香根草和黑麦草对重金属铅的生理响应及累积性研究

2022-03-31陈振普万建信王西法

环保科技 2022年1期

李栋宋航陈振普万建信* 王西法

(1.青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东青岛 266101；2.中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南洛阳 471023；3.海洋腐蚀与防护重点实验室，山东青岛 266237)

铅是自然界常见且危害较大较普遍的重金属元素之一，在我国24个省(市)城郊、工矿区和污水灌溉区等320个污染区中，占污染区总面积80%以上的农产品重金属含量超标，铅是超标重金属中污染最严重的元素之一[1]。重金属铅污染土壤的修复迫在眉睫。

目前用于重金属污染土壤的修复方法多种多样，与其他治理方法相比，植物修复具有经济及生态协调性等优势，不但能够减少污染土壤中的重金属含量，还能降低二次污染的风险及对土壤结构的破坏，得到学术界广泛研究，符合我国两型社会建设的方针政策。

用于修复重金属污染土壤的植物一般选用超积累植物，目前超积累植物的筛选方法主要包括野外采样分析法和盆栽模拟实验[2]，野外采样或是土培种植的植物地上部分铅积累量达到1 000 mg/kg才能称为铅超积累植物，目前国内外发现的铅超积累植物并不多，并且主要分布于铅锌矿区，Reeves等[3]研究发现圆叶遏蓝菜是一种铅超积累植物，其吸收铅量可达8 500 mg/kg；Xiong等[4]研究发现brassicanigua也是一种铅超积累植物。我国对铅超积累植物的筛选和研究起步较晚，不过该工作逐步受到重视并取得了不少成果。胡宗达等[5]对四川铅锌矿区草本植物进行研究发现小鳞苔草地上部分铅高达1 834 mg/kg，且对铅的富集系数和转移系数达到3.1和9.9，可以被称为铅超积累植物；刘秀梅等[6]对铅锌矿区6种植物采样分析，研究发现酸模和羽叶鬼针草能够超积累铅；侯晓龙等[7]研究发现多年生禾本植物金丝草是一种铅超积累植物，且该植物具有较强应用潜力；利用野外采样分析法发现的铅超积累植物还有密毛白莲蒿、土荆芥等[8-9]。柯文山等[10]利用盆栽筛选法研究了芸薹属5种植物，发现芥菜和鲁白地上部分铅积累量高于1 000 mg/kg，并且鲁白对铅的转移系数较高，可将85%的铅转移至地上部分。

香根草又名岩兰草，是禾本科岩兰草属多年生草本植物，它具有发达的须根，其水土保持能力非常显著，研究表明[11]，香根草对于重金属离子的积累能力较强；黑麦草，禾本科黑麦草属，多年生草本植物。其生长迅速、根系发达、生物量大，对重金属具有较强的耐受能力，在铅锌尾矿区能够正常生长。本试验采用水培法展开了香根草和黑麦草对铅的生理响应及累积性的研究，旨在明确两种植物对重金属铅的耐受性，同时也为植物修复重金属污染土壤的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用香根草种子产自云南大理，黑麦草种子产自意大利，均购于景香园苗木公司。试验所用水培营养液为霍格兰营养液，由于营养液中存在大量磷酸根离子，且较易与试验所用Pb2+发生反应产生沉淀，因此，将KH2PO4(分析纯)用量调整为0.01 mmol/L(1.36 mg/L)，其余不变。

1.2 试验设计

将2L营养液倒入试验所用水培塑料盆内，水培盆长宽高分别为13 cm、12 cm、14 cm，用铝箔纸将水培盆包裹防止透光避免植物根系遭阳光直晒。筛选颗粒饱满、大小相同的香根草和黑麦草种子用0.1% NaClO(分析纯)浸泡消毒10 min，用蒸馏水冲洗多次后放置于带有滤纸的定植篮内，每个定植篮内放入30粒种子。营养液pH每两天用0.1 mol/L HCl(分析纯)或0.1 mol/L NaOH(分析纯)调至5.60左右，保持全天候通气，植物在室温自然光下培养，白天与夜晚温度分别为25℃和20℃，待植物发芽后使用1/4霍格兰营养液培养1周，将未发芽种子取出并进行间苗，每个定植篮内保留长势相同的植株20棵，更换营养液并以Pb(NO3)2(分析纯)加入不同铅处理浓度(0，5，10，50，200，500 mg/L)，各处理浓度重复3次，每周观察植物外伤情况并记录，测定植物株高及根长等生长指标，待重金属胁迫四周后破坏性取样，测定植物株高、根长、总生物量等相关指标，并取植株根和茎叶样品，蒸馏水快速洗净，将样品放置于烘箱中105℃杀青1h，70℃烘干至恒重，将烘干后样品用研钵磨碎并过0.425 mm筛，用于测定植物体内重金属含量等指标。

1.3 测定项目与方法

(1)试验过程中，每周观测植物外伤情况，根据秦天才等[12]提出的外伤观测方法，用目测估计，将植物外表伤害症状分为4级，正常生长(无伤害)：目测观察不到伤害症状；轻度伤害：仅中心部位的叶有轻微的失绿；中度伤害：中心部位至外围的叶不同程度失绿；重度伤害：叶片缩小，植株萎蔫，矮化。

(2)试验结束后，选取植物相同部位测量植物鲜重、干重、株高、根长等相关生长指标，植物鲜重及干重使用万分之一电子分析天平(日本岛津公司)进行测定，植物株高根长使用精确度为1 mm的直尺测量。

(3)用万分之一天平分别取经过电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏公司)烘干过筛的植物根、茎叶质量为0.1000 g和0.0100 g左右于10 ml消解管中，采用高氯酸-硝酸消解法加入4 ml KNO3(优级纯)和1 ml HClO4(优级纯)置于电热板(龙口市电炉制造厂)200℃条件下对样品进行消解，至消解管中冒出大量白烟并加热至无色，取出冷却用蒸馏水定容至25 ml，摇匀并置于4℃冰箱中冷藏待测，同法制备空白样品[13]。

(4)植物体内重金属含量用火焰原子吸收分光光度法测定[14]，采用火焰原子吸收分光光度计(美国热电公司)测样，计算两种植物对铅的迁移系数(TF)。

TF=植物茎叶中铅总量(mg/kg)/植物根部所含铅总量(mg/kg)

1.4 数据处理

有关数据采用EXCEL2010、SPSS16.0进行方差分析。

2 结果与讨论

2.1 铅胁迫下香根草和黑麦草的外伤情况分析

重金属胁迫下植物的外伤症状能够直观地表现植物的生长情况以及植物对重金属的耐受情况。铅对植物的外部伤害与营养液中铅的浓度、水培培养天数以及不同植物的铅耐受性有关，水培培养的整个周期内，发现Pb浓度在低于10 mg/L时，两种植物均能够正常生长；随着铅浓度增大，以及胁迫时间的延长，香根草和黑麦草均表现出不同的外伤症状，在50 mg/L铅胁迫下，香根草在水培培养前三周长势良好，第四周出现轻度伤害症状，而黑麦草在第三周时就出现轻度伤害症状，第四周时伤害更加严重；在铅浓度增加到200 mg/L时，两种植物均在培养第二周即表现出不同伤害症状，黑麦草在第三周时的外伤症状与香根草相比更加明显；在500 mg/L铅胁迫下，香根草和黑麦草的外伤症状均表现地非常明显，出现重度伤害症状甚至叶片完全失绿死亡，见表1。

表1 Pb胁迫下香根草和黑麦草的外伤症状

2.2 铅胁迫对香根草和黑麦草的生物量的影响

植物鲜重、干重是植物在衡量植物生长发育及重金属胁迫下植物耐性生长优势的指标，铅胁迫对香根草和黑麦草的鲜重和干重均产生较大影响，见表2。试验结果表明，铅胁迫下，香根草茎叶生物量呈现先增加后减少趋势，在铅浓度5 mg/L时生物量最高，10 mg/L之后开始降低，但与对照组相比差异性并不显著(P>0.05)，表明低浓度铅胁迫对香根草茎叶生长影响较小，高于50 mg/L铅胁迫则对香根草生长产生较大影响，其茎叶生物量分别仅为对照组的31.3%、11.6%、4.7%，不同铅浓度胁迫下香根草根系生物量一直呈现降低趋势，且差异性显著(P<0.05)，表明铅浓度的升高对其根系生长产生了不利影响且低浓度铅胁迫也会影响香根草根系生长；黑麦草茎叶及根系生物量均呈现先增加后减少的趋势，铅浓度为5 mg/L时，黑麦草茎叶及根系生物量均有增加，且差异性显著(P<0.05)，表明该浓度铅胁迫能够促进黑麦草茎叶及根系生长发育，铅胁迫浓度高于50 mg/L对黑麦草茎叶产生较大影响，其生物量分别仅为对照组的30.6%、13.0%、5.2%，根系生物量分别为对照组的16.3%、4.9%、2.1%，与茎叶生物量相比，高浓度铅胁迫对根系生物量的影响更为明显。

株高和根长是植物在重金属胁迫下的表观生长指标。不同浓度铅胁迫对两种植物的茎叶及根的伸长量有不同影响，见表3，表4。测量及分析结果表明，5 mg/L铅胁迫下，香根草和黑麦草的茎叶伸长总量与对照组相比均有增加，且差异性显著(P<0.05)，表明该浓度铅胁迫对两种植物的茎叶生长具有促进作用，铅浓度10 mg/L时，两种植物茎叶伸长总量均有所降低，香根草和黑麦草的伸长总量分别为对照组的89.3%、94.3%，经过SPSS软件分析所得，10 mg/L时，香根草茎叶伸长总量与对照组相比差异性显著(P<0.05)，表明其茎叶生长受到铅胁迫影响，而黑麦草茎叶伸长总量与对照组相比差异性不显著(P>0.05)，可以认为该浓度铅胁迫不会对黑麦草茎叶生长产生影响；在铅胁迫浓度高于50 mg/L之后，两种植物茎叶生长均受到较大影响，200 mg/L及500 mg/L时，两种植物茎叶均出现停止生长，枯萎变黄情况，甚至部分植株出现死亡现象。香根草和黑麦草的根系伸长量随铅浓度升高呈现减少趋势，在铅浓度10 mg/L及以下，香根草根系伸长量分别为对照组的85.8%、79.6%，且差异性显著(P<0.05)，表明铅浓度在5 mg/L及10mg/L时即对香根草的根系伸长产生了影响，通过SPSS软件分析得到，黑麦草在该浓度下根系伸长量与对照组相比差异性不显著(P>0.05)，可以认为10 mg/L铅胁迫不会对黑麦草根系伸长产生影响，在铅胁迫浓度高于50 mg/L之后，两种植物根系生长均受到较大影响，200 mg/L及500 mg/L时，两种植物根系均出现停止生长以及植株死亡现象。

表2 香根草和黑麦草根系、茎叶的鲜重和干重[1]

注：1)数据为平均值±标准差，每个指标同列数据后的不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同

表3 香根草和黑麦草茎叶伸长量(cm)

表4 香根草和黑麦草根伸长量(cm)

2.3 铅在香根草和黑麦草体内的迁移

铅胁迫下两种植物茎叶和根系铅含量如表5所示，两种植物根系铅含量均高于茎叶。铅胁迫下，香根草和黑麦草茎叶中铅含量均于200 mg/L时开始显著提高(P<0.05)，香根草和黑麦草茎叶中铅含量最高达到29 751.7 mg/kg、36 443.7 mg/kg，且黑麦草茎叶铅含量高于香根草；两种植物根系中铅含量均于50 mg/L时开始显著提高(P<0.05)，香根草和黑麦草根系中铅含量分别为93 077.4 mg/kg、101 714.7 mg/kg，黑麦草铅含量高于香根草，由此可见，黑麦草对铅的吸收积累能力强于香根草。

随铅浓度升高，两种植物对铅的迁移系数基本呈现上升趋势，但均低于1.0，根系中铅含量远高于茎叶中铅含量，且在不同铅浓度胁迫下，黑麦草对铅的迁移系数普遍高于香根草，由此可见，黑麦草对铅的转运能力要高于香根草。