锑胁迫对香蒲生理生长指标的影响

沈子剑，商子健，王法鑫，刘 飞

（淮北师范大学 生命科学学院，安徽 淮北 235000）

0 引言

锑（Sb）是一种稀缺的金属资源，由于广泛的应用于电池、防火材料等产品导致其在环境中普遍存在，已成为全世界面临的重要环境难题之一［1］.据相关研究显示，我国土壤中Sb含量的背景值是0.38～2.98 mg·kg-1，但在锑矿区及周边地区、冶炼厂等地Sb含量会剧增［2］.研究表明，Sb及Sb化合物对于人体具有致癌性，并会在生物体内蓄积并造成毒害作用，美国环境保护署已将锑列入优先污染物名单［3-5］.人为因素是造成锑大面积污染的主要原因，过度且不规范的开采锑矿、锑化合物的过量使用以及煤炭大规模使用，都会造成锑污染.李航彬等［6］对湖南锡矿山及周边矿区土壤中的锑含量及形态进行测定后发现各矿区土壤中锑含量高达185.6～2 081.3 mg·kg-1，严重超出土壤锑背景值.Ainsworth等［7］的研究发现在英格兰一个冶炼锑工厂的周边土壤中锑含量超过1 400 mg·kg-1，且随着距离的增加锑含量降低.由此可见，缓解Sb污染问题亟不可待.

环境中Sb的存在形式主要是Sb3+和Sb5+，且毒性与价态密切相关［8］.据报道发现Sb3+毒性约是Sb5+的10倍，且Sb3+与红细胞亲和性极高［9］.Sb不是植物生长的必须元素，但依然可以被植物吸收［10］.Ren等［11］以不同形态Sb处理水稻发现，Sb3+和Sb5+均能导致水稻体内积累大量的Sb，且Sb积累量在水稻体内分布为根＞茎＞叶.Zhou等［12］通过对菖蒲进行Sb3+和Sb5+的胁迫处理后发现，随着土壤中Sb含量的增加，菖蒲的叶绿素含量、株高、光合作用以及光合荧光参数均减少，但Sb5+的处理出现了毒物兴奋效应，250 mg·kg-1的Sb5+处理促进了菖蒲的生长.根据研究结果显示，锑胁迫会抑制植物的发芽，并破坏光合系统Ⅱ，导致植物叶绿素含量降低进而降低光合速率［13］.

香蒲（Typha orientalis），是一种具有较高经济价值的多年生水生或沼生草本，因其根系发达、生物量高、繁殖能力强以及对于各种污染环境具有较高的耐受性而被广泛应用于人工湿地净化污水［14-15］.据相关研究报道，香蒲可以在多种重金属污染的环境中生长良好，而更细致的研究发现香蒲对Cu、Zn、Cd、As、Pb、Sb等重金属具有较高的耐受性，并且能够吸收和富集水体中的氮、磷等有机污染物［16-18］.香蒲具有极高的生态环境价值，目前有关探究Sb胁迫对香蒲生理生长指标影响的研究还未见报道.本研究以香蒲为材料，利用盆栽实验，解析Sb胁迫对香蒲生理生长指标的影响，为后期香蒲在锑污染区域的引种及生态环境价值提供理论参考.

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取香蒲（Typha orientalis）作为试验材料，从江苏省宿迁市荣玥园林有限公司购买香蒲幼苗，并筛选发育良好高度统一的香蒲幼苗作为试验所用植株.试验所用土壤取自淮北师范大学相山校区周边田地土壤.经检测土壤中锑含量为0.086 mg/kg.取表层土壤后风干，破碎过60目筛备用.

1.2 试验方案

在淮北师范大学相山校区生命科学学院温室大棚进行锑胁迫对香蒲生理生长指标影响试验，使用口径35 cm，高34 cm的黑色塑胶桶作为花盆，每盆加入10 kg土壤，15 L水.选取发育良好，长势一致的香蒲幼苗进行培养，每盆种植5颗幼苗.Sb3+溶液的配置使用酒石酸锑钾，设置锑浓度梯度分别为0、50、100、200、500、1 000 mg·kg-16个处理，分别记为CK、A1、A2、A3、A4、A5，每个处理进行3次重复，对香蒲进行锑胁迫处理.以A5处理为基准计算钾离子含量为0.321 mg·kg-1，给其他处理施加钾肥达到这一浓度，以保证钾离子对香蒲的影响一致.在种植期间定时加水，保持每个处理水位一致，锑胁迫45 d后进行生理生化指标的测定.

1.3 香蒲生理生化指标的测定

选取长势较好的叶片，使用SPAD-502便携式叶绿素荧光仪测定香蒲叶绿素含量.每盆处理测量6个叶片，每个叶片进行6次重复测量.香蒲进行暗处理1 h后，选取长势较好的叶片使用MINI-PAM叶绿素荧光仪（Germany，WALZ）进行叶绿素荧光参数的测定，测定香蒲Fo（初始荧光）、Fm（最大荧光产量）.计算得出以下指标：Fv（可变荧光）=Fm-Fo，PSⅡ最大光化学效率=Fv/Fm，PSⅡ潜在活性=Fv/Fo.

使用Licor-6400XT便携式光合仪测定锑胁迫处理下香蒲的光合参数，测定时间为晴天上午9点-11点30分，光照强度设定为1 000μmol·m-2·s-1，二氧化碳浓度为400μmol·mol-1，样品室气流量为450μmol·s-1.测定数据包括Pn、Gs、Ci、Tr.每个处理选取6片香蒲叶片进行测定，每次测定进行3次重复.

使用卷尺对香蒲株高进行测定，每个梯度处理选取长势良好的香蒲三株挖出后，用蒸馏水洗净根部，从根部进行测量，结果取平均值.

1.4 数据处理与分析

数据的初步整理使用Excel(365)进行，使用SPSS21对数据进行深层次挖掘，并利用Origin2018作图.

2 结果

2.1 锑胁迫对香蒲株高的影响

图1展示了锑胁迫对香蒲株高的影响，通过株高可以反映锑对香蒲生长状况的影响.由图1可知，随着Sb3+浓度的增高，香蒲株高呈现先上升后下降的趋势，显示锑胁迫对香蒲的毒物兴奋效益.当土壤中Sb3+浓度达到100 mg·kg-1时，香蒲株高达到最大值106.12±8.68 cm.土壤中Sb3+浓度超过100 mg·kg-1时，香蒲株高开始下降，1 000 mg·kg-1处理下香蒲株高最矮，为86.51±4.16 cm.对不同处理下的香蒲株高进行单因素方差分析，A2与其他处理之间存在显著差异（p＜0.05），A5与CK、A1、A2、A3之间存在显著差异（p＜0.05）.A2与对照相比，香蒲株高显著增加了10.86%；A5与对照相比，香蒲株高显著降低了9.63%.

图1 锑胁迫对香蒲株高的影响

2.2 锑胁迫对香蒲叶绿素含量的影响

如图2所示，展示了锑胁迫对香蒲叶绿素含量的影响，由图可知随着锑浓度的增加，香蒲叶片中叶绿素含量呈下降趋势.各处理与CK相比，A1、A2、A3、A4、A5处理下香蒲叶片中叶绿素含量分别下降了13.00%、25.78%、34.36%、34.14%、51.17%.表明锑污染会降低香蒲叶片中叶绿素的含量，进而影响香蒲生长.单因素方差分析显示，A2、A3、A4、A5处理下叶绿素含量均与CK存在显著差异（p＜0.05），1 000 mg·kg-1锑处理下的叶绿素含量与其他处理均差异显著（p＜0.05）.

图2 锑胁迫对香蒲叶绿素含量的影响

2.3 锑胁迫对香蒲光合作用的影响

锑胁迫对香蒲光合作用的影响如图3所示.土壤中锑浓度的增加，显著降低了香蒲的Pn、Gs以及Tr，但是香蒲的Ci随着锑浓度的增加呈上升趋势.A5处理下的香蒲叶片光合参数与CK对比发现，Pn、Gs、Tr分别降低了65.39%、71.04和61.02%，Ci增加了20.06%.单因素方差分析显示，Pn、Gs、Tr以及Ci在A2、A3、A4、A5与CK处理之间均具有显著差异（p＜0.05）.以上结果表明，锑胁迫会显著降低香蒲的光合能力，影响其生长.

图3 锑胁迫对香蒲光合参数的影响

2.4 锑胁迫对香蒲叶绿素荧光参数的影响

表1展示了经过不同浓度锑处理后香蒲叶片的叶绿素荧光参数.通过对表1香蒲叶绿素荧光参数的分析可知，当锑浓度升高后，最大荧光、可变荧光、PSII最大光化学效率、PSII潜在活性、ΦPSII实际光化学效率以及电子传递速率（ETR）均呈下降趋势，且单因素方差分析显示，与CK对比A5处理下的香蒲叶绿素荧光参数均差异显著（p＜0.05）.与CK对比A1处理的香蒲叶绿素荧光参数无显著差异（p＞0.05）.A5与CK比较发现，最大荧光显著降低了24.33%、可变荧光显著降低了41.12%、PSII最大光化学效率显著降低了23.08%、PSII潜在活性显著降低了54.26%、ΦPSII实际光化学效率显著降低了29.30%、电子传递速率显著降低了60.47%.

表1 锑胁迫对香蒲叶绿素荧光参数的影响

3 讨论

植物的株高可以反映重金属的毒害影响，锑污染会导致植物叶片变小，植株矮小［19-20］.通过锑胁迫对香蒲株高的影响发现，随着Sb3+浓度的增高，香蒲株高呈现先上升后下降的趋势，当Sb3+浓度达到100 mg·kg-1时，香蒲株高达到106.12±8.68 cm最大值.Sb3+浓度超过100 mg·kg-1时香蒲株高开始下降，1 000 mg·kg-1处理下香蒲株高最矮，为86.51±4.16 cm.胡龑等［21］研究发现菖蒲幼苗在100 mg·kg-1时生长状况最好，超过100 mg·kg-1时出现生长抑制.任伟等［22］研究表明，砷胁迫同样对于香蒲具有低浓度促进高浓度抑制的作用.本研究成果同样体现出锑胁迫对香蒲具有低促高抑的作用.

叶绿素是叶绿体中的主要成分，对植物吸收并转化光能起重要作用，因此叶绿素含量可以反映植物光合作用的程度［23］.本文研究结果显示，随着锑浓度的增加，香蒲叶片中叶绿素含量呈下降趋势，1 000 mg·kg-1锑处理下的叶绿素含量与其他处理均差异显著（p＜0.05）.据相关研究表明，当锑浓度超过一定范围时，会抑制芥菜生长，导致其叶片叶绿素含量下降，与本文研究结果一致［24］.导致叶绿素降低的原因主要是锑浓度过高，破坏叶绿体中金属蛋白结构进而导致叶绿素生成量减少.

光合作用是评价植株生长发育的基础指标，是植物物质与能量转化的基础，重金属胁迫会导致植物叶绿素含量减少，进而降低植物的光合效率［25］.相关研究显示，Cu2+浓度会抑制萝卜幼苗的形态、叶绿素含量并最终影响自身光合作用［26］.本文研究结果与上述报道一致，随着锑浓度的增加，显著降低了香蒲的Pn、Gs以及Tr，但是香蒲的Ci随着锑浓度的增加呈上升趋势.据报道，气孔限制与非气孔限制都会降低净光合速率，胞间二氧化碳是判别气孔与非气孔限制的依据［27-28］.在本研究中随着净光合速率的降低，胞间二氧化碳呈上升趋势，表明是受非气孔限制因素导致，锑胁迫使香蒲叶肉细胞受损.

叶绿素荧光参数同样反应了光合作用与环境胁迫之间的关系，据相关研究报道，当Sb3+浓度超过50 mg·kg-1时会抑制玉米叶绿素的合成进而降低最大光化学效率［29］.同样，锑胁迫会抑制菖蒲叶绿素的合成，降低净光合速率进而导致最大光化学效率与ΦPSII实际光化学效率显著减少，影响菖蒲生长发育导致植株矮小［12］.本研究结果与上述报道一致，在该研究中伴随着锑浓度的增加，最大荧光、可变荧光、PSII最大光化学效率、PSII潜在活性、ΦPSII实际光化学效率以及电子传递速率（ETR）均呈下降趋势，与CK对比A5处理下的香蒲叶绿素荧光参数均差异显著（p＜0.05）.该结果表明，锑胁迫会破坏香蒲叶片的PSII反应中心，进而导致ΦPSII实际光化学效率降低.

4 结论

综上所述，锑对植物的胁迫机制十分复杂，本研究探讨了锑胁迫对香蒲生理生长相关指标的影响，结果表明，100 mg·kg-1时，香蒲株高最高，而高浓度锑会抑制香蒲生长，但没有导致香蒲幼苗的死亡，说明香蒲对锑具有耐受性.同时，锑浓度的增加会抑制香蒲叶片叶绿素的合成，进而导致香蒲叶绿素荧光参数的降低，并最终影响香蒲光合作用.本研究结果为后期香蒲在锑污染区域的引种及生态环境价值提供理论参考，对于锑在香蒲体内的迁移与转化还有待进一步研究.