摘 要:為探討扁穗冰草對(duì)鎘(Cd)污染土壤修復(fù)的可行性,通過盆栽試驗(yàn)?zāi)M不同濃度Cd污染土壤,研究扁穗冰草對(duì)Cd的耐性及其積累特征。結(jié)果顯示,與對(duì)照相比,Cd25(25 mg/kg)和Cd50(50 mg/kg)脅迫下扁穗冰草的株高、根長(zhǎng)、根體積和根冠比都未顯著下降,Cd25脅迫下地上部生物量和根部生物量也未顯著下降;扁穗冰草的耐性指數(shù)(0.89~0.94)在不同程度Cd脅迫下無顯著差異,表明該植物對(duì)Cd脅迫有較強(qiáng)的耐性。Cd主要積累在扁穗冰草根部,高濃度Cd(100 mg/kg)脅迫使扁穗冰草的生物量積累、葉綠素合成和根系活力受到抑制,Cd富集和轉(zhuǎn)移能力下降。研究表明,扁穗冰草對(duì)Cd具有較強(qiáng)的耐性和積累能力,可用于Cd污染土壤的植物修復(fù)。
關(guān)鍵詞:扁穗冰草;重金屬脅迫;Cd富集;植物修復(fù)
中圖分類號(hào):X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1674-7909(2024)2-140-4
DOI:10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.02.033
0 引言
土壤重金屬污染是我國(guó)乃至全球廣泛關(guān)注的環(huán)境問題[1]。重金屬鎘(Cd)是一種常見的環(huán)境污染物,廣泛存在于土壤、水體和大氣中,鎘的污染主要源自工業(yè)排放、廢棄物處理及燃煤等活動(dòng)[2]。在經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)中,為了更好地改善民生問題,需要合理應(yīng)對(duì)土壤重金屬污染,減少對(duì)人類的危害[3]。植物修復(fù)具有成本低、對(duì)土壤擾動(dòng)小、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)前重金屬污染研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)[4]。探究植物對(duì)重金屬的耐受和積累特征,對(duì)促進(jìn)植物修復(fù)具有重要意義。植物對(duì)重金屬的耐性和超富集能力是植物修復(fù)的基礎(chǔ),合理選擇適宜的植物種類,通過植物的根系吸收土壤中的重金屬,并將土壤中的重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部分(如莖、葉等組織中),實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬的清除,有助于修復(fù)土壤重金屬污染,為生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)做出貢獻(xiàn)[5]。
扁穗冰草[Agropyron cristatum (L.) Gaertn.]是禾本科多年生草本植物,具有易栽培、生長(zhǎng)迅速、生物量大、根系發(fā)達(dá)等特點(diǎn)。目前,在土壤污染問題中,禾本科植物的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注,主要是由于禾本科植物對(duì)Cd污染土壤修復(fù)具有重要作用。禾本科植物對(duì)Cd脅迫的響應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的過程,涉及多種生理、生化、分子機(jī)制,禾本科植物對(duì)Cd脅迫響應(yīng)的研究有助于揭示禾本科植物的抗逆機(jī)制,并為改良作物品種提供理論依據(jù),以減輕Cd脅迫對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。近年來,該研究受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,并且有關(guān)禾本科植物對(duì)Cd脅迫響應(yīng)的研究已有諸多文獻(xiàn)報(bào)道[3]。一些研究表明,禾本科植物相對(duì)其他植物更容易吸收Cd,并且在體內(nèi)積累濃度較高的Cd。還有一些研究表明,Cd脅迫會(huì)導(dǎo)致禾本科植物出現(xiàn)一系列的生理和生化反應(yīng)。例如,Cd干擾植物的水分平衡、光合作用和呼吸過程,導(dǎo)致葉片黃化、葉面積減小、根系生長(zhǎng)受到抑制等。因此,為了更好地探究扁穗冰草對(duì)Cd的生理耐性和積累特征,研究通過盆栽試驗(yàn)?zāi)M不同濃度Cd污染土壤,對(duì)扁穗冰草的生長(zhǎng)生理特性和Cd含量等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定與分析,旨在為解決土壤Cd污染問題提供新的思路,也為未來相關(guān)研究提供理論基礎(chǔ)。
1 試驗(yàn)材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
扁穗冰草種子購(gòu)自玉溪市紅塔區(qū)花鳥市場(chǎng);未受Cd污染的混合土壤取自云南省玉溪地區(qū),土壤的采集深度為0~20 cm,試驗(yàn)前需要對(duì)采集的土壤進(jìn)行處理,除去雜質(zhì),采取風(fēng)干、研磨等手段,將采集的土壤過0.25 mm篩,為后續(xù)試驗(yàn)開展做好準(zhǔn)備。土壤的理化性質(zhì)見表1。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
選取塑料花盆,花盆的盆口直徑32 cm、底徑20 cm、高22 cm。將制備好的土壤裝入盆中,每盆裝土4.0 kg。設(shè)置CK(0 mg/kg)、Cd25(25 mg/kg)、Cd50(50 mg/kg)和Cd100(100 mg/kg)共4個(gè)Cd脅迫處理,每個(gè)處理重復(fù)4次。將土壤充分混合,在室溫下保持穩(wěn)定狀態(tài)30 d,適當(dāng)添加純凈水以保持土壤濕潤(rùn)。
選擇顆粒飽滿的扁穗冰草種子,以確保種子的質(zhì)量與發(fā)芽率;將選好的種子進(jìn)行浸種處理,用溫水浸泡一段時(shí)間,促進(jìn)種子發(fā)芽;將浸泡后的種子均勻地播種在花盆中,每盆播種40粒種子。在播種后第15天進(jìn)行間苗操作,每盆留下30株大小形態(tài)基本相同的幼苗,使用細(xì)長(zhǎng)的工具將多余的幼苗剪除或挖出,保持適當(dāng)?shù)拿芏?。扁穗冰草在溫室?nèi)生長(zhǎng),采用自然光照,確保植物能夠獲得充足的光照,為其光合作用與正常生長(zhǎng)提供能量。根據(jù)盆中土壤的干濕狀況澆水,保持適度濕潤(rùn),但要避免過度澆水造成根部腐爛。每個(gè)花盆中加入等量的純凈水,以保持土壤濕潤(rùn)。每7天添加1次Hoagland營(yíng)養(yǎng)液,每盆每次200 mL,為植物提供所需的營(yíng)養(yǎng),促進(jìn)其正常生長(zhǎng)和發(fā)育。定期檢查扁穗冰草的健康狀況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理病蟲害,同時(shí)注意拔除盆中的雜草,以減少競(jìng)爭(zhēng)對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。
1.3 指標(biāo)測(cè)定
1.3.1 生長(zhǎng)生理指標(biāo)的測(cè)定
扁穗冰草生長(zhǎng)3個(gè)月后進(jìn)行采樣測(cè)定,將扁穗冰草植株從土壤中完整取出,分為地上部和根部?jī)刹糠?,在處理過程中用蒸餾水徹底清洗植株,清洗完瀝干水分后,測(cè)量并記錄株高和根長(zhǎng)。采用排水法測(cè)定根的體積:將植株的根部放入已知容量的容器中,加入足量水,使水位上升至容器頂部,記錄水位變化,即可計(jì)算出根的體積。采用紫外分光光度法測(cè)定葉綠素總量:扁穗冰草的葉片樣品經(jīng)過提取和稀釋,使用紫外分光光度計(jì)測(cè)量其吸光度,并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算葉綠素總量。采用氯化三苯基四氮唑(TTC)還原法測(cè)定根系活力:將扁穗冰草的根樣品與TTC溶液接觸,反應(yīng)一段時(shí)間后,根據(jù)顯色程度測(cè)量吸光度,并計(jì)算根系活力。將扁穗冰草樣品放入烘箱中,在105 ℃殺青15 min,然后在65 ℃烘干至恒重,使用萬分位電子天平稱重樣品,分別計(jì)算地上部生物量和地下部生物量。地下部生物量除以地上部生物量得到根冠比。
1.3.2 Cd積累指標(biāo)的測(cè)定
將烘干的扁穗冰草樣品磨碎,使其顆粒尺寸小于0.25 mm。采用HNO3-HClO4法消解土壤樣品:將風(fēng)干土壤樣品磨碎過0.15 mm篩,再將磨碎的扁穗冰草樣品加入消解容器中,加入足量的HNO3-HClO4消解液;使用加熱設(shè)備(如加熱板)對(duì)樣品進(jìn)行消解,直至樣品完全溶解。待消解完成后,將消解液冷卻至室溫,并轉(zhuǎn)移到適合進(jìn)行原子吸收分光光度法測(cè)定的容器中。使用原子吸收分光光度法測(cè)定消解液中的Cd含量,設(shè)置合適的波長(zhǎng)和條件,將消解液樣品注入原子吸收儀器中進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線,計(jì)算出Cd的含量。Cd富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算。
富集系數(shù)(BCF)=植物各部位Cd含量/土壤中Cd含量" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " (1)
轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)=植物地上部Cd含量/根部Cd含量" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " (2)
1.4 數(shù)據(jù)處理與分析
使用Rstudio 4.2.2對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)中所有數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)誤顯著性都采用單因素方差分析(ANOVA),差異顯著水平設(shè)定為Plt;0.05。采用Duncan多重比較檢驗(yàn)法進(jìn)行不同處理間的差異顯著性檢驗(yàn),數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。
2 結(jié)果與分析
2.1 扁穗冰草生長(zhǎng)對(duì)Cd脅迫的響應(yīng)
Cd脅迫對(duì)扁穗冰草生長(zhǎng)的影響如圖1所示。由圖1(a)至圖1(c)可知,扁穗冰草的株高、根長(zhǎng)和根體積在Cd25和Cd50脅迫下與對(duì)照相比差異不顯著。地上部生物量和根部生物量在Cd25脅迫下與CK相比均無顯著變化,在Cd50和Cd100脅迫下與CK相比均顯著下降[Plt;0.05,圖1(d)];而根冠比在不同程度Cd脅迫下無顯著差異[圖1(e)]。Cd脅迫對(duì)扁穗冰草耐性指數(shù)的影響見表2。由表2可知,Cd脅迫下扁穗冰草的耐性指數(shù)為0.89~0.94,且耐性指數(shù)在不同程度Cd脅迫下差異不顯著,表明該植物對(duì)Cd脅迫有較強(qiáng)耐性。
Cd脅迫對(duì)扁穗冰草葉綠素總量和根系活力的影響如圖2所示。隨著Cd脅迫程度的增強(qiáng),扁穗冰草的葉綠素總量顯著下降[Plt;0.05,圖2(a)],其根系活力僅在Cd100脅迫下顯著降低[圖2(b)]。
2.2 扁穗冰草的Cd積累特征
Cd脅迫對(duì)扁穗冰草Cd含量、富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響如圖3所示。扁穗冰草地上部及根部的Cd含量隨Cd脅迫程度的增加顯著升高[Plt;0.05,圖3(a)];地上部富集系數(shù)、根部富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)在Cd100脅迫下顯著下降[Plt;0.05,圖3(b)、圖3(b)];在不同程度Cd脅迫下,地上部和根部富集系數(shù)均表現(xiàn)為根部gt;地上部gt;1。
Cd脅迫對(duì)扁穗冰草Cd積累量的影響如圖4所示。扁穗冰草地上部和根部Cd積累量隨Cd脅迫程度的增加顯著升高[Plt;0.05,圖4(a)];整株Cd積累量在Cd100脅迫下達(dá)最大值(114.69 μg/株);地上部Cd積累量占整株Cd積累量的37.24%~50.94%[圖4(b)]。
3 討論
植物的生長(zhǎng)生理狀況是其對(duì)土壤Cd脅迫適應(yīng)的綜合表現(xiàn),植物株高、根長(zhǎng)和生物量等是判定植物耐性的指標(biāo)。此研究中,與CK相比,扁穗冰草的株高、根長(zhǎng)、根體積和根冠比在Cd25和Cd50脅迫下都未顯著下降,地上部生物量和根部生物量在Cd25脅迫下也未顯著下降,表明該植物對(duì)Cd脅迫具有較強(qiáng)的耐性;較高濃度Cd脅迫(Cd50和Cd100)對(duì)植物地上部和根部生物量的積累有抑制作用。徐佩賢[1]研究發(fā)現(xiàn),與對(duì)照相比,高羊茅和多年生黑麥草的地上部生物量及根部生物量在較低濃度Cd脅迫下無顯著變化,在較高濃度Cd脅迫下顯著下降,與此研究結(jié)果相似。耐性指數(shù)可以反映植物對(duì)重金屬的耐受程度,耐性指數(shù)大于0.50說明植物對(duì)該重金屬有較強(qiáng)的耐性。該研究中扁穗冰草的耐性指數(shù)(0.89~0.94)在不同程度Cd脅迫下無顯著差異,表明該植物在Cd脅迫環(huán)境下生長(zhǎng)良好。張楊楊等[2]對(duì)Cd脅迫下細(xì)莖冰草的耐性研究發(fā)現(xiàn),其耐性指數(shù)在25、50、100 mg/kg Cd脅迫下無顯著變化,與此研究結(jié)果相似。扁穗冰草的葉綠素總量隨Cd脅迫程度的增加顯著下降,根系活力在Cd100脅迫下也顯著降低,表明高濃度Cd脅迫會(huì)抑制葉綠素合成和根系活力,與劉金秀等[3]和劉媛等[4]的研究結(jié)論一致。
通過該研究發(fā)現(xiàn),扁穗冰草地上部和根部Cd含量隨Cd脅迫程度的增加顯著升高,且Cd含量表現(xiàn)為根部大于地上部,說明Cd主要積累在扁穗冰草的根部。首先,由于植物根系存在多種離子的載體蛋白,每種離子與其相應(yīng)的載體蛋白結(jié)合,借助代謝能量離子轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi),由于中間限制向上運(yùn)輸,在一定程度上將Cd滯留在根系,緩解Cd對(duì)地上部的傷害,這也是植物自身的一種調(diào)節(jié)機(jī)制。其次,由于阻隔作用,植物的根皮層阻止Cd向植物地上部運(yùn)輸,根細(xì)胞的細(xì)胞壁較薄,Cd在根尖位置的積累量最大。富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)為重金屬在根部吸收、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移到地上部提供了依據(jù),是評(píng)價(jià)植物修復(fù)潛力的指標(biāo)。此研究中,扁穗冰草的地上部富集系數(shù)、根部富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)在高濃度Cd脅迫下顯著下降,這是由于高濃度Cd脅迫使植物生命活動(dòng)(如生物量積累、葉綠素合成和根系活力)受到抑制,造成植物對(duì)Cd富集和轉(zhuǎn)移能力降低。在不同程度Cd脅迫下,扁穗冰草地上部和根部富集系數(shù)均表現(xiàn)為根部gt;地上部gt;1,地上部富集系數(shù)為1.73~3.96,轉(zhuǎn)移系數(shù)為0.18~0.32,表明扁穗冰草是Cd富集植物,可以考慮用于Cd污染土壤的植物修復(fù)。植物的Cd積累量不僅與其體內(nèi)的Cd含量有關(guān),還與其生物量有關(guān)。隨著Cd脅迫程度的增加,扁穗冰草地上部和根部Cd積累量都顯著增大,地上部Cd積累量占整株Cd積累量的比例較大(37.24%~50.94%),說明扁穗冰草地上部獲得Cd的能力較強(qiáng)。
4 結(jié)論
扁穗冰草在25~100 mg/kg Cd污染土壤中生長(zhǎng)良好,在較高濃度Cd脅迫下仍保持較強(qiáng)的耐性。高濃度Cd脅迫使扁穗冰草的生物量積累、葉綠素合成和根系活力受到抑制,導(dǎo)致植物對(duì)Cd富集和轉(zhuǎn)移能力下降??傮w而言,扁穗冰草對(duì)Cd具有較強(qiáng)的耐性和積累能力,可用于Cd污染土壤的植物修復(fù)。
參考文獻(xiàn):
[1]徐佩賢.高羊茅和草地早熟禾對(duì)鎘的耐受能力和解毒機(jī)制研究[D].上海:上海交通大學(xué),2014.
[2]張楊楊,李希銘,高鵬,等.不同濃度鎘脅迫下6種草本植物的耐性及富集特征的比較[J].草地學(xué)報(bào),2021,29(6):1265-1276.
[3]劉金秀,張松彥,周建.鎘脅迫對(duì)刺槐幼苗生長(zhǎng)與光合生理特性的影響[J].林業(yè)科學(xué)研究, 2023, 36(3):168-178.
[4]劉媛,陳錦平,曾成城,等.水淹和非水淹條件下秋華柳扦插苗鎘積累特征比較[J].林業(yè)科學(xué), 2017, 53(4):166-174.