对11种热带滨海植物Cd富集能力的初步评价

吴朝波, 段瑞军，王 蕾，郭建春,符少萍,刘 娇,李瑞梅, 胡新文

(1.海南大学，海南 海口 570228；2.中国热带农业科学院/热带生物技术研究所，海南 海口 571101)

富集系数=植物体内某元素的含量/该元素在土壤中的含量[20] .



对11种热带滨海植物Cd富集能力的初步评价

吴朝波1, 段瑞军2，王 蕾1，郭建春2,符少萍2,刘 娇2,李瑞梅2, 胡新文1

(1.海南大学，海南 海口 570228；2.中国热带农业科学院/热带生物技术研究所，海南 海口 571101)

采用盆栽试验的方法，评价了11种热带滨海植物对重金属Cd的富集能力.结果表明：白凤菜、有芒鸭嘴草、海马齿、海雀稗对Cd的耐性较强，于Cd处理后其根系生长、株高、生物量没有发生明显下降(p<0.05)；海马齿、海雀稗的根对Cd具有较强的富集能力，其根中的Cd含量分别为839.55 mg·kg-1、1 144.64 mg·kg-1；白凤菜、有芒鸭嘴草的根和其地上部都能大量富集Cd，且地上部分对Cd的富集能力大于根部的富集能力，地上部分的Cd含量分别达709.45 mg·kg-1、164.20 mg·kg-1，超过Cd超富集植物应达到的临界含量(100 mg·kg-1).由此得出以下结论：白凤菜、有芒鸭嘴草、海马齿、海雀稗对Cd的富集能力较强，可将其作为修复Cd污染土壤的候选植物.

热带滨海植物； 重金属； Cd； 富集特征

2011年，根据罗锡文院士资料显示，我国受重金属污染威胁的耕地面积约2 000万hm2[1]，2014年由环保部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》资料显示全国Cd污染面积增大，其超标率达7%[2].重金属Cd污染土壤已经对我国粮食生产、食品安全、人畜健康构成巨大的威胁， Cd是毒性最强的重金属元素，毒性持久，谢惠玲等[3]研究表明，紫苏在Cd胁迫下，表现出叶、茎黄花、叶片脱落，株高、叶长、叶宽、茎粗、根长等减少；李佳枚等[4]研究表明，过高的Cd使互米花草生长停滞，甚至出现枯死.Cd迁移能力强，易通过食物链的富集作用危害人类的健康，有致癌、致病、致突变的作用，能诱发关节炎、肾衰变等病[5-7].如何有效清除土壤中的Cd，修复Cd污染已经成为迫切需要解决的难题.1983年Channy[8]首次提出利用超富集植物修复土壤重金属污染，植物修复具有成本低，不破坏土壤生态环境、无二次污染等优点[9]，经过30多年的发展，植物修复重金属污染土壤已经成为环境科学的研究热点[5]，获得一批Cd的超富集植物.目前Cd超富集植物，主要有遏蓝菜(Thlaspicaerulescens)[10-11]、印度芥菜(Brassicajuncea)[12]、宝山堇菜(Violabaoshanensis)[13]、忍冬(LonicerajaponicaThunb)[14]、龙须眼子菜(Potamogetonpectinatus)[15]、龙葵(SolanumnigrumL)[16-17]、商陆(Phytolaccoacinosa)[18]等，数量相对较少.因此，开展Cd超富集植物的筛选评价具有非常重要的意义.

滨海草本植物是利用植物修复土壤较理想的资源[19]，热带滨海分布着大量的植物资源，这些植物资源经过长期的自然选择其抗逆性较强，具有耐高温、耐旱、耐盐等特性.本研究以11种热带滨海植物为材料，通过高浓度的重金属Cd处理40天，测量其形态指标、Cd含量等，初步评价11种热带滨海植物对Cd的富集能力，期望从中筛选Cd超富集植物资源，以用于Cd污染土壤的修复.

1 材料与方法

1.1 筛选材料

1.1.1 植物材料 11种热带滨海植物材料即海雀稗、白子菜、白凤菜、狗牙根、有芒鸭嘴草、细穗草、蒺藜草、海马齿、盐地鼠尾粟、毛异花草、马齿苋(表1).

1.1.2 栽培基质 沙∶土∶有机质=1∶1∶1，每盆基质量为2 kg.

1.1.3 化学试剂 200 mmol·L-1CdCl2·2.5H2O水溶液.

表1 11种供试植物名录

1.2 方 法

1.2.1 育 苗 本研究所使用的11种滨海植物材料中白子菜、白凤菜、海马齿、盐地鼠尾粟、海雀稗、马齿苋、狗牙根、细穗草、有芒鸭嘴草以扦插繁殖幼苗.毛异花草、蒺藜草不能进行扦插繁育，只能以分蘖幼苗为材料，选取大小一致的分蘖幼苗种植于实验盆中，每盆基质量为2kg，每盆种植8～10株，每隔2天浇一次淡水，15天后分蘖苗长出新根和新叶片，可用于Cd处理.

1.2.2 材 料Cd处理 本研究所使用的11中植物材料分别设置1个对照，3个重复.对照每隔4天浇一次1/4Hoagland营养液，每次500mL；处理每隔4天浇一次1/4 200mmol·L-1CdCl2·2.5H2OHoagland营养液，每次500mL，处理40天后测量实验材料根长、株高、干重；测定实验材料地下部、地上部Cd含量.

1.2.3Cd含量测定 将Cd处理的11种材料从实验盆中取出，用自来反复水冲洗，再用去离子水冲洗干净，清除表面水分，于105 ℃下杀青20min，然后在80 ℃下烘干至恒重，称取样品0.5g，置于100mL聚四氟乙烯材料的微波消解罐中，加入4mL硝酸(北化65%BV-Ⅲ微电子级)和2mL双氧水(北化30%BV-Ⅲ微电子级)，盖好密封，按照预设的微波消解条件进行消化处理，将消解后的溶液移至石英试管中，在天平上定重至20g，摇匀待测，利用美国生产的安捷伦ICP-MS7500ce电感耦合等离子体质谱仪测定Cd含量.

富集系数=植物体内某元素的含量/该元素在土壤中的含量[20].

实验数据用MicrosoftExcel和SigmaPlot12.5进行统计分析.

2 结果与分析

2.1Cd胁迫对11种热带滨海植物材料生长发育的影响

2.1.1 重金属Cd对植物根发育的影响 11种热带滨海植物在重金属Cd胁迫下，根发育受到抑制，根长普遍下降(表2)，根长下降情况依次为盐地鼠尾粟>海雀稗>有芒鸭嘴草>毛异花草>海马齿>白子菜>白凤菜>蒺藜草>细穗草>狗牙根>马齿苋，其中只有盐地鼠尾粟根长有所增加，增加了约1.3%，根长下降最明显的是狗牙根和马齿苋，都超过了30%.海雀稗、白凤菜、有芒鸭嘴草、毛异花草、白子菜、海马齿镉、盐地鼠尾粟胁迫下其根长无显著下降.

11种植物根干重都下降(表2)，下降情况依次为海雀稗>马齿苋>有芒鸭嘴草>盐地鼠尾粟>海马齿>白凤菜>狗牙根>毛异花草>白子菜>蒺藜草>细穗草，其中海雀稗下降最少，约为1.5%，毛异花草、白子菜、蒺藜草、细穗草下降很明显，都超过了30%.海雀稗、白凤菜、有芒鸭嘴草、海马齿、盐地鼠尾粟、马齿苋根干物质的积累未显著下降.

综合根长和根重可以看出，重金属Cd胁迫对11种热带滨海植物的根发育都有抑制作用，其中对海雀稗抑制最小，根长下降1.3%，根干重下降1.5%.

表2 镉胁迫对植物地下部生长发育的影响

2.1.2 重金属Cd对植物地上部分发育的影响 重金属Cd胁迫下11种滨海植物地上部发育也发生了不同变化(表3)，海雀稗株高增加较明显，达到了10.5%，盐地鼠尾粟增加1.1%，其余9种植物株高下降，白子菜和狗牙根株高下降超过30%.海雀稗、白凤菜、细穗草、盐地鼠、马齿苋在镉胁迫下株高未显著下降.11中滨海植物的地上部分干重都出现下降，依次为海雀稗>马齿苋>白凤菜>盐地鼠尾粟>有芒鸭嘴草>海马齿>白子菜>毛异花草>狗牙根>细穗草>蒺藜草，下降最少的为海雀稗，下降3.4%，下降最明显的是毛异花草、狗牙根、马齿苋、细穗草、蒺藜草，都超过了30%.综合地上部分干重和株高2项指标发现，在重金属Cd胁迫下，海雀稗地上部生长和发育受影响最小.

2.2 植物对土壤中Cd的分配和富集 从植物地上部分和地下部分的富集量、富集系数及地上部分转移系数等方面统计分析11种滨海植物对重金属Cd的富集状况(表4).海雀稗、狗牙根、细穗草、海马齿、马齿苋地下部重金属Cd富集量分别达1 144.64mg·kg-1、1 033.05mg·kg-1、476.94mg·kg-1、839.55mg·kg-1、237.63mg·kg-1，其地上部分转移系数均小于1，地下部分的富集量远大于地上部分，表明其根系富集能力强，蒺藜草、毛异花草地上部分与地下部分的富集量差异很小，其转移系数分别为1和0.86，茎叶和根系中富集系数都大于1；有芒鸭嘴草Cd富集量地上部分高于地下部分，但其茎叶富集系数小于1，白凤菜、白子菜地上部分富集量分别为709.45mg·kg-1、273.99mg·kg-1，其含量远高于地下部分，转移系数大于1，可见其对Cd有较强的富集能力；盐地鼠尾粟地下部分与地上部分Cd含量都极低，其对重金属的胁迫具有很高的抗性.

表3 镉胁迫对植物地上部生长发育的影响

表4 筛选试验中植物体对重金属的富集情况

3 结论与讨论

3.1 讨 论

3.1.1 植物的生长发育与镉耐性 重金属对植物的影响直接表现是生长受到抑制.当重金属超过一定限度，会导致植株干重下降[21]，土壤Pb含量超过300mg·kg-1时，白菜减产30%[22]；水稻和小麦在低浓度的Pb浇灌下，表现出叶片变黄，生长缓慢，以至枯死[23].大豆在3mmol·L-1Cd浇灌6天，其生物量就下降50%[24]，大豆幼苗在Cd浓度为50mg·L-1时，根体积，侧根数目，根系长度受到明显的抑制[25]；这些与本实验得出的结论相吻合，实验发现植物株高、根长、生物量都有不同程度的下降，但不同植物对Cd的忍耐限度不同，海雀稗、白凤菜、海马齿、有芒鸭嘴草、盐地鼠尾粟在株高、根长方面变化不明显；海雀稗、白凤菜、有芒鸭嘴草、海马齿、盐地鼠尾粟地上部和地下部生物量无明显下降，较对照减少量小于15%.可能的原因有：1、重金属Cd刺激植物的生长，该浓度下盐地鼠尾粟Cd刺激了盐地鼠尾粟某些酶的活性，对植物的生长产生促进作用[26-27].2、植物体内的保护酶系统清除了因Cd诱导产生的对活性自由基，减少Cd进入植物组织，使Cd对植物组织的伤害较少.有研究表明Cd可诱导植物组织产生对植物膜有伤害作用的活性氧自由基，但植物通过自身的保护酶系统清除活性氧自由基的伤害作用[28-20].这种现象还需要进一步的研究.

3.1.2 植物对镉的富集能力与镉耐性 我们发现海雀稗、狗牙根、细穗草、海马齿、马齿苋地下部分Cd含量远大于地上部分，特别是海雀稗其地下部分是地上部分的近32倍，其原因可能是这些植物的根系活动，改变根际环境的pH和Eh值，使得金属在根部积累、沉淀、钝化、固定，降低了Cd在植物体内的迁移性，将其固定在根部[31].有研究表明，Pb可与植物分泌的磷酸盐结合形成难溶性的磷酸铅盐固定在根部[32].白凤菜、有芒鸭嘴草、白子菜地上部分含量大于地下部分，蒺藜草、毛异花草地上部分与地下部分差异较小，说明这些植物存在与普通植物不同的转移重金属的机理，我们分析形成这样的结果，其原因可能是：1、Cd诱导这些植物在根细胞膜或根木质部细胞上产生了转移性的运输蛋白或通道控制蛋白，促使植物将Cd从土壤进入根部，并运输到地上部分.2、由于重金属离子不能通过内皮层凯式带，进入木质部导管只能通过共质体途径，根中的重金属通过运输体或通道蛋白进入液泡，而在这些植物液泡膜上可能存在特殊的运输体，可以把重金属装载到木质部导管，进而运输到地上部分[33].

综上，通过研究重金属对植物生长影响和分析植物对Cd的富集情况，发现镉胁迫对海雀稗、白凤菜、海马齿、盐地鼠尾粟、有芒鸭嘴草生物量的积累和植株的生长影响较小，对镉胁迫有一定的耐性.海雀稗、海马齿、有芒鸭嘴草、白凤菜为多年生植物，具匍匐茎，生长迅速，有极强的繁殖能力，肥水条件的改善能使其生物量迅速提高，能弥补其它植物的不足之处.海马齿、海雀稗地下部分对镉具有极强的富集能力，可以考虑用于重金属Cd的固定，减少土壤中Cd的淋溶及污染土壤的流失，控制Cd污染的扩散；盐地鼠尾粟Cd富集量较低，是一种拒Cd植物；白凤菜，有芒鸭嘴草地上部分富集量高于地下部分，其富集系数大于1，具备超富集植物应具有的特征[34-36]，1、临界含量特征：地上部分富集含量大于Cd的临界含量(100mg·kg-1)，2、转移特征：Cd含量地上部分大于地下部分.3、耐性特征：处理组与对照组相比，形态特征与生物量都没有明显变化，初步断定是一种Cd超富集植物.在利用海雀稗、海马齿、白凤菜、有芒鸭嘴草用于镉污染土壤修复时，可在植物地上部分生物最大时，即开花至成熟期间，将植物地上部分移走，留茬发芽进行连续提取，通过这种方式，可以从土壤中带走大量的镉，具有成本低廉、无二次污染，保持水土，美化环境等优点.

3.2 结 论 盆栽筛选试验结果表明，11中滨海植物中，海雀稗、海马齿根系镉富集能力最强，是固定镉迁移扩散的理想植物；白凤菜、有芒鸭嘴草具备超富集植物应具有的富集特征、耐性特征、转移特征，初步推断是镉的超富集植物.

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Preliminary Evaluation on Cd Enrichment Ability of Eleven Species of Tropical Coastal Plants

WuChaobo1,DuanRuijun2,WangLei1,GuoJianchun2,FuShaoping2,LiuJiao2,LiRuimei2,HuXinwen1

(1.CollegeofAgriculture,HainanUniversity,Haikou570228,China;2.InstituteofTropicalBioscienceandBiotechnology,ChinaAcademyofTropicalAgriculturalScience,Haikou571101,China).

Inthereport,thepotexperimentwasperformedtoevaluatetheheavymetalCdenrichmentabilitiesofelevenspeciesoftropicalcoastalplants.TheresultsindicatedthatGynura formosanaKitam, Ischaemum aristatumL., Portulaca oleraceaL.andPaspalum vaginatum Sw pilosahavestrongtolerancetoCdpollution,afterbeingtreatmentwithcadmium,theirrootgrowth,plantheightandbiomassdidnotdecreasesignificantly(p <0.05) ;therootsofP.oleraceaL.andP. vaginatum Sw pilosahavestrongenrichmentcapacitiesforCd,andthecontentswere839.55mg·kg-1and1144.64mg·kg-1,respectively；theabovegroundpartsandrootsofG. formosanaKitamandI. aristatumL.havestrongenrichmentcapacityforCd,theCdconcentrationintheabovegroundpartswerehigherthanthatinroots,theCdcontentsintheabovegroundpartswerereached709.45mg·kg-1,164.20mg·kg-1,respectively,whichareabovetheCdcriticalcontentofhyperaccumulators(100mg·kg-1).TheresultssuggestedthatG. formosanaKitam, I. aristatumL., P. oleraceaL.andP. vaginatum Sw pilosahavestrongCdenrichmentability,andwhichcanbeusedasthecandidatesforrepairingCdcontaminatedsoil.

coastalplants;heavymetals;Cd;accumulationcharacteristics

2015-04-29

中央公益性科研院所基本科研业务专项基金项目(No.ITBB2015ZD03)；海南省重大科技专项项目(No.ZDZX2013023-1)；中共公益性科研院所(院本级)基本科研业务专项基金项目“热带农业微生物与生物质能源研究——热带海洋生物资源研究(No.1630052015038)”

吴朝波(1988-)，男，四川会东人，海南大学农学院2013级硕士研究生，E-mail：wuchao_bo@126.com

段瑞军(1978-)，男，云南曲靖人，副研究员，研究方向：热带滨海植物资源开发与利用，E-mial：lshjz6@163.com

1004-1729(2015)03-0234-07

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A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2015.0043