全 文 :第39卷第6期
2012年11月
浙 江 大 学 学 报(理学版)
Journal of Zhejiang University(Science Edition)
http://www.journals.zju.edu.cn/sci
Vol.39No.6
Nov.2012
收稿日期:2012-03-07.
基金项目:杭州市农业科技攻关项目(20110232B16).
作者简介:吕伟德(1969-)男,浙江大学在读硕士,副教授,主要从事植物的逆境与抗逆栽培研究.
DOI:10.3785/j.issn.1008-9497.2012.06.013
重金属胁迫对宽叶泽苔草生长、
重金属及养分吸收的影响
吕伟德1,邱春英2,曹方彬3
(1.杭州职业技术学院,浙江 杭州310018;2.萧山区农业技术推广中心,浙江 杭州311203;
3.浙江大学 农业与生物技术学院,浙江 杭州310058)
摘 要:盆栽试验以宽叶泽苔草(Caldesia grandis Samuelsson)为材料,采用500μmol·L
-1 Cd、500μmol·L
-1
Cr、500μmol·L
-1 Pb、1 000μmol·L
-1 Cu溶液处理,研究重金属胁迫对宽叶泽苔草生长、重金属及养分吸收的影
响.结果表明:宽叶泽苔草对重金属毒害具有很强的抗性,各种重金属胁迫下植株地上部并未表现出失绿或坏死等
中毒症状;重金属Cd、Cr、Pb和Cu处理,分别显著提高根和地上部茎叶中Cd2+、Cr6+、Pb2+和Cu2+质量分数;Cu
处理显著增加植株 Mn2+质量分数,减少地上部Fe3+质量分数;Pb处理显著增加根系 Mn2+质量分数;但对Zn2+质
量浓度无显著影响.相关分析表明,植株地上部中Fe3+和Mn2+呈显著负相关,而Mn2+和Cu2+呈显著正相关;地下
部中Pb2+与 Mn2+呈显著正相关,Cr6+与Zn2+呈显著负相关.
关 键 词:宽叶泽苔草;重金属;矿质元素;吸收
中图分类号:X 17 文献标志码:A 文章编号:1008-9497(2012)06-666-05
L Wei-de1,QIU Chun-ying2,CAO Fang-bin3(1.Hangzhou Vocational and Technical Institute,Hangzhou
310018,China;2.Agricutural Technology Promotion Center of Xiaoshan District,Hangzhou 311203,China;
3.College of Agriculture &Biotechnd-ogg,Zhejiang University,Hangzhou310058,China)
Effects of heavy metals stresses on growth,heavy metal and mineral uptake in Caldesia grandis.Journal of Zhejiang
University(Science Edition),2012,39(6):666-670
Abstract:Greenhouse pot experiment was carried out to study the effect of 500μmol·L
-1 Cd,500μmol·L
-1 Cr,
500μmol·L
-1 Pb and 1 000μmol·L
-1 Cu stress on growth and heavy metal uptake and translocation of Caldesia
grandis after 25days exposure.The Cd2+,Cr6+,Pb2+,Cu2+,Fe3+,Mn2+ and Zn2+ concentrations in shoots/
roots were determined using a flame atomic absorption spectrometry with dry ashing method.Caldesia grandis
showed high tolerance to Cd2+,Cr6+,Pb2+,Cu2+toxicity with no visual toxic symptom under Cd2+,Cr6+,Pb2+,
Cu2+stress,although the uptake and accumulation of the heavy metals were significantly increased compared with
control.As compared with control,there was no statistical difference in Fe3+,Mn2+,Cu2+and Zn2+concentration
in both shoots and roots under Cd2+ or Cr6+stress.Pb2+ addition significantly reduced Fe3+ concentration but in-
creased Mn2+ concentration in roots.There was significant decrease in shoots Fe3+ but increase in shoots/roots
Mn2+concentration under Cu2+stress.Correlation analysis showed that Fe3+and Mn2+had significant negative cor-
relation,but Mn2+content was synergetic with Cu2+content in shoots.In roots,Pb2+and Mn2+showed significant
positive correlation and Cr6+and Zn2+showed negative correlation.
Key Words:Caldesia grandis Samuelsson;heavy metal;mineral elements;uptake
随着现代工农业的快速发展,土壤重金属污染
日益严峻,对土壤和水体环境安全产生严重影响,进
而严重影响作物的产量和品质,并通过食物链对人
体健康产生危害[1-3].上世纪60-70年代发生在日
本的稻米镉毒害对当地人造成了极大的危害[4].对重
金属污染的修复治理,曾有学者提出利用生物修复降
低土壤中重金属质量分数[5-8].植物修复是利用植物
能忍耐或超积累某种或某些重金属的特性来修复重
金属污染土壤的技术总称.植物修复工程技术具有良
好的生态、经济和社会效益,成为最具发展潜力的重
金属污染土壤和水体环境修复治理措施.但是当前掌
握的具有这种超积累特性的植物种质极其缺乏,且品
种单一,已成为植物修复工程应用上的一大瓶颈,从
而导致植物修复技术发展滞缓.解决这一问题的关键
在于发掘一批富集能力强、生物量大的、对重金属吸
收效率高的植物资源,并合理地进行开发利用.
宽叶泽苔草(Caldesia grandis Samuelsson)别
名大黄冠草,是泽泻科(Alismataceae)泽苔草属
(Caldesia Parl.)一种多年生挺水草本植物,在浙
江、江苏一带均有分布,是一种珍稀濒危水生植物.
2005年起杭州职业技术学院与杭州市余杭湿地生
态研究所联合开展了水湿生植物的引种驯化、种苗
繁育与工程应用研究,经过多年的筛选发现,宽叶泽
苔草具有耐盐、耐瘠和抗逆性强等优点,课题组在研
究其对锌的吸收机理中发现其较强的微量元素聚集
能力,引发了进一步研究其对重金属的富集能力及
富集规律.目前,国内外少有宽叶泽苔草在重金属污
染环境下的生长和生理生化特性的研究报道.本研
究以宽叶泽苔草非试管快繁种苗为植物材料,旨在
明确Cd2+、Cr6+、Pb2+和Cu2+胁迫对宽叶泽苔草生
长、重金属及养分吸收的影响,为重金属污染湿地种
植和利用宽叶泽苔草提供理论依据.
1 材料与方法
1.1 试验材料
宽叶泽苔草种苗来自于杭州职业技术学院水生
植物育种试验基地,于2010年9月8日采集母株腋
芽,采用植物非试管快繁技术繁育出标准化种苗;试
验用土按照容重比例以不含重金属的园土∶泥炭=
2∶1,风干后过2mm筛制成基质混合土.
1.2 试验设计
温室盆栽试验于2010年在试验合作基地海宁
长安花卉科技园区的温室进行.将过筛后的基质混
合土装入直径 35cm、高 40cm 的塑料桶中,
3kg/盆,每盆施基肥45g复混肥(N∶P∶K=11∶
6∶8),试验期不再另施追肥.选健康一致的宽叶泽
苔草种苗栽入桶内,每桶栽6株.培养12和17d后
进行重金属处理2次,每次加500L/盆处理液,共5
个处理:对照(自来水)、500μmol·L
-1镉(CdCl2)、
500μmol·L
-1铬(K2Cr2O7)、500μmol·L
-1铅
(Pb(NO3)2)和1 000μmol·L
-1铜(CuSO4),分别
记作Control、Cd2+、Cr6+、Pb2+和Cu2+.重复4次,
试验采用完全随机区组设计.第一次处理后25d取
样,取样前5d停止浇水.
1.3 测定项目与方法
将植株根系置于20mmol·L-1乙二胺四乙酸
二钠(Na2-EDTA)中浸泡3h除去表面黏附的重金
属离子,然后以去蒸馏水冲洗干净,分地上部、地下
部取样,105℃杀青3h,然后80℃烘干至恒重,粉
碎,备用.称取上述干样约1g,放入30mL坩埚中,
在马弗炉内550℃灰化12h,加 HNO3(30%)和去
离子水各5mL,充分混匀后过滤.用原子吸收光谱
仪(SHIMADZU AA-6300)测定地上部和根中
Cd2+、Cr6+、Pb2+、Cu2+、Fe3+、Mn2+ 和 Zn2+ 质量
分数.
1.4 数据统计
所有数据采用唐启义和冯明光(1997)开发的
DPS软件进行方差分析及多重比较(SSR法),采用
Excel软件进行作图分析.
表1 不同处理植物的生长表现
Table 1 Growth of Caldesia grandis under different treatments
Plant species
7dafter treatment
Normal leaf Yelow leaf Dry leaf
14dafter treatment
Normal leaf Yelow leaf Dry leaf
17dafter treatment
Normal leaf Yelow leaf Dry leaf
Caldesia grandis
Samuelsson
18 0 0 25 0 0 51 0 0
Caldesia
grandis
Cd
stress
3 0 0 4 1 0 2 0 3
Cr
stress
5 2 0 4 2 1 2 3 4
Pb
stress
4 1 0 6 2 0 3 3 4
Cu
stress
8 0 0 10 0 0 9 1 1
Total 21 3 0 26 5 1 16 7 12
766 第6期 吕伟德,等:重金属胁迫对宽叶泽苔草生长、重金属及养分吸收的影响
2 结果与分析
2.1 试验期间植株形态特征的变化
试验期间共选择了宽叶泽苔草和常绿水生鸢尾
2种水生植物,采用相同方法进行试验处理,发现常
绿水生鸢尾在处理后5d出现生长受抑制症状,叶
尖枯黄,而宽叶泽苔草生长正常;7d后第2次对宽
叶泽苔草和常绿水生鸢尾进行重金属胁迫处理,至
试验结束进行植株生长调查观察,常绿水生鸢尾出
现32.2%的腋芽腐败,老叶枯黄,新叶生长稍好;但
对宽叶泽苔草的生长没有影响,表现长势旺盛,大部
分植株出现花葶,表明在水生植物中宽叶泽苔草表
现出对重金属污染土壤有很强的耐性.
2.2 重金属胁迫对宽叶泽苔草植株重金属质量分
数的影响
2.2.1 Cd2+处理对宽叶泽苔草地上部及地下部
Cd2+质量分数的影响
Cd2+被植物吸收后,大部分富集在根部,迁移
至地上部较少(见图1),加入Cd2+后,植株地上部
和根中Cd2+质量分数明显增加,分别比对照增加
3.95和7.96倍,其他重金属处理同对照间均没有
显著性差异.
图1 Cd2+处理对宽叶泽苔草地上部及地下部
Cd2+质量分数的影响
Fig.1 Effects of Cd stress on Cd2+content in shoots
and roots of Caldesia grandis
2.2.2 Cr6+处理对宽叶泽苔草地上部及地下部
Cr6+质量分数的影响
由图2可知,Cr6+处理后宽叶泽苔草地上部和
地下部Cr6+ 质量分数显著增加,分别比对照增加
24.96和103.44倍.同时,也可看出地下部积累的
Cr6+质量分数明显高于地上部,表明植株吸收的
Cr6+大部分富集在根部.同Cd2+、Pb2+、Cu2+处理
相比,不论地上部还是地下部,宽叶泽苔草对于
Cr6+的吸收要明显高于对 Cd2+、Pb2+、Cu2+ 的吸
收.表明,宽叶泽苔草对Cr具有较强的吸收能力.
图2 Cr6+处理对宽叶泽苔草地上部及地下部
Cr6+质量分数的影响
Fig.2 Effects of Cr6+stress on Cr6+content in shoots
and roots of Caldesia grandis
2.2.3 Pb2+处理对宽叶泽苔草地上部及地下部
Pb2+质量分数的影响
图3表明,与对照相比,Pb2+处理后宽叶泽苔
草的地上部和地下部Pb2+质量分数达到极显著水
平.根系中积累的Pb2+ 质量分数要明显高于地上
部,这可能与Pb2+在植物体内的迁移特性有关.
2.2.4 Cu对宽叶泽苔草地上部及地下部Cu2+质
量分数的影响
图4表明,与对照相比,Cu2+处理后宽叶泽苔
草的地上部和地下部Cu2+质量分数达到显著水平.
其中,根系中Cu2+的积累显著高于地上部.表明根
系对Cu2+的富集能力要显著高于地上部.
866 浙 江 大 学 学 报(理学版) 第39卷
图3 Pb2+处理对宽叶泽苔草地上部及地下部
Pb2+质量分数的影响
Fig.3 Effects of Pb stress on Pb2+content in shoots
and roots of Caldesia grandis
图4 Cu2+处理对宽叶泽苔草地上部及地下部
Cu2+质量分数的影响
Fig.4 Effects of Cu stress on Cu2+content in shoots
and roots of Caldesia grandis
2.3 重金属胁迫对宽叶泽苔草地上部及地下部微
量元素质量分数的影响
由上述分析得知,由于重金属Cd2+、Cr6+、Pb2+
和Cu2+的加入,宽叶泽苔草地上部及地下部的重金
属质量分数显著增加.其中,地下部重金属的积累明
显高于地上部,宽叶泽苔草地上部对Cr6+的吸收显
著高于Cd2+、Pb2+.
表2 重金属处理对宽叶泽苔草地上部及地下部Fe3+、Mn2+、Cu2+和Zn2+质量分数的影响
Table 2 Effects of Heavy metal stress on Fe3+,Mn2+,Zn2+and Cu2+content in shoots and roots of Caldesia grandis
Treatment
Shoot/(mg·kg-1)
Fe3+ Mn2+ Cu2+ Zn2+
Root/(mg·kg-1)
Fe3+ Mn2+ Cu2+ Zn2+
Control 129a 378b 2.8b 137a 29 000ab 303c 2.6b 155a
Cd2+ 132a 345b 2.7b 131a 31 000a 364bc 2.5b 146a
Cr6+ 133a 357b 2.7b 135a 24 000abc 344bc 2.1b 130a
Pb2+ 109ab 410ab 2.7b 134a 21 000c 523a 2.0b 164a
Cu2+ 95b 540a 3.6a 133a 22 000bc 428ab 10.2a 151a
由表2看出,Cu2+ 处理对宽叶泽苔草地上
Fe3+、Mn2+、Cu2+的影响最显著,其中经过处理使
得地上部分 Fe3+ 质量分数显著减少,而 Mn2+ 和
Cu2+的质量分数显著增加,Zn2+质量分数不受4种
重金属的影响.
经过Cr6+ 处理宽叶泽苔草地下部分测定的
Fe3+质量分数比对照略有减小,Pb和Cu处理显著
增加宽叶泽苔草地下部分 Mn2+质量分数,Cu处理
后只能显著提高地下部Cu2+质量分数,Zn2+质量分
数仍然不受其影响.
相关性分析(见表3、4)结果表明,地上部,Fe3+
和 Mn2+呈显著负相关,而 Mn2+和Cu2+呈正相关,
这与表2所得结论经Cu2+处理后地上部 Mn2+质量
分数显著增加一致.地下部,Pb2+ 与 Mn2+ 呈正相
关,证明表2中Pb2+处理后地下部 Mn2+质量分数
显著提高这一结论的可靠性.Cr6+与Zn2+ 呈负相
关,表2虽然显示经过Pb2+处理后地下部 Mn2+质
量分数降低,但统计分析得到结论并不显著.
966 第6期 吕伟德,等:重金属胁迫对宽叶泽苔草生长、重金属及养分吸收的影响
表3 宽叶泽苔草地上部金属元素相关性分析
Table 3 Correlation between heavy metal concentrations in shoot of Caldesia grandis
Correlation coefficient Cd2+ Cr6+ Pb2+ Fe3+ Mn2+ Zn2+ Cu2+
Cd2+ 1 -0.28 -0.26 0.35 -0.36 -0.76 -0.21
Cr6+ 1 -0.29 0.47 -0.36 0.22 -0.28
Pb2+ 1 -0.35 0.03 0 -0.28
Fe3+ 1 -0.94* 0.19 -0.8
Mn2+ 1 -0.12 0.95**
Zn2+ 1 -0.17
Cu2+ 1
*Fe3+与 Mn2+呈极显著负相关;**Mn2+与Cu2+呈极显著下相关
表4 宽叶泽苔草地下部金属元素相关性分析
Table 4 Correlation between heavy metal concentrations in root of Caldesiagrandis
Correlation coefficient Cd2+ Cr6+ Pb2+ Fe3+ Mn2+ Zn2+ Cu2+
Cd2+ 1 -0.31 -0.25 0.74 -0.21 -0.11 -0.23
Cr6+ 1 -0.23 -0.22 -0.28 -0.84* -0.26
Pb2+ 1 -0.56 0.85** 0.66 -0.3
Fe3+ 1 -0.74 -0.19 -0.37
Mn2+ 1 0.58 0.18
Zn2+ 1 0.08
Cu2+ 1
*Cr6+与Zn2+呈显著负相关;**Pb2+与 Mn2+呈显著正相关
3 结 论
3.1 在本试验设计中,各种重金属质量浓度达到了
污染三级标准,在此环境下宽叶泽苔草尚能旺盛生
长,表明其对Cd2+、Cr6+、Pb2+、Cu2+污染具有极强
的耐性,同时地下部对Cd2+、Cr6+、Pb2+、Cu2+等重
金属的积累均明显高于地上部,说明植物根系对重
金属有较强的滞留效应,这也是植物对重金属污染
环境的一种适应,即将重金属离子积累于根系,阻止
其对光合作用及新陈代谢活性的毒害,这与文献[9]
研究结果相似.
3.2 由于重金属离子的相互作用会影响植物对某
种重金属离子的积累,从试验结果,宽叶泽苔草聚集
的重金属元素的分析来看,地上部分Fe3+和 Mn2+
呈显著负相关,Cu2+ 和 Mn2+ 呈正相关,地下部分
Pb2+与 Mn2+呈正相关,Cr6+与Zn2+呈负相关,可
能这些重金属离子在植物体内存在拮抗作用和协同
作用,从而影响宽叶泽苔草对重金属的吸收.
3.3 本试验研究了在重金属胁迫环境下宽叶泽苔
草生长前期的生长情况和重金属及养分吸收的影
响,随着植株生育进程的变化,中后期各阶段对重金
属吸收速率及地上部和地下部富集数量上会有变
化,有待进一步研究.
3.4 通常土壤重金属的污染为复合污染,有必要进
一步设计在湿度提高或降低下以及复合污染重金属
下,宽叶泽苔草对重金属的吸收机理.
3.5 通过研究宽叶泽苔草在重金属胁迫下的一些
逆境指标,得出宽叶泽苔草对重金属的忍耐范围是
很大的,具有较大的抗性作用,这为研究宽叶泽苔草
作为重金属的超富集植物来修复污染环境提供了参
考.但是,重金属聚集后对植物的活性影响及机理有
待进一步研究.
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