張曉東+熱沙來提·買買提+劉志剛

摘要：采用盆栽試驗研究了薺菜（Capsella bursa-pastoris）對不同水平鎘（Cd）和鉛（Pb）污染的耐性及富集效應，并施加不同水平螯合劑初步探討薺菜凈化重金屬污染的應用潛力。結(jié)果表明：（1）在低水平Cd和Pb處理時對薺菜株高、干質(zhì)量和葉綠素含量等有輕微的促進作用，而高水平Cd和Pb處理時則對其有抑制作用，在土壤Cd和Pb添加量為 150 mg/kg 時，薺菜的株高、干質(zhì)量和葉綠素含量達到最大；（2）薺菜植株中脯氨酸含量隨Cd和Pb添加量的增加而增加，當土壤Cd和Pb含量為250 mg/kg時，薺菜體內(nèi)脯氨酸含量達到最高，分別比對照組增加了16.13倍和18.41倍；（3）薺菜體內(nèi)重金屬含量大小均表現(xiàn)為：地下部>地上部，各部位重金屬含量均隨著土壤重金屬添加量的增加呈增加趨勢；（4）薺菜不同部位Cd和Pb含量與不同水平處理Cd和Pb濃度之間的回歸方程均達到極顯著水平（P<0.01），說明了添加重金屬后土壤中重金屬能被植物有效吸收，并且各部位對重金屬的吸收主要依賴于土壤中重金屬含量；（5）薺菜具有修復Cd和Pb污染土壤的潛力，對重金屬Cd和Pb的吸收富集表現(xiàn)出較為一致的特點，但相比之下，薺菜對土壤中Pb的吸收富集能力強于Cd；（6）薺菜地上和地下部Cd和Pb含量隨著螯合劑濃度的增加而逐漸增加，說明了添加螯合劑能明顯提高薺菜對土壤中Cd和Pb的轉(zhuǎn)運和吸收。

關(guān)鍵詞：薺菜；土壤重金屬；Cd污染；Pb污染；植物修復

中圖分類號： X171.4

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0477-05

隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中各種含有重金屬的農(nóng)藥和化肥大量使用、城市生活污水和垃圾處理不當以及工業(yè)三廢的不合理排放，導致土壤重金屬污染問題日趨嚴重[1-2]。土壤重金屬元素通過食物鏈危及人類的生命和健康，重金屬污染土壤的修復和治理成為全球面臨的一個亟待解決的環(huán)境問題[3]。鎘（Cd）和鉛（Pb）是毒性較強的重金屬元素，在土壤中具有積累、穩(wěn)定和不易分解等性質(zhì)，通過在食物鏈中積累對人體及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴重危害[4]。植物提取是利用植物將土壤中的重金屬吸收、轉(zhuǎn)移到植物的可收獲部分，通過收獲植物來減少土壤重金屬含量，是目前研究最多并且最有發(fā)展前景的一種植物修復技術(shù)[2，5]。目前較為完善的土壤Cd和Pb污染治理技術(shù)主要通過植物修復，利用超富集植物吸收土壤中大量富集重金屬，通過定期收割植物，將重金屬元素從土壤中帶走以達到清除土壤污染的目的[6]。就目前研究成果來看，尋找對重金屬具有較高吸收能力同時又能夠耐受重金屬毒性的植物成為植物修復技術(shù)的關(guān)鍵[2，5]。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界發(fā)現(xiàn)了超過400種超富集植物，我國陸續(xù)報道的超富集植物有蜈蚣草（富集As）、東南景天（富集Zn）、商陸（富集Mn）、龍葵（富集Cd）等[1-2，6]。大多數(shù)超富集植物植株矮小、生長緩慢、生物量低且沒有太多經(jīng)濟效益，這些因素限制了植物修復技術(shù)的廣泛應用[7]。因此，選擇生物量高、對重金屬吸收能力強、具有經(jīng)濟效益的植物（如薺菜、玉米、豌豆、大麥、蕎麥、薺菜和白菜等，主要針對蔬菜），促進土壤中重金屬的溶解、運輸和轉(zhuǎn)移，提高其修復效率已經(jīng)成為當前該領(lǐng)域研究的新熱點。

十字花科蕓薹屬植物中有很多種基因型具有較強的吸收富集重金屬的特性。其中薺菜又名地菜，俗稱“百歲羹”，生活期短、地上生物量大、經(jīng)濟價值高[8-9]。有資料表明某些薺菜具有修復Cd和Pb污染土壤的能力，且在污染條件下具有高生物量，如果它們對重金屬也具有較強的吸收富集能力，那么將其作為特色經(jīng)濟植物用于土壤重金屬修復具有重要的實用價值和經(jīng)濟意義[8，10]。印度薺菜是通過雜交產(chǎn)生的薺菜新品種，地上部生物量較大，如果它對重金屬也具有較強的吸收富集能力，那么將其作為修復植物用于重金屬污染土壤的修復具有重要的實際意義[2，5]。有鑒于此，本研究通過盆栽土培試驗法研究了土壤不同濃度重金屬Cd和Pb污染下印度薺菜的生長和累積效應及其對重金屬Cd和Pb污染土壤的修復潛力，并對螯合劑輔助下薺菜的修復效果進行了初步的探討，以期為受Cd和Pb污染土壤的修復提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試供材料

供試土樣為采自新疆巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學院生物工程學院周邊的農(nóng)田潮土（表層），自然風干后混合均勻，除去雜物，過2 mm篩，室溫保存?zhèn)溆谩Ｍ寥阑纠砘再|(zhì)為：pH值 8.3（水土比為2.5 ∶1），有機質(zhì)15.29 g/kg，全氮1.23 g/kg，全磷0.94 g/kg，全鉀3.58 g/kg，有效氮62.31 mg/kg，有效磷42356 mg/kg，有效鉀1.78 mg/kg，Cd含量12.78 mg/kg，Pb含量38.25 mg/kg，供試植物為薺菜（Capsella bursa-pastoris），2013年購于新疆農(nóng)業(yè)科學院。

1.2 試驗方法

采用直徑30 cm、高度40 cm帶有托盤的塑料盆進行土培試驗，每盆盛裝5.0 kg風干土樣，根據(jù)薺菜生長需求配制底肥：尿素、磷酸二氫鉀和硫酸鉀分別為1 500、350、300 mg/kg。以分析純CdCl2·2.5 H2O作為Cd污染試劑，PbCl2·2.0 H2O作為Pb污染試劑，去離子水配成母液，逐級稀釋配成溶液，其質(zhì)量濃度分別為0、50、100、150、200、250 mg/kg，共6個處理，每個處理3個重復（每盆作為1個重復），共36盆，將配制好的試劑分別噴灑到盆栽試驗的土壤中，充分攪拌保證Cd和Pb均勻分布，同時，保持土壤濕度為田間持水量的60%～70%，在溫室中穩(wěn)定3周，溫室中控制溫度為 25～40 ℃，空氣濕度25%～46%。

2014年3月中旬，在生物工程學院溫室大棚中選取生長健壯、長勢和個體大小一致的薺菜幼苗分別移栽至塑料盆中，每盆控制5～8株。薺菜在溫室的大棚自然光照下生長，定期以稱質(zhì)量法加自來水（pH值 7.6，水中未檢出Cd2+和Pb2+）澆灌保證其健康生長，待幼苗移栽生長40 d后測定株高，同時采集葉片測定葉綠素、游離脯氨酸含量，然后挖取每個塑料盆中的2～3株薺菜，洗凈晾干整個植株（分為地上部和地下部），105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒質(zhì)量，電子天平稱取地上和地下部分干質(zhì)量（精確到0.01 g），烘干植物樣品粉碎過30目篩，用于測定重金屬Cd和Pb含量，四分法采集每個塑料盆土壤（0～20 cm）測定土壤中Cd和Pb含量；50 d后添加螯合劑（0、2、4、6、8、10、12、14、16 mmol/kg）進行螯合強化試驗，螯合劑為：EDTA+乙酸（濃度比2 ∶1，pH值 4.2），加入螯合劑15 d后收獲所有植株，按照上述步驟測定植株各部分重金屬Cd含量。

1.3 測定指標

1.3.1 植物生長及生理指標 卷尺測定株高；移栽40 d后烘干稱質(zhì)量法測定單株地上和地下部分干質(zhì)量；采集部分新鮮葉片，80%丙酮提取，分光光度法測定葉綠素含量；氨基水楊酸酸性茚三酮比色法[11]測定游離脯氨酸。

1.3.2 植物及土壤樣品Cd含量測定 稱取粉碎后的植物或者土壤樣品0.2 g放在聚四氟乙烯消解罐中，1 mL蒸餾水潤濕后加入混合酸（HNO3和HClO4體積比為5 ∶1）6 mL，新儀MDS6型微波消解儀消解，消解后的樣品經(jīng)加熱趕酸后蒸餾水定容到25 ml，日立Z-5000型原子吸收分光光度計測定其中的Cd和Pb含量（測定條件為波長283.3 nm，狹縫寬 1.3 nm，燈電流9.0 mA，空氣流量15.0 L/min，燃氣流量 2.2 L/min，測量器高度7.5 mm）。

植物體內(nèi)Cd/Pb含量富集系數(shù)（BCF）= 地上部重金屬含量/土壤重金屬含量×100%[12-13]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和SPSS 17.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和檢驗，單因素方差分析（One-way ANOVA），顯著性用Tukey法，經(jīng)SPSS 17.0最佳曲線擬合，篩選出擬合度最大的曲線分析薺菜對土壤Cd和Pb的吸收規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 薺菜對Cd和Pb污染的抗耐性

由圖1可知，土壤添加外源Cd和Pb在一定程度上影響了薺菜的生長，其中，土壤添加外源Cd和Pb對薺菜生長表現(xiàn)出一致的規(guī)律，當土壤Cd和Pb處理水平高于150 mg/kg時，薺菜逐漸出現(xiàn)了植株矮小、葉片失綠、脫落等癥狀，但并沒有死亡。不同水平Cd和Pb處理薺菜的株高和干質(zhì)量均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，其中，Cd和Pb濃度高于 150 mg/kg 時，薺菜株高、地上部和地下部干質(zhì)量急劇降低，此時Cd和Pb對薺菜的生長表現(xiàn)出顯著抑制作用；Cd和Pb濃度低于150 mg/kg時，薺菜株高、地上部和地下部干質(zhì)量則緩慢增加，局部有所波動。當Cd濃度達到150 mg/kg時，薺菜株高、地上部和地下部干質(zhì)量分別比相應對照增加了468%、5.07%和18.70%；當Pb濃度達到150 mg/kg時，薺菜株高、地上部和地下部干質(zhì)量分別比相應對照增加了628%、3.18%和12.17%，地下部干質(zhì)量反應最為敏感。綜合顯示低水平的Cd和Pb對薺菜的生長有促進作用，這可能是Cd和Pb重金屬的加入促使其他必需營養(yǎng)元素的離子更為有效所致，高濃度的Cd和Pb重金屬抑制了薺菜的生長，從生長特征來看，相同濃度情況下，Pb處理下的薺菜生長指標明顯低于Cd處理，表明了薺菜對重金屬Cd和Pb毒害有較強的抗耐能力，而土壤Pb對其影響較大。

2.2 Cd和Pb污染對薺菜葉綠素和脯氨酸的影響

葉綠素是植物進行光合作用的重要物質(zhì)，其含量的多少直接標志著植物生長能力的強弱[11]。脯氨酸是植物細胞內(nèi)最重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，在正常環(huán)境下生長的植物體內(nèi)脯氨酸含量較低，但在干旱、高鹽、高溫、冰凍、紫外線以及重金屬等脅迫條件下，脯氨酸含量可顯著增加，因此可將二者作為薺菜對重金屬污染的耐性指標[14]。由圖2可知，土壤添加外源Cd和Pb在一定程度上影響了薺菜葉片的生理特性，其中，土壤添加外源Cd和Pb對薺菜生理特性表現(xiàn)出一致的規(guī)律。不同濃度Cd和Pb處理下薺菜葉綠素a和葉綠素b含量均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，其中，Cd和Pb濃度高于150 mg/kg時，薺菜葉綠素a和葉綠素b含量急劇降低，此時Cd和Pb對薺菜表現(xiàn)出顯著抑制作用；Cd和Pb濃度低于150 mg/kg時，薺菜葉綠素a和葉綠素b含量則緩慢增加，局部有所波動。當Cd濃度達到150 mg/kg時，薺菜葉綠素a和葉綠素b含量分別比相應對照組增加了16.53%和19.61%；當Pb濃度達到150 mg/kg時，薺菜葉綠素a和葉綠素b含量分別比相應對照增加了16.81%和19.15%。不同濃度Cd和Pb處理下薺菜脯氨酸含量均表現(xiàn)出增加趨勢，其中，Cd和Pb濃度高于150 mg/kg時，薺菜脯氨酸含量急劇增加，隨著重金屬濃度的增加，其增加幅度逐漸增大。當Cd濃度為250 mg/kg時，與對照相比，Cd處理下薺菜脯氨酸含量增加了16.13倍；Pb處理下薺菜脯氨酸含量增加了 18.41 倍。

2.3 Cd和Pb污染下薺菜植株重金屬及其積累作用

植物修復被重金屬污染土壤的綜合指標是凈化率（修復效率），即植物地上部吸收某種重金屬的量與土壤中此種重金屬總量的百分比[12-13]。由表1可知，薺菜地上部Cd濃度為9.14～92.15 mg/kg，為對照的4.8～58.69倍，地下部Cd濃度為15.19～121.57 mg/kg，為對照的7.48～59.89倍，Cd含量依次表現(xiàn)為土壤>地下部>地上部；薺菜地上部和地下部Cd含量均隨著Cd處理水平增加呈增加趨勢，并且均顯著高于對照（P<0.05），薺菜對Cd的富集系數(shù)隨著Cd處理水平增加而基本呈增加趨勢，當Cd的添加量高于 50 mg/kg 時，薺菜對Cd的富集系數(shù)最大（11.67%）。由表2可知，薺菜地上部Pb濃度為28.56～63.45 mg/kg，為對照組的1.31～413倍，地下部Pb濃度為68.37～327.59 mg/kg，為對照的1.66～11.76倍，Pb含量依次表現(xiàn)為土壤>地下部>地上部；薺菜地上部和地下部Pb含量均隨著Pb處理水平增加呈增加趨勢，并且均顯著高于對照組（P<0.05），薺菜對Pb的富集系數(shù)隨著Pb處理水平增加而基本呈增加趨勢，當Pb的添加量高于50 mg/kg時，薺菜對Pb的富集系數(shù)最大（18.22%）。

2.4 Cd和Pb重金屬污染下薺菜的吸收效應

為揭示Cd和Pb污染下薺菜對土壤Cd和Pb的吸收規(guī)律，以不同水平處理Cd和Pb濃度為自變量x，薺菜不同部位（地上部和地下部）Cd和Pb含量為因變量y，將薺菜各部位Cd和Pb含量與土壤中Cd和Pb含量之間的關(guān)系，擬合回歸方程，篩選出最佳擬合曲線（P值最?。?shù)據(jù)進行相關(guān)分析。由表3可知，薺菜不同部位Cd和Pb含量與不同水平處理Cd和Pb濃度之間的回歸方程均達到顯著性水平（P<0.01），薺菜地上部和地下部Cd含量與不同水平處理Cd濃度的相關(guān)系數(shù)分別為0.893 7**和0.882 4**，達到極顯著正相關(guān)（P<0.01）；薺菜地上部和地下部Pb含量與不同水平處理Pb濃度的相關(guān)系數(shù)分別為0.915 2**和 0.841 7**，達到極顯著正相關(guān)（P<0.01）。

2.5 螯合劑對薺菜吸收Cd和Pb的影響

由圖3可知，在不同水平螯合劑處理下的薺菜地上部和地下部Cd和Pb含量均明顯高于相應對照（0 mmol/kg），而地上部Cd和Pb含量又明顯高于同濃度的地下Cd和Pb含量。其中，不同濃度螯合劑處理下薺菜的地上部Cd含量分別比對照增加了2.48、3.10、4.62、5.86、9.43、12.19、15.57和22.14倍，地下部含Cd含量分別比對照增加了1.88、2.41、6.88、7.94、9.47、11.29、18.59和21.06倍；薺菜的地上部Pb含量分別比對照增加了3.76、5.14、7.07、8.34、10.26、16.52、19.67和23.40倍，地下部Pb含量分別比對照增加了4.45、6.24、6.68、8.34、10.05、10.87、16.42和18.37倍。相同螯合劑處理下，薺菜地上部和地下部Pb含量均高于Cd含量。

3 討論與結(jié)論

從對薺菜生長發(fā)育及其對重金屬抗耐性的研究結(jié)果來看，薺菜對不同濃度Cd和Pb污染表現(xiàn)出了一定的抗耐性[2，5]。低濃度的Cd和Pb處理對薺菜的生長表現(xiàn)促進作用，高濃度Cd和Pb處理抑制薺菜的生長，這與前人的研究結(jié)果[2，5-6]相一致。在Cd和Pb濃度較高時（≥150 mg/kg），薺菜表現(xiàn)出了植株矮小、葉片黃化等毒害癥狀，但還能夠繼續(xù)生長，濃度過高直接導致后期個別植株出現(xiàn)死亡，其中在Cd和Pb添加量為250 mg/kg時表現(xiàn)最為明顯，因此，150 mg/kg 可能是薺菜受Cd和Pb毒害的臨界濃度。從薺菜的生長特性來看，薺菜對重金屬Cd和Pb毒害具有較強的抗耐能力，綜合比較而言，Cd和Pb處理下薺菜均受到了不同程度的重金屬毒害，而受Pb的影響遠遠大于Cd，主要由于Cd和Pb元素的性質(zhì)不同，Cd在土壤中的生物活性較高，易向植物體內(nèi)轉(zhuǎn)移，而土壤對Pb的吸持能力強于Cd，在很大程度上降低了Pb污染，而提高了Pb污染對植物的直接危害[6，15-16]。由圖1可知，隨著Cd和Pb重金屬濃度的增加，薺菜地上部生物量反應較為敏感，說明薺菜能夠發(fā)揮其地上部生物量大的優(yōu)勢，并且對重金屬Cd和Pb具有較強的抗耐性，這對于修復重金屬污染土壤是非常有利的。

土壤添加外源Cd和Pb在一定程度上影響了薺菜葉片的生理特性，不同濃度Cd和Pb處理下薺菜葉綠素a和葉綠素b含量均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，其中，Cd和Pb濃度高于150 mg/kg時，薺菜葉綠素a和葉綠素b含量急劇降低，此時Cd和Pb對薺菜表現(xiàn)出顯著抑制作用，Cd和Pb濃度低于 150 mg/kg 時，薺菜葉綠素a和葉綠素b含量則緩慢增加，而不同濃度Cd和Pb處理下薺菜脯氨酸含量均表現(xiàn)出增加趨勢，這表明高濃度的Cd和Pb對薺菜葉片葉綠素造成嚴重的破壞，干擾了葉綠素的生物合成，影響了葉片的光合能力。各濃度Cd和Pb處理下薺菜葉片葉綠素b含量和葉綠素總量與葉綠素a含量的變化趨勢基本一致，但Cd和Pb對葉綠素a的影響比葉綠素b更明顯，并且薺菜葉片生理特性受土壤Pb的影響較大。當Cd和Pb濃度為250 mg/kg時，比對照相比，薺菜體內(nèi)脯氨酸含量分別增加了16.13倍和18.41倍，這也證實薺菜體內(nèi)存在對重金屬Cd和Pb脅迫的耐性機制，主要是由于脯氨酸在葉片中的積累一定程度上緩解了質(zhì)膜損傷對植物造成的危害，有利于維持植物體內(nèi)的代謝平衡，保持植物的正常生長[14]。這也證實薺菜體內(nèi)存在對重金屬Cd和Pb脅迫的耐性機制，有利于維持植物體內(nèi)的代謝平衡和正常生長。

由表1和表2可知，薺菜體內(nèi)Cd和Pb含量隨土壤Cd和Pb添加量的增加而呈上升趨勢，可能是由于十字花科植物對土壤Cd和Pb的吸收和富集上呈現(xiàn)出相一致的規(guī)律特點，而薺菜地下部含Cd和Pb增加幅度明顯大于地上部，由此可見，重金屬Cd和Pb主要積累在薺菜地下部，向莖、葉遷移累積的量相對較少，從而使富集系數(shù)隨之降低，說明了薺菜對重金屬Cd和Pb的吸收富集功能主要體現(xiàn)在地下的作用上，可能由于隨土壤Cd和Pb含量增加，其毒性也不斷增強，對植物的機能造成損害也逐漸加重，從而抑制了薺菜植株對土壤Cd和Pb的吸收及向地上部轉(zhuǎn)運的能力[2，5-6]。相比較而言，薺菜對Pb的富集效應高于Cd。本研究的結(jié)果顯示薺菜對土壤Cd的吸收能力都較強，表現(xiàn)出了超富集植物的水平（一般認為，超富集植物體內(nèi)Cd含量應達到100 mg/kg），這說明薺菜具有很強的吸收富集土壤中難溶態(tài)Cd能力，修復Cd污染土壤的應用潛力很大；但是薺菜對土壤Pb遠沒有達到超富集植物的臨界標準（1 000 mg/kg），因此在植物修復Pb污染方面的應用潛力并不大。Cd和Pb污染下薺菜對土壤Cd和Pb的吸收規(guī)律（表3）表明，薺菜地上部分Cd和Pb含量與不同水平處理Cd和Pb濃度的相關(guān)系數(shù)均達到顯著性水平（P<0.01），表明Cd和Pb添加處理后土壤中Cd和Pb能被植物有效吸收，土壤Cd和Pb含量在一定程度上代表著土壤中Cd和Pb的有效量，在這種條件下，研究土壤中重金屬Cd和Pb之間的關(guān)系，既能反映它們的植物有效性，又能說明土壤中Cd和Pb含量，具有較強的代表性，同時，植物地上部Cd和Pb含量與土壤Cd和Pb含量相關(guān)系數(shù)較高，體現(xiàn)了對土壤重金屬的依賴性。

EDTA作為最常見的螯合劑，對很多重金屬有很好的螯合作用，EDTA與乙酸混合，一方面可以增加土壤酸性，有利于植物對重金屬的吸收；另一方面，乙酸具有解毒作用，可降低重金屬離子對土壤微生物和植物的毒性[17-18]。本研究中薺菜對Cd和Pb的修復效率與超富集植物相比有較大差距，而輔助以螯合強化措施后，增強了薺菜對Cd和Pb的生物可利用性，使其移動性大大增加，表明了重金屬Cd和Pb經(jīng)過一定程度的螯合可能會降低它的生物毒性，明顯提高了對Cd和Pb的轉(zhuǎn)運效率，如果輔助于分子生物學和基因工程技術(shù)，將超富集植物的遺傳因子克隆給薺菜，并且培育重金屬積累能力強、生物量大、適應性廣的超積累植物是一種有前景的植物修復技術(shù)。

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