全 文 ：田字草对重金属 V、Cr胁迫的生理反应及其富集能力*
林 海1，2 刘璐璐1 董颖博1，2 陈 思1 张海丽1 田 野1
(1． 北京科技大学 环境工程系，北京 100083;2． 工业典型污染物资源化处理北京市重点实验，北京 100083)
摘要:研究分析了田字草在不同 V、Cr污染浓度(1，5，15mg /L)下对 V、Cr 的富集能力以及 V、Cr 污染对田字草生长状
况、生理特性的影响。结果表明:随着 V、Cr污染浓度的提高，田字草生长受到明显抑制，相同浓度 Cr污染环境下田字
草长势明显好于 V污染环境下田字草，并且田字草的 SOD、POD、CAT活性、MDA含量及叶绿素含量、叶绿素 a /b值总
体呈现出先升高后降低的趋势;相同污染浓度下田字草体内 Cr的富集量均高于对 V的富集量，根系对重金属 V有着
较强的滞留率，均超过 50%。在 V 浓度 1，5，15 mg /L 情况下植物体内平均重金属浓度分别为 360. 03，1 170. 01，
2 058. 25 mg /kg。在 Cr浓度 1，5，15 mg /L情况下植物体内平均重金属浓度分别为 505. 45，1 397. 61，2 426. 59 mg /kg，
表明田字草对 V、Cr均具有一定的富集能力，且对于 Cr的富集能力强于 V，因此田字草可作为钒、铬污染水体修复植物。
关键词:田字草;重金属;生理特性;富集能力
PHYSIOLOGICAL ＲESPONSES OF MAＲSILEA QUADＲIFOLIA UNDEＲ HEAVY
METALS STＲESS AND ITS ENＲICHMENT ABILITY OF VANDIUM AND CHＲOMIUM
Lin Hai1，2 Liu Lulu1 Dong Yingbo1，2 Chen Si1 Zhang Haili1 Tian Ye1
(1． Department of Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China;
2． Beijing Key Laboratory of Ｒesource-oriented Treatment of Industrial Pollutants，Beijing 100083，China)
Abstract:The effects of different concentrations (1，5，15 mg /L)of V and Cr on the heavy metal enrichment ability，growth
and physiological characteristic of marsilea quadrifolia were studied in this paper． The results showed that the growth of
marsilea quadrifolia was inhibited obviously with the vanadium and Cr concentration increasing． The growth of marsilea
quadrifolia in the Cr pollution environment was better than that in the V pollution environment． In addition，the test results
showed that SOD，POD，CAT activity，MDA content，chlorophyll content and chlorophyll a /b value of marsilea quadrifolia all
increased at first and then decreased． Under the same pollution concentration，the enrichment quantity of Cr was higher than
that of vanadium． The average retention rates of vanadium in root system were all higher than 50% ． Under the conditions of
concentration 1 mg /L，5 mg /L and 15 mg /L，the Vanadium adsorption quantity of marsile aquadrifolia reached 360. 03 mg /
kg，1 170. 01 mg /kg and 2 058. 25 mg /kg，respectively． Under the condition of Cr concentration 1，5，15 mg /L，the Cr
adsorption quantity of marsile aquadrifolia reached 505. 45，1 397. 61，2 426. 59 mg /kg，respectively． The results indicate
that the marsilea quadrifolia has good ability to enrich vanadium and Cr，and the enrichment ability on Cr is better than that on
vanadium． Therefore，the marsilea quadrifolia could be used as a water pollution remediation plant for Vanadium and Cr．
Keywords:marsilea quadrifolia;heavy metal;physiological response;enrichment ability
* 国家水体污染控制与治理科技重大专项(2015ZX07205003)。
收稿日期:2016 － 01 － 05
0 引 言
河流重金属污染已成为越来越受关注的环境问题
之一，而植物修复技术也已成为目前治理重金属污染
的研究热门［1，2］。铬是一种常见的致癌物质，对人体
和农作物均有毒害作用。它能降低生化过程的需氧
量，从而发生内窒息，铬盐对肠胃均有刺激作用［3］。金
属钒毒性很低，但钒化合物对人有中度或高度毒性，其
毒性作用与钒的价态、溶解度、摄取的途径等有关，浓
度超过一定范围可危害人的心、肺，导致胆固醇代谢异
常［4，5］。通过文献查阅总结发现［6］，对于植物修复铬
污染的研究较多，但关于钒污染修复研究很少，尤其是
植物修复，大部分只是对钒污染区域土壤及植物受钒
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环 境 工 程
2016 年第 34 卷增刊
污染状况的调研，并没有深入到修复阶段。
针对湖北某市部分河流中 V、Cr 污染超过国家
地表水二类标准的实际问题，一系列的前期调研发
现，污染河流沿岸本土植物田字草长势良好，而田字
草属于多年生挺水蕨类植物，根茎横生泥中，产于中
国长江以南的各个省区［7］，对于田字草吸附重金属
的研究鲜有报道，目前有发现生长于矿区周边的田字
草对 Pb、Hg、Cd 有一定的富集能力［8-9］，而现有文献
针对重金属 V污染河流的治理涉及到植物修复技术
也研究甚少。
本文通过试验考察了田字草对重金属 V、Cr 胁
迫的生长、生理特性反应及其富集重金属能力，探索
V、Cr对田字草的胁迫反应和田字草对其的耐性机
理，以期为田字草修复重金属 V、Cr 污染水体提供重
要依据。
1 试验部分
1. 1 试验材料
试验用田字草幼苗购自某花卉苗圃基地，幼苗经
去离子水冲洗，将其放置于 50%浓度营养液中培养
备用。
营养液配方［10］:采用 Hoagland配方，具体成分包
括硝酸钙 945 mg /L，硝酸钾 607 mg /L，磷酸铵
115 mg /L，硫酸镁 493 mg /L，铁盐溶液 2. 5 mL /L。
1. 2 试验方法
本试验通过室外模拟天然水体环境，在 40 cm ×
27 cm ×21. 5 cm的透明整理箱中进行静态试验。
试验具体步骤为:每个整理箱内加入 10 L 曝晒
过的自来水，并加入 10%的营养液，然后投放生长健
康、长势和个体大小近似的田字草 40 g 左右，待植物
生长状况稳定(14 d)后，向不同整理箱内分别添加不
同质量的 NH4VO3、K2Cr2O7，调节重金属 V、Cr 的浓
度分别为 1，5，15 mg /L，以考察不同 V、Cr 浓度下田
字草的生理生长情况以及对重金属的富集效果。每
组试验均设置不加重金属的对照组，试验中蒸发的水
分用暴晒的自来水补充。试验周期为 24 天，每隔 6
天取一次待测水样和植物样品，测定水中重金属去除
率和植物生长、生理指标，试验周期结束后，将田字草
根、茎、叶分开，用去离子水冲洗 3 遍，置于 105 ℃烘
箱中烘干 30 min杀青，80 ℃烘至恒重，磨碎称重，分
别测定植株内重金属 V、Cr含量。
1. 3 测定方法
水样中重金属经孔径为 0. 45 μm 滤膜过滤后，
用 ICP-MS、ICP-OES仪器检测相应的重金属含量;经
烘干磨碎的植物样品过 100 目筛，每份样品取 0. 2 g，
用 HNO3 － HClO4 消解，用 ICP-MS、ICP-OES 仪器检
测重金属 V、Cr的含量。
植物生物量采用常规方法［11］测定，植物生理指
标测定方法如下:叶绿素 a /b、叶绿素总量:分光光度
法;SOD 活性:比色法;POD 活性:愈创木酚法;CAT
活性:过氧化氢法;MDA含量:硫代巴比妥酸法。
采用以下指标［12-13］来表征田字草生长状况及对
重金属富集能力:
耐性指数 =重金属处理中植物的生物量 /对照中
的生物量 × 100%;
富集系数 =地上或地下部分重金属含量 /环境中
重金属含量;
根对重金属滞留率 =(植物地下部分重金属含
量 －植物地上部分重金属含量)/植物地下部分重金
属含量 × 100%。
2 结果与讨论
2. 1 不同浓度 V、Cr对田字草生长的影响
植物的株高、相对生长速率、耐性指数等常用来
表征植物的生长情况［14-15］，为表征 24 天内田字草随
时间变化的生长状况，分别在第 6，12，18，24 天记录
质量，结果见图 1，并在第 24 天时记录、计算出田字
草的株高、相对生长速率、耐性指数，以说明田字草在
各 V、Cr污染浓度中的生长状况并与对照组进行对
比，结果见表 1。
— —V1; V5; V15; Cr1;
Cr5; Cr15; 对照。
图 1 不同浓度 V、Cr对田字草生长的影响
由图 1 可以看出:在相同污染浓度下，种植在 V
中的田字草质量 ＜种植在 Cr 中的田字草 ＜对照组。
第 24 天时，均表现出 15 mg /L中的田字草质量偏低，
该浓度下 V中的田字草质量达到 41. 55 g，Cr中的田
字草质量达到 76. 00 mg /L，1，5 mg /L 的田字草质量
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环 境 工 程
2016 年第 34 卷增刊
表 1 第 24 天田字草在不同浓度 V、Cr中的生长记录
重金属种类
重金属浓度 /
(mg·L －1)
株高 / cm
相对生长
速率 /%
耐性指数 TI
/%
V 1 16. 76 0. 65 48. 85
5 15. 80 0. 56 45. 50
15 13. 00 0. 40 46. 08
Cr 1 20. 40 3. 07 86. 03
5 22. 02 3. 19 87. 83
15 15. 30 2. 81 80. 42
对照组 0 23. 98 3. 68 —
相近，V中的田字草质量在 45. 00 g 左右，Cr 中的田
字草质量在 82. 00 g 左右，种植在 Cr 中的田字草质
量总体还有继续增长的趋势，而种植在 V 中的田字
草质量总体呈现基本稳定趋势，甚至 15 mg /L中的田
字草质量开始下降。
本研究发现，种植在 V 中的田字草在第 24 天
时，叶片出现斑点，15 mg /L 浓度中的田字草少部分
叶片变成锈黄色。种植在 Cr 中的田字草在第 24 天
时，15 mg /L 浓度中的田字草部分叶片萎蔫，5 mg /L
浓度中的田字草叶片约一半枯黄，1 mg /L 浓度中的
田字草叶片除较少部分枯黄外，其余变化不明显． 这
说明田字草在 15 mg /L浓度 V 污染情况下生长受到
明显抑制，会出现枯黄、萎蔫、斑点一系列现象，这表
明此时 V对植物的毒害开始超过其耐受能力，而且
在相同污染浓度下，生长于 Cr 中的植株长势明显好
于生长于 V中的植株长势。
表 1 的试验结果表明:V、Cr 污染中的田字草均
为 15 mg /L中株高 ＜ 1，5 mg /L 中株高 ＜对照组，其
中 5 mg /L Cr中植株株高与对照组相近，1 mg /L V、
Cr中植株株高比对照组分别低 30%、8. 17%左右，说
明 15 mg /L V、Cr污染环境中的植物生长受影响最严
重，并且相同浓度污染情况下，V 污染环境中的植物
生长受影响更严重。
此外，生长于 Cr 中的植株相对生长速率和耐性
指数均明显高于生长于 V 中的植株，生长于 Cr 中的
植株相对生长速率和耐性指数平均分别为 3. 02%和
84. 75%，生长于 V中的植株相对生长速率和耐性指
数平均分别为 0. 54%和 46. 81%，这说明田字草对 Cr
的耐受性强于对 V的耐受性，植物对 1，5 mg /L 浓度
污染有一定耐性，而随着污染浓度的增加耐性降低，
生长受到抑制，相对生长速率和耐性指数均有所下降
的研究结果，这与周守标［16］等人的结果一致。
2. 2 V、Cr浓度对田字草生理特性的影响
为了研究 V、Cr浓度对田字草生理特性的影响，
分别在第 6，12，18，24 天测试记录了 SOD、POD、CAT
活性、MDA含量、叶绿素含量及叶绿素 a /b 值。植物
叶片叶绿素含量与光合速率、营养状况等密切相关，
所以通常测定叶绿素含量以表征植物生理状况，叶绿
素 a /b值可作为叶片衰老的重要指标［17，18］。测定以
上指标时，均摘取植株顶端部分的叶子进行试验，结
果见图 2、图 3。
由图 2 可以看出:田字草在不同 V 处理浓度中，
随着时间的增加，SOD、POD、CAT 活性、MDA 含量及
叶绿素含量均呈现出先升高后下降的趋势，叶绿素
a /b值则表现出开始阶段保持稳定而后升高又下降
的趋势。
对于 1 mg /L V 污染环境中的田字草，SOD、POD
活性、MDA含量波动范围相对较小，在第 6 天时分别
是初始值的 1. 62，1. 31，1. 14 倍，从第 6 天起升高较
快，在第 18 天左右达到最高而后下降，CAT活性则在
一开始就快速升高，第 6 天时达到最大，是初始值的
2. 36 倍，而叶绿素含量和叶绿素 a /b 值基本一直处
于 5 mg /L和 15 mg /L之上，并分别在第 18 天和第 12
天左右达到最大值，这也与 1 mg /L 中植物生长状况
相对最好的结果相一致。
对 5 mg /L V 污染环境中的田字草，SOD、POD
活性、MDA含量一直随时间均匀升高并在第 18 天
达到最大值，这主要是因为植物体内产生了大量的
烷基氧和活性氧自由基，这些自由基最终使植物细
胞膜脂双分子层中的不饱和脂肪酸的双链被氧化
分解，破坏细胞膜，细胞膜透性加大，离子和有机质
外泄，植物肌体受到严重损伤［19］，导致植物内 MDA
含量升高． CAT 活性在一开始反应迅速，第 6 天时
达到最大，是初始值的 2. 37 倍，而叶绿素含量和叶
绿素 a /b值分别在第 12 天和第 6 天左右达到最大
值后开始下降，再联系酶活性的变化规律，说明此
时植物相比 1 mg /L中的田字草生长受到了更为严
重的影响。
对 15 mg /L V污染环境中的田字草，SOD、POD、
CAT活性、MDA含量在第 6 天时均呈现出快速升高
的现象，尤其是 CAT 活性和 MDA 含量，在第 6 天左
右升高到最大值，CAT 普遍存在于植物的所有组织
中，其活性与植物的代谢强度及抗寒、抗病能力有一
定的关系，可在短时间内较灵敏地指示植物受伤程
度，因此是一种比较理想的生态毒理学指标［20］。而
植物器官衰老时，或在逆境条件下，往往发生膜脂过
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—◆—1 mg /L;—▲—5 mg /L;—●—15 mg /L。
图 2 不同浓度 V对田字草生理特性的影响
氧化作用，丙二醛(MDA)是其产物之一，通常利用它
作为脂质过氧化指标，表示细胞膜脂过氧化程度和植
物对逆境条件反应的强弱［21］。再联系叶绿素含量和
叶绿素 a /b值可以看出:15 mg /L 中的田字草在一开
始就受到 V的胁迫，相应酶也作出应急反应，在超过
一定限度后，田字草开始枯黄、萎蔫。
由图 3 可以看出:田字草在不同 Cr处理浓度中，
随着时间的增加，SOD、POD、CAT 活性、MDA 含量及
叶绿素含量总体呈现出先升高后下降。在第 24 天
时，15 mg /L中的田字草与其他浓度相比，SOD、POD、
CAT活性及叶绿素含量是最低的，而 MDA 含量是最
高的，这也间接说明 15 mg /L 中的田字草受到 Cr 的
影响最明显。
对于 SOD、POD 活性、MDA 含量及叶绿素含量，
各浓度基本上在第 12 ～ 18 天出现最大值，与在 V 中
种植的田字草不同的是，在升高到最大值之前，SOD、
POD 活性、MDA 含量及叶绿素含量一直保持着
15 mg /L浓度中最低，1 mg /L 浓度中最高，这可能与
田字草对 Cr的应急机制有关。其自身启动了细胞的
应急防御反应，体内保护酶活性发生了应急性提高，
起到了一定的保护作用。SOD、POD广泛存在于植物
体内，是活性较高的一种酶，它与呼吸作用、光合作用
及生长素的氧化等都有关系，可作为植物组织老化的
一种生理指标。但随着处理浓度的升高和时间的延
长，超过了细胞防御系统的保护限度，保护酶活性降
低［22］。CAT活性则表现出在试验刚开始阶段升高较
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—◆—1 mg /L;—▲—5 mg /L;—●—15 mg /L。
图 3 不同浓度 Cr对田字草生理特性的影响
快，而后缓慢下降的趋势，试验结束后 CAT 活性在 3
种浓度处理下基本相近且高于试验前。而叶绿素 a /
b值则表现出低浓度开始基本保持不变而后升高，
中、高浓先下降后上升的趋势。
综合不同浓度 V、Cr 对田字草生理特性的影响，
V、Cr污染导致叶绿素含量降低，其影响机理可能有
以下几点［23］:1)在 V、Cr 离子的污染下，叶绿素合成
酶受到抑制，导致了叶绿素含量的降低;2)V、Cr离子
的存在使得植株减少了对 Fe2 +和 Mg2 +的吸收，从而
阻碍了叶绿素的合成;3)V、Cr 离子代替了合成叶绿
素时对 Mg2 +的结合。因为，环境中大量的 V、Cr进入
细胞后可能影响植株对 Mg2 +的吸收和运输，同样可
能影响植株对 Mg2 +的结合位点，Cu2 +取代了正常叶
绿素成为了“代叶绿素”，使其丧失了活性。重金属
胁迫能影响植株的光合作用、叶绿素含量、抑制植株
正常生长，从而影响植物的生物量。
2. 3 田字草对不同浓度 V、Cr的富集情况
为了研究田字草对不同浓度 V、Cr 的富集情况，
分别计算出植物体内的重金属浓度、富集系数和滞留
率，其中富集系数体现了植物对重金属的富集能力，
而滞留率则体现了植株根相比于茎、叶对重金属的富
集能力，结果见表 2。
在 15 mg /L V污染情况下，第 24 天时，由于田字
草出现萎蔫，根茎叶区分不明显，改为测试整株植物
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环 境 工 程
2016 年第 34 卷增刊
表 2 不同处理浓度下田字草体内 V、Cr的富集情况
重金
属
处理浓度 /
(mg·L －1)
重金属浓度 /(mg·kg －1)
根 茎 叶
富集系
数 BCF
滞留
率 /%
V 1 570. 90 295. 68 213. 51 1. 39 55. 40
5 2163. 64 636. 90 709. 50 0. 18 68. 89
15 2058. 25 0. 10 —
Cr 1 738. 45 195. 50 582. 40 0. 23 47. 33
5 2417. 25 1047. 92 727. 65 0. 44 63. 27
15 2795. 74 2971. 80 1512. 22 0. 22 19. 81
体内的重金属浓度。由表 2 可知:田字草体内 V、Cr
含量随着污染物浓度的增加而升高，田字草体内 V
富集系数随着污染物浓度的增加而降低，Cr 富集系
数在 5 mg /L浓度下最高，根的滞留率随着污染物浓
度的增加而升高。此外，V 污染情况下，茎叶重金属
浓度相近，达到 250 mg /kg 左右，根中重金属浓度较
高，约为茎叶中重金属浓度的 2. 28 倍。
Cr污染情况下，1 mg /L 浓度下植物体内重金属
浓度茎 ＜叶 ＜根，5，15 mg /L 浓度下叶 ＜茎 ＜根，并
且在存在 Cr 污染情况下，植物体内重金属浓度整体
高于 V 污染情况下植物体内重金属浓度，平均是 V
的 1. 17 倍。对于根的滞留率整体低于 V污染情况下
滞留率，V污染情况下滞留率大约是 Cr 污染情况下
滞留率的 1. 1 倍，这也间接说明田字草对 Cr 的耐性
强于对 V的耐性。田字草根部在低、中浓度中有着
较高的滞留率，这可能是因为将有害离子积累于根
部，是植物阻止其对光合作用及新陈代谢活性毒害的
一种策略［24，25］。
3 结 论
1)随着 V、Cr污染浓度的提高，田字草生长受到
明显抑制，相同浓度 Cr 污染环境下田字草长势明显
好于 V 污染环境下田字草，生长于 Cr 中的植株相对
生长速率和耐性指数平均分别为 3. 02%和 84. 75%，
生长于 V中的植株相对生长速率和耐性指数平均分
别为 0. 54%和 46. 81%。
2)田字草在不同 V、Cr 处理浓度中，随着时间的
增加，SOD、POD、CAT 活性、MDA 含量及叶绿素含
量、叶绿素 a /b 值总体呈现出先升高后下降，生理特
性的变化与生长情况基本保持一致。
3)田字草体内 V、Cr 含量随着污染物浓度的增
加而升高，田字草体内 V 富集系数随着污染物浓度
的增加而降低，Cr 富集系数在 5 mg /L 浓度下最高，
根茎叶各部分富集系数除 V 污染 1 mg /L 情况外均
未超过 1，根的滞留率随着污染物浓度的增加而升
高。在 V 污染 1，5，15 mg /L 情况下，植物体内平均
重金属浓度分别是 360. 03，1170. 01，2058. 25 mg /kg。
在 Cr污染 1，5，15 mg /L 情况下，植物体内平均重金
属浓度分别是 505. 45，1397. 61，2426. 59 mg /kg。
4)本研究表明，田字草体内重金属含量在一定
范围内随水中 V、Cr浓度的增加而增加，田字草在 1，
5，15 mg /L V、Cr污染浓度下，对 V、Cr 均具有一定的
富集能力，且对于 Cr的富集能力强于 V。
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第一作者:林海(1966 －)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事矿山
环境保护、矿物环境材料和水处理技术研究。linhai@ ces． ustb． edu． cn
通信作者:董颖博，女，副教授，主要从事矿山环境保护、矿物环境材料
和水处理技术研究。
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ybdong@ ustb． edu． cn
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第一作者:丁正(1987 －)，男，硕士，主要从事土壤污染评价与修复研
究。dingzheng_321@ 163． com
通信作者:梁晶(1981 －)，女，硕士，高级工程师，主要从事土壤污染
评价与修复研究。liangjing336@ 163． com
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环 境 工 程
2016 年第 34 卷增刊