化学化工学院，河南 新乡 453000）

随着我国经济快速发展，工农业生产造成的废水和固体废弃物的渗出液等部分进入水域，造成部分水体中重金属镉（Cd）、铅（Pb）超标。研究表明，Cd可在生物体内富集，当水体中的Cd浓度超标时，会影响水生动植物的正常生长，甚至会造成其死亡[1-2]。Cd还可以通过食物链进入到人体内，会引起慢性中毒，会使骨骼的代谢受阻[3]。由此可见，Cd污染问题对人们身体健康造成了很大威胁，但是传统的化学重金属污染修复成本高、操作难度大，且会造成二次污染，物理修复效果欠佳[4]。植物修复作为一种绿色环保的生物技术，近年来被人们广泛青睐，其利用植物的根系直接将重金属污染元素从土壤和水体中吸收转移，从而达到修复的目的[5]，其修复净化过程不破坏土壤生态环境[6]，土壤结构、微生物活性，并且同时还能达到美化环境的目的，被作为传统水体修复的替代措施之一[7-8]。目前关于水体植物生态响应重金属Cd污染的研究多以藻类、草本类植物为主，且它们主要通过吸附并固定水中悬浮物和重金属离子，从而达到修复的目的，而利用观赏植物开展研究的还较少。园林观赏植物在城市滨水区绿化方面不但可以美化河岸线，丰富景观，还具有修复重金属的作用[9]。为此，本研究选取园林滨水区绿化应用较为广泛的水生鸢尾（Iris tectorum）、美人蕉（Canna indica）、再力花（Thalia dealbata）、千屈菜（Lythrum salicaria）、蒲草（Typha angustifolia）5种常见的湿生观叶植物作为研究对象，研究其在重金属Cd胁迫下的富集能力与抗性生理，以期为利用水生观赏植物对水体重金属Cd污染修复及河道植物绿化配置提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试的水生鸢尾、美人蕉、再力花、千屈菜、蒲草5种湿生植物采购于新乡市翟坡花卉基地；供试盆栽底泥采用赵定排河中污泥，污泥取回后将其均匀混合，并经自然风干研磨、去除杂物后过100目筛，测定其基本理化性质及土壤重金属Cd含量的背景值[7]（0.051 mg/kg）；供试的重金属Cd元素以CdCl2形态处理；试验培养水取自新乡市本地自来水。

1.2 实验处理

实验采用盆栽培养，选用长度120 cm，宽度60 cm，高度35 cm的生态培养盆。将上述经过处理的土壤取相同质量按10 cm厚度均匀的平铺至盆底，盆内加入经过暴晒8 h以上的自来水40 L，静态模拟自然状况下小型水体。实验共设置5个Cd浓度处理，分别将CdCl2分析纯试剂按照0.0（CK）、0.3（K1）、1.0（K2）、5.0（K3）、10.0 mg/kg（K4）加入种植盆。5种湿生植物选取生长健壮、长势较好且每种高度和根系等生物量基本一致的5种湿生植物幼苗，每种分别取3株（3个平行样），按照相同种植密度栽植于处理好的重金属污染底泥中，每个处理设3次重复，共选用15个培养盆。盆栽植物放置于室外防雨棚内种植培养，实验于2019年8月开始，历经28 d，实验中蒸发的水分用经过暴晒的自来水来补充。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 测定指标与方法

供试植物培养28 d后将其取出，用水冲洗干净并放在烘箱中烘24 h（温度80 ℃），用粉碎机粉碎后过100 目（0.15 mm）筛。称取0.2 g样品放入消化管（50 mL）中，按照体积比4∶1加入优级纯度的HNO3和HClO4混合酸15 mL，将管口封膜并静置过夜；次日放于消化炉上消化（140 ℃、8 h），溶液澄清透明后用去离子水定容至100 mL后备用。各部位Cd2+的积累量，使用AA−7000火焰原子吸收分光光度计（岛津，日本）测定[9]。

取植物样品叶片进行测定，主要测定可溶性蛋白（SP）含量（波长595 nm）、游离脯氨酸（Pro）含量（波长520 nm）、丙二醛（MDA）含量（波长532、600、450 nm）和相对电导率（REC），其中可溶性蛋白含量用考马斯亮蓝染色法[10]、Pro含量用酸性茚三酮法、MDA含量用硫代巴比妥酸法[10]、REC用电导仪测定[11]，每个样品重复3次，各生理指标均测3次重复后取平均值。

1.3.2 数据处理

实验所有数据采用Excel 2017和SPSS 19.0统计分析软件进行处理，5种湿生植物抗重金属镉的强弱能力的比较采用隶属函数法，该方法是应用较为广泛的综合评价方法之一，是利用模糊数学的原理进行综合评价分析。先求出各植物某一生理指标的具体隶属函数值，然后对各隶属函数值进行求和，最后得出隶属函数总值[12-13]，如公式（1）～（3）。

式中：i=1，2，3，···，n，ni表示5种湿生植物中某种的某一生理指标i的测定值；nimax和nimin分别表示某一指标的最大值和最小值；μ（ni）表示某一指标ni的隶属函数值；N表示隶属函数总值；如果所测生理指标与抗重金属胁迫呈正相关用（1）式，呈负相关则用（2）式，最后根据公式（3）计算隶属函数总值。如果该值越大，则说明抗重金属胁迫能力就越强。

2 结果与分析

2.1 5种湿生植物各组织Cd积累量差异分析

由图1可知，在重金属Cd胁迫下，5种湿生观赏植物体内的Cd积累量都是随着处理浓度的升高而呈现不同程度的增加，在10.0 mg/kg时均达到最大值，且再力花地上部与根系的Cd积累量分别是CK的549%和705%；水生鸢尾地上部与根系的镉Cd积累量分别是CK的1 138%和865%；蒲草地上部与根系的Cd积累量分别是CK的1 289%和925%；千屈菜地上部与根系的Cd积累量分别是CK的6 489%和4 313%；美人蕉地上部与根系的Cd积累量分别是CK的7 861%和5 923%，其差异最为凸显。再力花在4个处理下根系Cd积累量均低于地上部Cd积累量，蒲草在0.3 mg/kg处理时根系Cd积累量略低于地上部Cd积累量，水生鸢尾在10.0 mg/kg处理时根系Cd积累量略低于地上部Cd积累量，其余2种植物均表现为在各个处理浓度下根系Cd含量大于地上部Cd含量。在10.0 mg/kg处理下，5种湿生观赏植物地上部与根系的Cd积累量的高低顺序依次是美人蕉>千屈菜>蒲草>水生鸢尾>再力花。

图1 Cd胁迫下5种湿生植物地上部与根系Cd积累量比较Fig. 1 Comparison of Cd accumulation in shoot parts and roots of 5 wet plants under Cd stress

2.2 Cd胁迫对5种湿生植物SP含量的影响

由图2可知，在重金属Cd胁迫处理下，美人蕉、千屈菜、蒲草、再力花4种湿生植物SP的含量是随着Cd浓度的增加呈现先增加后降低的趋势。在K2时均达到最大值，此时含量分别是CK的173%、377%、176%和200%；再力花在K3时降至最低点，并且低于CK38.68%；其他3种植物均在K4时降至最低。水生鸢尾在整个Cd浓度递增过程中，SP的含量呈现缓慢的递增趋势。

图2 Cd胁迫对5种湿生植物SP含量影响Fig. 2 Effects of Cd stress on soluble protein content of 5 wet plants

2.3 Cd胁迫对5种湿生植物Pro含量的影响

由图3可知，随着重金属Cd处理浓度梯度的逐渐增加，美人蕉、水生鸢尾、千屈菜、蒲草4种植物游离Pro含量均呈现递增趋势，都在K4时达到最大，其分别达到CK的521%、611%、255%、612%，而再力花叶片中游离Pro含量却呈现先递增后递减又递增的趋势；在K2时达到最大，此时是CK的712%。

图3 Cd胁迫对5种湿生植物Pro含量的影响Fig. 3 Effects of Cd stress on free proline content of 5 wet plants

2.4 Cd胁迫对5种湿生植物MDA含量的影响

由图4可知，随着重金属Cd处理浓度梯度的不断增加，美人蕉、水生鸢尾等5种湿生植物叶片中MDA含量均呈现不同程度的递增，都在K4时达到最大值，此时含量分别是CK的239%、259%、242%、173%、405%，再力花最高，说明再力花细胞膜伤害最为严重。

图4 Cd胁迫对5种湿生植物MDA含量的影响Fig. 4 Effects of Cd stress on malondialdehyde content of 5 wet plants

2.5 Cd胁迫对5种湿生植物REC的影响

由图5可知，当随着重金属Cd处理浓度梯度的不断增加，水生鸢尾、美人蕉等5种湿生植物的REC均呈现不同程度的递增现象，都在K4时达到最大，此时REC值分别是CK的139%、138%、134%、124%和141%，其中再力花REC递增最快。

图5 Cd胁迫对5种湿生植物相对电导率的影响Fig. 5 Effects of Cd stress on relative conductivity of 5 wet plants

2.6 5种湿生植物生理指标的相关性分析

由表1可知，在Cd胁迫下5种湿生植物中仅有水生鸢尾的相关性达到显著水平（P<0.05），其他均未达到。在Cd胁迫下5种湿生观赏植物相关性均达到显著性水平（P<0.05）。在重金属Cd胁迫下，美人蕉等5种植物MDA和REC变化同步性较好，而植物体内的SP和游离Pro和含量变化的同步性较差。

表1 5种湿生植物生理指标的相关性分析Table 1 Correlation analysis of physiological indexes of 5 wet plants

2.7 5种湿生植物抗重金属Cd能力的比较

由表2可知，5种湿生观赏植物抗Cd能力大小依次为蒲草、美人蕉、水生鸢尾、千屈菜、再力花。

表2 5种湿生观赏植物各项生理指标的隶属函数值Table 2 The membership function values of physiological indexes of 5 wet plants

3 结论与讨论

从上述分析结果来看，5种湿生观赏植物对重金属镉的吸收与积累总体上是随着底泥中镉浓度的增加而呈现上升趋势，且除了再力花外，美人蕉等其他4种植物根系吸收和富集重金属能力基本大于地上部分。与学者刘大林等[14]研究3种高粱属（Sorghum）植物在重金属Cd胁迫下富集量，郭晖等[9]研究斑叶龟背竹（Monstera deliciosa）等5种观赏植物在铅镉胁迫下富计量，张树攀等[15]研究3种高粱属牧草在Cd胁迫下富计量的研究结果基本上相符。在K4处理下，美人蕉等5种湿生观赏植物地上部与根系的镉积累量的高低顺序依次是美人蕉>千屈菜>蒲草>水生鸢尾>再力花。

当一定量的重金属离子进入植物体内后，会迅速的与植物体内核酸、蛋白质及酶等大分子物质进行结合，并在其体内替代如Mg2+、Zn2+等发挥功能时所需的特定金属元素，不过其活性也会随之降低[16]。本研究中，在重金属Cd胁迫处理下，除水生鸢尾之外，美人蕉、千屈菜、蒲草、再力花4种湿生观赏植物体内的SP合成功能受到明显影响，其适应性的调节机制也受到限制。植物在盐碱、重金属等逆境胁迫下会产生Pro，其含量的变化与植物抗逆能力呈现相关性，在生理学上常被作为植物逆境生理的重要指标之一。随着Cd处理浓度的增加，美人蕉、水生鸢尾、千屈菜、蒲草4种植物叶片中Pro含量均呈现上升趋势，说明这4中湿生观赏植物均对重金属Cd存在着不同程度的抗性，这与郭晖等[9]研究多花白鹤芋（Spathiphyllum kochii）、麒麟叶（Epipremnum pinnatum）、斑叶龟背竹和金钻（Philodendron‘con-go’），温瑀等[17]研究杞柳（Salix integra）和红瑞木（Swida alba）对重金属胁迫生理响应研究结果一致，进一步证实某些植物体内Pro含量随着胁迫重金属浓度的增加会大量积累。而再力花叶片中Pro含量则在K2达到最大，但随着重金属处理浓度的增加其含量却有所下降，这说明在高浓度重金属Cd胁迫下，再力花生理抗性能力还是有一定得限度。在重金属胁迫下，是植物细胞膜发生膜脂过氧化作用产生MDA，其含量与膜脂过氧化作用呈正相关，即含量越高，膜质过氧化程度越高。随着重金属Cd浓度的增加，5种湿生观赏植物叶片中MDA含量也均呈现不同程度的上升趋势。说明这5种湿生植物细胞膜脂过氧化作用显现，伤害程度加剧，同时其清除活性氧的能力有所降低，植物受到的胁迫伤害加大，从数据看出再力花受伤害程度相对最大。王思瑶等[18]研究碱蓬（Suaeda glauca）幼苗在金属Pb2+、Cd2+、Hg2+、Cu2+离子胁迫下生长及生理生化指标变化，万子栋等[19]研究碱蓬在重金属复合胁迫下萌发生长及富集情况的研究结果均表明MDA含量随着重金属处理浓度的增加呈上升趋势，与本文研究结果一致。而鲜靖苹[20]在研究龟背竹在盐及重金属胁迫下生理抗性的影响结果显示，龟背竹体内累积的MDA含量随着重金属浓度的增大，呈先增加后降低的趋势，与本研究结论不一致，可能原因是与Cd2+设置浓度的梯度不同有关系。生物膜结构及功能的稳定性与植物的抗逆性密切相关，植物细胞膜在干旱、盐碱、重金属或复合因素胁迫影响下会受到严重伤害，体内大量渗透物质外流，引起相对电导率的升高。5种湿生观赏植物在金属镉处理浓度增加下，其REC均呈不同程度的上升，说明重金属胁迫对5种植物的正常生理机能都造成了不同程度的破坏。牟祚民等[21]通过研究重金属胁迫对天竺葵（Pelargonium hortorum）生长及生理特性的影响，表明随着处理浓度的增加天竺葵的REC呈现上升的趋势，与本文研究结论一致。

本研究表明，在镉胁迫下，水生鸢尾体内SP和Pro存在着一定的关联性，且2种渗透调节物质相关性达到显著水平。而美人蕉、水生鸢尾、千屈菜、蒲草、再力花等5种植物体内的MDA含量和REC相关性均达到显著水平。并且看出，在重金属胁迫下，植物体内MDA含量和REC变化同步性较好，而SP含量与Pro含量变化同步性却较差。通过隶属函数法分析表明，抗重金属Cd能力大小依次为蒲草>美人蕉>水生鸢尾>千屈菜>再力花。

本研究模拟自然条件在盆栽中进行，影响因素较少，如在自然条件下可能会有更多的重金属、农药残留等通过大气沉降、地表径流等流入河流并沉降于底泥之中，会发生一系列物理变化或者化学反应，这种环境下，重金属胁迫对植物生长的影响会更为复杂。因此，美人蕉、水生鸢尾、千屈菜、蒲草、再力花等对于不同环境条件下河流、池塘，湖泊，抗重金属Cd胁迫能力的大小情况还需进一步研究，以期为利用水生观赏植物对水体重金属Cd污染修复及河道植物绿化配置提供科学依据。