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3种忍冬属植物对镉富集及转运特性研究



全 文 :第 2 期
0 引言
近年来 , 对土壤和水体中重金属污染的监测和治理越来越受到人们的重视 [1]. 植物修复
(phytoremediation)技术是指利用植物对重金属的吸收富集能力,去除或者消减污染物对环境危害的治理
技术,又称生物修复(bioremediation)或绿色修复(botanical biomediation)[2].该技术具有安全廉价且不会造
成二次污染的优点,已成为目前重金属污染治理研究和开发的热点技术之一[3].研究植物对重金属的富集
特征是筛选适合的植物修复材料的必要前提, 同时环境中重金属随经济作物进入食物链将给食品和药品
安全带来潜在威胁;因此,研究经济作物对重金属的吸收和富集特性,对其安全种植和环境安全[4]具有重要
意义.
镉(Cadmium,Cd)是常见的土壤重金属污染物, 具有移动性大、毒性高的特点,对土壤 Cd 污染的防治
备受人们关注 [5-6].许多学者对 Cd 在多种植物体内的吸收积累特性展开了研究,已鉴定出若干适合 Cd 植
物修复的超富集植物.很多研究也为粮食和蔬菜等的安全种植提供重要参考数据[7-9],但对药用植物的研究
相对较少;因此,研究对象有必要进一步扩展.
本研究以华南忍冬 (Lonicera confusa DC.), 红白忍冬 (L. japonica var.chinensis) 和忍冬 (L. japonica
Thunb.)为研究对象,采用营养液培养方式研究这 3种忍冬属植物对 Cd的富集程度及 Cd在植株不同部位
间的迁移情况,探讨药用忍冬属植物对 Cd的富集和转运特性,为其安全种植及重金属污染土壤的综合利
用与治理提供依据.
1 材料与方法
1. 1 实验材料与培养液
实验以大小一致的红白忍冬,忍冬和华南忍冬 1年生幼苗为材料,其中红白忍冬和忍冬产自广西柳州
市鹿寨县,华南忍冬产自广西南宁市马山县古零镇.
Hogland 营养液 :KNO3(5.00 mmol / L);MgSO4·7H2O (2.00 mmol / L);Ca (NO3)2·4H2O (5.00 mmol / L);
3种忍冬属植物对镉富集及转运特性研究
李玲璐,邓冬梅
(广西科技大学 生物与化学工程学院,广西 柳州 545006)
摘 要 :以 3 种药用忍冬属植物华南忍冬 (Lonicera confusa DC.),红白忍冬 (L. japonica var.chinensis)和忍冬
(L. japonica Thunb.)为试材,采用水培试验方法,研究了 3 种植物在不同浓度镉离子(Cd2+)胁迫下对 Cd 的富集和转
运特性. 结果表明: 在不同 Cd2+质量浓度环境下 3 种忍冬属植物对 Cd2+均表现出较强富集能力, 其中, 在质量浓度为
50 mg / L 时,华南忍冬对 Cd 的富集能力最高,而红白忍冬对 Cd 的转移能力最强;同时 3 种忍冬属植物叶中 Cd 含量
分别达到 78.45 mg / kg(忍冬),91.46 mg / kg(华南忍冬)和 87.47 mg / kg(红白忍冬),接近 Cd 超富集植物的临界富集指
标(100 mg / kg),因此,3 种忍冬属植物在 Cd 污染土壤的植物修复中都具有一定应用价值.
关键词:忍冬属植物;镉;富集能力;植物修复
中图分类号:X131.3 文献标志码:A
收稿日期:2012-12-04
基金项目:广西工学院博士启动基金(500606)资助.
通信作者:邓冬梅,博士,副教授,研究方向:重金属污染治理,E-mail:dengdongmei@163.com.
文章编号 1004-6410(2013)02-0085-04
第 24 卷 第 2 期 广 西 科 技 大 学 学 报 Vol.24 No.2
2013 年 6 月 JOURNAL OF GUANGXI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY June 2013
广 西 工 学 院 学 报
JOURNAL OF GUA GXI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
DOI:10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2013.02.007
广西工学院学报 第 24 卷
KH2PO4(1.00 mmol / L);H3BO3(0.05 mmol / L);ZnSO4·4H2O(0.80×10-3 mmol / L );MgCl2·4H2O(9.00×10-3 mmol / L);
CuSO4·5H2O(0.30×10-3mmol / L);(NH4)6Mo7O24·4H2O(0.02×10-3mmol / L);Fe-EDTA (0.10 mmol / L).
1. 2 Cd胁迫处理
将土壤中生长的 3种忍冬属植物幼苗经自来水清洗之后再用去离子水淋洗 3遍, 选取大小一致的幼
苗放入 1 / 2份的 Hogland营养液里预培养 1周. 用 CdCl2·2.5H2O配制母液, 加入 Hogland营养液配制成 5
个处理组(Cd2+终浓度:0 mg / L,5 mg / L,10 mg / L,25 mg / L,50 mg / L),每组 3 株苗.控制营养液 pH 值为 5.8
(用 NaOH或 HCl调节),常温培养实验苗株,每日光照 10 h,每 24 h充氧一次,每 7 d更换一次营养液.
处理 27 d后将苗株取出,用去离子水冲洗根系,再浸入 20 mmol / L EDTA-Na2溶液中交换 15 min除去
根系表面粘附的金属离子.交换处理结束后用去离子水冲洗根系,用吸水纸吸干表面水分,再将植株分成
根、茎、叶 3部分于 70 ℃下烘干至恒重.样品研磨过 100目筛备用.
1. 3 Cd含量分析
取 0.25 g试样,在马弗炉中 550 ℃灰化 8 h,冷却后加入 5 mL HNO3(去离子水体积比 1∶1稀释).用去离
子水定容样品溶液至 50 mL,在原子吸收分光光度计(Thermo scientific iCE-3500)上测定 Cd含量.每样品重
复分析 3次.
1. 4 数据处理
根据下式计算转移系数(translocation factor,TF)以评价植物的 Cd转移能力[10].
根到叶转称系数(TFr-l)=叶部平均 Cd
2+质量浓度
根部平均 Cd2+质量浓度
(1)
根到茎转称系数(TFr-s)=茎部平均 Cd
2+质量浓度
根部平均 Cd2+质量浓度
(2)
用 Microsoft Excel进行数据分析处理.文中所有数据均为 3次实验平均值.
2 结果与讨论
2. 1 3种忍冬属植物对Cd的富集特性
在不同浓度的 Cd2+胁迫处理下,3种忍冬属植物的根、 茎和叶中 Cd的含量均明显高于空白对照处理,
说明它们都具有富集培养液中 Cd的能力.在含 Cd2+营养液处理 27 d后,3种忍冬属植物的根茎叶组织中富
集的 Cd含量均明显高于对照处理组. 其中忍冬富集的 Cd含量为: 根部 77.91 mg / kg ~ 5 279.96 mg / kg,茎
9.45 mg / kg ~ 1 599.17 mg / kg,叶片 1.56 mg / kg ~ 78.45 mg / kg;华南忍冬的 Cd积累量为:根部 595.04 mg / kg ~
6 569.17 mg / kg,茎 5.89 mg / kg ~ 742.97 mg / kg,叶片 10.17 mg / kg ~ 91.46 mg / kg;红白忍冬的 Cd 积累量为:
根部 165.21 mg / kg ~ 6 725.62 mg / kg,茎 8.91 mg / kg ~ 2 153.13 mg / kg,叶片 4.11 mg / kg ~ 87.47 mg / kg,且各
组织 Cd含量高低顺序一致.结果说明水培条件下 3种忍冬属植物对环境中 Cd2+均有较强富集能力,体内富
集的 Cd主要积累在根部.有研究表明,植物体内 Cd以非活性形态沉积在根部细胞壁,此状态可降低 Cd对
茎叶细胞的伤害,是很多植物耐受 Cd毒害的机制之一[11].因此,本研究所用 3种忍冬属植物根部积累的 Cd
也可能以非活性状态结合于根部细胞壁.华南忍冬相对其余两种植物其根部和叶中的 Cd 含量最高,而茎
中 Cd含量最低.该现象提示其体内可能存在特殊自保机制,可通过落叶帮助排除体内过多的 Cd.
我国已有其他农作物富集 Cd 的相关研究报导.如李双玉等[12]研究发现,叶用红蘈菜(Beta vulgaris var.
cicla L.)在外源投加 20 mg / kg的 Cd 的盆栽实验条件下,其地上部分 Cd 质量分数为 159.79 mg / kg;茹淑华
等[13]在油菜(Brassica juncea L.)的研究中发现,当外界 Cd 质量浓度为 1.5 mg / L 时,其地上部分含 Cd 质量
浓度可达 456.0 mg / kg.对于公认的 Cd超富集植物—宝山堇菜(Viola baoshanensis)的研究表明,其地上部分
Cd质量浓度可达到 1 168 mg / kg,根部达到 981 mg / kg[14].本研究显示,在 50 mg / L Cd2+质量浓度胁迫下 3种
忍冬属植物叶中 Cd质量浓度分别达到 78.45 mg / kg(忍冬),91.46 mg / kg(华南忍冬)和 87.47 mg / kg(红白忍
冬). 这些参数虽然低于上述报导的植物富集 Cd 的水平, 但已接近 Cd 超富集植物的临界富集指标
(100 mg / kg)[16].综合考虑 3种忍冬属植物所具有的生物量大和耐贫瘠等特点,可认为它们在 Cd污染土壤的
植物修复中具有一定应用价值.
86
第 2 期
2. 2 3种忍冬属植物对 Cd的转移特性
在相同 Cd2+胁迫浓度下 3种忍冬属植物中每
一种植物的根、茎、叶中富集的 Cd 含量之间存在
较大差异,表明 3 种忍冬属植物由地下到地上的
转运能力并不相同.如图 1所示在 50 mg / L Cd2+胁
迫下, 华南忍冬根部 Cd 含量明显高于忍冬和红
白忍冬, 而茎中 Cd 含量明显低于忍冬和红白忍
冬.这 3种忍冬属植物中红白忍冬根的 Cd含量最
低,但是茎和叶中的 Cd含量相对较高.
转移系数(TF)反映了植物体地上部与地下
部富集重金属量的关系[15],可用于评价植物将重
金属从地下向地上运输和富集的能力. 不同 Cd2+
胁迫质量浓度下 3 种忍冬属植物根到叶的转移
系数(TF r-l)和根到茎的转移系数(TF r-s)如表 1
所示 .对于从根到叶转移 Cd,不同质量浓度 Cd2+
处理下 3种忍冬属植物的 TF r-l值都不大(<0.05),
说明它们从环境中吸收的重金属只有少量转
运至叶中,可能它们具有类似转运机制 .而对于
从根到茎转移 Cd,当环境 Cd2+质量浓度较低时
(≤25 mg / L)3 种忍冬属植物的 TF r-s 均表现为
随着营养液中 Cd2+质量浓度的增加而增加, 但是
当环境 Cd2+质量浓度增至 50 mg / L 时红白忍冬
TF r-s仍随之增加且接近 1, 而忍冬和华南忍冬
的 TF r-s 转而下降且小于 0.3.这说明
在高浓度 Cd2+胁迫下, 红白忍冬具有
不同于从忍冬或华南忍冬的从根到茎
转运 Cd 的机制.高质量浓度 Cd2+胁迫
下红白忍冬体内可能启动了 Cd 从根
到茎的特殊转运机制, 将根中大量的
Cd 转移到茎中 .3 种忍冬属植物在体
内 Cd 转移中的差异表现为研究 Cd
在植物体内的转运机制提供较好材料.
3 小结
3种忍冬属植物都具有对外界环境 Cd2+较强富集能力, 不同组织的 Cd富集能力表现为根最强, 茎次
之,叶最差.在高质量浓度 Cd2+环境下,红白忍冬从根到茎转运 Cd的能力明显高于华南忍冬和忍冬.总之这
3种忍冬属植物都具有一定的修复 Cd污染土壤的价值, 也为研究 Cd在植物体内的富集和转运机制提供
较好材料.
参考文献
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图 1 不同 Cd2+质量浓度处理下忍冬属 3 种植
物叶、茎和根中 Cd 含量图
忍冬 华南忍冬 红白忍冬
TF r-l TF r-s TF r-l TF r-s TF r-l TF r-s
5 0.007 0.022 0.018 0.153 0.004 0.065
10 0.014 0.058 0.025 0.188 0.015 0.119
25 0.019 0.443 0.023 0.292 0.008 0.142
50 0.015 0.289 0.014 0.062 0.040 0.983
表 1 3 种忍冬属植物不同组织间 Cd 的转移系数
注:TF r-l 根到叶转移系数;TF r-s 根到茎转移系数
营养液中
Cd2+ / (mg·L-1)
100
80
60
40
20
0


Cd


/(
m

kg
-1

0 5 10 25 50
0 5 10 25 50
营养液中 Cd2+质量浓度/(mg·L-1)
营养液中 Cd2+质量浓度/(mg·L-1)


Cd


/(
m

kg
-1
) 2500
2000
1500
1000
500
0
营养液中 Cd2+质量浓度/(mg·L-1)
0 5 10 25 50
8000
6000
4000
2000
0根

Cd


/(
m

kg
-1

忍冬 华南忍冬; 红白忍冬;
(a)叶中 Cd 含量与 Cd2+质量浓度关系图
(b)茎中 Cd 含量与 Cd2+质量浓度关系图
(c)根中 Cd 含量与 Cd2+质量浓度关系图
注: ;
李玲璐等:3种忍冬属植物对镉富集及转运特性研究 87
广西工学院学报 第 24 卷
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Preliminary research of heavy metal cadmium accumulation and
transport characteristics in three Lonicera plants
LI Ling-lu,DENG Dong-mei
(College of Biological and Chemical Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006,
China)
Abstract: A hydroponic experiment was employed to study the cadmium (Cd) accumulation and transfer
characteristics of three traditional Chinese medicine plants, Lonicera confusa DC, L. japonica var. chinensis and L.
japonica Thunb, under the stress of different Cd ionic (Cd2 + ) concentration. The results indicate that all the
Lonicera plants were able to accumulate Cd from environment. The content of Cd in the root was always higher than
that in the stem, while the least of Cd content was found in the leaf among these Lonicera plants. Each of them
showed a certain extent Cd2+ accumulation ability under different Cd2+ stress concentration. The L. confusa plant
displayed the greatest Cd accumulative activity and the L. japonica var chinensis owned the best Cd transport ability
among them under 50 mg / L Cd2+ stress concentration. In addition, The Cd content of L. japonica (78.45 mg / kg),
L. confusa (91.46mg / kg), and L. japonica var. chinensis (87.47mg / kg) were nearly equal to the threshold value of
Cd -hyperaccumulator (100mg / kg). These Lonicera plants, therefore, possess value to be able to use in
phytoremediation of Cd polluted soil.
Key words: Lonicera; cadmium; accumulation; phytoremediation
(责任编辑:李彦青)
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