全 文 ：环 境 科 学 学 报
Acta Scientiae Circumstantiae
DOI: 10.13671/j.hjkxxb.2016.0188
镉铅复合胁迫下根表铁锰氧化胶膜厚度对美洲商陆富集镉的影响
蔡春婷，汤克丽，许旭萍，李凤玉
福建师范大学生命科学学院，福州 350108
摘要：为了探讨根表铁锰氧化胶膜厚度及共存离子铅（Pb）对美洲商陆富集镉（Cd）影响，本文采用水培
的方法，诱导培育了胶膜厚度具有极显著差异的美洲商陆（低膜美洲商陆、中膜美洲商陆和高膜美洲商陆），
分别进行低 Cd 低 Pb、低 Cd 高 Pb、高 Cd 低 Pb、高 Cd 高 Pb 等 4 种不同金属组合的胁迫处理，观察美洲
商陆生长状况、测定植株对 Cd 的富集量、抗胁迫生理活性物质的表达量。结果表明：中膜和高膜美洲商
陆侧根发达，新生根较多，高 Cd 胁迫对根系发育有较强的抑制作用。高 Cd 条件下，植株对 Cd 的富集量
为高膜美洲商陆＞中膜美洲商陆＞低膜美洲商陆，高膜美洲商陆 Cd 总富集量可达 89765.69mg·kg-1（以干
重计）。低 Cd 条件下，植株对 Cd 的富集量为低膜美洲商陆＞高膜美洲商陆＞中膜美洲商陆。高 Pb 处理，
可提高低膜和高膜美洲商陆 Cd 富集量，但显著降低中膜美洲商陆 Cd 富集量。根系分泌的可溶性还原糖含
量、叶及根部合成的可溶性蛋白含量与根表铁锰氧化胶膜的厚度成正相关。中膜和高膜美洲商陆叶片及根
部可溶性蛋白含量还受到不同金属组合胁迫的影响。镉铅复合胁迫使美洲商陆叶片及根部可溶性蛋白含量
极显著高于对照组。
关键词：美洲商陆；铁锰氧化物胶膜；镉铅复合胁迫；富集；可溶性糖；可溶性蛋白
文章编号： 中图分类号： 文献标识码：A
Effects of iron-manganese plaque thickness on Cd accumulation in Phytolacca
americana under Cd-Pb combined stress
CAI chunting, TANG keli, XU xuping*, LI fengyu
College of Life Science，Fujian Normal University，Fuzhou，350108
Abstract: In this study, the effect of iron-manganese plaque amounts on Cd accumulation in Phytolacca
americana under Pb-Cd combined stress was investigated with various physio-biochemical parameters (growth
conditions, Cd accumulation and the expression levels of stress resistant physiological activator). Results
indicated that P. americana with middle plaque and thick plaque had developed lateral roots and more new roots.
High Cd concentration significantly inhibited the root elongation. Cd accumulation in P. americana at high Cd
concentration was in the order: thick plaque＞middle plaque＞thin plaque. The accumulation of Cd in P.
americana with thick plaque could reach to 86735.63 mg/kg. With low Cd concentration, Cd accumulation was
decreased in the order: thin plaque> thick plaque> middle plaque. High Pb concentrtation could improve Cd
concentration in P. americana with thin plaque and thick plaque, but significantly decreased Cd accumulation in P.
americana with mid plaque. Soluble sugar from roots, and soluble protein from both roots and leaves were
positively correlated to iron-manganese plaque amounts. Soluble protein from both roots and leaves of P.
americana with middle plaque and thick plaque also have positive correlation to the combined stress of different
metals. Furthermore, under Pb-Cd combined stress, the soluble protein contents in roots and leaves of P.

基金项目：福建省自然科学基金项目（2013J01123）
Suppourted by the Natural Science Foundation of Fujian Province（2013J01123）
作者简介：蔡春婷（1990-），女，E-mail：423820726@qq.com；*通讯作者（责任作者），E-mail：xuping@ fjnu.edu.cn
Biography: CAI chunting（1990-）， female， E-mail：423820726@qq.com；*Correponding author, E-mail：xuping@ fjnu.edu.cn
网络出版时间：2016-05-13 08:58:00
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1843.X.20160513.0858.021.html
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americana were higher than those in the control group.
Key word: Phytolacca americana；iron-manganese plaque；Cd-Pb combined stress；accumulation；soluble sugar；
soluble protein
1 引言（Introduction）
铁锰氧化胶膜常见于水生或湿地植物根表，例如：紫菀、羊胡子草、半边莲、水稻、芦苇、香蒲等（Batty
et al .，2000），X-射线荧光显微断层图谱显示植物根表铁锰氧化胶膜的主要组成是铁锰的氧化物及其水合
物。由于锰膜形成需要的氧化还原电位比铁膜高，所以植物根表铁锰氧化胶膜中铁膜的沉积量一般显著高
于锰膜（刘文菊，2005）。虽然锰膜在数量上不占优势，但与铁膜相比，锰膜具有更大的表面活性和更强
的催化能力，对根系吸附和富集重金属作用强于后者（Ye et al.，2001；St-Cyr et al.，1990） 。植物根表
铁锰氧化胶膜具有特殊的电化学性质，对环境中的重金属有极强的富集能力，而且可以发生离子的吸附和
解吸反应，因而对重金属离子进入植物体内可产生重大影响。主要表现为：铁锰氧化胶膜在根表充当物理
屏障层，阻止重金属离子向植物体内迁移；铁锰氧化胶膜吸附重金属离子，起到临时储库的作用；铁锰氧
化胶膜的厚度影响植物对重金属离子的吸收和迁移（促进或抑制）。Zhou 等发现随着水稻根表胶膜厚度的
增加，胶膜上富集的Se含量也相应增加，但Se往植株的地上部和地下部迁移量却减少了（Zhou et al.，2007）。
Ye 等人发现有铁锰氧化胶膜的宽叶香蒲根表 Cu 含量高于无胶膜植株，并且胶膜有助于植株对 Ni 的吸收
迁移（Ye et al.，2001）。刘文菊等通过溶液培养实验发现，水稻根表铁膜在一定厚度范围内促进 Cd 的吸
收，过高则起抑制作用（刘文菊等，1999）。目前关于铁锰氧化胶膜是促进或阻碍植物对重金属吸收和迁
移尚未定论，有待于进一步探讨。
美洲商陆（Phytolacca americana）为锰超累积植物，对 Cd 也有较强的富集作用（豆长明等，2010），
在一定的培养条件下，其根表也可形成铁锰氧化胶膜（贾小渊，2012）。美洲商陆属于商陆科多年生草本
植物，生物量大、生长快、地理分布面广、适应性强，常见于我国的大部分地区，是一种极有应用前景的
重金属污染环境修复植物。近年来有关铁锰氧化物胶膜对重金属富集的研究主要集中于单元素污染胁迫方
面（Sue et al.，2004），而环境中重金属污染常常是两种或两种以上元素形成的复合污染，具有伴生性和
综合性。本文以美洲商陆为实验材料，采用水培的方法，通过在培养液中添加高浓度铁锰离子和接种铁锰
氧化菌的手段，诱导其根表形成不同厚度的铁锰氧化胶膜，并使胶膜中锰膜含量高于铁膜含量，研究根表
铁锰氧化胶膜厚度及其组成对镉铅复合胁迫下美洲商陆生长、胁迫响应生理指标及其吸收和转运 Cd 的影
响。
2 材料与方法（Materials and methods）
2.1 材料来源及培养
2.1.1 美洲商陆幼苗培养
采集福建省南平市当年生美洲商陆种子为实验材料。将种子用浓硫酸浸泡 10 min，使种皮变薄，再用
蒸馏水洗净种子表面的浓硫酸。然后将种子置于 25±2℃培养室内避光发芽，待萌发后将其均匀洒在细沙盆
中，直至长出 2-3 片真叶，再移到 Hoagland 完全营养液中进行预培养，每隔 4 d 更换一次培养液，15 d 后，
即可获得美洲商陆幼苗（林小青，2013）。挑选长势一致的幼苗用于重金属胁迫实验。
2.1.2 铁锰氧化菌
铁锰氧化菌为节杆菌（Arthrobacter erchigonensis）MN1405，GenBank 序列号 GU326383，由本课题
组分离自锰矿样品。
菌液的制备：
①种子液培养：从 MN1405 斜面上挑取 2 环菌体，接种到铁锰氧化菌培养基中，于 25℃，120 r·min-1
培养 48 h，得到种子液。
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②扩大培养：将 MN1405 种子液接种于铁锰氧化菌培养基中，接种量为 5%，于 25℃，120 r·min-1
振荡培养 48 h，获得实验所需的铁锰氧化菌菌液（林小青，2013）。
2.2 实验方法
2.2.1 不同厚度根表铁锰氧化胶膜美洲商陆的培育
参照汤克丽（2014）的方法培育具有不同厚度根表铁锰氧化胶膜的美洲商陆。根表铁锰氧化胶膜厚度
分为三类，分别为高厚度、中厚度和低厚度。其形成条件为：
①高厚度的铁锰氧化胶膜（简称高膜美洲商陆）：Hoagland完全营养液+500 mg·L-1Mn2++10 mg·L-1Fe2++
10%MN1405菌液，调节pH为6。将美洲商陆幼苗移至此培养液中，培养15d。
②中厚度的铁锰氧化胶膜（简称中膜美洲商陆）：Hoagland完全营养液+500 mg·L-1Mn2++10 mg·L-1Fe2+
调节pH为6。将美洲商陆幼苗移至此培养液中，培养15d。
③低厚度的铁锰氧化胶膜（简称低膜美洲商陆）：以Hoagland完全营养液为培养液，调节pH为6。将
美洲商陆幼苗移至此培养液中，培养15d。
以上各实验的培养条件均为2200 Lx，25±2 ℃。
2.2.2 重金属镉铅复合胁迫处理
将低膜、中膜和高膜美洲商陆分别培养在含有镉（CdCl2·2.5H2O）和铅（Pb(NO3)2）的 Hoagland 营养
液中，进行重金属胁迫处理，7d 后测定各项指标。以上各处理均做 3 个平行。镉和铅的浓度组合如表 1 所
示。
表1 不同组合镉铅复合胁迫处理
Table1 The treatments of combined contamination by Pb and Cd
复合胁迫处理 低Cd低Pb 低Cd高Pb 高Cd低Pb 高Cd高Pb
Cd+Pb浓度 2 mg·L-1+2 mg·L-1 2 mg·L-1+50 mg·L-1 50 mg·L-1+2 mg·L-1 50 mg·L-1+50 mg·L-1

2.3 分析方法
2.3.1 美洲商陆的形态观察和生物量测定
2.3.1.1 形态特征
观察并拍照记录美洲商陆经不同组合镉铅复合胁迫处理7d后地上部和地下部形态。
2.3.1.2 干重与鲜重
鲜重测定：用去离子水将重金属胁迫处理7d后的美洲商陆冲洗干净，吸干水分，分离地上部（茎、叶）
和地下部（根），称重。
干重测定：将地上部于105℃杀青30min后，放在80℃烘干至恒重，称重即为地上部干重。将地下部先
用DCB溶液浸提除去根表胶膜，然后用去离子水润洗，吸干水分，于105℃杀青30min后，在80℃烘干至恒
重，称重即为地下部干重。
2.3.2 美洲商陆富集的重金属Cd的提取和测定
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2.3.2.1 根表铁锰氧化胶膜中的重金属Cd
根表铁锰氧化胶膜中重金属Cd的提取采用DCB法（Taylor et al.，1983）。将美洲商陆从含重金属的
Hoagland培养液中取出，剪取根部，用去离子水将其清洗三遍，吸干根表面水分，将其置于100mL的三角
瓶中，用DCB溶液浸提3h，浸提液用0.22µm的微孔滤膜过滤至容量瓶中，加入硝酸消化并用超纯水定容到
100mL。以DCB溶液作为空白对照。浸提液中的Cd含量用原子吸收光谱仪测定。测得的Cd含量除以根干重
即为美洲商陆根表铁锰氧化胶膜中的Cd含量（mg·kg-1）。
2.3.2.2 地上部与地下部的重金属Cd
将地上部与地下部（DCB浸提后）杀青烘干至恒重后，置于三角瓶中，加入15 mL的HNO3- HClO4
（V∶V=3∶1）消解液和5mL H2O2，消解至消解液呈无色透明或淡黄色，用超纯水将消解液定容至100 mL，
再用直径0.22µm的微孔滤膜过滤，滤液即为待测的样液。用原子吸收光谱仪测定Cd含量，测得的Cd含量
分别除于地上部与地下部的干重，即为地上部与地下部的Cd含量（mg·kg-1）。
2.3.3 美洲商陆根表铁膜氧化胶膜的提取和测定
根表铁膜氧化胶膜的提取方法与根表铁锰氧化胶膜中重金属Cd的提取方法相同，也是采用DCB法
（Taylor et al.，1983）。将DCB浸提液用火焰原子吸收光谱仪测定Fe、Mn的含量，测得的Fe、Mn含量分
别除以根干重即为美洲商陆根表铁锰氧化胶膜中铁膜和锰膜的含量（mg·kg-1），以铁膜、锰膜含量表示根
表铁锰氧化胶膜的厚度（刘敏超等，2007）。
2.3.4 美洲商陆根系分泌可溶性糖含量的测定
将培养液用0.22µm的微孔滤膜抽滤于干燥试管中备用。然后取2mL抽滤液加入5%苯酚1.0mL，混匀。
迅速滴加浓硫酸5mL，摇匀，于室温显色20min。以空白校正零点，在490nm处测定吸光值，此实验做三个
平行。以葡萄糖为标准液制备标准曲线（张志良等，2003）。
2.3.5 美洲商陆可溶性蛋白含量的测定
样液的制备：称取美洲商陆新鲜的叶片（或根）1.0g，加入10mL预冷的pH7.0的0.05 mol·L-1磷酸缓冲
液，冰浴研磨成匀浆，将匀浆液转入离心管中，10000 r·min -1离心5min，取上清液作为样液。可溶性蛋白
含量测定采用考马斯亮蓝G-250染色法（张志良等，2003）。
2.4数据处理
用Origin85对数据进行统计与作图，并用IBM SPSS Statistics 22 软件对数据进行分析与比较。图中大
写字母（或**）表示有极显著差异（p＜0.01），小写字母（或*）表示有显著差异（0.01＜p＜0.05）。
3 结果（Results）
3.1 不同培养条件下美洲商陆根表铁锰氧化胶膜的厚度
本课题组前期研究发现，在Hoagland完全营养液中添加高浓度铁锰离子和接种铁锰氧化细菌可以诱导
商陆根表形成较厚的铁锰氧化胶膜（汤克丽，2014）。为了探讨根表铁锰氧化胶膜厚度对美洲商陆富集Cd
的影响，本实验通过设置不同的培养条件以获得具有不同厚度根表铁膜氧化胶膜的美洲商陆，结果见图1。

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图1 不同厚度的根表铁锰氧化胶膜
Fig.1 The different iron-manganese plaque thickness on the root surface
图1显示，高浓度铁锰离子和铁锰氧化菌不仅显著提高了根表铁锰氧化胶膜的厚度，而且改变了胶膜
中铁锰膜的比例。在中膜和高膜中，锰膜分别占总胶膜的78.53%与77.47%，而在低膜中锰膜仅占26.47%。
3.2 美洲商陆在不同组合重金属复合胁迫下的形态特征
不同膜厚度的美洲商陆对 Cd 和 Pb 的耐受性不尽相同，其叶片生长、根系发育也产生差异。结果见图
2。



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图 2a 低膜美洲商陆




图 2b 中膜美洲商陆
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图 2c 高膜美洲商陆
图 2 不同组合镉铅复合胁迫对不同厚度根表铁锰氧化胶膜美洲商陆生长的影响
Fig.2 Effects of iron-manganese plaque thickness on the growth of P. americana as under Cd-Pb combined stress
由图 2a 可知，低膜美洲商陆叶片较为鲜绿，仅有个别叶片皱缩，在低 Cd 条件下生长较为茂盛，而在
高 Cd 条件下生长较稀疏。Pb 浓度变化对叶片生长影响不显著。低膜美洲商陆的根系较为细长，无明显侧
根。
由图 2b 可知，中膜美洲商陆有较多的叶片出现枯萎和皱缩。在低 Cd 高 Pb 条件下地上部的长势最好。
将 4 种不同金属组合处理的根系进行比较，可见在低 Cd 条件下美洲商陆的根系发达，侧根生长旺盛，白
色新生根较多。而在高 Cd 条件下，侧根发育也较发达，但是白色的新生根明显减少。
由图 2c 可知，高膜美洲商陆叶片失绿明显，这可能与加入的铁锰氧化菌有关，铁锰氧化菌会迅速氧
化培养液中的铁离子，使美洲商陆因缺乏铁而影响其体内叶绿素的合成，进而使其产生失绿现象。高 Cd
低 Pb 条件下，美洲商陆长势最差。其它三个处理组地上部都生长旺盛，无明显差别，根系也生长发达，
侧根茂密，新生根则随着 Cd 浓度升高而减少。
从图 2 可以看出，当 Cd 浓度从 2mg·L-1升至 50mg·L-1时，对低膜、中膜和高膜美洲商陆的根系及地
上部生长发育都有抑制作用，而当 Pb 浓度从 2mg·L-1升至 50mg·L-1时，对美洲商陆的根系及地上部生长
发育影响较小。说明 Cd 对美洲商陆的毒性大于 Pb。
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3.3 不同组合重金属复合胁迫下美洲商陆的干重
表 2 不同组合镉铅复合胁迫对不同厚度根表铁锰氧化胶膜美洲商陆干重的影响
Table2 Effects of iron-manganese plaque thickness on the dry weight of P. americana as under Cd-Pb combined stress
处理组
地上部干重（g） 地下部干重（g）
低膜 中膜 高膜 低膜 中膜 高膜
低 Cd 低 Pb 0.35±0.03 Bb 1.78±0.76 Aa 0.90±0.35 ABab 0.15±0.01 Bb 0.59±0.10 Aa 0.55±0.16 Aa
低 Cd 高 Pb 0.30±0.03 Bc 2.11±0.46Aa 0.97±0.12 Bb 0.15±0.01 Bb 0.62±0.07 Aa 0.53±0.05 Aa
高 Cd 低 Pb 0.20±0.02 Bc 0.59±0.07Aa 0.43±0.11Ab 0.07±0.03 Aa 0.14±0.04 Aa 0.15±0.06 Aa
高 Cd 高 Pb 0.22±0.01 Bb 0.44±0.08ABab 0.65±0.21 Aa 0.07±0.01 Bb 0.10±0.02 Bb 0.30±0.09 Aa
注：表中的英文字母为低膜美洲商陆、中膜美洲商陆、高膜美洲商陆三者之间的地上部或地下部干重差异显著性分析，大写
字母为差异极显著，小写字母为差异显著。
如表 2 所示，在低 Pb 或是高 Pb 条件下，随着 Cd 离子浓度的升高，美洲商陆地上部和地下部干重减
少，说明 Cd 离子对叶片及根系发育起抑制作用。但是 Pb 浓度变化对美洲商陆地上部和地下部干重影响较
小。从根表胶膜厚度对美洲商陆地下部干重的影响来看，除高 Cd 低 Pb 处理，在相同的金属组合处理下，
低膜美洲商陆的地下部干重都显著低于中膜和高膜。
3.4 不同组合重金属复合胁迫下美洲商陆各部位 Cd 的含量
3.4.1 在低 Cd 条件下美洲商陆各部位 Cd 的富集量
分别用低 Cd 低 Pb（2mg·L-1Cd+2mg·L-1Pb）和低 Cd 高 Pb（2mg·L-1Cd+50mg·L-1Pb）两种组合胁迫处
理美洲商陆，7d 后，测定根表铁锰氧化胶膜中、地下部和地上部富集的 Cd 含量，结果见图 3 和图 4。

图3 美洲商陆在低Cd低Pb复合胁迫下Cd的富集量
Fig.3 Cd accumulation in P. americana under Cd( 2mg·L-1)and Pb(2mg·L-1) combined stress
图3显示，Cd总富集量依次为低膜美洲商陆＞高膜美洲商陆＞中膜美洲商陆。从各个部位上的富集量
可知，低膜美洲商陆地上部和地下部Cd富集量均极显著高于中膜和高膜美洲商陆。而根表铁锰氧化胶膜上
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Cd富集量三者之间无显著性差异。

图4 美洲商陆在低Cd高Pb复合胁迫下Cd的富集量
Fig.4 Cd accumulation in P. americana under Cd( 2mg·L-1)and Pb(50mg·L-1) combined stress
图4显示：Cd总富集量依次为低膜美洲商陆＞高膜美洲商陆＞中膜美洲商陆，三者之间存在显著性差
异。从各个部位的富集量可知，低膜美洲商陆地上部、地下部及其铁锰氧化胶膜上Cd富集量均极显著高于
中膜、高膜美洲商陆。比较图3和图4可知，低膜美洲商陆随着Pb浓度的增加，铁锰氧化胶膜上Cd的富集量
显著增加，地上部与地下部Cd的富集量也有所增加。而且低膜美洲商陆各部位Cd的富集量都高于中膜和高
膜美洲商陆。说明当根表铁锰氧化胶膜较薄时，有利于美洲商陆根系从培养液中吸收Cd，并经蒸腾作用将
Cd转运至根部和叶片。而当根表铁锰氧化胶膜较厚时，由于胶膜对Cd有很强的吸附作用，使Cd富集在胶
膜表面，胶膜成为一层保护膜，阻止重金属Cd往根部及地上部迁移。
中膜与高膜美洲商陆随着Pb浓度的增加，总富集Cd量显著减少，主要表现在铁锰氧化胶膜上的Cd富集
量显著减少。中膜美洲商陆由1284.84mg·kg-1下降为746.35mg·kg-1，高膜美洲商陆胶膜中的Cd含量由
1381.66mg·kg-1下降到932.26mg·kg-1。从植物抗胁迫反应的重要生理指标可以看出：在低Cd条件下，中膜
美洲商陆根系分泌的可溶性糖含量，高膜美洲商陆根系合成的可溶性蛋白随着Pb浓度的增加而增加（见表
3和表5）。因此，初步推测，在低Cd高Pb条件下，由于重金属毒性增加，美洲商陆可能通过应急机制合成
较多的可溶性多糖、可溶性蛋白等生理物质与Cd络合，减少植株Cd富集量，以降低重金属的毒性，维持自
身正常的生理代谢。
3.4.2 在高 Cd 条件下美洲商陆各部位 Cd 的富集量
分别用高 Cd 低 Pb（50mg·L-1Cd+2mg·L-1Pb）和高 Cd 高 Pb（50mg·L-1Cd+50mg·L-1Pb）两种组合胁迫
处理美洲商陆，7d 后，测定根表铁锰氧化胶膜中、地下部和地上部富集的 Cd 含量，结果见图 5 和图 6。
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图5 美洲商陆在高Cd低Pb复合胁迫下Cd的富集量
Fig.5 Cd accumulation in P. americana under Cd( 50mg·L-1)and Pb(2mg·L-1) combined stress
在高 Cd 低 Pb 条件下，Cd 总富集量、地下部 Cd 富集量及胶膜上 Cd 富集量均为高膜美洲商陆＞中膜
美洲商陆＞低膜美洲商陆，三者之间存在极显著性差异（图 5）。地上部 Cd 富集量以低膜美洲商陆为最
高，极显著高于中膜和高膜美洲商陆，但中膜与高膜美洲商陆地上部 Cd 富集量差异不显著。

图 6 美洲商陆在高 Cd 高 Pb 复合胁迫下 Cd 的富集量
Fig.6 Cd accumulation in P. americana under Cd( 50mg·L-1)and Pb(50mg·L-1) combined stress
图6显示：在高Cd高Pb条件下，Cd总富集量、地下部Cd富集量依次为高膜美洲商陆＞中膜美洲商陆＞
低膜美洲商陆，三者之间存在极显著性差异，此规律基本与高Cd低Pb处理一致。说明在高Cd条件下，根表
胶膜起到Cd临时储库的作用，增加根表胶膜厚度可提高美洲商陆对Cd的富集。在地上部，低膜美洲商陆
Cd富集量极显著高于中膜和高膜美洲商陆，而中膜与高膜美洲商陆地上部Cd富集量没有显著性差异。在铁
锰氧化胶膜上，高膜美洲商陆Cd富集量极显著性高于中膜和低膜美洲商陆。
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比较图5和图6可知，在高Cd条件下，当Pb浓度由2 mg·L-1升至50 mg·L-1时，低膜和高膜美洲商陆Cd总
富集量显著增加，但中膜美洲商陆Cd总富集量显著减少。而且Pb浓度变化，对不同膜厚度的美洲商陆Cd
迁移规律的影响也不尽相同，当Pb浓度增加时，低膜美洲商陆显著减少了地下部Cd富集量，却增加了胶膜
中Cd富集量；中膜美洲商陆则是显著减少胶膜上Cd富集量，增加地下部Cd富集量；高膜美洲商陆地下部
和胶膜中Cd富集量显著增加，而地上部Cd富集量有所减少。推测其原因可能是与膜厚度及膜组成有关。
3.5 美洲商陆在不同组合重金属复合胁迫下根系分泌的可溶性还原糖含量
根系分泌的可溶性还原糖对重金属有络合能力，能与重金属结合起到解毒作用，也可以提高植物对养
分的吸收和利用效率。本实验分析比较了 4 个不同重金属组合处理对不同膜厚度美洲商陆分泌可溶性还原
糖含量的影响，结果见表 3。
表 3 不同重金属组合复合胁迫下美洲商陆根系分泌的可溶性糖含量
Table3 Effects of different Cd-Pb combined stress on the soluble sugar content exudates from roots of P. americana
注：表中字母为组内（同一列）显著性比较，小写字母代表差异显著，大写字母代表差异极显著；星号为组间（同一行）显
著性比较，“*”代表差异显著，“**”代表差异极显著。
由表 3 可知，在组内进行比较可以发现，中膜与高膜美洲商陆根系分泌的可溶性糖含量均极显著高于
低膜美洲商陆。分析三种不同胶膜厚度的对照组，中膜与高膜美洲商陆根系分泌的可溶性糖分别达到了
112.89μg·mL-1和 150.00μg·mL-1，而低膜美洲商陆仅为 37.40μg·mL-1，说明根表胶膜会使根系分泌的可溶性
糖增多。组间比较结果显示：相同胶膜厚度的美洲商陆在不同组合重金属胁迫下，根系分泌的可溶性糖含
量的变化不一致。随着胶膜厚度的增加重金属胁迫处理组与对照组可溶性糖含量的差异性也显现出来，但
这个规律还牵涉到胁迫处理时的 Pb 浓度、Cd 浓度、植物富集的重金属含量、铁锰氧化胶膜含量、铁锰氧
化菌的作用等等复杂因素，其详细机制还有待于进一步探讨。
3.6 美洲商陆在不同组合重金属复合胁迫下合成的可溶性蛋白含量
可溶性蛋白含量是植物生长的重要生理指标，其变化与外界环境的变化密切相关。本实验通过考马斯
亮蓝G-250染色法研究不同处理条件下美洲商陆叶片与根系的可溶性蛋白含量，结果见表4和表5。





处理组
对照组
可溶性糖含量
（μg·mL-1）
低 Cd 低 Pb 处理
可溶性糖含量
（μg·mL-1）
低 Cd 高 Pb 处理
可溶性糖含量
（μg·mL-1）
高 Cd 低 Pb 处理
可溶性糖含量
（μg·mL-1）
高 Cd 高 Pb 处理
可溶性糖含量
（μg·mL-1）
低膜美洲商陆 37.40±0.71 Bb 39.28±3.96 Bc 34.81±4.64 Bc 35.63±3.38 Bb 42.04±7.38 Bb
中膜美洲商陆 112.89±14.66 Aa 179.56±46.08 Ab* 207.86±32.81 Aa** 129.25±8.65 Aa 85.85±29.65 Bb
高膜美洲商陆 150.00±32.19 Aa 242.45±23.18 Aa** 156.92±26.84 Ab 143.08±14.28 Aa 277.04±31.71 Aa**
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Acta Scientiae Circumstantiae
表 4 不同重金属组合复合胁迫下美洲商陆叶片的可溶性蛋白含量
Table4 Effects of different Cd-Pb combined stress on the soluble protein contents in leaves of P. americana
注：表中字母为组内显著性比较，小写字母代表差异显著，大写字母代表差异极显著；星号为组间显著性比较，“*”代表差
异显著，“**”代表差异极显著。
由表4可知，从组内比较看，发现中膜和高膜美洲商陆叶片的可溶性蛋白都极显著高于低膜美洲商陆。
组间进行比较结果显示，中膜与高膜美洲商陆经4种不同金属组合处理，叶片可溶蛋白含量都比对照组有
显著提高，而且高Cd处理叶片可溶蛋白含量也显著高于低Cd处理。低膜美洲商陆叶片可溶性蛋白含量与对
照组相比在低Cd低Pb、低Cd高Pb、高Cd高Pb有显著性差异，而高Cd低Pb处理则无显著性差异。中膜与高
膜美洲商陆叶片可溶性蛋白在高Pb或高Pb条件下均随着添加的Cd离子浓度增加而增加，经SPSS分析，这
个增加量存在极显著差异。
表 5 不同重金属组合复合胁迫下美洲商陆根部的可溶性蛋白含量
Table5 Effects of different Cd-Pb combined stress on the soluble protein contents in roots of P. americana
注：表中字母为组内显著性比较，小写字母代表差异显著，大写字母代表差异极显著；星号为组间显著性比较，“*”代表差
异显著，“**”代表差异极显著。
处理组
对照组
可溶性蛋白含量
（μg·g-1）
低 Cd 低 Pb 处理
可溶性蛋白含量
（μg·g-1）
低 Cd 高 Pb 处理
可溶性蛋白含量
（μg·g-1）
高 Cd 低 Pb 处理
可溶性蛋白含量
（μg·g-1）
高 Cd 高 Pb 处理
可溶性蛋白含量
（μg·g-1）
低膜
美洲商陆
749.19±48.65
Cc
881.62±81.21
Bb*
1014.05±88.94
Cc**
830.27±37.15
Bc
919.46±42.13
Bc*
中膜
美洲商陆
5627.03±162.17
Aa
28449.73±228.76
Aa**
28109.19±98.64
Aa**
36736.22±542.46
Aa**
37271.35±696.17
Aa**
高膜
美洲商陆
4654.05±81.09
Bb
27471.35±927.35
Aa**
25822.70±543.42
Bb**
35790.27±569.26
Ab**
35952.43±738.92
Ab**
处理组
对照组
可溶性蛋白含量
（μg·g-1）
低 Cd 低 Pb 处理
可溶性蛋白含量
（μg·g-1）
低 Cd 高 Pb 处理
可溶性蛋白含量
（μg·g-1）
高 Cd 低 Pb 处理
可溶性蛋白含量
（μg·g-1）
高 Cd 高 Pb 处理
可溶性蛋白含量
（μg·g-1）
低膜
美洲商陆
684.33±79.85
Cc
646.49±12.38
Cc
724.87±61.21
Cc
638.38±28.48
Cc
681.62±18.72
Cc
中膜
美洲商陆
3221.62±284.75
Aa
12136.22±1183.79
Aa**
11492.97±249.29
Aa**
12363.24±1019.43
Aa**
12606.49±1923.38
Aa**
高膜
美洲商陆
2059.46±214.52
Bb
7303.78±1250.54
Bb**
13363.24±424.22
Bb**
5341.62±1597.12
Bb**
5601.08±600.66
Bb**
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Acta Scientiae Circumstantiae
由表5可知，组内比较结果显示：各处理组的根部可溶性蛋白含量呈现中膜美洲商陆＞高膜美洲商陆
＞低膜美洲商陆，相互之间存在极显著差异。组间比较显示，中膜与高膜美洲商陆在4个不同金属组合胁
迫下根部可溶性蛋白均比对照组有显著提高，低膜美洲商陆与对照组无显著性差异。
4 讨论（Discussion）
培养条件对美洲商陆根表铁锰氧化胶膜的形成有较大影响，在完全Hoagland营养液中培养，美洲商陆
根表的铁锰氧化胶膜很薄，仅为34.54g·kg-1，胶膜中以铁膜为主，铁膜占胶膜总量的26.47%；如果在Hoagland
营养液中加入高浓度的铁锰离子可诱导根表形成较厚的胶膜(135.85g·kg-1），并提高胶膜中锰膜的比例，
使锰膜占胶膜总量的77.47%；如果在Hoagland营养液中加入高浓度的铁锰离子，同时接种铁锰氧化菌
MN1405，可进一步提高根表胶膜的厚度，达到263.07g·kg-1，锰膜占胶膜总量的78.53%。这3种不同培养条
件下美洲商陆根表形成的胶膜厚度存在极显著差异。利用具有不同厚度根表胶膜的美洲商陆进行镉铅双金
属复合胁迫处理，结果显示低膜、中膜和高膜美洲商陆在镉铅不同浓度组合的胁迫下，其地上部随着膜厚
度的增加出现了失绿的现象，中膜美洲商陆叶片皱缩比高膜美洲商陆严重，说明铁锰氧化菌的加入不仅能
够提高膜厚度，还起到了解毒作用，提高商陆对高浓度铁锰离子耐受性（贾小渊，2012）。中膜与高膜美
洲商陆在诱导膜形成时，由于添加高浓度的铁锰离子和铁锰氧化菌使得其根系受到刺激，导致根系发育愈
加发达，侧根的生命力旺盛，有大量新根生成。高Cd处理对中膜和高膜美洲商陆根系的侧根与新生根发育
有严重的抑制作用，减少侧根和新生根的生成。在高膜美洲商陆中，低Cd处理时，Pb浓度变化对其根系发
育影响较小；而高Cd处理时，Pb浓度变化植物发育影响较大，高Cd高Pb处理组生长状况反而比高Cd低Pb
处理组的根系发达。由表3可知，高膜美洲商陆在高Cd高Pb中根系分泌的可溶性还原糖达到277.04μg·mL-1，
可减轻其根系受重金属的毒害。图4、图5显示高Cd低Pb胁迫下高膜美洲商陆地上部Cd富集量达到
2448.53mg· kg-1，比高Cd高Pb条件下地上部Cd富集量（1020.78mg· kg-1）高得多，叶片上累积的Cd富集量
增大对光合作用产生抑制（张杰等，2005），Pb对植物的胁迫比Cd小（唐探等，2015），进而影响美洲商
陆的生长。
从镉铅浓度变化对美洲商陆富集Cd的影响来看，当Cd浓度从2 mg·L-1升至50 mg·L-1时，除了低膜美洲
商陆地下部Cd富集量下降外，其他各处理组美洲商陆Cd富集量都有显著提高。胶膜上Cd富集量增多，将
促使Cd进一步向根部和地上部转运，此结果与叶欣怡研究水稻根表铁膜对其富集Cd的影响结果相一致（叶
欣怡等，2015）。在低Cd条件下，Pb浓度变化对美洲商陆Cd富集量影响较小，因此对其生长影响也较小；
在高Cd条件下，Pb浓度变化对美洲商陆Cd富集量影响较大，因此对其生长影响也较大（图2，表2）。
在4种不同重金属组合复合胁迫下，不同膜厚度的美洲商陆对Cd富集具有一定规律性。在低Cd条件下，
Cd总富集量依次为低膜美洲商陆＞高膜美洲商陆＞中膜美洲商陆；在高Cd条件下，Cd总富集量依次为高
膜美洲商陆＞中膜美洲商陆＞低膜美洲商陆。说明不同厚度根表胶膜在低Cd和高Cd条件下，对美洲商陆富
集Cd呈现出不同的效应，当环境中的Cd浓度较低时（2mg·L-1），对于植物的毒性较小，低膜美洲商陆通
过蒸腾、运输作用富集Cd，而由于锰膜比铁膜的吸附重金属作用强（李方等，2010），中膜与高膜美洲商
陆根表胶膜含量比低膜美洲商陆多，从而阻止Cd向根部和地上部迁移。当环境中的Cd浓度较高时
（50mg·L-1），中膜和高膜美洲商陆的根表铁锰氧化胶膜可提供大量的重金属吸附位点，快速将Cd固定在
胶膜上，胶膜成为Cd的临时储存库，并通过扩散作用促使Cd由膜向根系转运。Pb对胶膜富集Cd有竞争作
用，当Pb浓度从2mg·L-1升至50mg·L-1时，使中膜美洲商陆胶膜上的Cd富集量显著下降，但是与高膜美洲商
陆胶膜上Cd富集量反而上升，分析原因可能是：（1）高膜美洲商陆含有铁锰氧化菌，该菌增强了美洲商
陆对Cd与Pb的耐受性；（2）高Cd高Pb条件下根部分泌的可溶性糖含量显著高于高Cd低Pb条件，有利于植
物积累Cd。中膜美洲商陆中，在高Cd高Pb条件下，由于大量的Cd从根表胶膜迁移至根部，使根系受Cd毒
害，导致根的活力下降，根系分泌的可溶性糖减少（85.85μg·mL-1），从而降低了Cd总富集量。
李雪莲以Cd超累积植物东南景天为材料研究Cd胁迫下其根系分泌可溶性糖的含量，结果显示最高时可
达3.4μg·mL-1，（李雪莲，2011），而且东南景天根系分泌的可溶性糖的含量与Cd浓度变化没有相关性。
美洲商陆是Cd超累积植物，能将大部分Cd离子区隔到液泡中（傅小萍，2011）缓解Cd毒害。本研究结果
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显示在4种不同组合的金属胁迫下，中膜与高膜美洲商陆根系分泌的可溶性糖含量高达85.85-277.04μg·mL-1
（表3），说明根表丰富的铁锰氧化胶膜促进了美洲商陆根系分泌大量的可溶性糖以抵抗环境中重金属的
胁迫，起到解毒作用。
可溶性蛋白也是植物重要生理活性物质，其含量变化与外界环境的变化密切相关，可溶性蛋白的升高，
是植物逆境下的一种防御机制。李亚敏等研究 2 种藓类植物 Cd-Cu 胁迫下，发现可溶性蛋白随着 Cd 浓度
增加而增加（李亚敏，2011）。据研究报道，在植物合成的螯合肽（PC）会与 Cd 离子形成复合物，减少
了细胞中游离 Cd 离子的浓度，同时低分子量 PC-Cd 复合物可进入液泡，与液泡中的硫化物形成高分子状
态的 PC-Cd 复合物（Clemens，2001）。但是韦江玲研究发现 Cd 胁迫下的茳芏可溶性蛋白随着 Cd 浓度
增加呈现“低促后抑”现象，当 Cd 离子浓度在高于 10mg· L-1时，会抑制可溶性蛋白的合成（韦江玲，2011）。
本研究结果表明：镉铅复合胁迫处理，使中膜和高膜美洲商陆叶片可溶性蛋白含量比对照组有显著提高。
但是不同膜厚度美洲商陆叶片可溶性蛋白含量与金属胁迫的关系不同，中膜与高膜美洲商陆叶片可溶性蛋
白含量与 Cd 浓度成正相关，因为高 Cd 处理时叶片富集的 Cd 较多，所以刺激美洲商陆产生较多的可溶性
蛋白含量。而低膜美洲商陆叶片可溶性蛋白含量与 Cd 浓度无相关性（表 4）。美洲商陆富集的 Cd 约有 80%
集中在根部及根表胶膜中，不同膜厚度美洲商陆根部可溶性蛋白含量受镉铅复合胁迫的也影响不同，膜厚
度的增加使得美洲商陆在对重金属 Cd 胁迫变得敏感，在重金属复合胁迫下高膜美洲商陆根部可溶性蛋白
显著高于对照组，但可溶性蛋白含量随着 Cd 离子浓度的增加而减少。中膜与低膜美洲商陆在高 Cd 条件下
根部可溶性蛋白与低 Cd 条件下无显著性差异。这主要是因为高膜美洲商陆在高 Cd 低 Pb 和高 Cd 高 Pb 条
件下，根部 Cd 富集量分别达到 8557.04mg· kg-1和 10088.26mg· kg-1（表 5），从而抑制根部可溶蛋白合成，
这与韦江玲的研究结果一致（韦江玲，2011）。
5 结论（Conclusions）
5.1 不同培养条件可以诱导美洲商陆形成不同厚度的根表铁膜氧化胶膜，高浓度铁锰离子或高浓度铁锰离
子结合接种铁锰氧化菌可显著提高胶膜的厚度，使根表胶膜厚度分别达到135.85 g·kg-1和206.60g·kg-1，锰
膜分别占总胶膜的78.53%和77.47%。
5.2 高浓度Cd对美洲商陆根系发育以及地上部生长的抑制作用比高浓度Pb强。
5.3 在低Cd条件下，低膜美洲商陆总Cd富集量显著高于中膜和高膜的美洲商陆，较厚的胶膜阻止Cd向根部
和地上部迁移；在高Cd条件下，高膜美洲商陆总Cd富集量高达89765.69mg· kg-1（以干重计），显著高于
中膜美洲商陆和低膜美洲商陆，胶膜成为Cd的临时储存库，并通过扩散作用促使Cd由根表胶膜向根系转运。
5.4 在低Cd条件下，随着Pb浓度的增加，低膜美洲商陆根表胶膜和地上部Cd富集量均有增加；中膜和高膜
美洲商陆根表胶膜上富集的Cd显著减少，地上部和地下部Cd富集量则有增加。在高Cd条件下，Pb浓度提
高使中膜美洲商陆根表胶膜Cd富集量显著减少，但对低膜和高膜美洲商陆Cd富集量作用相反。
5.5 中膜与高膜美洲商陆根系分泌的可溶性糖含量、叶片合成的可溶性蛋白含量都极显著高于低膜美洲商
陆。根部可溶性蛋白含量依次为中膜美洲商陆＞高膜美洲商陆＞低膜美洲商陆。
5.6 中膜与高膜美洲商陆的叶片与根部可溶性蛋白含量与对照组存在极显著性差异，说明膜厚度增大后，
美洲商陆对Cd胁迫变得敏感。中膜与高膜美洲商陆的叶片可溶性蛋白随着Cd浓度增加而增加，而高膜美洲
商陆根系可溶性蛋白受高Cd浓度的抑制。
责任作者简介：许旭萍( 1962- )，女，教授，主要从事污染环境微生物修复技术研究。E-mail：xuping@
fjnu.edu.cn
参考文献（References）：
Batty L C, Baker A J M , Wheeler B D, et al . 2000. The effect of pH an d plaque on the uptake of Cu and Mn in Phragmites austrais
( Cav. ). Trin ex. Steudel[J]. Ananal of Botany，86 : 647-653
环 境 科 学 学 报
Acta Scientiae Circumstantiae
Clemens S. 2001. Molecular mechanisms of plant metal tolerance and homeostasis[J]. Planta，212： 475-486
韦江玲. 2011. 镉胁迫下茳芏生理生态特征的影响[J]. 安徽农业科学，39（20）：12125-12128
豆长明，陈新才，施积炎，等. 2010. 超积累植物美洲商陆根中锰的累积与解毒[J]. 土壤学报，47（1）：168-171
傅小萍. 2011. 美洲商陆镉吸收和耐性机理研究[D]. 浙江：浙江大学，82-84
郝雅宾，李凤玉，刘海山. 2013. 锰、铁胁迫对商陆和高羊茅可溶性蛋白的影响[J]. 福建师范大学学报，29（3）：97-103
贾小渊. 2012. 铁锰细菌影响商陆富集铁锰及耐受铁毒机制的研究[D]. 福建：福建师范大学，55-56
江行玉，赵可天. 2001. 植物重金属伤害及其抗性机理[J]. 运用与环境生物学报，7（1）：92-99
李亚敏，肖红利. 2011. 2 种藓类植物对 Cd-Cu 复合胁迫的生理响应[J]. 江苏农业科学，39 ( 4) : 441-443
李方，邢承华，蔡妙珍，等. 2010. 根表铁膜 、锰膜对水稻铝吸收和运输的影响[J]. 浙江大学学报，36（3）：335-340
李雪莲. 2011. 东南景天镉超累积生态型根系分泌物的研究[D].浙江：浙江大学，7-8
刘文菊，张西科，张福锁. 1999. 根表铁氧化物和缺铁根分泌物对水稻吸收镉的的影响[J]. 土壤学报，36（4）：462-469
刘文菊，朱永官. 2005. 湿地植物根表的铁锰氧化物膜[J]. 生态学报，25（2）：358-363
刘敏超，李花粉，夏立江，等. 2000. 不同基因型水稻吸镉差异及其与根表铁氧化物胶膜的关系[J]. 环境科学学报，20（5）：
592-596
林小青. 2013. 联合铁锰氧化细菌对商陆耐受铁锰机制的研究[D]. 福建：福建师范大学，11-12
Mi W J，Cai J B，Tuo Y，et al. 2013. Distinguishable root plaque root surface of Potamogeton cripus grown in two sediments
with different nutrient status[J]. Limnology，（14）：1-11
St-Cyr L, Crowder A A. 1990. Manganese and copper in the root plaque of Phragmites australis( Cav.) Trin ex. Steudel [J]. Soil
Science ，149( 4) ：191-198
Taylor G J，Crowder A A. 1983. Use of the DCB Technique for Extraction of Hydrous Iron Oxides from Roots of Wetland
Plants[J].American Journal of Botany，70（8）：1254-1257
汤克丽. 2014. 商陆根表铁锰氧化胶膜形成及其与镉，铅迁移的关系[D]. 福建：福建师范大学，33-34
唐探，姜永雷，张瑛，等. 2015. 铅 、镉胁迫对云南樟幼苗叶绿素荧光特性的影响[J] . 湖北农业科学，54（11）：2655-2658
Yang J, Fung-YeeTam Nora ,Ye Z H . 2013. Root Porosity,radial oxygen loss and iron plaque on roots of wetland plants
in relation to zinc tolerance and accumulation[J]. Plant Soil，10（374）：815-828
Ye Z,Cheng K, Wong M . 2001.Copper uptake in Typha latifolia as affected by iron and manganese plaque on the root surface[J].
Canadian Journal of Botany，79（3）：314-320
叶欣怡，赵杏，王小鹏，等. 2016. 土壤亚铁、镉对水稻 2 种抗氧化酶和植株富集镉量的影响[J] . 浙江大学学报，42（1）
89-98
张志良，瞿伟菁，李小方，等. 2003. 植物生理学实验指导[M]. 北京：高等教育出版社
Zhou X B, Shi W M,Zhang L H. 2007. Iron plaque outside roots affects selenite uptake by rice seedings(oryza sativa) grown in
solution culture[J]. Plant and Soil，290（1-2）：17-28
张杰，梁永超，娄运生等. 2005. 镉胁迫对两个水稻品种幼苗光合参数，可溶性糖和植株生长的影响[J]. 植物营养与肥料学
报，11（6）: 774-780
张玲，王焕校. 2002. 镉胁迫下小麦根系分泌物的变化[J]. 生态学报，22（4）：496-502