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凤丹组织浸提液对Cu污染土壤中吊兰生长及其Cu富集特性的影响



全 文 :第28卷第3期
2014年6月
水土保持学报
Journal of Soil and Water Conservation
Vol.28No.3
Jun.,2014
 
  收稿日期:2013-12-17
  基金项目:国家自然科学基金项目(31070401);教育部科学技术研究重点项目(212079);重要生物资源保护与利用研究安徽省重点实验室基
金资助项目
  作者简介:朱志鹏(1989-),男,安徽当涂人,硕士研究生,主要从事污染生态学研究。E-mail:zhuzhipeng0710431@163.com
  通讯作者:王友保(1974-),男,安徽肥西人,博士,教授,主要从事植物生态学与污染生态学研究。E-mail:wybpmm@126.com
凤丹组织浸提液对Cu污染土壤中
吊兰生长及其Cu富集特性的影响
朱志鹏1,王 鑫1,王友保1,2,周 会1,徐 夏1,王振东1,王兴飞1
(1.安徽师范大学 生命科学学院,安徽 芜湖241000;
2.安徽师范大学 生物环境与生态安全安徽省高校重点实验室,安徽 芜湖241000)
摘要:通过对凤丹进行组织分离、提取获得其各部分组织浸提液,添加至铜污染土壤中,进行盆栽试验,研
究凤丹组织浸提液对铜污染土壤中吊兰生长及其对铜的富集特性的影响。结果表明,随着铜浓度的上升,
吊兰的各项形态学指标都有所下降,损伤程度上升,吊兰体内的抗氧化物酶活性上升。凤丹组织浸提液处
理对吊兰生长具有一定的抑制作用,其中,凤丹根皮浸提液的抑制作用最为显著,叶浸提液的作用的次之,
茎浸提液的作用最小。凤丹叶浸提液处理在一定程度上促进吊兰对铜的富集作用,凤丹茎浸提液的作用
不明显,而凤丹根皮浸提液对吊兰的富集作用有显著性抑制。
关键词:凤丹;吊兰;Cu;富集;浸提液
中图分类号:Q945;Q944;S156   文献标识码:A   文章编号:1009-2242(2014)03-0285-05
Effects of Aqueous Extract of Paeonia osti Tissue on the Growth and
Accumulation of Copper of Chlorophytum comosumin Copper-contaminated Soil
ZHU Zhi-peng1,WANG Xin1,WANG You-bao1,2,
ZHOU Hui 1,XU Xia1,WANG Zhen-dong1,WANG Xing-fei 1
(1.College of Life Sciences,Anhui Normal University,Wuhu,Anhui 241000;2.Provincial Key Laboratory
of Biotic Environment and Ecological Safety in Anhui,Anhui Normal University,Wuhu,Anhui 241000)
Abstract:The effects of aqueous extract of different tissues fromP.ostii on the growth and the accumulation
of heavy metals of C.comosumthat planted on the soil poluted by different concentration of copper were
studied.The results showed that,as the rising of the concentrations of copper,the morphological indexes of
C.comosumhad been decreased,the degree of damage of C.comosumaggravated.The activities of antioxidant
enzymes increased.The aqueous extract of P.osti had definite inhibitory efect on the growth of C.comosum,of
which,the aqueous extract of root bark had the maximum inhibitions,the aqueous extract of leaf took the
second place,and the aqueous extract of stem had the least effect.Aqueous extract from different tissues of
P.ostii also had diverse effects on the accumulation of copper,the aqueous extract of leaf promoted its
concentration of copper,the aqueous extract of stem had no significant influence,but the aqueous extract of
root bark could suppress its concentration of copper.
Key words:Paeonia ostii;Chlorophytum comosum;copper;accumulation;aqueous extracts
凤丹(Paeonia ostii),又名铜陵牡丹、铜陵凤丹,不仅是观赏植物,也是举世闻名的珍贵中药材。铜陵也是
我国重要的产铜地区之一,冶铜历史悠久。大规模开采过程中形成的废弃物占据了大量土地,掩埋了库区内的
生物群落,使大范围的土壤、水体和空气受到严重的重金属,特别是重金属铜的污染。凤丹种植地土壤重金属
铜的污染不仅会影响凤丹植株的生长和丹皮的品质[1-2],也会导致凤丹体内重金属含量过高,进而对人体健康
造成危害。选用对重金属富集具有较强耐性和富集能力的植物与作物进行间作或轮作,能够降低种植地土壤
重金属污染程度,改良种植地土壤,提高作物的品质。吊兰(Chlorophytum comosum)隶属于百合科吊兰属,多
年生常绿草本植物,为常用观赏植物,生命力旺盛,繁殖力强,对环境适应力强,且对多种重金属均具有较强的
耐性[3-4]。此外,吊兰植株较为矮小,根系较浅,对光照强度要求较低;而凤丹是阳生植物,需要充足的阳光,植
DOI:10.13870/j.cnki.stbcxb.2014.03.051
株较高大,且根系较深。因此,吊兰与凤丹的生态位不重叠,不会发生显著的资源性竞争,可将吊兰间作于凤丹
植株之间,减轻土壤重金属污染对凤丹的影响。本文通过凤丹不同组织浸提液添加实验,来研究凤丹对吊兰生
长及其重金属富集特性的影响,为将吊兰与凤丹进行间作提供理论指导,从而为修复土壤中重金属污染,减轻
重金属对凤丹植株的伤害提供一定的理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
于2012年9月2日在芜湖市花鸟市场购买吊兰幼苗。在实验室培育4周后,取长势基本相同、根系较为
发达的植株进行种植。于2012年9月15日在安徽省铜陵市凤凰山农田采集凤丹。按照梅花形采集12个样,
挖出整株凤丹,除去附在根上的大土粒,保留细根上粒径<1mm的土粒,装入无菌保鲜带,于当天带回实验室
进行处理。凤丹植株用自来水彻底清洗,再用蒸馏水冲洗,分离凤丹组织,取根皮、茎、叶,分别风干后粉碎,过
60目筛,粉末贮藏备用。供试土壤采于安徽师范大学后山山坡,为黄棕色土壤,其pH为5.22,电导率为0.178
mS/cm,有机质、全氮、全磷含量分别为20.47,0.88,1.26g/kg,全铜含量为24.43mg/kg。土壤采回后,除去
动植物残体、石砾等后风干,过2mm筛后充分混匀备用。
1.2 试验设计
1.2.1 凤丹组织浸提液制备 参照张汝民制备浸提液的方法[5]。准确称取凤丹茎、叶、根皮干粉各20g,置于
100ml蒸馏水中,在25℃条件下浸提48h,离心后过滤2次,得凤丹组织浸提液母液,包括茎浸提液、叶浸提
液、根皮浸提液,浓度为20mg/ml,保存在4℃冰箱中备用。
1.2.2 试验处理 一次性加入不同体积的乙酸铜溶液,并将其与土壤充分混匀,使土壤含铜量分别为100
mg/kg,200mg/kg和400mg/kg,以不添加重金属铜的处理为对照(CK)。设置4组相同的处理,取其中3组
进行浸提液添加处理,每组只对应添加某一种浸提液;剩下的一组只添加与浸提液等量的蒸馏水,作为无浸提
液组。共设16个处理组,每个处理均设置3个重复。
1.2.3 栽培方法 取直径为12.5cm的塑料盆,装入250g供试土壤,每盆种植2株吊兰。2012年9月30日
进行吊兰种植。在吊兰种植1周后,开始浸提液的添加处理。添加前取各浸提液母液稀释5倍,进行添加处
理,每6d添加1次,每次添加50ml,共添加10次。待10次添加结束,再培养7d。2012年12月7日培养结
束,取吊兰植株进行试验分析。
1.3 试验方法
1.3.1 土壤全铜含量测定 将花盆中的土壤倒出,风干,过0.1mm筛后备用。取土样经盐酸-硝酸-高氯
酸消解后,使用AA-6800型原子吸收分光光度计测定其全铜含量。
1.3.2 吊兰铜富集量测定 称取烘干后的吊兰地上部分和地下部分材料粉末各0.2g,经盐酸-硝酸-高氯
酸消解后,使用AA-6800型原子吸收分光光度计测定其铜浓度,分别计算吊兰地上部和地下部的铜含量。
1.3.3 吊兰形态学指标测定 将吊兰从盆中连根移出,用自来水冲洗,洗净附着在根系表面的土壤,再用蒸馏
水清洗1遍。用刻度尺分别测量吊兰的根长和株高,再用电子天平分别称其地上部分和地下部分鲜重。
1.3.4 吊兰叶片几种生理指标测定 电导率(EC)用DDS-11A型数显电导仪测定;丙二醛(MDA)以TCA提
取,用可见光分光光度计测定其含量[6];叶绿素以丙酮提取,用可见光分光光度计测定其含量[6]。
1.3.5 吊兰叶片抗氧化酶活性测定 过氧化氢酶(CAT)采用高锰酸钾滴定法[7];过氧化物酶(POD)采用愈
创木酚法[6];超氧化物歧化酶(SOD)采用NBT光还原法[6]。
1.3.6 数据处理 用Excel 2003软件对3个平行样的平均值和标准差等进行计算,用SPSS 17.0软件进行
不同处理间的多重比较。
2 结果与分析
2.1 凤丹组织浸提液对吊兰部分形态学指标的影响
由图1可知,同一浸提液处理下,吊兰的株高、根长、鲜重均随Cu浓度升高而减少。Cu浓度的增加对吊
兰生长的抑制作用显著加强。在同浓度Cu处理下,不同浸提液对吊兰形态学指标有不同的影响。对于株高,
各浸提液基本都呈现抑制生长的趋势,但在高浓度Cu处理下,叶浸提液处理组吊兰株高相对高于CK,因此,
叶浸提液对重金属Cu造成的损伤有一定程度的修复。结合根长及鲜重数据可知,叶浸提液处理组对吊兰各
形态学指标的抑制作用最小,茎浸提液其次,根皮浸提液的抑制作用最明显。
682 水土保持学报       第28卷
图1 凤丹组织浸提液对吊兰形态学指标的影响
2.2 凤丹组织浸提液对吊兰部分生理指标的影响
植物在外界环境胁迫下,会产生大量的自由基,导致膜脂过氧化,丙二醛含量增加[9],因此,丙二醛含量常
被看作衡量活性氧对植物体防御体系破坏程度的一个指标。一般情况下,组织受损会使其电导率(EC)增大,
丙二醛(MDA)含量也会偏高。同时,叶片的光合作用也会减弱,表现为叶绿素a、叶绿素b的含量下降[9-10]。
由表1可知,不同Cu浓度处理间,各浸提液作用下的吊兰生理指标均存在显著性差异。叶绿素a和叶绿素b
含量随着Cu浓度上升而减少,MDA含量和EC值随Cu浓度的上升而增加。在同一浓度Cu处理下,各浸提
液基本都对植物的生长呈抑制作用,且达到显著性差异水平,但各浸提液的影响程度有明显的区别。茎浸提液
处理组各项指标均与CK最为接近,表明茎浸提液对吊兰生长的影响作用最小。叶浸提液和根皮浸提液对各
指标的影响与CK相差较大,对吊兰生长的影响较大。
表1 凤丹组织浸提液对吊兰几个生理指标的影响
Cu浓度/
(mg·kg-1)
浸提液
叶绿素a含量/
(mg·g-1)
叶绿素b含量/
(mg·g-1)
丙二醛含量/
(μmol·g
-1)
电导率/
(μS·cm
-1)
无 8.85±0.14aA  3.68±0.06aA  0.59±0.09aA  63.85±0.92aA
CK
茎 8.08±0.26aB  2.14±0.11aB  0.70±0.04aAB  85.40±0.14aB
叶 5.91±0.16aC  2.99±0.07aAB  0.69±0.05aAB  92.15±1.70aB
根皮 5.10±0.12aD  2.45±0.05aB  0.83±0.02aB  99.20±2.55aB
无 6.95±0.14bA  3.47±0.16aA  0.76±0.05bB  97.15±1.91bA
100
茎 6.62±0.34bA  1.56±0.14bB  0.73±0.04aAB  107.44±1.70bA
叶 5.63±0.31aB  1.93±0.13bB  0.60±0.07aA  122.50±9.48bB
根皮 3.66±0.12bC  1.68±0.07bB  1.00±0.08bC  107.70±4.88bA
无 5.43±0.15cB  2.75±0.08bA  0.89±0.06cB  101.51±5.66bA
200
茎 6.46±0.13bA  1.06±0.12cC  0.92±0.10bB  119.28±4.91cB
叶 5.54±0.21cB  1.72±0.11bB  0.71±0.07aA  132.50±6.48cC
根皮 3.41±0.18cC  1.13±0.15cBC  1.24±0.14cC  122.71±5.70cB
无 4.85±0.10dB  1.11±0.04cB  0.96±0.03cA  118.55±4.03cA
400
茎 5.63±0.13cA  0.54±0.05dA  1.03±0.08cA  136.91±3.39dB
叶 3.95±0.04dB  0.72±0.02cA  0.90±0.03bA  149.70±1.56dC
根皮 2.67±0.16dC  1.12±0.09cB  1.60±0.03dB  139.45±3.18dB
  注:数据后不同小写字母表示同一浸提液、不同Cu浓度处理下差异显著(P<0.05);不同大写字母表示在同一Cu浓度、不同浸提液处理下差
异显著(P<0.05)。下同。
2.3 凤丹组织浸提液对吊兰抗氧化物酶活性的影响
植物生长于逆境时,O-2 的动态平衡被打破,产生大量剩余活性氧,给植物体造成严重的损伤。一般情况
782第3期       朱志鹏等:凤丹组织浸提液对Cu污染土壤中吊兰生长及其Cu富集特性的影响
下,生物体会通过抗氧化酶系统的作用对活性氧自由基进行清除,以减轻其对机体的损伤[11-12]。SOD、POD、
CAT这3种酶是植物抗氧化物酶系统中的重要组成部分,三者的反应效果可相互协同,相互补充。SOD可对
超氧化物进行歧化,产生 H2O2,之后由POD和CAT互补,将产生的 H2O2 快速高效分解。抗氧化酶对自由
基的清除有着十分重要的意义。当生物体受到轻度逆境胁迫时,抗氧化酶活性会应激性升高,增强对活性氧的
清除能力;当受到重度环境胁迫时,细胞抗氧化酶系统的平衡遭到破坏,抗氧化酶活性会受到抑制,体内活性氧
积累,带来机体损伤,所以抗氧化酶活性也是反映生物体对环境胁迫适应程度的重要指标[13-14]。
由表2可知,CAT、POD及SOD的活性随着土壤Cu浓度的上升而增强,然而,当Cu添加浓度达到400
mg/kg时,酶活性受到了抑制。在同一浓度Cu处理下,不同浸提液对3种抗氧化物酶活性的影响不同。其
中,根皮浸提液对酶活性的影响最大,显著促进了酶活性。叶浸提液的作用弱于根皮浸提液,而强于茎浸提液
的作用。产生这种现象的原因可能和凤丹生长过程中产生的次生代谢物质有关。目前有研究表明,凤丹中含
有丹皮酚、牡丹酮、牡丹缩酮、3-0-甲基牡丹缩酮、芍药昔元酮、苯甲酞芍药昔、苯甲酞氧化芍药昔等50多种有
机化合物[15],而在凤丹根皮(丹皮)中,这些物质含量较多。这些酚类和酮类化合物等物质可以通过凤丹根系
分泌活动释放到土壤中,对其他生物产生一定的化感效应[16]。随着凤丹组织液的添加处理,吊兰根际土壤中
酚类、酮类等物质不断积累,对吊兰的生长产生不利影响。
表2 凤丹组织浸提液对吊兰抗氧化物酶活性的影响
Cu浓度/
(mg·kg-1)
浸提液
过氧化氢酶/
(ml·g-1)
过氧化物酶/
(U·min-1·g-1)
超氧化物歧化酶/
(U·g-1)
无 0.437±0.005aA  1302.53±27.29aA  2.807±0.005aA
CK
茎 0.472±0.020aB  1338.89±56.53aA  3.024±0.039aA
叶 0.533±0.012aC  1460.95±9.29bB  2.949±0.009aA
根皮 0.496±0.026aBC  1578.45±20.62bC  3.682±0.014aB
无 0.617±0.043bA  1367.82±7.85aA  3.595±0.008bA
100
茎 0.648±0.031bA  1391.05±15.31aA  3.564±0.043bA
叶 0.702±0.075bB  1373.92±5.65aA  4.263±0.021bB
根皮 0.828±0.011bC  1477.41±6.40aB  3.781±0.015aA
无 0.718±0.032cA  1480.42±16.56bA  4.461±0.012cA
200
茎 0.745±0.070cAB  1493.24±17.66bA  4.642±0.012cA
叶 0.775±0.042bcB  1502.88±16.90bA  4.770±0.023cA
根皮 0.846±0.035cC  1635.12±7.70cB  4.767±0.030bA
无 0.687±0.095bA  1438.12±27.15abA  4.336±0.041cA
400
茎 0.672±0.093bA  1442.56±10.95abA  4.248±0.016cA
叶 0.743±0.018bB  1438.75±12.90aA  4.360±0.056bA
根皮 0.801±0.014cC  1441.07±10.78aA  4.510±0.012bA
2.4 凤丹组织浸提液对吊兰Cu富集效果的影响
由图2可知,在一定浓度范围内,吊兰对Cu的富集量随Cu浓度的增加而增加。而不同浸提液处理下,Cu
富集量呈现不同的变化趋势。茎浸提液处理对吊兰Cu富集影响较小,其富集量与CK组无显著性差异。叶浸
提液处理对吊兰Cu富集有显著性影响,叶浸提液在一定程度上促进了吊兰对Cu的吸收。根皮浸提液对吊兰
Cu富集也有显著性影响,它们对吊兰的富集能力有一定的抑制作用。
图2 凤丹组织浸提液对吊兰富集作用的影响
3 结 论
(1)凤丹根皮浸提液对各浓度Cu污染土壤中吊兰的生长具有显著抑制作用,且抑制作用明显强于凤丹叶
882 水土保持学报       第28卷
和茎浸提液。可能是因为凤丹产生并分泌了一些化感物质,导致其组织浸提液中含有这些化感物质,对吊兰的
生长产生一定的抑制作用。这也说明凤丹对其他植物的化感作用主要通过根系的分泌活动产生。
(2)凤丹各组织浸提液对吊兰富集作用的影响并不一致。根皮浸提液对吊兰的富集作用存在显著抑制;茎
浸提液的影响较小;叶浸提液对吊兰的富集作用有一定的促进作用。叶浸提液对吊兰各生长指标的抑制作用
最小,在高浓度Cu污染条件下,叶浸提液处理甚至有一定的修复作用。因此,在叶浸提液中可能存在某种成
分能够在一定程度上修复重金属对吊兰的损伤,促进吊兰对重金属Cu的富集作用。
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