重金属钴富集植物的初步筛选

张 勇，李 先，邓 超，周毅吉，邵 颖，陈长钢，邹朝晖

（湖南省核农学与航天育种研究所，湖南 长沙 410125）

随着核工业的发展和核技术的广泛应用，其给全球经济带来迅速发展的同时也造成了日趋严重的环境污染问题，放射性核素及重金属污染已成为当今难以治理的重要环境问题之一[1-3]。例如：铅（Pb）、镉（Cd）、钴（Co）、铜（Cu）、锌（Zn）、汞（Hg）、铯（137Cs）、铀（U）、锶（90Sr）等重金属和放射性核素如在土壤中高度富集，将导致土壤环境恶化，影响农作物的产量和品质，严重危害土壤的生态循环，若其通过食物链进入人体，也将危害人体健康，威胁人类的生命安全[4-6]。耕地是粮食安全的载体。为了保障全球粮食安全，国内外学者十分重视污染土壤修复技术的研究。1983 年，美国科学家Chaney首次提出了植物修复技术[7]。与传统方法相比，植物修复技术以其高效、经济和绿色等优势显示出巨大的生命力[8-10]。研究发现，某些植物对重金属有超积累现象[11-14]。这一发现促进了植物修复技术的发展。近年来，我国许多科研人员开展了超积累重金属植物的筛选，取得了一系列的成果[15-19]。因此，寻求在不同环境条件下对重金属污染有净化效果的植物成为该领域的研究热点。

钴是人和动物必需的微量元素之一，是参与和构造维生素B12（VB12）特定结构的元素[20]。但是高浓度的钴明显抑制植物生长发育，钴含量高的农产品也会损害人和动物的健康[21-23]，因此土壤中钴污染越来越受到人们的关注，成为迫切需要解决的问题。该试验以一年生或多年生的植物为材料，研究其在钴污染土壤中种植时对钴的富集作用，筛选出钴富集能力强的植物，为利用植物修复重金属钴污染土壤提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用的花卉购于长沙市红星花卉市场，季节性蔬菜种子由湖南省蔬菜研究所提供，草本植物及木本植物采于长沙市周边山区，一共有96 种参试植物。供试土壤为第四纪红土发育红黄泥，来源于湖南省农业科学院院内试验田，有机质24.3 g/kg，全氮1.42 g/kg，碱解氮178.5 mg/kg，有效磷25.4 mg/kg，速效钾237.4 mg/kg，pH 值5.3。土壤经充分粉碎、过4 mm 筛，混匀后，装入内径26 cm、高30 cm 的瓷盆内，每1 kg 土壤加50 mg 钴，充分混合，每盆装土10 kg，逐层装土灌水，让土壤自然沉实。每盆施复合肥10 g作为基肥。

1.2 试验设计

试验于2021 年1—12 月在湖南省核农学与航天育种研究所网室中进行。采用盆栽法，移栽植物时，先用自来水将根系表面的泥土冲洗干净，剪除损伤的烂叶、烂茎、烂根，操作时不损伤根系，再用去离子水小心冲洗，除去表面的重金属，防止干扰元素影响试验结果。将洗净后的植物种植于装有重金属钴污染泥土的瓷盆中。每个品种植物为1 个处理，重复3 次，以种植于未加钴元素瓷盆中的植物为对照。所有处理置于网室中，降雨时盖上防雨塑料，待雨停后马上移开。

1.3 测定方法

1.3.1 植株取样及干重测定供试植物网室培养结束后，参考Green 等[24]的方法将植株连带栽培土壤整体取出浸入水中，清洗干净根部泥土，获得完整根系。然后将植株分为地上部和根系2 部分，先后分别用自来水和蒸馏水清洗干净，编号装入牛皮纸袋。105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重，分别测定根系和地上部的干重。使用粉碎机粉碎过0.3 mm 筛后保存待用。

1.3.2 钴含量测定称取粉碎后的烘干样0.500 g（样品以实际测得数值为准），采取HNO3-HClO4（体积比4 ∶1）混合酸湿法消化，采用Hanon220s 石墨消解仪消化完全后定容至25 mL 容量瓶，再采用原子吸收分光光度计（Varian spectrum AA220）用火焰吸收法测定钴含量。

1.4 数据处理及分析

采用Excel2010 软件进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 试验期间各参试植物形态特征的变化

钴处理下，96 种植物都能成活，没有出现枯死现象，表明这些植物对中度钴污染的土壤有一定的耐受性。但是不同植物对钴污染的敏感性不同，其中60%的植物生长发育受到不同程度的抑制，生物量比对照有所减少，部分达到显著差异（P＜0.05），如香菇草、丝瓜、红掌、毛竹等；40%的植物生长发育受影响较少，生物量与对照没有显著差异，如彩叶草、辣蓼、苍耳等。因此，不同基因型的植物对钴污染的敏感性存在较大的差异。

2.2 参试草本植物体内的钴含量

钴虽对植物有毒性作用，但植物对钴也有一定的吸收积累能力，并且这种能力由于各植物对钴的吸收、转运能力不同而呈现出一定的差异。由表1可知，在钴胁迫处理下，34 份草本植物地上部钴含量、地下部钴含量表现出不同的变化趋势及程度；地上部钴含量最高的为19 号辣蓼，可达67.75 mg/kg，最低的为14 号香菇草，仅为0.68 mg/kg，辣蓼地上部的钴含量是香菇草的近100 倍，参试草本植物地上部钴含量平均值为14.39 mg/kg；各草本植物地下部钴含量最高的是18 号革命草，达134.25 mg/kg，最低的为31 号灯心草，仅为4.23 mg/kg，革命草地下部钴含量是灯心草的32 倍，参试草本植物地下部钴含量平均值为46.21 mg/kg。由此可以看出，在钴胁迫环境下，参试草本植物地上部钴含量显著低于地下部含量，以19 号辣蓼地上部及地下部的钴含量均较高，可能为钴的富集植物，需做进一步研究。

表1 参试草本植物体内的钴含量

2.3 参试南方季节性蔬菜体内的钴含量

由表2 可知，在钴胁迫处理下，20 份南方季节性蔬菜地上部钴含量、地下部钴含量差异显著（P＜0.05），同一种蔬菜地下部钴含量显著高于地上部钴含量（P＜0.05）；地上部钴含量最高的为48 号红薯，可达21.80 mg/kg，最低的是47 号丝瓜，仅0.67 mg/kg，红薯地上部钴含量是丝瓜的近33 倍，参试南方季节性蔬菜地上部钴含量平均值为7.63 mg/kg；地下部钴含量最高的也是48 号红薯，达76.45 mg/kg，最低的是41 号芹菜，仅3.16 mg/kg，红薯地下部钴含量是芹菜的约24 倍，参试南方季节性蔬菜地下部钴含量平均值为20.11 mg/kg。大部分蔬菜地上部的生物量远大于地下部，地下部及地上部的钴含量都不是很高，而且其生长发育受外界环境因素影响较大。因此，南方季节性蔬菜一般不适宜于作为钴富集植物。

表2 参试季节性蔬菜体内的钴含量

2.4 参试花卉植物体内的钴含量

从提取土壤中重金属的角度来看，地上部重金属含量并非植物修复潜力的唯一标准，植物的生长周期及生物量也是重要因素[25]。由表3 可知，22 份花卉植物在钴胁迫处理下都能生存下来，表现出对钴胁迫具有一定的耐受性，品种之间地上部及地下部钴含量差异显著（P＜0.05），同一品种地上部及地下部钴含量差异显著（P＜0.05）；地上部钴含量最高的为63 号彩叶草，可达148.75 mg/kg，最低的为64 号红掌，仅1.93 mg/kg，彩叶草地上部钴含量是红掌的约77 倍，参试花卉植物地上部钴含量平均值为25.28 mg/kg；地下部含量最高的为65 号冷水花，达169.67 mg/kg，最少的为61 号茉莉花，仅4.37 mg/kg，冷水花地下部钴含量是茉莉花的近39 倍，参试花卉植物地下部钴含量平均值为43.77 mg/kg。由此可知，彩叶草地上部钴含量较高，且生长周期较短、地上部生物量远超地下部，可能为钴的富集植物。

表3 参试花卉植物体内的钴含量

2.5 参试木本植物体内的钴含量

由表4 可知，在钴胁迫处理下，20 份木本植物经过一定时间的培养，生物量有显著的增加，表现出对钴具有一定的耐受性，品种之间地上部及地下部钴含量差异显著（P＜0.05）；地上部钴含量最高的为89 号苍耳，可达32.43 mg/kg，最低的为90 号毛竹，仅为0.19 mg/kg，苍耳地上部钴含量是毛竹的近171倍，参试木本植物地上部钴含量平均值为6.89 mg/kg；地下部钴含量最高的为81 号红豆杉，达56.42 mg/kg，最低的为80 号袖珍椰子，仅1.87 mg/kg，红豆杉地下部钴含量是袖珍椰子的30 倍左右，参试木本植物地下部钴含量平均值为15.98 mg/kg。由此可知，木本植物地上部及地下部的钴含量在所有参试植物中是最低的，地上部分钴含量最高与最低相差巨大，可能是木本植物是多年生植物，移栽时对根影响较大，恢复正常生长需要较长时间所致。

表4 参试木本植物体内的钴含量

3 结论与讨论

钴是对植物的有益的重要元素，在植物抗病、叶绿素合成和氮代谢等方面都有十分重要的作用[26]，但不同植物对钴浓度的敏感性不同，当环境中钴浓度超过植物的耐受值时则会对植物的生长产生明显的抑制作用[27]。该试验结果表明，96 种参试植物对钴胁迫均有一定的耐受性，其中60%的植物生长发育受钴浓度的影响显著（P＜0.05）），40%的植物生长发育受影响较小；另外，所有参试植物的地下部钴含量显著高于地上部（P＜0.05）），与李黎[28]对倒挂金钟、绿萝、羽叶鬼针草等植物对钴的富集规律是一致的。从不同类别植物来看，地下部钴平均含量最高是草本植物，为46.21 mg/kg，地上部钴平均含量最高是花卉植物，为25.28 mg/kg；地下部钴含量较高的植物有冷水花、彩叶草、革命草、辣蓼等，地上部钴含量较高的植物有彩叶草、冷水花、辣蓼、紫兰等。综合考虑钴对参试植物的影响以及参试植物的钴富集能力，认为彩叶草、冷水花、辣蓼等植物在钴胁迫下表现出较强的耐受性和富集能力，可能是钴富集植物，有待进一步研究验证。