龔紫薇，陳永華*，陳基權，張倩妮，歐丹玲，柳俊

（1.中南林業(yè)科技大學環(huán)境科學與工程學院，長沙410004；2.中國農業(yè)科學院麻類研究所，長沙410205）

鉛鋅尾礦是一類Pb、Zn含量極高且對植物的生長產生脅迫的生境，采礦后破壞了礦區(qū)大部分的植被與耕地，并產生大量的礦業(yè)廢物，對土壤質地和結構產生嚴重的影響。礦業(yè)廢物中重金屬含量較高，是主要污染源之一［1-2］，其導致的重金屬污染已引起國內外廣泛關注［3-6］。而選用重金屬耐受力強，生物量大，速生的植物對修復重金屬污染嚴重的鉛鋅尾礦庫起到了關鍵性的作用。

植物對重金屬的抗性通常表現(xiàn)為對重金屬的避性和耐性，耐性又包括金屬排斥和金屬富集兩個方面［7］。選擇性吸收、根部滯留、區(qū)域化作用等都是植物耐受重金屬毒害的策略［8］，亞細胞分布可為研究植物對重金屬的解毒和生物富集機制提供重要信息［9］。已有研究［10-11］表明，植物吸收重金屬后，會將其以不同的化學形態(tài)存在于體內，從而限制重金屬在體內的遷移，達到緩解毒性的目的，因此，重金屬在植物體內的存在形態(tài)對揭示植物對重金屬的耐性也有重要意義。

紅麻（Hibiscus cɑnnɑbinus）由于具有生長迅速、較強的耐干旱、耐澇性以及巨大的生物產量等特性［12］，對多種重金屬也具有較強的耐性［13-14］，且紅麻作為非食用纖維經濟作物，可避免重金屬通過食物鏈對人體造成傷害，又可以獲得較理想的經濟效益，有望成為植物修復尾礦庫重金屬污染的一類有價值的經濟作物。

本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，紅麻品種閩紅362和T14相對于同批篩選品種，能在改良鉛鋅尾礦渣中良好生長，對高濃度復合重金屬污染表現(xiàn)出較強的耐性。在此基礎上，本研究擬進一步分析這兩個紅麻品種對Pb、Zn的富集能力及Pb、Zn在植物體內的亞細胞分布和化學形態(tài)特征，以揭示其對Pb、Zn復合污染的耐性及其耐性機制。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

閩紅362和T14種子由中國農業(yè)科學院麻類研究所提供，鉛鋅礦渣來自湖南省郴州市某鉛鋅尾礦庫，其基質本底值見表1，泥炭土購買于長沙紅星花卉市場（pH值約為6.45，有機質含量約為90 g/kg）。

表1 基質本底值Tab.1 Matrix background value

1.2 試驗設計

盆栽花盆口徑為30 cm，儲量為8 kg，泥炭土改良劑設置3個梯度，分別為對照組（CK）：100%鉛鋅礦渣+少量磷肥；改良一（T1）：15%泥炭土+85%鉛鋅礦渣+少量磷肥；改良二（T2）：30%泥炭土+70%鉛鋅礦渣+少量磷肥，3個平行，4月將紅麻種子先播種于非重金屬污染土壤中，待幼苗長至10～15 cm時將其移栽到已配置好的礦渣改良基質中，10月成熟后收獲。

1.3 樣品采集

將收獲植株先用自來水沖洗，再用去離子水沖洗干凈，吸干表面水分。每個處理的植物樣品分為根、莖和葉這3個部位，分別用于測定重金屬全量、亞細胞組分和化學形態(tài)，剩余樣品保存于-4℃冰箱內備用。

1.4 指標測定

（1）植物對Pb、Zn的富集與轉移能力指標測定

植物樣品重金屬含量采用火焰原子吸收分光光度計測量，采用“硝酸-高氯酸體系濕法”消解。重金屬富集系數(shù)和轉運系數(shù)計算公式如下：

富集系數(shù)（BCF）=植物體內重金屬含量/根系土壤中重金屬含量

轉運系數(shù)（TF）=植物地上部分重金屬含量/根部重金屬含量

（2）植物亞細胞組分的分離和化學形態(tài)分析

采用差速離心法分離不同的細胞組分［15］。

（3）植物體內Pb、Zn的化學形態(tài)分析

采用化學試劑逐步提取法提取植物體內的重金屬化學形態(tài)［16］。

1.5 數(shù)據處理

采用SPSS 22軟件分析數(shù)據。

2 結果與分析

2.1 紅麻對Pb、Zn的富集與轉運分析

由紅麻植株各部分Pb、Zn含量（表2）可知，Pb、Zn主要儲存于根部，但不同改良劑濃度處理，紅麻品種各部位的Pb、Zn含量存在差異。隨著改良劑濃度的增加，兩個品種紅麻體內Pb、Zn含量均呈現(xiàn)對照組>改良一>改良二的規(guī)律，但地上部Zn含量與之相反，可能原因是Zn元素是植物生長的必需元素，參與植物體內重要酶的合成，促進植物體內氮素的代謝，因此含量更高。

從植物的富集系數(shù)（表2）可以看出，兩紅麻品種對Pb、Zn的富集系數(shù)存在差異，對Zn的富集能力大于對Pb的富集能力。隨著改良劑濃度的增加，植物Pb、Zn的富集系數(shù)總體上呈現(xiàn)對照組>改良一>改良二的規(guī)律。各處理下閩紅362對Pb的富集能力均大于T14，而Zn的富集系數(shù)與之相反。

從植物的轉運系數(shù)（表2）可以看出，兩紅麻品種對Zn的轉運系數(shù)大于對Pb的轉運系數(shù)，且隨著改良劑濃度增加而增加，植物Pb的轉運系數(shù)在各處理間變化不明顯，Zn的轉運系數(shù)呈現(xiàn)對照組<改良一<改良二的趨勢。

表2 植物各部分Pb、Zn含量及其富集、轉運系數(shù)Tab.2 Pb and Zn contents in various parts of plants and their enrichment and transport coefficients

2.2 紅麻體內Pb、Zn的亞細胞分布特征

由植物體內Pb的亞細胞分布（圖1）可知，兩種紅麻植物葉片中的Pb主要分布于細胞器和細胞壁，占總量的75%～86%，添加改良劑后，細胞器中Pb所占比例下降；莖中的Pb主要分布在細胞壁中，占總量的58%～72%，加入改良劑后，細胞器中Pb所占比例有不同程度的下降；根中的Pb主要集中在細胞壁內，占總量的71%～82%，添加改良劑后，閩紅362細胞器和細胞液中Pb所占比例下降，而T14細胞液中Pb所占比例上升。

圖1 植物各部位Pb的亞細胞分布Fig.1 Subcellular distribution of Pb in various parts of plants

由植物各部位Zn的亞細胞分布（圖2）可知，兩種紅麻植物葉片中的Zn主要分布在細胞壁和細胞液中，占總比例的92%～97%，改良劑的加入降低了閩紅362細胞器內Zn的占比，但提高了T14細胞器內Zn的占比。

圖2 植物各部位Zn的亞細胞分布Fig.2 Subcellular distribution of Zn in various parts of plants

除閩紅362對照組，兩種紅麻植物莖中的Zn主要分布在細胞壁和細胞液內，占總比的93%～95%，加入改良劑后，其細胞壁的占比均有上升，說明改良劑的加入增強了細胞壁對Zn的滯留作用。但其對細胞器和細胞液的影響不同，閩紅362細胞器占比下降，細胞液占比上升，T14與之相反。閩紅362根中的Zn主要分布在細胞壁中，細胞壁和細胞液占比呈現(xiàn)對照組<改良一<改良二的規(guī)律，T14主要分布在細胞壁和細胞液內，各部分占比在加入改良劑后變化不大。

2.3 紅麻體內Pb、Zn的化學形態(tài)特征

從植物體內Pb化學形態(tài)分布（圖3）來看，兩紅麻品種葉片中Pb主要以去離子水提取態(tài)和氯化鈉提取態(tài)存在，其次是乙醇提取態(tài)；莖中的Pb主要以醋酸提取態(tài)存在，占總比例的66%～82%，活性較高的乙醇提取態(tài)和去離子水提取態(tài)之和僅占不足10%，且隨改良劑加入量的增加而降低，醋酸提取態(tài)則有所升高；在對照下，兩種植物根部的Pb主要以氯化鈉提取態(tài)和去離子水提取態(tài)存在，隨著改良劑的加入，活性較高的乙醇提取態(tài)和去離子水提取態(tài)所占比例有不同程度的下降，使得氯化鈉提取態(tài)成為主導形態(tài)，閩紅362醋酸提取態(tài)和鹽酸提取態(tài)占比有所下降，而T14則相反。

圖3 植物體內Pb化學形態(tài)分布Fig.3 Distribution of chemical speciation of Pb in plants

從植物體內Zn化學形態(tài)分布（圖4）來看，兩紅麻品種莖、葉內的Zn主要以氯化鈉提取態(tài)和去離子水提取態(tài)存在。改良劑加入后，在葉片中，活性較強的乙醇提取態(tài)和去離子水提取態(tài)表現(xiàn)出對照組<改良組的規(guī)律，活性較弱的氯化鈉提取態(tài)和醋酸提取態(tài)則表現(xiàn)為對照組>改良組；而在莖部，乙醇提取態(tài)和去離子水提取態(tài)則表現(xiàn)出對照組>改良組，氯化鈉提取態(tài)表現(xiàn)為對照組<改良組；與地上部不同，兩紅麻品種根部Zn主要以醋酸提取態(tài)存在，占比達45%～76%，改良劑的加入增加了活性較強的乙醇提取態(tài)和去離子水提取態(tài)的占比。

3 討論

3.1 兩紅麻品種對Pb、Zn的富集與轉運能力

從重金屬元素本身特性看，Zn是植物生長必需的營養(yǎng)元素，對植物的生長發(fā)育起著重要作用，而Pb是植物生長非必需元素，不管是否為必需元素，只要植物體內重金屬含量超過一定的臨界值就會對植物生長產生脅迫，造成植物體內代謝活動紊亂，使植物生長發(fā)育受到抑制，甚至死亡［17］。本研究基質中Pb、Zn含量分別高達3886.44～4421.17 mg/kg和2259.05～2375.42 mg/kg，遠超過植物的正常耐受閾，供試的兩品種紅麻均成活下來，說明其具有一定的耐性，且表現(xiàn)出一定的Pb、Zn富集能力，這與張富運［18］對紅麻的研究結果類似。

不同品種植物以及不同植物器官對重金屬的吸收、富集能力不同［19-21］。本試驗發(fā)現(xiàn)，Pb、Zn主要分布在兩紅麻品種的根部，說明紅麻對重金屬的耐性機制主要是排除機制［22］，可能是因為根直接與土壤接觸、吸收，從而在根部產生高濃度的重金屬含量［23］。另外，土壤中的 Pb不易被植物吸收，其可溶性、生物可利用性、移動性較差［24］，重金屬元素Zn雖然是植物所必需的微量元素之一，但該試驗生長基質中Zn含量遠超過植物所需，植物吸收 Pb、Zn后將其保留在根部，限制有害或多余的Pb、Zn離子由根部向植物莖葉轉移，減少其對植物體的毒害［25］。

兩紅麻品種對Pb、Zn的富集與轉運系數(shù)均未達到超富集植物的標準，但其對Pb、Zn的富集與轉運能力表現(xiàn)出差異?？赡苁且驗閆n是植物生長所必需的元素，植物對Zn的轉運能力遠超過對Pb的轉運能力，因而植物地上部Zn的含量及其轉運系數(shù)隨改良劑濃度的增加而增加。不同品種對同種重金屬元素的富集能力存在差異，本試驗中閩紅362對Pb的富集能力強于T14，而T14對Zn的富集能力強于閩紅362，周航［26］對玉米的研究也出現(xiàn)過類似的結果。

圖4 植物體內Zn化學形態(tài)分布Fig.4 Distribution of chemical speciation of Zn in plants

3.2 Pb、Zn在紅麻體內的亞細胞分布

重金屬在細胞壁的沉淀以及細胞內的區(qū)隔化分布是植物內部解毒的兩個重要途徑［27-28］。朱光旭等［29］的研究表明，生長在鉛鋅尾礦污染農田上的3種菊科植物體內的Pb和Zn主要分布在液泡可溶組分和細胞壁中，而在細胞器中的分布較少，與本研究的結果類似。重金屬離子帶正電，因而很容易在帶負電的細胞壁處被大量絡合而沉積［30］。另外，植物細胞壁中含有蛋白質和多糖以及大量親金屬離子的配位基團，容易固定重金屬離子［31-32］。當細胞壁結合的金屬離子達到飽和點時，進入細胞內的金屬離子被轉運到液泡中儲藏起來，液泡中的多種蛋白質、有機酸、有機堿等物質，都能與重金屬結合，從而降低金屬離子的毒性［33］。Cobbett［34］研究認為，重金屬在非代謝活性組織中的分布可減輕或避免其對功能性結構單元的損傷和代謝過程的干擾。兩紅麻品種體內的Pb都主要分布在細胞壁組分中，細胞壁對重金屬的固持作用是其耐受Pb的重要機制。而其體內的Zn則主要存在于細胞壁和細胞液，可見，細胞壁和液泡對Zn的區(qū)域化作用是紅麻的耐Zn機制之一。

隨著基質中Pb、Zn濃度的增加，閩紅362根部細胞壁的分配比例下降，而T14有所增加，這可能是由于T14細胞壁中多糖、蛋白質等對Pb、Zn的沉淀、絡合數(shù)量及能力要比閩紅362強［35］。

3.3 Pb、Zn在紅麻體內的化學形態(tài)

重金屬在植物中的化學形態(tài)影響著金屬離子在植物體內的遷移、活性以及對植物的毒性［36］。植株體內吸收的重金屬有著不同的化學形態(tài)，隨著乙醇、去離子水、氯化鈉、醋酸和鹽酸等提取劑的極性增強，所提取出的重金屬在活性、毒性和遷移能力上不斷降低［37］。茶樹銀霜品種根部的Pb主要以氯化鈉提取態(tài)為主［38］，小麥莖葉部中Pb以氯化鈉提取態(tài)、醋酸提取態(tài)和去離子水提取態(tài)存在［20］，皖景天在高濃度Zn脅迫下，根部的Zn主要以醋酸提取態(tài)存在［39］。與之類似，本試驗中兩紅麻品種體內Pb、Zn主要以氯化鈉提取態(tài)和醋酸提取態(tài)存在，說明Pb、Zn在紅麻體內主要以蛋白質結合或吸附態(tài)及果膠酸鹽的形式存在，可能與細胞壁和細胞膜中果膠酸和蛋白質等的固定作用有關；其次是以磷酸鹽和草酸鹽的形式存在，而這部分移動性較差形態(tài)的重金屬可能與液泡中有機酸的絡合作用有關。

隨著改良劑濃度的增加，植物根部Zn的乙醇提取態(tài)和去離子水提取態(tài)的占比上升，而乙醇和去離子水提取態(tài)的遷移能力最強，這也解釋了為何植物地上部Zn的轉運系數(shù)隨改良劑添加量的增加而增加。

4 結論

（1）紅麻能在高濃度Pb、Zn復合污染的礦渣基質中存活，但Pb、Zn在不同品種及不同部位的分布存在差異，植物對Zn的富集與轉運能力高于對Pb的富集與轉運能力，且隨著改良劑濃度的增加，Zn的轉運系數(shù)呈增大的趨勢。因此，泥炭土對鉛鋅礦渣的改良是成功的，但在實地修復中，建議至少應對修復植物根際礦渣進行改良處理，還可嘗試對鉛鋅礦渣與泥炭土的比例作小范圍的調整。

（2）從紅麻植物不同部位Pb的亞細胞分布來看，Pb主要存在于細胞壁組分中，改良劑的加入降低了Pb在細胞器的占比；從不同部位Zn的亞細胞分布來看，Zn主要分布于植物的細胞壁和細胞液，改良劑的加入使閩紅362莖部Zn在細胞液的占比上升，而在T14中則呈現(xiàn)下降趨勢。

（3）Pb和Zn在植物體內主要以氯化鈉提取態(tài)和醋酸提取態(tài)存在，改良劑的加入，使在植物體內活性較強的Pb化學形態(tài)占比下降，而根部Zn活性較強的化學形態(tài)占比上升。