謝斯揚(yáng),凌定勛,王 平,曹家驥,羅思遠(yuǎn),吳虹萍
(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004;2.稻米品質(zhì)安全控制湖南省工程實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410004)
隨著現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展,土壤重金屬污染日益嚴(yán)重[1],包括日本和韓國(guó)在內(nèi)的許多東亞國(guó)家,都存在嚴(yán)重的土壤鎘污染現(xiàn)象,而我國(guó)涉及11 個(gè)省25 個(gè)地區(qū),約1.3×104hm2的耕地土壤也面臨著同樣的問(wèn)題[2]。在諸多修復(fù)土壤鎘污染的技術(shù)中,植物修復(fù)因其安全性高、經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益俱佳的特點(diǎn)而受到了廣泛的關(guān)注。關(guān)于修復(fù)植物種類的研究則大多集中于超富集植物,而對(duì)于高生物量的非超富集植物的研究則相對(duì)較少。生物質(zhì)高粱Sorghum dochna(Forssk.)Snowden作為一種雜交的禾本科植物,具有高生物量、高耐性的特點(diǎn),目前已有學(xué)者將其應(yīng)用于土壤鎘污染修復(fù),并取得了一定的成果[3-4]。
然而,單一的植物修復(fù)效率十分有限,為了強(qiáng)化植物修復(fù)土壤重金屬的能力,螯合誘導(dǎo)技術(shù)被提出并受到廣泛研究[5]。以EDTA 為代表的螯合劑能夠有效提高植物對(duì)土壤鎘的修復(fù)能力,然而大部分重金屬螯合物不易降解,會(huì)向深層土壤及地下水遷移,存在潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[6]。為解決這一問(wèn)題,尋找可降解且有效的螯合劑成為了一個(gè)新的研究方向。有研究表明:聚天冬氨酸(PASP)是一種水溶性氨基酸聚合物,具有較好的生物相容性和可降解性,是一種用途廣泛的“綠色”化學(xué)品[7]。已有研究表明PASP 可以有效螯合土壤中的重金屬[8]。但高濃度的PASP 容易對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用,減少植物的生物量,對(duì)植物的修復(fù)效率產(chǎn)生負(fù)面影響[9]。植物激素α-萘乙酸(NAA)是一種廣譜植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑,能促進(jìn)細(xì)胞分裂與增大,提高植物的生物量并緩解重金屬和螯合劑對(duì)植物的脅迫作用[10]。本試驗(yàn)將PASP 及NAA 兩種外源物質(zhì)施用于生物質(zhì)高粱,探究二者對(duì)生物質(zhì)高粱萃取鎘效果的影響。
試驗(yàn)所用土壤取自湖南省湘潭市麥子石村(113°02′55.37E,27°74′24.99N)某重金屬污染區(qū)域的表層(0~20 cm)耕地土壤,土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。供試植物為‘阿爾托2 號(hào)’生物質(zhì)高粱,由隆平耕地修復(fù)技術(shù)有限公司提供。供試試劑為可生物降解螯合劑 PASP 和生長(zhǎng)激素NAA,均由河南黑森林生物科技有限公司提供。
表1 土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic properties of the tested paddy soil
1.2.1 PASP 和NAA 對(duì)生物質(zhì)高梁鎘萃取的影響
試驗(yàn)以盆栽的方式進(jìn)行,土壤取回后自然風(fēng)干并剔除土壤中硬塊、石頭、植物根莖等雜物,再將土樣磨碎混勻后準(zhǔn)確稱取15 kg 土樣與史丹利15-15-15 混合肥100 g 混合裝入高300 mm、寬350 mm、長(zhǎng)為900 mm 的綠色無(wú)蓋的長(zhǎng)方形塑料盆中,淋入蒸餾水使土壤含水率保持田間持水量的70%,平衡1 周后,播種生物質(zhì)高粱種子于盆內(nèi),3 顆/穴,共播5 穴,播種深度約3 cm,于三葉期時(shí)選擇長(zhǎng)勢(shì)接近的植株,間苗1 株/穴。螯合劑PASP 設(shè)置5 個(gè)濃度:1、3、5、7、9 g·L-1;植物激素NAA 設(shè)置4 個(gè)濃度:5、10、15、20 mg·L-1。具體添加方式為:PASP 于生物質(zhì)高粱播種后當(dāng)天,以水溶液的形式均勻淋入盆內(nèi),用量為2 L/盆,此后每隔7 d 重復(fù)1 次,以蒸餾水為對(duì)照;NAA于長(zhǎng)齊5 葉前后在晴天中午無(wú)風(fēng)或風(fēng)力較小的情況下以水溶液的形式進(jìn)行葉面噴施,每株20 mL,均勻噴施于葉片正反面,以噴施蒸餾水為對(duì)照,隔天噴施1 次,共噴3 次。各處理組視土壤墑情澆灌蒸餾水,每組設(shè)置3 個(gè)重復(fù)。
1.2.2 PASP-NAA 組配聯(lián)用對(duì)生物質(zhì)高梁鎘萃取影響
在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以鎘積累量為選取標(biāo)準(zhǔn),選取各自具有代表性的濃度進(jìn)行組配試驗(yàn),兩種物質(zhì)施加方法均同1.2.1,每組設(shè)置3 個(gè)重復(fù)。
單因素試驗(yàn)于生物質(zhì)高粱播種后第30 天采集植物全株樣品,組配試驗(yàn)于生物質(zhì)高粱4 個(gè)生育期(苗期、拔節(jié)期、灌漿期、成熟期)采集植物全株樣品。植物樣品采集后,先用自來(lái)水沖洗,再用蒸餾水沖洗,最后用去離子水沖洗干凈。之后晾干樣品,將樣品放入烘箱于105℃下殺青30 min,70℃下烘干至恒質(zhì)量,先稱其干質(zhì)量,再粉碎后裝袋用于指標(biāo)測(cè)定。植物鎘全量采用干灰化法處理,用火焰原子分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。
采用OriginPro 8.5 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及作圖,采用SPSS 17.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析及其差異顯著性分析。
PASP 處理對(duì)生物質(zhì)高粱生物量的影響如圖1所示。當(dāng)PASP 濃度為5 g·L-1時(shí),其株干質(zhì)量達(dá)到最大值3.79 g,相比對(duì)照組的3.36 g 增加了12.07%;當(dāng)PASP 濃度為7 g·L-1時(shí),根干質(zhì)量達(dá)到最大值0.56 g,相比對(duì)照組的0.52 g 增加了7.69%。在一定濃度范圍內(nèi)生物質(zhì)高粱的株干質(zhì)量隨PASP 添加量的增加而增加,當(dāng)PASP 濃度達(dá)到一定程度時(shí),株干質(zhì)量呈現(xiàn)降低趨勢(shì);而PASP 對(duì)于生物質(zhì)高粱根干質(zhì)量的影響整體趨勢(shì)與株干質(zhì)量類似,但影響不如株干質(zhì)量顯著,且各處理組與對(duì)照相比以及組間均沒(méi)有顯著性差異(P<0.05),這說(shuō)明PASP 對(duì)于植物的生物量增益主要體現(xiàn)在地上部。綜上,PASP 處理對(duì)生物質(zhì)高粱的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用,提高了生物質(zhì)高粱的生物量。
圖1 PASP 對(duì)生物質(zhì)高粱干質(zhì)量的影響Fig.1 Effects of PASP on dry weight of Sorghum dochna(Forssk.) Snowden
如表2所示,在施用一定濃度的PASP 后,生物質(zhì)高粱地上部和地下部的Cd 含量均有所增加。PASP 施加濃度為7 g·L-1時(shí)地上部Cd 含量達(dá)到最大值3.12 mg·kg-1,相比對(duì)照組增加了67.26%,其變化規(guī)律表現(xiàn)為在先隨PASP 施加濃度增加而升高,再逐漸趨于穩(wěn)定;地下部鎘含量在PASP 施加濃度為5 g·L-1時(shí)達(dá)到最大值3.55 mg·kg-1,相比對(duì)照組增加22.84%,當(dāng)PASP 濃度>5 g·L-1時(shí),地下部鎘含量出現(xiàn)了輕微的下降趨勢(shì)。植物萃取鎘的效果由鎘積累量來(lái)衡量,結(jié)果顯示:各處理組的鎘積累量均顯著高于對(duì)照組,當(dāng)PASP 施加濃度為5 g·L-1時(shí),鎘積累量達(dá)到最大值11.43 ug/株,相比對(duì)照組增加60.08%,當(dāng)濃度繼續(xù)增加時(shí),萃取鎘能力出現(xiàn)了下降,這主要是由于生物量降低所造成。綜上所述,施加PASP 能有效提高生物質(zhì)高粱萃取鎘的效果。
表2 PASP 對(duì)生物質(zhì)高粱鎘含量和鎘積累量的影響Table 2 Effects of PASP on cadmium content and accumulation in Sorghum dochna (Forssk.) Snowden
NAA 對(duì)生物質(zhì)高粱萃取鎘效果的影響如圖2所示,4 個(gè)濃度的NAA 處理下的生物質(zhì)高粱的株干質(zhì)量均大于對(duì)照組。其中10、15 mg·L-1的NAA 處理相比對(duì)照組有顯著性差異(P<0.05)。10 mg·L-1的NAA 處理組株干質(zhì)量達(dá)到最大值,為3.75 g,較對(duì)照組提升9.62%,但當(dāng)NAA 噴施濃度達(dá)到15 mg·L-1時(shí),植物的株干質(zhì)量有下降趨勢(shì)。各處理組生物質(zhì)高粱的根干質(zhì)量較對(duì)照組也有一定的增加,但趨勢(shì)與株干質(zhì)量不同,在4 個(gè)濃度的NAA 處理下,生物質(zhì)高粱的根干質(zhì)量隨NAA 濃度的增大而增加,在15 和20 mg·L-1處理下生物質(zhì)高粱的根干質(zhì)量較對(duì)照組有顯著性差異,當(dāng)NAA 濃度達(dá)到20 mg·L-1時(shí),生物質(zhì)高粱根干質(zhì)量達(dá)到0.64 g,相比對(duì)照組增加25.49%。總之,NAA 處理對(duì)生物質(zhì)高粱的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用,提高了生物質(zhì)高粱的生物量,且對(duì)地下部生長(zhǎng)的促進(jìn)作用較地上部更好;但高濃度時(shí)的促進(jìn)作用不如中低濃度時(shí)明顯,且生物量較中低濃度處理時(shí)出現(xiàn)下降,有抑制生物質(zhì)高粱生長(zhǎng)的趨勢(shì)。
圖2 NAA 對(duì)生物質(zhì)高粱干質(zhì)量的影響Fig.2 Effects of NAA on dry weight of Sorghum dochna(Forssk.) Snowden
NAA 對(duì)生物質(zhì)高粱鎘含量及鎘積累量的影響如表3所示。其中各處理組地上部鎘含量均高于對(duì)照組,但變化規(guī)律不明顯,且各處理間無(wú)顯著性差異。在NAA 施加量為10 mg·L-1時(shí),地上部鎘與地下部含量均達(dá)到最高,分別為2.21 和3.47 mg·kg-1相比對(duì)照組分別提高了17.55%、18.83%。但總體趨于平穩(wěn),當(dāng)NAA 達(dá)到20 mg·L-1時(shí),植株地下部鎘含量稍有降低。各處理組的積累量較對(duì)照組均有顯著提高。鎘積累量隨NAA 濃度的增加先升高后降低,在NAA 濃度為10 mg·L-1時(shí)積累量最高,達(dá)到9.27 ug/株,相比對(duì)照提高32.24%。由此可見(jiàn)。施加NAA 對(duì)生物質(zhì)高粱地上部和地下部的鎘萃取均有一定的促進(jìn)效果,但規(guī)律有所不同。
表3 NAA 對(duì)生物質(zhì)高粱鎘含量和鎘積累量的影響Table 3 Effects of NAA on cadmium content and accumulation in Sorghum dochna (Forssk.) Snowden
以全株鎘積累量為選取依據(jù),在PASP 組中按鎘積累量高中低選出3 個(gè)濃度:1、5、9 g·L-1,在NAA 組中按鎘積累量高低選出兩個(gè)濃度:5、10 mg·L-1,并將兩種物質(zhì)組配進(jìn)行試驗(yàn),組配試驗(yàn)如表4所示。
表4 組配試驗(yàn)Table 4 Composite test
PASP 與NAA 組配聯(lián)用對(duì)生物質(zhì)高粱株干質(zhì)量的影響如表5所示,生物質(zhì)高粱在全生育期各處理組的株干質(zhì)量均相對(duì)于對(duì)照組有所增加,且PASP 與NAA 組配聯(lián)用的各處理組株干質(zhì)量均大于單獨(dú)施用相同濃度的PASP 或NAA 處理組的株干質(zhì)量。在成熟期時(shí)的所有處理組中,P2N2 組(5 g·L-1PASP+20 mg·L-1NAA)株干質(zhì)量達(dá)到最大值96.39 g,相比對(duì)照提高了37.8%,比單獨(dú)施用5 g·L-1PASP 的處理提高了13.70%,比單獨(dú)施用20 mg·L-1NAA 的處理提高了25.99%??傊琍ASP 與NAA 組配對(duì)生物質(zhì)高粱的生長(zhǎng)有顯著的提升,顯著提高了生物質(zhì)高粱在成熟期時(shí)的生物量。
表5 PASP 與NAA 組配聯(lián)用對(duì)生物質(zhì)高粱株干質(zhì)量的影響Table 5 Effect of PASP and NAA coupling on dry weight of Sorghum dochna (Forssk.) Snowden
如表6所示,生物質(zhì)高粱地上部鎘含量總體上呈現(xiàn)出成熟期>灌漿期>苗期>拔節(jié)期的趨勢(shì)。成熟期時(shí),在所有處理組中,P3N1(9 mg·L-1PASP+10 mg·L-1NAA)處理組的地上部鎘含量最高,達(dá)到5.13 mg·kg-1,較對(duì)照組提高了80.63%。比單獨(dú)施用9 mg·L-1PASP 的處理組提高了11.04%,比單獨(dú)施用10 mg·L-1NAA 的處理組提高了79.37%??傊?,PASP 與NAA 組配聯(lián)用的處理組比單獨(dú)施用PASP的處理組稍有提升,比單獨(dú)施用NAA 時(shí)有明顯提升,當(dāng)PASP 濃度相同時(shí),不同NAA 濃度的組配處理組之間沒(méi)有顯著差異,這也與前期實(shí)驗(yàn)中的研究結(jié)論相一致,即NAA 對(duì)生物質(zhì)高粱地上部富集效果有提升,但不隨濃度增加而增大。而生物質(zhì)高粱地下部鎘含量總體上呈現(xiàn)出成熟期>灌漿期>拔節(jié)期>苗期的趨勢(shì),這與地上部的鎘含量變化趨勢(shì)有所不同。成熟期時(shí),在所有處理組中,P3N1(9 mg·L-1PASP+10 mg·L-1NAA)處理組地下部鎘含量最高,相比于對(duì)照組提高了78.74%,相比單獨(dú)施用9 mg·L-1PASP 和10 mg·L-1NAA 的處理組分別提高了5.60%、62.33%??偟膩?lái)說(shuō),組配聯(lián)用的處理組相較于單獨(dú)的PASP 或NAA 的處理時(shí)對(duì)地下部鎘含量的影響與地上部鎘含量的影響基本一致,即不同濃度的NAA 處理差異不顯著,這也反映出NAA 對(duì)于PASP 與NAA 組配生物質(zhì)高粱萃取鎘效果這一體系的影響主要是以增加生物量為主,同時(shí)在一定程度上增加了生物質(zhì)高粱的鎘含量。綜上,PASP 與NAA 組配聯(lián)用對(duì)于生物質(zhì)高粱地上部和地下部富集鎘的能力都有促進(jìn)作用。
表6 PASP 與NAA 組配聯(lián)用對(duì)生物質(zhì)高粱鎘含量的影響Table 6 Effect of PASP and NAA coupling on cadmium content of Sorghum dochna (Forssk.) Snowden mg·kg-1
如圖3所示,其中5、9 g·L-1PASP 和10、20 mg·L-1NAA 組配聯(lián)用處理下,生物質(zhì)高粱的鎘積累量較高,且相對(duì)于其余所有處理組都有顯著性差異(P<0.05)。P2N2(5 g·L-1PASP+20 mg·L-1NAA)處理下,生物高粱的鎘積累量達(dá)到最高值543.57 ug/株,且相比于其余3 個(gè)高積累量組有顯著差異,較對(duì)照提高156.65%。較單獨(dú)施用5 g·L-1PASP 提高32.05%,較單獨(dú)施用20 mg·L-1NAA 處理提高124.85%??傮w來(lái)說(shuō),不同濃度的PASP 和NAA 組配聯(lián)用對(duì)于生物質(zhì)高粱鎘積累量有不同程度的促進(jìn)作用,且都高于單獨(dú)施用時(shí)的鎘積累量。由此可見(jiàn),PASP 與NAA 組配聯(lián)用對(duì)于生物質(zhì)高粱鎘積累量有顯著影響。
圖3 PASP 與NAA 組配聯(lián)用對(duì)生物質(zhì)高粱鎘積累量的影響Fig.3 Effect of PASP and NAA coupling on cadmium accumulation of Sorghum dochna (Forssk.) Snowden
1)PASP 和NAA 在單獨(dú)施用時(shí),都能在不同程度上提高生物質(zhì)高粱的生物量并提升鎘富集濃度,增加了生物質(zhì)高粱的鎘積累量,但兩種物質(zhì)在達(dá)到一定濃度時(shí),無(wú)論是生物量還是鎘富集濃度都不隨施用濃度的升高而升高,鎘積累量隨濃度增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。
2)PASP 與NAA 組配聯(lián)用后可以進(jìn)一步提高生物質(zhì)高粱的生物量并提升鎘富集濃度,從而使生物質(zhì)高粱的鎘積累量較單獨(dú)施用時(shí)更高,顯著增強(qiáng)了生物質(zhì)高粱萃取鎘的效果。
PASP 能夠強(qiáng)化生物質(zhì)高粱修復(fù)重金屬污染的能力,主要是因?yàn)镻ASP 能夠與土壤中的重金屬形成水溶性螯合物,使重金屬?gòu)臍堅(jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行B(tài),提高了重金屬的生物有效性,從而強(qiáng)化了生物質(zhì)高粱對(duì)于重金屬的富集能力[11]。本研究表明在PASP 處理下,生物質(zhì)高粱地上部、地下部的鎘含量都有一定程度的提高,這與胡亞虎等[12]研究結(jié)論類似。但在高濃度PASP 的處理組中,生物質(zhì)高粱的地上部和地下部的鎘含量都趨于穩(wěn)定,并未隨PASP 濃度的升高而增加,這可能是因?yàn)樯镔|(zhì)高粱富集鎘達(dá)到一定濃度時(shí),會(huì)對(duì)其出現(xiàn)毒害作用,植物由于其自我保護(hù)機(jī)制,限制了環(huán)境中鎘向植物根部的轉(zhuǎn)移。實(shí)驗(yàn)研究也顯示了在PASP的作用下,生物質(zhì)高粱的生物量有所提高,這與前人將PASP 應(yīng)用于其他植物上所得出的研究結(jié)論相一致[13]。有研究表明鎘脅迫會(huì)對(duì)植物的光合作用造成負(fù)面影響,降低植物的生物量[14]。PASP 可以在一定程度上緩解鎘對(duì)植物的脅迫[15],提高土壤中的養(yǎng)分含量[16],促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育,這是PASP 能夠強(qiáng)化生物質(zhì)高粱修復(fù)重金屬污染的另一重要原因。若植物生長(zhǎng)狀況較差,生物量低,則其吸收重金屬的量少;若植物吸收了較多的重金屬,則重金屬的毒害作用將使植物生長(zhǎng)狀況不佳。本研究表明了PASP 在螯合重金屬的同時(shí),促進(jìn)植物的生長(zhǎng),增加了植物對(duì)重金屬的吸收,在PASP的作用下,生物質(zhì)高粱的鎘積累量相對(duì)于對(duì)照組有明顯提升。
NAA 對(duì)生物質(zhì)高粱萃取鎘效果影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,一定濃度NAA 的施用可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育,有效提高生物質(zhì)高粱的生物量,這與前人的研究結(jié)果大致相同[17-18]。生物質(zhì)高粱的生物量隨NAA 濃度升高先增加后減少,這可能由于過(guò)高濃度的植物激素干擾正常的蛋白質(zhì)和核酸代謝過(guò)程,從而使植物生長(zhǎng)減緩[19]。本實(shí)驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn),在NAA 的作用下,生物質(zhì)高粱體內(nèi)的鎘含量也有一定程度的提高。有學(xué)者指出,生長(zhǎng)激素參與了重金屬通過(guò)質(zhì)外體向細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)的機(jī)制,當(dāng)生長(zhǎng)素與植物組織接觸時(shí),通過(guò)對(duì)細(xì)胞受體的作用,從而啟動(dòng)了H-ATPase,導(dǎo)致了質(zhì)外體的酸化以及細(xì)胞質(zhì)的堿化[20]。由H-ATPase 活性在質(zhì)膜造成的電化學(xué)梯度導(dǎo)致了陽(yáng)離子通道的打開(kāi)或者啟動(dòng)了質(zhì)膜上的陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,最終導(dǎo)致金屬陽(yáng)離子的入流。這可能是植物激素的施用對(duì)促進(jìn)植物富集重金屬具有促進(jìn)效果的機(jī)制,也說(shuō)明施用植物激素具有促進(jìn)植物富集重金屬的潛力。
可降解螯合劑PASP 和植物激素NAA 組配聯(lián)用時(shí),植物的生物量均高于單獨(dú)施用時(shí)的生物量。在單獨(dú)施用NAA 時(shí),高濃度的NAA 對(duì)生物質(zhì)高粱的生長(zhǎng)表現(xiàn)出一定的抑制效果,生物量有降低的趨勢(shì);而NAA 與螯合劑PASP 組配聯(lián)用時(shí),在PASP 相同濃度條件下,高濃度NAA 表現(xiàn)出的對(duì)生物質(zhì)高粱生長(zhǎng)的促進(jìn)效果卻強(qiáng)于低濃度的NAA。這表明在螯合劑和植物激素組配聯(lián)用下,因植物激素濃度的所造成的生物量的變化規(guī)律會(huì)與單獨(dú)施加植物激素時(shí)有所不同,而關(guān)于這一觀點(diǎn),目前尚未有研究提出,其機(jī)理也有待進(jìn)一步深究。在PASP 和NAA 組配聯(lián)用下,生物質(zhì)高粱富集鎘的濃度和實(shí)際萃取鎘的效果也較單獨(dú)施用時(shí)更為顯著,這表明了二者聯(lián)用對(duì)于生物質(zhì)高粱萃取鎘效果可能存在一定的耦合作用。也說(shuō)明了在一定條件下,螯合劑-植物激素組配聯(lián)用能夠強(qiáng)化植物對(duì)于土壤重金屬的修復(fù),這與本研究的預(yù)想基本一致。