汞抗性花卉的筛选与牵牛对汞胁迫的响应

侯静，姜华，关晓欢，王娟

(辽宁师范大学 生命科学学院，辽宁 大连 116082)

0 引言

植物修复作为一种环境友好型的修复技术，是致力于清除土壤重金属污染的一种生物修复技术.因该技术具有不破坏土壤结构［1］、所使用的植物生物量大且根系发达、美化环境的同时对空气及水体无二次污染等优点，成为环境污染治理方面重要的研发对象.早期研究表明，植物具有修复重金属污染土壤的潜在能力［2-3］，并且已经筛选出一批重金属超积累植物种类［4-6］.目前，植物修复技术已被国内外广泛应用，尤其是生长周期短、生物量累积迅速的草本植物在植物修复中显示出较大的研究价值.花卉作为草本植物中的观赏类型，除具备草本植物的基本特征外，还具有资源丰富、对食物链无入侵性［7］、兼顾土壤修复与美化环境等诸多优势.基于此，本实验从24种常见花卉植物中筛选对重金属汞具有较强耐受性的植物种类，进行汞污染下的植物生长反应与累积特性研究，期望对于开展超富集植物的品种开发与利用提供重要的理论参考和技术支撑.

1 材料与方法

1.1 材料

试剂:HgCl2，国产分析纯.

仪器:IRIS Intrepid II XSP电感耦合等离子体发射光谱仪(美国热电公司).

土壤:实验用土取自辽宁师范大学花卉园，土壤理化性质为:土壤 pH值6.9、电导率0.52 ms/cm、有机质含量21.11 g/kg，全氮、全磷含量分别为0.13 g/kg和0.92 g/kg，速效磷、速效钾含量分别为0.07 g/kg 和0.12 g/kg，汞背景值为0.12mg/kg.

花卉种子:黑心金光菊(Rudbeckia hirta)、秋英(Cosmosbipinnata)、 翠 菊(Callistephus chinensis)、蛇目菊(Sanvitalia procumbens)、猫儿菊(Hypochaerisciliata)、 石 竹 (Dianthus chinensis)、一串红(Salvia splendens)、牵牛(Pharbitis nil)、鸡冠花(Celosia cristata)、银叶菊(Senecio cineraria)、万寿菊(Tagetes erecta)、孔雀草(Tagetes patula)、角堇(Viola cornuta)、大丽花(Dahliapinnata)、 小天蓝绣球(Phlox drumondii)、羽衣甘蓝 (Brassica oleracea var.acephala Linn.f.tricolor)、 凤 仙 花 (Impatiens balsamina)、紫茉莉(Mirabilis jalapa)、圆锥石头花(Gypsophila paniculata)、金鸡菊 (Coreopsis drummondii)、天人菊(Gaillardia pulchella)、矢车菊(Centaurea cyanus)、百日菊(Zinnia elegans)和半枝莲(Scutellaria barbata).

1.2 方法

重金属抗性花卉的筛选:配制HgCl2母液，使Hg2+浓度分别为:0、5、20、50、80 和 100mg/L.将24种花卉种子分别置于以滤纸为发芽床的平皿中，注入含有不同浓度Hg2+的溶液，至发芽床达到饱和.25℃恒温培养7 d后测定发芽率、根长、根干重等生长指标，观察比较供试花卉种苗对重金属汞胁迫的生长响应，初步筛选出对汞具有较好耐性的花卉进行盆栽实验.

重金属处理盆栽实验:设3个浓度梯度，即Hg2+为 5、20和 50mg/kg，以去离子水为对照(CK).供试土壤在自然条件下风干、过筛.将含有不同浓度重金属汞的水溶液与土壤混合，水∶土比例为1∶2.5(V/W)，平衡30 d后待用.花盆直径15 cm、高12 cm，毎个花盆中盛土壤600 g.每种处理设置三个重复花盆.挑选大小一致、颗粒饱满的牵牛种子，每盆栽种5粒，温室内培养.培养条件:温度(21 ±1)℃、光强 100 μmol/m2·s、光周期 16∶8 h(L∶D).依据盆土干湿情况，每处理组浇灌等量去离子水.

1.3 样品分析与数据统计

播种80 d后收获，用游标卡尺测量幼苗株高和茎粗、叶片大小(叶长和叶宽)，统计生长指标;植株用自来水冲洗，再用去离子水冲洗三次、沥干、烘干、称重，计算生物量.收获的植株分为根、茎、叶三部分，105℃下杀青30 min，70℃下烘至恒重并粉碎，粉碎的植物及土壤样品采用浓HCl-HNO3法［8］消化(3∶1，V/V)，重金属汞的含量用电感耦合等离子体发射光谱仪测定.实验数据采用SPSS 17.0处理，应用最小显著法(LSD)进行差异显著性检验.

2 实验结果与讨论

2.1 花卉种子对汞胁迫的响应

通过对花卉种子发芽率、根长和根干重的测定观察到，牵牛对重金属汞的耐受能力最强(表1).

表1 花卉种子对重金属汞胁迫的响应(均值±标准差，n=3)

表1 花卉种子对重金属汞胁迫的响应(均值±标准差，n=3)(续表)

表1 花卉种子对重金属汞胁迫的响应(均值±标准差，n=3)(续表)

基于上述实验结果，我们重点研究了牵牛种子对重金属汞胁迫的响应.牵牛种子发芽率随着Hg2+浓度的增加呈下降趋势.当Hg2+浓度为5mg/L时，对牵牛种子发芽率的影响较小;当Hg2+浓度为20mg/L时，处理的种子发芽率比对照降低9.1%，差异显著(P＜0.05);当 Hg2+浓度高于50mg/L时，处理后的种子发芽率比对照分别降低29.3%、42.0%和54.6%，与对照比较差异极显著(P＜0.01).对于其它23种花卉种子，发芽率比对照出现明显差异的浓度大多为5mg/L，虽然金鸡菊和羽衣甘蓝种子的发芽率水平均高于牵牛种子，但是Hg2+处理对根长和根干重表现出明显的抑制作用.

牵牛根长随着Hg2+浓度的增加呈上升后下降的变化趋势.当Hg2+浓度为5mg/L时，对牵牛根长具有促进作用，比对照升高2.8%;当Hg2+浓度高于20mg/L时，牵牛根长开始明显降低，与对照差异极显著(P＜0.01).对于其它23种花卉种子，虽然翠菊和蛇目菊种子同牵牛种子一样，在Hg2+浓度为20mg/L时，根长才比对照明显降低，但是当Hg2+浓度达到80mg/L和100mg/L时，翠菊和蛇目菊均没有根系生长，而牵牛在80mg/L和100mg/L汞处理浓度下根系继续生长发育，长度分别为29.3mm和7.7mm.

牵牛根干重随着Hg2+浓度的增加呈先增多后减少的变化趋势.当Hg2+浓度为5mg/L和20mg/L时，牵牛种子根干重比对照分别增加13.7%和15.0%;之后随着 Hg2+浓度的继续增加，根干重开始下降，当达到50mg/L时，牵牛种子根干重比对照降低14.6%，差异显著(P＜0.05);当Hg2+浓度为80mg/L和100mg/L时，牵牛根干重分别比对照降低66.5%和93.1%，差异极显著(P＜0.01).对于其它23种花卉种子，根干重比对照出现明显差异的浓度大多为5mg/L和20mg/L，虽然翠菊种子同牵牛种子一样，在Hg2+浓度为50mg/L时，根干重才比对照明显降低，但是当Hg2+浓度达到80mg/L和100mg/L时，翠菊根系停止生长，而牵牛在80mg/L和100mg/L汞处理浓度下根系继续生长发育，干重分别为7.8mg 和1.6mg.

因此，与其它23种花卉种子比较，牵牛种子对汞胁迫有较强的耐性.

2.2 汞污染对牵牛植株生长的影响

通过对植株生长指标的测定，评价牵牛对重金属汞的耐受能力.实验结果如表2.

对植株生物量的影响:牵牛植株地上部生物量随Hg2+浓度的增加呈先增大后减小的变化趋势，中、低浓度Hg2+处理对牵牛植株地上部生物量具有明显的促进作用，当土壤Hg2+含量为20mg/kg和50mg/kg时，地上部生物量分别比对照提高了 17.5%(P＜0.05)和 64.6%(P＜0.01);当土壤Hg2+含量为100mg/kg时，地上部生物量与对照水平相当.地下部生物量同样随Hg2+浓度的增加呈先增大后减小的变化趋势，当土壤Hg2+含量为20mg/kg时，地下部生物量与对照水平相当;当土壤Hg2+含量为50mg/kg时，地下部生物量比对照明显提高了38.5%，差异极显著(P＜0.01);当土壤Hg2+含量为100mg/kg时，地下部生物量比对照降低了69.3%，差异极显著(P＜0.01).由此可见，牵牛地上部植株对Hg2+污染具有较强的耐性，而地下部植株在壤中Hg2+浓度达到100mg/kg时表现出叶片狭小、发黄、脱落等明显的中毒现象.

表2 不同浓度Hg处理对牵牛生长的影响(均值±标准差，n=3)

对植株生长的影响:中、低浓度汞处理对牵牛植株株高、叶长和叶宽的生长具有一定促进作用，对茎粗的生长具有抑制作用，当土壤Hg2+含量为20mg/kg和50mg/kg时，植株茎粗分别比对照降低 3.4%(P＜ 0.05)和4.7%(P＜ 0.01).高浓度汞处理对植株的生长产生了明显的抑制作用，当Hg2+含量为100mg/kg时，植株茎粗比对照降低6.8%，差异极显著(P＜0.01)，叶长比对照降低15.6%，差异极显著(P＜ 0.01).

2.3 Hg2+在牵牛体内的累积分析

通常以转运系数和富集系数表示植物对重金属的转运及富集能力.转运系数(TF)以植株地上部重金属含量与地下部重金属含量之比表示［9］;富集系数(BF)以植株地上部重金属含量与相应土壤中重金属含量之比表示［10］.

本实验将牵牛种子播种在不同浓度重金属污染土壤中，生长80 d后收获，分析重金属在牵牛根、茎、叶等不同器官中的分布情况及其转移效率与富集效率.结果表明，牵牛植株根、茎和叶中Hg2+含量均随土壤中Hg2+浓度增加呈上升趋势，当处理浓度由 20mg/kg、50mg/kg增加到100mg/kg时，根部Hg2+含量明显上升，而叶片中Hg2+含量变化不大.由此推断，汞污染达到一定浓度时，大量的Hg2+主要累积在根部，导致根部结构被破坏，产生中毒现象，限制Hg2+向上转运，此结论验证了高浓度Hg2+处理条件下牵牛植株根部生物量降低的结论.从根、茎、叶对Hg2+的吸收情况来看，不同浓度处理条件下植株各部分汞的分布规律均不相同.中、低浓度处理时，Hg2+的累积规律是:叶＞根＞茎;高浓度处理时，Hg2+的累积规律是:根＞茎＞叶.由此变化规律可以看出，中、低浓度Hg2+处理时，叶片对Hg2+具有较强的富集能力，随着浓度土壤中Hg2+的增加，根对Hg2+表现出很强的富集能力(图1).

图1 不同浓度Hg处理对牵牛植株根、茎、叶富集Hg的影响

图2 不同浓度Hg处理对牵牛转移及富集能力的影响

牵牛植株对Hg2转运系数随处理浓度的增加呈先上升后下降的变化趋势;富集系数随处理浓度的增加呈下降趋势.中、低Hg2+处理时，转运系数和富集系数均大于1，说明牵牛对中、低浓度Hg2+污染具有较强的转运和富集能力.当处理浓度增加到100mg/kg时，转运系数和富集系数均明显降低，牵牛植株向上转运和富集汞的能力均受到限制，此结果也验证了牵牛在100mg/kg Hg2+处理时根部生物量降低的结论(图2).

3 讨论

重金属累积能力是超富集植物筛选的一个重要指标.牵牛植株根、茎和叶对Hg2+的累积量最高分别达到114.2mg/kg(100mg/kg)、64.09mg/kg(100mg/kg)和 52.62mg/kg(100mg/kg).由此可见，牵牛对汞具有较强的富集能力.

就其分布规律而言，Hg2+在牵牛植株各器官中的分布随处理浓度的变化而不同，这是因为植物在不同污染条件下，为适应重金属胁迫而采取的某种分配策略［11］.Cai［12］等认为，Hg2+在植物体内的分布与植物对汞的耐性有关.牵牛对高浓度汞污染表现出的耐性主要是基于其根的作用，Hg2+被根部细胞壁上的配位基与细胞外的碳水化合物固定，从而抑制其毒性的产生［13］，这符合超积累植物的主要特征［14-15］.就转运系数和富集系数而言，当Hg2+浓度低于50mg/kg时，转运系数和富集系数均大于1，最大分别可达1.13和1.47，转运系数大于1，说明地上部的Hg2+含量大于根部含量;而地上部富集系数大于1，说明牵牛对汞具有较强的积累能力.可见牵牛具备超富集植物特征.

综合以上分析可知，牵牛对重金属汞具有较高的耐性和较强的富集能力.同时，牵牛属于一年生草本植物，具有生长迅速、对环境适应能力强等特点，为城市常见花卉，既有美化价值又有生物修复价值.因此，可以作为城市土壤汞污染的植物修复资源，适于大面积推广应用.

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