謝斯揚，凌定勛，王 平，曹家驥，羅思遠，吳虹萍

（1.中南林業(yè)科技大學 環(huán)境科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2.稻米品質(zhì)安全控制湖南省工程實驗室，湖南 長沙 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重[1]，包括日本和韓國在內(nèi)的許多東亞國家，都存在嚴重的土壤鎘污染現(xiàn)象，而我國涉及11 個省25 個地區(qū)，約1.3×104hm2的耕地土壤也面臨著同樣的問題[2]。在諸多修復土壤鎘污染的技術(shù)中，植物修復因其安全性高、經(jīng)濟效益與生態(tài)效益俱佳的特點而受到了廣泛的關(guān)注。關(guān)于修復植物種類的研究則大多集中于超富集植物，而對于高生物量的非超富集植物的研究則相對較少。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，目前已有學者將其應(yīng)用于土壤鎘污染修復，并取得了一定的成果[3-4]。

然而，單一的植物修復效率十分有限，為了強化植物修復土壤重金屬的能力，螯合誘導技術(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土壤鎘的修復能力，然而大部分重金屬螯合物不易降解，會向深層土壤及地下水遷移，存在潛在的生態(tài)風險[6]。為解決這一問題，尋找可降解且有效的螯合劑成為了一個新的研究方向。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 容易對植物產(chǎn)生毒害作用，減少植物的生物量，對植物的修復效率產(chǎn)生負面影響[9]。植物激素α-萘乙酸（NAA）是一種廣譜植物生長調(diào)節(jié)劑，能促進細胞分裂與增大，提高植物的生物量并緩解重金屬和螯合劑對植物的脅迫作用[10]。本試驗將PASP 及NAA 兩種外源物質(zhì)施用于生物質(zhì)高粱，探究二者對生物質(zhì)高粱萃取鎘效果的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗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’生物質(zhì)高粱，由隆平耕地修復技術(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 試驗方法

1.2.1 PASP 和NAA 對生物質(zhì)高梁鎘萃取的影響

試驗以盆栽的方式進行，土壤取回后自然風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、長為900 mm 的綠色無蓋的長方形塑料盆中，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，于三葉期時選擇長勢接近的植株，間苗1 株/穴。螯合劑PASP 設(shè)置5 個濃度：1、3、5、7、9 g·L-1；植物激素NAA 設(shè)置4 個濃度：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1 次，以蒸餾水為對照；NAA于長齊5 葉前后在晴天中午無風或風力較小的情況下以水溶液的形式進行葉面噴施，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 個重復。

1.2.2 PASP-NAA 組配聯(lián)用對生物質(zhì)高梁鎘萃取影響

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以鎘積累量為選取標準，選取各自具有代表性的濃度進行組配試驗，兩種物質(zhì)施加方法均同1.2.1，每組設(shè)置3 個重復。

1.3 樣品采集與分析

單因素試驗于生物質(zhì)高粱播種后第30 天采集植物全株樣品，組配試驗于生物質(zhì)高粱4 個生育期（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測定。植物鎘全量采用干灰化法處理，用火焰原子分光光度計進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用OriginPro 8.5 軟件對數(shù)據(jù)進行處理及作圖，采用SPSS 17.0 軟件進行單因素方差分析及其差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 PASP 對生物質(zhì)高粱萃取鎘效果的影響

PASP 處理對生物質(zhì)高粱生物量的影響如圖1所示。當PASP 濃度為5 g·L-1時，其株干質(zhì)量達到最大值3.79 g，相比對照組的3.36 g 增加了12.07%；當PASP 濃度為7 g·L-1時，根干質(zhì)量達到最大值0.56 g，相比對照組的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PASP 濃度達到一定程度時，株干質(zhì)量呈現(xiàn)降低趨勢；而PASP 對于生物質(zhì)高粱根干質(zhì)量的影響整體趨勢與株干質(zhì)量類似，但影響不如株干質(zhì)量顯著，且各處理組與對照相比以及組間均沒有顯著性差異（P＜0.05），這說明PASP 對于植物的生物量增益主要體現(xiàn)在地上部。綜上，PASP 處理對生物質(zhì)高粱的生長有促進作用，提高了生物質(zhì)高粱的生物量。

圖1 PASP 對生物質(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時地上部Cd 含量達到最大值3.12 mg·kg-1，相比對照組增加了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時達到最大值3.55 mg·kg-1，相比對照組增加22.84%，當PASP 濃度＞5 g·L-1時，地下部鎘含量出現(xiàn)了輕微的下降趨勢。植物萃取鎘的效果由鎘積累量來衡量，結(jié)果顯示：各處理組的鎘積累量均顯著高于對照組，當PASP 施加濃度為5 g·L-1時，鎘積累量達到最大值11.43 ug/株，相比對照組增加60.08%，當濃度繼續(xù)增加時，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

2.2 NAA 對生物質(zhì)高粱萃取鎘效果的影響

NAA 對生物質(zhì)高粱萃取鎘效果的影響如圖2所示，4 個濃度的NAA 處理下的生物質(zhì)高粱的株干質(zhì)量均大于對照組。其中10、15 mg·L-1的NAA 處理相比對照組有顯著性差異（P＜0.05）。10 mg·L-1的NAA 處理組株干質(zhì)量達到最大值，為3.75 g，較對照組提升9.62%，但當NAA 噴施濃度達到15 mg·L-1時，植物的株干質(zhì)量有下降趨勢。各處理組生物質(zhì)高粱的根干質(zhì)量較對照組也有一定的增加，但趨勢與株干質(zhì)量不同，在4 個濃度的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)量較對照組有顯著性差異，當NAA 濃度達到20 mg·L-1時，生物質(zhì)高粱根干質(zhì)量達到0.64 g，相比對照組增加25.49%。總之，NAA 處理對生物質(zhì)高粱的生長有促進作用，提高了生物質(zhì)高粱的生物量，且對地下部生長的促進作用較地上部更好；但高濃度時的促進作用不如中低濃度時明顯，且生物量較中低濃度處理時出現(xiàn)下降，有抑制生物質(zhì)高粱生長的趨勢。

圖2 NAA 對生物質(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照組，但變化規(guī)律不明顯，且各處理間無顯著性差異。在NAA 施加量為10 mg·L-1時，地上部鎘與地下部含量均達到最高，分別為2.21 和3.47 mg·kg-1相比對照組分別提高了17.55%、18.83%。但總體趨于平穩(wěn)，當NAA 達到20 mg·L-1時，植株地下部鎘含量稍有降低。各處理組的積累量較對照組均有顯著提高。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時積累量最高，達到9.27 ug/株，相比對照提高32.24%。由此可見。施加NAA 對生物質(zhì)高粱地上部和地下部的鎘萃取均有一定的促進效果，但規(guī)律有所不同。

表3 NAA 對生物質(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

2.3 PASP 與NAA 組配調(diào)控對生物質(zhì)高粱萃取鎘效果的影響

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 個濃度：1、5、9 g·L-1，在NAA 組中按鎘積累量高低選出兩個濃度：5、10 mg·L-1，并將兩種物質(zhì)組配進行試驗，組配試驗如表4所示。

表4 組配試驗Table 4 Composite test

PASP 與NAA 組配聯(lián)用對生物質(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)量均相對于對照組有所增加，且PASP 與NAA 組配聯(lián)用的各處理組株干質(zhì)量均大于單獨施用相同濃度的PASP 或NAA 處理組的株干質(zhì)量。在成熟期時的所有處理組中，P2N2 組（5 g·L-1PASP+20 mg·L-1NAA）株干質(zhì)量達到最大值96.39 g，相比對照提高了37.8%，比單獨施用5 g·L-1PASP 的處理提高了13.70%，比單獨施用20 mg·L-1NAA 的處理提高了25.99%?？傊?，PASP 與NAA 組配對生物質(zhì)高粱的生長有顯著的提升，顯著提高了生物質(zhì)高粱在成熟期時的生物量。

表5 PASP 與NAA 組配聯(lián)用對生物質(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。成熟期時，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，達到5.13 mg·kg-1，較對照組提高了80.63%。比單獨施用9 mg·L-1PASP 的處理組提高了11.04%，比單獨施用10 mg·L-1NAA 的處理組提高了79.37%。總之，PASP 與NAA 組配聯(lián)用的處理組比單獨施用PASP的處理組稍有提升，比單獨施用NAA 時有明顯提升，當PASP 濃度相同時，不同NAA 濃度的組配處理組之間沒有顯著差異，這也與前期實驗中的研究結(jié)論相一致，即NAA 對生物質(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，這與地上部的鎘含量變化趨勢有所不同。成熟期時，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，相比于對照組提高了78.74%，相比單獨施用9 mg·L-1PASP 和10 mg·L-1NAA 的處理組分別提高了5.60%、62.33%?？偟膩碚f，組配聯(lián)用的處理組相較于單獨的PASP 或NAA 的處理時對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)用對于生物質(zhì)高粱地上部和地下部富集鎘的能力都有促進作用。

表6 PASP 與NAA 組配聯(lián)用對生物質(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到最高值543.57 ug/株，且相比于其余3 個高積累量組有顯著差異，較對照提高156.65%。較單獨施用5 g·L-1PASP 提高32.05%，較單獨施用20 mg·L-1NAA 處理提高124.85%?？傮w來說，不同濃度的PASP 和NAA 組配聯(lián)用對于生物質(zhì)高粱鎘積累量有不同程度的促進作用，且都高于單獨施用時的鎘積累量。由此可見，PASP 與NAA 組配聯(lián)用對于生物質(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

3 結(jié) 論

1）PASP 和NAA 在單獨施用時，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)在達到一定濃度時，無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。

2）PASP 與NAA 組配聯(lián)用后可以進一步提高生物質(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施用時更高，顯著增強了生物質(zhì)高粱萃取鎘的效果。

4 討 論

PASP 能夠強化生物質(zhì)高粱修復重金屬污染的能力，主要是因為PASP 能夠與土壤中的重金屬形成水溶性螯合物，使重金屬從殘渣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行B(tài)，提高了重金屬的生物有效性，從而強化了生物質(zhì)高粱對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，這可能是因為生物質(zhì)高粱富集鎘達到一定濃度時，會對其出現(xiàn)毒害作用，植物由于其自我保護機制，限制了環(huán)境中鎘向植物根部的轉(zhuǎn)移。實驗研究也顯示了在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對植物的光合作用造成負面影響，降低植物的生物量[14]。PASP 可以在一定程度上緩解鎘對植物的脅迫[15]，提高土壤中的養(yǎng)分含量[16]，促進植物的生長發(fā)育，這是PASP 能夠強化生物質(zhì)高粱修復重金屬污染的另一重要原因。若植物生長狀況較差，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狀況不佳。本研究表明了PASP 在螯合重金屬的同時，促進植物的生長，增加了植物對重金屬的吸收，在PASP的作用下，生物質(zhì)高粱的鎘積累量相對于對照組有明顯提升。

NAA 對生物質(zhì)高粱萃取鎘效果影響的實驗結(jié)果表明，一定濃度NAA 的施用可以促進植物生長發(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，這可能由于過高濃度的植物激素干擾正常的蛋白質(zhì)和核酸代謝過程，從而使植物生長減緩[19]。本實驗同時發(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。有學者指出，生長激素參與了重金屬通過質(zhì)外體向細胞質(zhì)流動的機制，當生長素與植物組織接觸時，通過對細胞受體的作用，從而啟動了H-ATPase，導致了質(zhì)外體的酸化以及細胞質(zhì)的堿化[20]。由H-ATPase 活性在質(zhì)膜造成的電化學梯度導致了陽離子通道的打開或者啟動了質(zhì)膜上的陰離子轉(zhuǎn)運蛋白，最終導致金屬陽離子的入流。這可能是植物激素的施用對促進植物富集重金屬具有促進效果的機制，也說明施用植物激素具有促進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，植物的生物量均高于單獨施用時的生物量。在單獨施用NAA 時，高濃度的NAA 對生物質(zhì)高粱的生長表現(xiàn)出一定的抑制效果，生物量有降低的趨勢；而NAA 與螯合劑PASP 組配聯(lián)用時，在PASP 相同濃度條件下，高濃度NAA 表現(xiàn)出的對生物質(zhì)高粱生長的促進效果卻強于低濃度的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)律會與單獨施加植物激素時有所不同，而關(guān)于這一觀點，目前尚未有研究提出，其機理也有待進一步深究。在PASP 和NAA 組配聯(lián)用下，生物質(zhì)高粱富集鎘的濃度和實際萃取鎘的效果也較單獨施用時更為顯著，這表明了二者聯(lián)用對于生物質(zhì)高粱萃取鎘效果可能存在一定的耦合作用。也說明了在一定條件下，螯合劑-植物激素組配聯(lián)用能夠強化植物對于土壤重金屬的修復，這與本研究的預想基本一致。