PASP和NAA组配调控生物质高粱萃取镉效果研究

谢斯扬，凌定勋，王 平，曹家骥，罗思远，吴虹萍

（1.中南林业科技大学 环境科学与工程学院，湖南 长沙 410004；2.稻米品质安全控制湖南省工程实验室，湖南 长沙 410004）

随着现代化建设的快速发展，土壤重金属污染日益严重[1]，包括日本和韩国在内的许多东亚国家，都存在严重的土壤镉污染现象，而我国涉及11 个省25 个地区，约1.3×104hm2的耕地土壤也面临着同样的问题[2]。在诸多修复土壤镉污染的技术中，植物修复因其安全性高、经济效益与生态效益俱佳的特点而受到了广泛的关注。关于修复植物种类的研究则大多集中于超富集植物，而对于高生物量的非超富集植物的研究则相对较少。生物质高粱Sorghum dochna(Forssk.)Snowden作为一种杂交的禾本科植物，具有高生物量、高耐性的特点，目前已有学者将其应用于土壤镉污染修复，并取得了一定的成果[3-4]。

然而，单一的植物修复效率十分有限，为了强化植物修复土壤重金属的能力，螯合诱导技术被提出并受到广泛研究[5]。以EDTA 为代表的螯合剂能够有效提高植物对土壤镉的修复能力，然而大部分重金属螯合物不易降解，会向深层土壤及地下水迁移，存在潜在的生态风险[6]。为解决这一问题，寻找可降解且有效的螯合剂成为了一个新的研究方向。有研究表明：聚天冬氨酸（PASP）是一种水溶性氨基酸聚合物，具有较好的生物相容性和可降解性，是一种用途广泛的“绿色”化学品[7]。已有研究表明PASP 可以有效螯合土壤中的重金属[8]。但高浓度的PASP 容易对植物产生毒害作用，减少植物的生物量，对植物的修复效率产生负面影响[9]。植物激素α-萘乙酸（NAA）是一种广谱植物生长调节剂，能促进细胞分裂与增大，提高植物的生物量并缓解重金属和螯合剂对植物的胁迫作用[10]。本试验将PASP 及NAA 两种外源物质施用于生物质高粱，探究二者对生物质高粱萃取镉效果的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用土壤取自湖南省湘潭市麦子石村（113°02′55.37E，27°74′24.99N）某重金属污染区域的表层（0～20 cm）耕地土壤，土壤基本理化性质如表1所示。供试植物为‘阿尔托2 号’生物质高粱，由隆平耕地修复技术有限公司提供。供试试剂为可生物降解螯合剂 PASP 和生长激素NAA，均由河南黑森林生物科技有限公司提供。

表1 土壤基本理化性质Table 1 Basic properties of the tested paddy soil

1.2 试验方法

1.2.1 PASP 和NAA 对生物质高梁镉萃取的影响

试验以盆栽的方式进行，土壤取回后自然风干并剔除土壤中硬块、石头、植物根茎等杂物，再将土样磨碎混匀后准确称取15 kg 土样与史丹利15-15-15 混合肥100 g 混合装入高300 mm、宽350 mm、长为900 mm 的绿色无盖的长方形塑料盆中，淋入蒸馏水使土壤含水率保持田间持水量的70%，平衡1 周后，播种生物质高粱种子于盆内，3 颗/穴，共播5 穴，播种深度约3 cm，于三叶期时选择长势接近的植株，间苗1 株/穴。螯合剂PASP 设置5 个浓度：1、3、5、7、9 g·L-1；植物激素NAA 设置4 个浓度：5、10、15、20 mg·L-1。具体添加方式为：PASP 于生物质高粱播种后当天，以水溶液的形式均匀淋入盆内，用量为2 L/盆，此后每隔7 d 重复1 次，以蒸馏水为对照；NAA于长齐5 叶前后在晴天中午无风或风力较小的情况下以水溶液的形式进行叶面喷施，每株20 mL，均匀喷施于叶片正反面，以喷施蒸馏水为对照，隔天喷施1 次，共喷3 次。各处理组视土壤墒情浇灌蒸馏水，每组设置3 个重复。

1.2.2 PASP-NAA 组配联用对生物质高梁镉萃取影响

在单因素试验的基础上，以镉积累量为选取标准，选取各自具有代表性的浓度进行组配试验，两种物质施加方法均同1.2.1，每组设置3 个重复。

1.3 样品采集与分析

单因素试验于生物质高粱播种后第30 天采集植物全株样品，组配试验于生物质高粱4 个生育期（苗期、拔节期、灌浆期、成熟期）采集植物全株样品。植物样品采集后，先用自来水冲洗，再用蒸馏水冲洗，最后用去离子水冲洗干净。之后晾干样品，将样品放入烘箱于105℃下杀青30 min，70℃下烘干至恒质量，先称其干质量，再粉碎后装袋用于指标测定。植物镉全量采用干灰化法处理，用火焰原子分光光度计进行测定。

1.4 数据处理

采用OriginPro 8.5 软件对数据进行处理及作图，采用SPSS 17.0 软件进行单因素方差分析及其差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 PASP 对生物质高粱萃取镉效果的影响

PASP 处理对生物质高粱生物量的影响如图1所示。当PASP 浓度为5 g·L-1时，其株干质量达到最大值3.79 g，相比对照组的3.36 g 增加了12.07%；当PASP 浓度为7 g·L-1时，根干质量达到最大值0.56 g，相比对照组的0.52 g 增加了7.69%。在一定浓度范围内生物质高粱的株干质量随PASP 添加量的增加而增加，当PASP 浓度达到一定程度时，株干质量呈现降低趋势；而PASP 对于生物质高粱根干质量的影响整体趋势与株干质量类似，但影响不如株干质量显著，且各处理组与对照相比以及组间均没有显著性差异（P＜0.05），这说明PASP 对于植物的生物量增益主要体现在地上部。综上，PASP 处理对生物质高粱的生长有促进作用，提高了生物质高粱的生物量。

图1 PASP 对生物质高粱干质量的影响Fig.1 Effects of PASP on dry weight of Sorghum dochna(Forssk.) Snowden

如表2所示，在施用一定浓度的PASP 后，生物质高粱地上部和地下部的Cd 含量均有所增加。PASP 施加浓度为7 g·L-1时地上部Cd 含量达到最大值3.12 mg·kg-1，相比对照组增加了67.26%，其变化规律表现为在先随PASP 施加浓度增加而升高，再逐渐趋于稳定；地下部镉含量在PASP 施加浓度为5 g·L-1时达到最大值3.55 mg·kg-1，相比对照组增加22.84%，当PASP 浓度＞5 g·L-1时，地下部镉含量出现了轻微的下降趋势。植物萃取镉的效果由镉积累量来衡量，结果显示：各处理组的镉积累量均显著高于对照组，当PASP 施加浓度为5 g·L-1时，镉积累量达到最大值11.43 ug/株，相比对照组增加60.08%，当浓度继续增加时，萃取镉能力出现了下降，这主要是由于生物量降低所造成。综上所述，施加PASP 能有效提高生物质高粱萃取镉的效果。

表2 PASP 对生物质高粱镉含量和镉积累量的影响Table 2 Effects of PASP on cadmium content and accumulation in Sorghum dochna (Forssk.) Snowden

2.2 NAA 对生物质高粱萃取镉效果的影响

NAA 对生物质高粱萃取镉效果的影响如图2所示，4 个浓度的NAA 处理下的生物质高粱的株干质量均大于对照组。其中10、15 mg·L-1的NAA 处理相比对照组有显著性差异（P＜0.05）。10 mg·L-1的NAA 处理组株干质量达到最大值，为3.75 g，较对照组提升9.62%，但当NAA 喷施浓度达到15 mg·L-1时，植物的株干质量有下降趋势。各处理组生物质高粱的根干质量较对照组也有一定的增加，但趋势与株干质量不同，在4 个浓度的NAA 处理下，生物质高粱的根干质量随NAA 浓度的增大而增加，在15 和20 mg·L-1处理下生物质高粱的根干质量较对照组有显著性差异，当NAA 浓度达到20 mg·L-1时，生物质高粱根干质量达到0.64 g，相比对照组增加25.49%。总之，NAA 处理对生物质高粱的生长有促进作用，提高了生物质高粱的生物量，且对地下部生长的促进作用较地上部更好；但高浓度时的促进作用不如中低浓度时明显，且生物量较中低浓度处理时出现下降，有抑制生物质高粱生长的趋势。

图2 NAA 对生物质高粱干质量的影响Fig.2 Effects of NAA on dry weight of Sorghum dochna(Forssk.) Snowden

NAA 对生物质高粱镉含量及镉积累量的影响如表3所示。其中各处理组地上部镉含量均高于对照组，但变化规律不明显，且各处理间无显著性差异。在NAA 施加量为10 mg·L-1时，地上部镉与地下部含量均达到最高，分别为2.21 和3.47 mg·kg-1相比对照组分别提高了17.55%、18.83%。但总体趋于平稳，当NAA 达到20 mg·L-1时，植株地下部镉含量稍有降低。各处理组的积累量较对照组均有显著提高。镉积累量随NAA 浓度的增加先升高后降低，在NAA 浓度为10 mg·L-1时积累量最高，达到9.27 ug/株，相比对照提高32.24%。由此可见。施加NAA 对生物质高粱地上部和地下部的镉萃取均有一定的促进效果，但规律有所不同。

表3 NAA 对生物质高粱镉含量和镉积累量的影响Table 3 Effects of NAA on cadmium content and accumulation in Sorghum dochna (Forssk.) Snowden

2.3 PASP 与NAA 组配调控对生物质高粱萃取镉效果的影响

以全株镉积累量为选取依据，在PASP 组中按镉积累量高中低选出3 个浓度：1、5、9 g·L-1，在NAA 组中按镉积累量高低选出两个浓度：5、10 mg·L-1，并将两种物质组配进行试验，组配试验如表4所示。

表4 组配试验Table 4 Composite test

PASP 与NAA 组配联用对生物质高粱株干质量的影响如表5所示，生物质高粱在全生育期各处理组的株干质量均相对于对照组有所增加，且PASP 与NAA 组配联用的各处理组株干质量均大于单独施用相同浓度的PASP 或NAA 处理组的株干质量。在成熟期时的所有处理组中，P2N2 组（5 g·L-1PASP+20 mg·L-1NAA）株干质量达到最大值96.39 g，相比对照提高了37.8%，比单独施用5 g·L-1PASP 的处理提高了13.70%，比单独施用20 mg·L-1NAA 的处理提高了25.99%。总之，PASP 与NAA 组配对生物质高粱的生长有显著的提升，显著提高了生物质高粱在成熟期时的生物量。

表5 PASP 与NAA 组配联用对生物质高粱株干质量的影响Table 5 Effect of PASP and NAA coupling on dry weight of Sorghum dochna (Forssk.) Snowden

如表6所示，生物质高粱地上部镉含量总体上呈现出成熟期＞灌浆期＞苗期＞拔节期的趋势。成熟期时，在所有处理组中，P3N1（9 mg·L-1PASP+10 mg·L-1NAA）处理组的地上部镉含量最高，达到5.13 mg·kg-1，较对照组提高了80.63%。比单独施用9 mg·L-1PASP 的处理组提高了11.04%，比单独施用10 mg·L-1NAA 的处理组提高了79.37%。总之，PASP 与NAA 组配联用的处理组比单独施用PASP的处理组稍有提升，比单独施用NAA 时有明显提升，当PASP 浓度相同时，不同NAA 浓度的组配处理组之间没有显著差异，这也与前期实验中的研究结论相一致，即NAA 对生物质高粱地上部富集效果有提升，但不随浓度增加而增大。而生物质高粱地下部镉含量总体上呈现出成熟期＞灌浆期＞拔节期＞苗期的趋势，这与地上部的镉含量变化趋势有所不同。成熟期时，在所有处理组中，P3N1（9 mg·L-1PASP+10 mg·L-1NAA）处理组地下部镉含量最高，相比于对照组提高了78.74%，相比单独施用9 mg·L-1PASP 和10 mg·L-1NAA 的处理组分别提高了5.60%、62.33%。总的来说，组配联用的处理组相较于单独的PASP 或NAA 的处理时对地下部镉含量的影响与地上部镉含量的影响基本一致，即不同浓度的NAA 处理差异不显著，这也反映出NAA 对于PASP 与NAA 组配生物质高粱萃取镉效果这一体系的影响主要是以增加生物量为主，同时在一定程度上增加了生物质高粱的镉含量。综上，PASP 与NAA 组配联用对于生物质高粱地上部和地下部富集镉的能力都有促进作用。

表6 PASP 与NAA 组配联用对生物质高粱镉含量的影响Table 6 Effect of PASP and NAA coupling on cadmium content of Sorghum dochna (Forssk.) Snowden mg·kg-1

如图3所示，其中5、9 g·L-1PASP 和10、20 mg·L-1NAA 组配联用处理下，生物质高粱的镉积累量较高，且相对于其余所有处理组都有显著性差异（P＜0.05）。P2N2（5 g·L-1PASP+20 mg·L-1NAA）处理下，生物高粱的镉积累量达到最高值543.57 ug/株，且相比于其余3 个高积累量组有显著差异，较对照提高156.65%。较单独施用5 g·L-1PASP 提高32.05%，较单独施用20 mg·L-1NAA 处理提高124.85%。总体来说，不同浓度的PASP 和NAA 组配联用对于生物质高粱镉积累量有不同程度的促进作用，且都高于单独施用时的镉积累量。由此可见，PASP 与NAA 组配联用对于生物质高粱镉积累量有显著影响。

图3 PASP 与NAA 组配联用对生物质高粱镉积累量的影响Fig.3 Effect of PASP and NAA coupling on cadmium accumulation of Sorghum dochna (Forssk.) Snowden

3 结 论

1）PASP 和NAA 在单独施用时，都能在不同程度上提高生物质高粱的生物量并提升镉富集浓度，增加了生物质高粱的镉积累量，但两种物质在达到一定浓度时，无论是生物量还是镉富集浓度都不随施用浓度的升高而升高，镉积累量随浓度增加呈现先升高后降低的趋势。

2）PASP 与NAA 组配联用后可以进一步提高生物质高粱的生物量并提升镉富集浓度，从而使生物质高粱的镉积累量较单独施用时更高，显著增强了生物质高粱萃取镉的效果。

4 讨 论

PASP 能够强化生物质高粱修复重金属污染的能力，主要是因为PASP 能够与土壤中的重金属形成水溶性螯合物，使重金属从残渣态转变为有效态，提高了重金属的生物有效性，从而强化了生物质高粱对于重金属的富集能力[11]。本研究表明在PASP 处理下，生物质高粱地上部、地下部的镉含量都有一定程度的提高，这与胡亚虎等[12]研究结论类似。但在高浓度PASP 的处理组中，生物质高粱的地上部和地下部的镉含量都趋于稳定，并未随PASP 浓度的升高而增加，这可能是因为生物质高粱富集镉达到一定浓度时，会对其出现毒害作用，植物由于其自我保护机制，限制了环境中镉向植物根部的转移。实验研究也显示了在PASP的作用下，生物质高粱的生物量有所提高，这与前人将PASP 应用于其他植物上所得出的研究结论相一致[13]。有研究表明镉胁迫会对植物的光合作用造成负面影响，降低植物的生物量[14]。PASP 可以在一定程度上缓解镉对植物的胁迫[15]，提高土壤中的养分含量[16]，促进植物的生长发育，这是PASP 能够强化生物质高粱修复重金属污染的另一重要原因。若植物生长状况较差，生物量低，则其吸收重金属的量少；若植物吸收了较多的重金属，则重金属的毒害作用将使植物生长状况不佳。本研究表明了PASP 在螯合重金属的同时，促进植物的生长，增加了植物对重金属的吸收，在PASP的作用下，生物质高粱的镉积累量相对于对照组有明显提升。

NAA 对生物质高粱萃取镉效果影响的实验结果表明，一定浓度NAA 的施用可以促进植物生长发育，有效提高生物质高粱的生物量，这与前人的研究结果大致相同[17-18]。生物质高粱的生物量随NAA 浓度升高先增加后减少，这可能由于过高浓度的植物激素干扰正常的蛋白质和核酸代谢过程，从而使植物生长减缓[19]。本实验同时发现，在NAA 的作用下，生物质高粱体内的镉含量也有一定程度的提高。有学者指出，生长激素参与了重金属通过质外体向细胞质流动的机制，当生长素与植物组织接触时，通过对细胞受体的作用，从而启动了H-ATPase，导致了质外体的酸化以及细胞质的碱化[20]。由H-ATPase 活性在质膜造成的电化学梯度导致了阳离子通道的打开或者启动了质膜上的阴离子转运蛋白，最终导致金属阳离子的入流。这可能是植物激素的施用对促进植物富集重金属具有促进效果的机制，也说明施用植物激素具有促进植物富集重金属的潜力。

可降解螯合剂PASP 和植物激素NAA 组配联用时，植物的生物量均高于单独施用时的生物量。在单独施用NAA 时，高浓度的NAA 对生物质高粱的生长表现出一定的抑制效果，生物量有降低的趋势；而NAA 与螯合剂PASP 组配联用时，在PASP 相同浓度条件下，高浓度NAA 表现出的对生物质高粱生长的促进效果却强于低浓度的NAA。这表明在螯合剂和植物激素组配联用下，因植物激素浓度的所造成的生物量的变化规律会与单独施加植物激素时有所不同，而关于这一观点，目前尚未有研究提出，其机理也有待进一步深究。在PASP 和NAA 组配联用下，生物质高粱富集镉的浓度和实际萃取镉的效果也较单独施用时更为显著，这表明了二者联用对于生物质高粱萃取镉效果可能存在一定的耦合作用。也说明了在一定条件下，螯合剂-植物激素组配联用能够强化植物对于土壤重金属的修复，这与本研究的预想基本一致。