孫博文,王乾鑫,楊遠(yuǎn)祥,程 章,楊占彪,朱雪梅
(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院,成都 611130)
中藥在生活中應(yīng)用廣泛,但中藥的重金屬超標(biāo)事件常見(jiàn)報(bào)道,嚴(yán)重制約中藥的出口[1]。單純的Cd或Pb 很少出現(xiàn)在自然界中,Cd、Pb 總是伴生于鉛銅鋅礦與鉛鋅礦中[2],Cd、Pb 的單一及復(fù)合污染研究有較大理論和實(shí)踐價(jià)值[3]。鄒耀華等[4]在2011 年對(duì)“浙八味”的研究發(fā)現(xiàn)有的中藥材中重金屬含量甚至超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)倍;楊春等[5]評(píng)價(jià)了黔東南州9 種中藥材重金屬污染情況,其中7 個(gè)品種重金屬超標(biāo);王牧博等[6]測(cè)定了紅花、金銀花、山楂等10 種中藥材,其中9 種中藥材超標(biāo)。趙連華等[7]統(tǒng)計(jì)出我國(guó)中藥材中重金屬污染情況中Pb、Cd、Hg、As、Cu 的超標(biāo)率分別為9.66%、26.35%、13.0%、9.32%、16.09%,Cd 是這5 種重金屬中超標(biāo)最為嚴(yán)重的金屬。重金屬問(wèn)題已成為阻礙我國(guó)中醫(yī)藥走向世界的主要問(wèn)題[8],藥材中重金屬主要來(lái)源于種植環(huán)境[9],因此準(zhǔn)確檢測(cè)和限定重金屬的量是保障人民用藥安全,促進(jìn)中藥走向國(guó)際化的關(guān)鍵[10]。李璇等[11]考察了土壤銅污染對(duì)青蒿生長(zhǎng)及青蒿素含量的影響;張旭等[12]研究了不同水平鎘污染對(duì)南板藍(lán)根中主要養(yǎng)分含量的影響影響。
近年來(lái)臨床應(yīng)用證明白花蛇舌草具有顯著的抗菌、抗病毒、抗癌療效,具有較高的醫(yī)療價(jià)值[13]。目前對(duì)白花蛇舌草的研究主要集中在生物學(xué)特性和栽培技術(shù)的研究[14],以及藥理成分和臨床應(yīng)用等方面的研究[15],而關(guān)于白花蛇舌草重金屬污染研究較少,張瑜等[16]測(cè)定了白花蛇舌草中重金屬的含量,但有關(guān)Cd、Pb 對(duì)白花蛇舌草的影響尤其對(duì)其生長(zhǎng)狀況影響的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。
鑒此,本研究采用人工控制性水培試驗(yàn),在保證質(zhì)量安全的條件下,研究Cd、Pb 單一及復(fù)合脅迫對(duì)白花蛇舌草株高、主根長(zhǎng)、生物量、葉綠素含量等生長(zhǎng)狀況的影響規(guī)律,以期摸清白花蛇舌草在重金屬污染條件的生長(zhǎng)狀況基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和質(zhì)量安全危害底數(shù),從而為白花蛇舌草安全種植提供一定指導(dǎo)。
供試植物:白花蛇舌草(Hedyotisdiffusa),種子通過(guò)集市采購(gòu)。
供試燒杯:購(gòu)買于萬(wàn)科公司,規(guī)格是500 mL,48 個(gè)。
供試定植板:購(gòu)買于萬(wàn)科公司,規(guī)格是1 cm厚,材質(zhì)為PU 海綿。
供試營(yíng)養(yǎng)液:Hoaglands(霍格蘭氏)營(yíng)養(yǎng)液,如表1,pH 值為6.0。
表1 植株培養(yǎng)液的配制表Table 1 Nutritional solution of plant culture in the experiment
1.2.1 植物材料培育
種子處理:挑選0.5 kg 籽粒飽滿的白花蛇舌草種子均勻地?cái)傇谀景迳线B曬2~3 d;將曬好后的種子用紗布包好,放在水溫30 ℃的純凈水中浸種10 h 左右;再用0.1%~1%濃度的H2O2溶液進(jìn)行消毒處理,浸泡5 h 左右。
幼苗培育:選擇肥沃、排水良好、土層較厚、土質(zhì)疏松的砂質(zhì)壤土和附近有水源的地塊為育苗地,翻地作畦,畦寬1.3 m,長(zhǎng)度約8 m,四周開(kāi)好排水溝,以利排水。于3 月中旬,按行距10 cm 播種,播前將種子按一定比例與細(xì)紗混合均勻,撒入溝內(nèi);播后覆蓋一薄層過(guò)篩細(xì)土,用細(xì)噴壺澆透,畦面上覆蓋遮陽(yáng)網(wǎng)保溫保濕。培育階段按時(shí)澆水,保持畦面濕潤(rùn),當(dāng)幼苗高達(dá)8~10 cm 時(shí),小苗帶土挖取移栽。
營(yíng)養(yǎng)液培育:將帶土的白花蛇舌草幼苗用較緩的水流洗凈,移栽至裝有適量營(yíng)養(yǎng)液的燒杯中,用定植板固定,一部分根系插入營(yíng)養(yǎng)液,一部分根系在營(yíng)養(yǎng)液面和定植板之間的空隙中氣生,每個(gè)燒杯移栽幼苗6 株,共48 個(gè)燒杯,將各燒杯放在自然條件下,燒杯之間的距離為15 cm,完全隨機(jī)擺放,在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中不定期的交換燒杯位置以減弱邊際效應(yīng)的影響。在培養(yǎng)過(guò)程中,注意保持溫度濕度,使其最適合植株的生長(zhǎng),每3 天按水培作物對(duì)養(yǎng)分的需求追加營(yíng)養(yǎng)液,注意病蟲(chóng)害及時(shí)防治,培養(yǎng)時(shí)間為20 d。
1.2.2 重金屬處理
本試驗(yàn)在保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、維護(hù)人體健康的前提下,根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的土壤限制值[17],按預(yù)先設(shè)置的濃度(表2)將各重金屬分別以CdCl2·2.5H2O、Pb(NO)3等金屬鹽用去離子水完全溶解到特定濃度后污染水培環(huán)境,模擬含有不同梯度濃度的重金屬環(huán)境,共16 個(gè)濃度,每種濃度為一組,每組設(shè)置3 個(gè)重復(fù)組,共48 個(gè)燒杯。
表2 水培試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)表Table 2 Hydroponic test treatment design mg·L-1
在重金屬污染條件下生長(zhǎng)20 d 后取植株相同部位莖葉,用蒸餾水洗凈、揩干,用于測(cè)定葉綠素含量。同時(shí)洗出根系,測(cè)定主根長(zhǎng)、地上部和地下部干重。株高及主根長(zhǎng)采用量測(cè)法[18]測(cè)定;生物量采取烘干-稱重法[19]測(cè)定;葉綠素含量采用分光光度法[20]測(cè)定。
Microsoft Excel 軟件繪制表格,用SPSS20.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析并用Origin 制作變化趨勢(shì)圖。
單一Cd 處理對(duì)白花蛇舌草主根長(zhǎng)的影響如圖1 所示。隨著Cd 處理濃度的升高,白花蛇舌草主根長(zhǎng)表現(xiàn)出先增大再減小的趨勢(shì)。當(dāng)處理水平為C2時(shí),白花蛇舌草主根長(zhǎng)顯著高于對(duì)照11.2%。當(dāng)處理水平為C3 時(shí),白花蛇舌草主根長(zhǎng)顯著低于對(duì)照21.5%。植物的根是最先接觸重金屬的部位,本研究表明Cd 對(duì)白花蛇舌草主根生長(zhǎng)影響規(guī)律:低濃度促進(jìn),高濃度抑制。
圖1 Cd、Pb 單一及其復(fù)合污染對(duì)白花蛇舌草主根長(zhǎng)的影響Figure 1 Effect of single Cd,Pb and Cd-Pb combined pollution on the root length of Herba Hedyotis
單一Pb 處理對(duì)白花蛇舌草主根長(zhǎng)的影響如圖1 所示。隨著Pb 處理濃度的升高,白花蛇舌草主根長(zhǎng)表現(xiàn)出先增大再減小的趨勢(shì)。當(dāng)處理水平為P2時(shí),白花蛇舌草主根長(zhǎng)顯著高于對(duì)照13.2%。當(dāng)處理水平為P3 時(shí),主根長(zhǎng)顯著低于對(duì)照11.3%。當(dāng)處理水平為P2 時(shí),主根長(zhǎng)達(dá)到最大值5.64 cm。本研究表明Pb 對(duì)白花蛇舌草主根生長(zhǎng)影響規(guī)律:低濃度促進(jìn),高濃度抑制。
Cd、Pb 復(fù)合污染時(shí),在同一Pb 處理中加入Cd對(duì)白花蛇舌草主根長(zhǎng)影響,如圖1 所示。處理濃度為P1 時(shí)添加Cd 處理,隨著Cd 濃度的升高,白花蛇舌草主根長(zhǎng)不斷減??;處理濃度為P2 時(shí)添加Cd 處理,隨著Cd 濃度的升高,主根長(zhǎng)分別降至對(duì)照的87.1%和78.4%;處理濃度為P3 時(shí)添加Cd 處理,隨著Cd 濃度的升高,白花蛇舌草主根長(zhǎng)先增大后減小,主根長(zhǎng)最低值降至對(duì)照68.3%??梢钥闯鯟d-Pb復(fù)合處理對(duì)主根生長(zhǎng)的脅迫作用大于單一處理。Cd、Pb 復(fù)合污染時(shí),在同一Cd 處理中添加入Pb 對(duì)白花蛇舌草主根長(zhǎng)的影響如圖1 所示。當(dāng)處理水平為C2P1、C2P2、C3P3,主根長(zhǎng)均顯著小于同一單一水平,主根長(zhǎng)最低值降至對(duì)照68.3%。
單一Cd、Pb 處理對(duì)白花蛇舌草株高的影響如圖2 所示。隨著Cd 處理濃度的升高,白花蛇舌草株高不斷減小。當(dāng)處理水平為C2 和P2 時(shí),白花蛇舌草株高顯著低于對(duì)照15.8%和13.8%。當(dāng)處理水平為C3 和P3 時(shí),白花蛇舌草株高顯著低于對(duì)照34.5%和24.8%。本研究表明單一Cd、Pb 對(duì)白花蛇舌草株高生長(zhǎng)影響規(guī)律:抑制作用隨濃度的增大而增強(qiáng)。
Cd、Pb 復(fù)合污染時(shí),在同一Pb 處理中加入Cd對(duì)白花蛇舌草株高影響,如圖2 所示。處理濃度為P1、P2、P3 時(shí)添加Cd 處理,隨著Cd 濃度的升高,白花蛇舌草株高不斷減小。Cd、Pb 復(fù)合污染時(shí),在同一Cd 處理中添加入Pb 對(duì)白花蛇舌草株高影響,如圖2 所示。處理濃度為C1 時(shí)添加Pb 處理,隨著Pb 濃度的升高,白花蛇舌草株高不斷減?。惶幚頋舛葹镃2、C3 時(shí)添加P2 處理,白花蛇舌草株高變化不顯著,添加P3 處理時(shí),株高顯著低于對(duì)照37.2%和29.8%。研究表明Cd-Pb 復(fù)合處理對(duì)株高生長(zhǎng)的脅迫作用大于同一水平的單一處理。
圖2 Cd,Pb 單一及其復(fù)合污染對(duì)白花蛇舌草株高的影響Figure 2 Effect of single Cd,Pb and Cd-Pb combined pollution on the height of Herba Hedyotis
單一Cd、Pb 處理對(duì)白花蛇舌草生物量的影響如圖3 所示。隨著Cd 處理濃度的升高,白花蛇舌草生物量呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)處理水平為C1、P1 時(shí),白花蛇舌草生物量與對(duì)照差異不顯著,當(dāng)處理水平為C2、P2 時(shí),白花蛇舌草主根長(zhǎng)顯著高于對(duì)照15.07%和17.78%。當(dāng)處理水平為C3、P3 時(shí),單一處理的生物量顯著低于對(duì)照,僅為對(duì)照的81.27%和83.23%。本研究表明單一Cd、Pb 對(duì)白花蛇舌草生物量生長(zhǎng)影響規(guī)律:低濃度促進(jìn),高濃度抑制。
Cd、Pb 復(fù)合污染時(shí),在同一Pb 處理中添加入Cd 對(duì)白花蛇舌草生物量的影響如圖3 所示。處理濃度為P1、P2 時(shí)添加C1 處理,生物量變化不顯著;處理濃度為P1、P2 時(shí)添加Cd2 處理,生物量顯著低于對(duì)照;處理濃度為P1、P2 時(shí)添加C3 處理,生物量變化不顯著;處理濃度為P3 時(shí)添加Cd,生物量隨濃度的增大先增大后減小。Cd、Pb 復(fù)合污染時(shí),在同一Cd 處理中添加入Pb 對(duì)白花蛇舌草生物量的影響如圖2 所示。處理濃度為C2 時(shí)添加P2 處理,生物量顯著小于對(duì)照,降至對(duì)照的70.34%;處理濃度為C1、C3 時(shí)添加Pb 處理,隨著Pb 濃度的升高,生物量先增大后減小,最低降至對(duì)照的45.13%??梢钥闯鯟d-Pb 復(fù)合處理對(duì)生物量的脅迫作用大于同一水平的單一處理。
從圖4 可以看出,單一Pb 處理時(shí),C2、C3 處理分別顯著降至對(duì)照的84.14%和73.18%,表現(xiàn)出葉綠素含量在單一Cd 處理下隨Cd 濃度的增大而降低。單一Pb 處理時(shí),P2 處理葉綠素含量比對(duì)照高出18.14%;P3 處理時(shí),葉綠素含量顯著低于對(duì)照,僅為對(duì)照的75.77%。本研究表明Pb 對(duì)白花蛇舌草葉綠素含量生長(zhǎng)影響規(guī)律:低濃度促進(jìn),高濃度抑制。
Cd、Pb 復(fù)合污染時(shí),在同一Pb 處理中添加入Cd 對(duì)白花蛇舌草葉綠素含量的影響如圖4 所示。處理濃度為P1、P2 時(shí)添加Cd1、C2 處理,葉綠素含量變化不顯著,添加C3 處理時(shí)葉綠素含量變化顯著低于對(duì)照;處理濃度為P3 時(shí)添加Cd 處理,葉綠素含量隨濃度的增大呈先增大后減小的趨勢(shì),葉綠素含量最大值比對(duì)照高出14.74%。Cd、Pb 復(fù)合污染時(shí),在同一Cd 處理中添加入Pb 對(duì)白花蛇舌草葉綠素含量的影響如圖4 所示。處理濃度為C1、C2、C3時(shí)添加Pb 處理,隨著Pb 濃度的升高,葉綠素含量先增大后減小,最低降至對(duì)照的45.13%。
圖3 Cd,Pb 單一及其復(fù)合污染對(duì)白花蛇舌草生物量的影響Figure 3 Effect of single Cd,Pb and Cd-Pb combined pollution on the biomass of Herba Hedyotis
圖4 Cd,Pb 單一及復(fù)合脅迫白花蛇舌草葉綠素含量的影響Figure 4 Effect of single Cd,Pb and Cd-Pb combined pollution on the phlorophyll of Herba Hedyotis
Cd,Pb 脅迫對(duì)白花蛇舌草生長(zhǎng)狀況影響的相關(guān)系數(shù)如表3 所示。從表3 可以看出,Cd 與Pb 脅迫對(duì)白花蛇舌草株高呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),Cd 脅迫對(duì)白花蛇舌草葉綠素含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。
表3 Cd,Pb 脅迫對(duì)白花蛇舌草生長(zhǎng)狀況影響的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients of Cd,Pb stress on the growth of Hedyotis diffusa Willd
趙楊迪等[21]發(fā)現(xiàn)在Cd-Pb 復(fù)合處理各濃度下花葉冷水花的生長(zhǎng)受到的抑制作用隨濃度的增高而增大,Cd-Pb 復(fù)合處理對(duì)植物生長(zhǎng)的影響表現(xiàn)為協(xié)同作用;WANG H.[22]研究發(fā)現(xiàn)Cd、Pb 和Pu 復(fù)合污染對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的影響大于單一污染??梢?jiàn)重金屬在復(fù)合脅迫情況下對(duì)植物的生長(zhǎng)狀態(tài)負(fù)面影響較大,且大于單一污染的情況。而在本試驗(yàn)中,當(dāng)Cd-Pb 復(fù)合處理時(shí),白花蛇舌草的主根長(zhǎng)、株高、生物量顯著低于對(duì)照,且處理濃度越大,下降越明顯,說(shuō)明Cd-Pb 復(fù)合處理對(duì)白花蛇舌草主根長(zhǎng)、株高和生物量的抑制作用隨濃度的增高而增強(qiáng);Cd-Pb 復(fù)合處理下各項(xiàng)指標(biāo)顯著低于同水平單一處理,說(shuō)明Cd-Pb 復(fù)合處理對(duì)主根長(zhǎng)、株高和生物量的脅迫作用比同水平單一處理更強(qiáng),這符合前人的研究,因此我們?cè)诜N植、培育白花蛇舌草時(shí)應(yīng)盡量避免多種重金屬的污染,保持單一重金屬脅迫時(shí)更易處理且脅迫作用較低。
季麗英等[23]發(fā)現(xiàn)低濃度的Cd 或Pb 對(duì)油菜促進(jìn)根系生長(zhǎng)的作用,高濃度的Cd 或Pb 有抑制根系生長(zhǎng)的作用。而在本試驗(yàn)中,當(dāng)處理水平為C2 和P2時(shí),主根長(zhǎng)度顯著大于對(duì)照;當(dāng)處理水平為C3 和P3 時(shí),主根長(zhǎng)度顯著小于對(duì)照;白花蛇舌草的主根長(zhǎng)度隨著Cd、Pb 單一處理濃度的升高,呈先增大后減小的趨勢(shì),說(shuō)明低濃度的Cd 或Pb 有促進(jìn)根系生長(zhǎng)的作用,高濃度的Cd 或Pb 有抑制根系生長(zhǎng)的作用。楊家玲等[24]發(fā)現(xiàn)Cd 或Pb 單一及復(fù)合對(duì)廣西莪術(shù)生物量的抑制作用隨處理濃度的增加而增強(qiáng)。而在本試驗(yàn)中,當(dāng)處理水平為C2、P2、C3 和P3 時(shí),生物量顯著低于對(duì)照,且濃度越大,生物量越小,說(shuō)明單一Cd 或Pb 對(duì)生物量有抑制作用,且這種抑制作用隨著處理濃度的增加而增大。何舞等[25]發(fā)現(xiàn)Cd、Pb、Hg 污染對(duì)蕹菜生物量的生成具有“低抑高促”現(xiàn)象。而在本試驗(yàn)中,當(dāng)處理水平為C2 和P2 時(shí),生物量顯著高于對(duì)照;當(dāng)處理水平為C3 和P3 時(shí),單一處理的生物量顯著低于對(duì)照。Cd、Pb 單一處理對(duì)白花蛇舌草的生物量影響隨著處理濃度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),說(shuō)明低濃度的Cd 或Pb 有促進(jìn)作用,高濃度的Cd 或Pb 有抑制作用。這與朱娜、李富榮等[26]關(guān)于鉛鎘復(fù)合污染對(duì)不同品種蕹菜生長(zhǎng)和重金屬累積特性的影響研究結(jié)果一致。因此我們發(fā)現(xiàn),在追求植物主根長(zhǎng)及生物量的情況下,在保證中草藥質(zhì)量安全的濃度范圍內(nèi),一定濃度的Cd、Pb 能夠促進(jìn)白花蛇舌草根系的生長(zhǎng)以及生物量的增加。
王慧忠、張金彪等[27-28]的研究表明,Cd 脅迫會(huì)破壞葉片的葉綠素結(jié)構(gòu),降低葉綠素含量,阻礙植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育。而在本試驗(yàn)中,當(dāng)處理水平為P2時(shí),葉綠素含量顯著高于對(duì)照,當(dāng)處理水平為P3時(shí),葉綠素含量顯著低于對(duì)照;Cd、Pb 復(fù)合污染時(shí),在同一P2 處理中添加入Cd,白花蛇舌草葉綠素含量的影響顯著高于對(duì)照,表現(xiàn)為低濃度有促進(jìn)作用;在同一P3 處理中添加入Cd,葉綠素含量顯著低于對(duì)照,表現(xiàn)為高濃度有抑制作用;Cd、Pb 復(fù)合處理時(shí),白花蛇舌草的葉綠素含量的影響隨著濃度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。這與夏紅霞、姜志艷、熊勇等[29-31]關(guān)于低Pb 濃度脅迫促進(jìn)葉綠素含量增加的研究結(jié)果一致。值得一提的是P2C2、P2C3 和P3C1 復(fù)合處理下白花蛇舌草葉綠素含量比Cd 單一處理還高,可能是復(fù)合處理中Pb 的促進(jìn)作用大于Cd 的抑制作用。因此合理運(yùn)用最適宜且安全的Pb 濃度范圍,就能促進(jìn)白花蛇舌草葉綠素含量增加,在一定情況下促進(jìn)其生長(zhǎng)。
Cd-Pb 復(fù)合處理對(duì)白花蛇舌草的主根長(zhǎng)、株高、生物量等生長(zhǎng)狀況的脅迫作用呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);Cd、Pb 單一處理對(duì)白花蛇舌草的主根長(zhǎng)、生物量等生長(zhǎng)狀況作用呈顯著相關(guān)(P<0.05),且低濃度時(shí)呈正相關(guān),高濃度時(shí)呈負(fù)相關(guān);Pb 單一處理對(duì)白花蛇舌草的葉綠素含量作用呈顯著相關(guān)(P<0.05),且低濃度時(shí)呈正相關(guān),高濃度時(shí)呈負(fù)相關(guān)。
當(dāng)處理水平為C2、P2 時(shí),白花蛇舌草的生長(zhǎng)狀況部分相關(guān)指標(biāo)顯著高于對(duì)照,當(dāng)處理水平為C3、P3 時(shí),白花蛇舌草的生長(zhǎng)狀況相關(guān)指標(biāo)都顯著低于對(duì)照;研究表明Pb 單一污染不危害白花蛇舌草生物量、株高、主根長(zhǎng)等生長(zhǎng)狀況的最大濃度,即質(zhì)量危害底數(shù)分布在100~200 mg/L 范圍內(nèi),Cd 單一污染對(duì)白花蛇舌草質(zhì)量安全危害底數(shù)分布在10~20 mg/L 范圍內(nèi)。欲摸清Cd、Pb 污染對(duì)白花蛇舌草質(zhì)量安全危害底數(shù)的精確大小還需設(shè)置更細(xì)致的濃度梯度進(jìn)行下一步試驗(yàn)。
①Cd-Pb 復(fù)合處理對(duì)白花蛇舌草的主根長(zhǎng)、株高、生物量等生長(zhǎng)狀況的脅迫作用比同水平單一處理更強(qiáng)。
②Cd、Pb 單一處理時(shí),白花蛇舌草的主根長(zhǎng)、生物量等生長(zhǎng)狀況表現(xiàn)為低濃度促進(jìn),高濃度抑制;Pb 單一處理,白花蛇舌草的葉綠素含量表現(xiàn)為低濃度促進(jìn),高濃度抑制。
③白花蛇舌草所處環(huán)境中Pb 濃度位于100~200 mg/L 范圍內(nèi),Cd 濃度位于10~20 mg/L 范圍內(nèi)時(shí),能正常生長(zhǎng);高于此濃度將顯著降低植株的生物量、株高、主根長(zhǎng)等生長(zhǎng)指標(biāo)。