砷脅迫對不同物候期香蒲根系分泌物的影響*

張雅潔 杜崇宣 楊思林 劉云根,# 王 妍 馬 榮

(1.西南林業(yè)大學生態(tài)與環(huán)境學院，云南 昆明 650224;2.云南省山地農村生態(tài)環(huán)境演變與污染治理重點實驗室，云南 昆明 650224)

砷(As)是一種廣泛存在于自然界但難以自然降解或微生物分解的強毒性環(huán)境污染元素[1-2]。隨著工業(yè)化發(fā)展，越來越多的現代化生產活動產生的As進入了環(huán)境[3]。已有地區(qū)出現嚴重的環(huán)境As污染問題[4]。此外，由于As的遷移性，若僅僅觀測到環(huán)境中As濃度降低，并不能說明水生態(tài)系統(tǒng)As污染及其毒性效應隨之降低[5]，可能被轉移到了生態(tài)系統(tǒng)中的生物體內。湖濱帶是湖泊的水陸交錯區(qū)域，具有陸源污染攔截、污染物降解、水質提升和生物多樣性維持等多種生態(tài)功能，是保障湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康的重要屏障[6]。挺水植物作為湖濱濕地生物群落的重要組成部分，對重金屬有較大吸收量，在湖濱帶重金屬植物修復中具有廣泛應用。目前，植物對As的富集、響應機制研究已取得較多進展，但多關注植物的地上部分，對于植物根系分泌物的關注較少。事實上，根系是植物與土壤的物質交換界面，對環(huán)境脅迫能迅速做出響應[7]。根系分泌物是植物長期以來形成的一種適應機制。在重金屬污染脅迫下，植物根系分泌物種類、組成都會發(fā)生改變[8]。因此，研究As耐受植物根系分泌物對As污染脅迫的響應，可進一步探明As耐受植物對As污染環(huán)境的適生機制。由于一般情況下植物體內的物質變化會隨其物候期變化[9-10]，因此本研究測定與分析了在不同As濃度條件下典型挺水植物香蒲(TyphaangustifoliaL.)各物候期的根系分泌物，據此探析香蒲對As污染環(huán)境的適應機制及用香蒲進行植物修復的最佳物候期，以期為As污染地區(qū)植物修復提供理論參考和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

供試香蒲購自云南省昆明市富民縣某香蒲種植基地，篩選長勢一致的用于試驗。供試土壤為采自西南林業(yè)大學校園內的紅壤，基本性質見表1。Na2HAsO4·7H2O為分析純。

表1 供試土壤基本性質

供試土壤經自然晾干、研磨、過2 mm篩后，與史丹利有機型家庭園藝復合肥按1∶2(體積比)混勻，使用黑色聚乙烯塑膠桶(直徑25 cm，高35 cm)作為濕地模擬裝置，每個桶裝入15 kg混合土和10 L無菌水剛好至淹水狀態(tài)，通過加入Na2HAsO4·7H2O設置土壤中As質量濃度為0、50、150、600 mg/kg，分別代表As空白、As低濃度、As中濃度和As高濃度脅迫，每個濃度設置3個重復，常溫、黑暗環(huán)境下老化一個半月后于2018年4月栽種香蒲，每個濕地裝置栽種4株生苗齡為一個月的香蒲幼苗，控制溫度為20～25 ℃，相對濕度為60%～75%，自然光照，每隔一星期添加無菌水至淹水狀態(tài)。

1.2 樣品采集及測定

將物候期劃分為幼苗期、花果期、枯黃期3個階段，分別在2018年6月(幼苗期)、8月(花果期)、10月(枯黃期)采用韋雪晶等[11]的方法進行根系分泌物采集，用氣相色譜—質譜聯用儀(Agilent 7890A/5975C)測定。同時采集3個物候期的植物根系和土壤，并測定As含量[12]。

1.3 數據分析

利用氣相色譜—質譜聯用儀軟件MSD ChemStation自帶的NIST Serach篩選出匹配度90%以上的物質，并采用峰面積歸一法(單一成分的峰面積/所有成分的峰面積)表征根系分泌物質量分數。

利用SPSS 17.0進行標準差、顯著性、相關性分析。

2 結果與分析

2.1 As脅迫對不同物候期香蒲根系分泌物種類的影響

2.1.1 定性分析

由圖1可以看出，烴類為香蒲根系分泌物中的主要種類，各物候期均檢出種類眾多的烴類。從植物處于不同物候期根系分泌物種類變化分析，幼苗期香蒲根系分泌物有烴類、酚類、生物堿類和唑類4類，唑類是幼苗期僅有的種類；花果期香蒲根系分泌物的種類最豐富，出現了1種有機酸類和多種酯類，生物堿類的種類數也明顯增多；枯黃期香蒲根系分泌物種類比較單一，僅檢測出烴類、酚類、生物堿類3類。

圖1 各物候期不同As質量濃度處理下的香蒲根系分泌物種類

幼苗期、花果期香蒲根系分泌物種類數均在As脅迫條件下增多，但都在As低濃度下就達到峰值，相比As空白分別增加了9、3種。幼苗期在As空白處理下香蒲根系僅分泌烴類和唑類，As脅迫后開始分泌酚類和生物堿類，同時烴類種類數大幅增加。As高濃度脅迫時烴類種類數減少，生物堿類種類數進一步增加?；ü诔霈F的有機酸類是在As脅迫下出現的，同時As脅迫下酯類種類數增加。枯黃期As低濃度脅迫下根系分泌物種類數與As空白相同，而As中、高濃度脅迫下烴類種類數增加，As高濃度脅迫下生物堿類種類數也有增加。

2.1.2 半定量分析

各物候期不同As質量濃度處理下香蒲根系分泌物質量分數見圖2。

注：不同小寫字母表示P<0.05水平下組間差異顯著。表2同。

幼苗期As空白條件下香蒲根系分泌物中烴類質量分數極高，達90%以上，受As脅迫后顯著下降，As高濃度脅迫較As空白降低了18.82百分點。幼苗期僅有的唑類在As低濃度和中濃度脅迫下質量分數顯著下降，但在As高濃度脅迫時又顯著增加。酚類和生物堿類在幼苗期As空白條件下未檢出，受As脅迫后開始出現，并隨As濃度的升高呈增長趨勢。

花果期香蒲植株趨于成熟，其根系分泌物種類變得更加豐富。雖然烴類仍是根系分泌物中的主要成分，但相比幼苗期總體明顯減少。酚類質量分數隨著As濃度升高逐漸增加，As低濃度、中濃度、高濃度脅迫下相比As空白分別增加了4.48百分點、7.08百分點、8.40百分點。有機酸類和酯類僅在花果期出現，且質量分數都隨As濃度升高而增加。As中濃度、As高濃度相對As低濃度時有機酸類質量分數增加了3倍以上。花果期生物堿類質量分數在不同As濃度脅迫下差異不大，但相比幼苗期有大幅增加。

枯黃期香蒲根系分泌物只有3類，烴類仍是主要成分，但質量分數相比花果期進一步減少，而且隨As濃度升高先升后降。酚類變化規(guī)律與其他兩個物候期相同，質量分數均隨As濃度升高逐漸增加。生物堿類質量分數隨As濃度升高表現為先降后升，并且相比其他兩個物候期進一步增加，As高濃度脅迫時已接近烴類的質量分數。

2.2 As脅迫下不同物候期香蒲根系分泌物的共有成分

As脅迫下不同物候期香蒲根系分泌物共有成分有8種(見表2)，均為烴類，包括7種烷烴和1種烯烴，都為鏈狀結構。其中，二十烷、二十三烷、二十四烷質量分數較大。As脅迫對二十烷質量分數影響較大，低濃度脅迫時就已經表現出來，幼苗期及花果期As低濃度脅迫下較As空白分別降低了17.22百分點、4.44百分點，而枯黃期As低濃度脅迫下則較As空白升高了2.59百分點。As低濃度脅迫對幼苗期二十三烷、二十四烷影響不顯著，而As中濃度和高濃度脅迫有一定影響；花果期這2種烷烴質量分數在As低濃度脅迫下相比As空白分別下降了9.84百分點、8.87百分點，隨著As濃度進一步升高，二十三烷先增加后減少，二十四烷則持續(xù)減少；枯黃期，As中濃度和低濃度脅迫對二十三烷有促進作用，而高濃度脅迫則是抑制作用，二十四烷在As脅迫下基本都呈抑制作用。

表2 As脅迫下不同物候期香蒲根系分泌物的共有成分質量分數

2.3 As脅迫下不同物候期香蒲根系分泌物的特有成分

As脅迫下不同物候期香蒲根系分泌物的特有成分包括烴類、唑類、酚類、酯類、有機酸類、生物堿類6類，最主要的是烴類，由于是特有成分，因此不進行差異顯著性的多重比較。

根系分泌物特有烴類成分包括9種烷烴和1種烯烴(見表3)，烷烴多為鏈狀結構，有2種為環(huán)狀結構。幼苗期和花果期在As脅迫環(huán)境下可以分泌較多種類特有成分，而枯黃期較少。幼苗期有7種特有烴類成分僅在As脅迫下分泌，其中3-甲基十七烷僅在As中濃度脅迫下檢出?；ü谟兴煌?，只有二十五烷和3-甲基十七烷在As空白中未檢出。枯黃期時二十九烷、3-甲基十七烷和9-二十六烯等3種烴類根系分泌物消失，十七烷、十九烷、二十五烷在As濃度較高時才被檢出，只有壬基環(huán)戊烷、十一烷基環(huán)戊烷在不同As濃度脅迫下均有出現。

表3 As脅迫下不同物候期香蒲根系分泌物的特有烴類成分質量分數1)

根系分泌物其他特有成分見表4。幼苗期分泌1種唑類、1種酚類和3種生物堿類，唑類為香蒲幼苗期僅有的根系分泌物，質量分數隨As濃度升高而增加，但As脅迫下均小于As空白；2,2’-亞甲基雙[6-(1,1-二甲基乙基)]-4-甲基酚在受到As脅迫時出現，特別是As高濃度脅迫時相比As低濃度、As中濃度脅迫時明顯增加；生物堿中的油酸酰胺、棕櫚酰胺和芥酸酰胺都只有受到As脅迫時出現，尤其是棕櫚酰胺和芥酸酰胺只有在受到As高濃度脅迫時才出現。花果期除唑類外，其他10種化合物基本上都有檢出，棕櫚酰胺、2,5-二叔丁基酚和棕櫚酸質量分數隨As濃度升高有明顯的增加趨勢，其中棕櫚酸還是花果期在As脅迫下特有的化合物。只有2,5-二叔丁基酚和2,2’-亞甲基雙[6-(1,1-二甲基乙基)]-4-甲基酚，還有油酸酰胺和芥酸酰胺在枯黃期穩(wěn)定分泌，另外As高濃度脅迫時還檢測到了棕櫚酰胺。

表4 As脅迫下不同物候期香蒲根系分泌物的其他特有成分質量分數

2.4 共有根系分泌物與土壤、根系As間的相關性分析

由表5可見，在幼苗期和花果期，只有二十四烷與土壤、根系As有極顯著負相關關系；在枯黃期，二十三烷和1-二十烯與土壤、根系As有極顯著負相關關系，二十四烷與土壤、根系As有顯著負相關關系。

表5 共有根系分泌物與土壤、根系As的相關性1)

3 討 論

3.1 不同物候期對香蒲根系分泌物的影響

水環(huán)境重金屬污染是現今不容忽視的環(huán)境污染問題，香蒲作為公認的濕地水生優(yōu)勢物種，對As脅迫具有較強耐受性，且以花果期修復As污染的效果最好[13]。陳俊峰等[14]發(fā)現，香蒲體內As含量呈現地下部分大于地上部分的特征，因此探明根系分泌物對土壤重金屬的修復機制具有重要意義。本研究探究了As脅迫對不同物候期香蒲根系分泌物的影響差異。本研究發(fā)現，花果期香蒲根系分泌物的種類最豐富，且有有機酸類和酯類檢出，說明花果期更能對As脅迫作出應激反應。這主要是因為一般情況下，花果期植物體內新陳代謝最旺盛[15-18]。有研究表明，植物在受到重金屬脅迫時其根系會分泌有機酸以降低重金屬的毒害作用[19-20]。盧豪良等[21]利用秋茄根系分泌有機酸作為土壤重金屬提取劑，發(fā)現根系分泌的有機酸能促進重金屬的溶解，使重金屬的形態(tài)發(fā)生改變。酯類的官能團—COO—能通過絡合反應吸附重金屬[22]。因此，花果期香蒲根系在As脅迫下分泌有機酸類和酯類是應對As脅迫作出的適應機制。

3.2 不同As濃度對香蒲根系分泌物的影響

有研究表明，在As脅迫下植物會有部分根系分泌物增加[23]。本研究亦然，香蒲根系分泌的酚類在3個物候期內均隨As濃度升高而增加。酚羥基作為一種含氧活性官能團，在土壤As污染修復中發(fā)揮重要作用[24]，可對植物根系促生菌的繁殖起到促進作用，有助于改善土壤細菌群落結構[25]。生物堿類在香蒲所有物候期都有檢出，但不同物候期時As濃度對生物堿類的影響不同。本研究檢出的生物堿類包括酰胺和腈。酰胺中的酰胺鍵是一種弱堿性官能團，其中的氮、氧原子能夠提供孤對電子與金屬離子形成絡合物，從而可能達到去除重金屬的效果[26]。施啟榮[27]發(fā)現，腈對重金屬有良好的吸附性，可用于廢水中重金屬去除。不同物候期香蒲根系分泌的酰胺和腈隨As濃度的變化有不同的響應，具體原因還有待進一步研究。

4 結 論

(1) 香蒲根系分泌物主要包括烴類、酚類和生物堿類，枯黃期僅有這3類，幼苗期還有少量唑類，花果期根系分泌物種類最豐富，出現特有的有機酸類和酯類。

(2) 香蒲對As具有耐受性。在As脅迫下，香蒲會通過根系分泌物的改變來適應，如酚類、有機酸類和酯類等，特別是酚類在3個物候期均表現出隨As濃度升高而增加的趨勢。