GLDA对狼尾草镉吸收、富集及转运能力的影响

国伟强 杜雪 彭玉兰 赵春莉 曲同宝

GLDA對狼尾草镉吸收、富集及转运能力的影响

国伟强，杜 雪，彭玉兰，赵春莉，曲同宝*

（吉林农业大学园艺学院，长春 130118）

摘要：【目的】探究可降解螯合剂谷氨酸二乙酸四钠（GLDA）以不同浓度施加时，对狼尾草镉（Cd）吸收、富集及转运的影响，为充分利用螯合剂与植物联合修复Cd污染的土壤提供科学依据。【方法】以狼尾草为试验材料，采用盆栽试验法，分析不同浓度GLDA[0（对照）、1、2、3、4和5 mmol/kg]处理下狼尾草生长特性、生理指标及狼尾草各部位对Cd的富集量，并进行GLDA浓度与狼尾草理化性质的相关性分析。【结果】与对照相比，随着GLDA浓度的增加，狼尾草株高、根长和总生物量均呈先升高后降低的变化趋势，在GLDA浓度为2 mmol/kg时分别增加8.23%、4.41%和7.75%;狼尾草叶绿素a含量、总叶绿素含量和叶绿素a/b也呈先升高后降低的变化趋势，在GLDA浓度为2 mmol/kg时达最大值，分别为对照的1.16、1.09和1.19倍。在GLDA处理下狼尾草富集系数（BCF）与对照相比明显升高且表现为根>叶>茎;在GLDA浓度为2 mmol/kg时，狼尾草转运系数（TF）高于1.00，植物修复系数（PRF）达最大值，为1.93。相关分析表明，螯合剂GLDA处理浓度与狼尾草株高、叶绿素含量、地上部生物量及地下部生物量呈极显著负相关（P<0.01，下同），而与地下部Cd含量呈极显著正相关。【结论】低浓度GLDA可通过促进狼尾草叶绿素的生成提高光合效率，促进其生长，提高其富集及转运能力，高浓度则抑制狼尾草生长。GLDA对狼尾草修复Cd污染的最适浓度为2 mmol/kg，可显著提升狼尾草修复Cd污染的效率。

关键词： 生物降解螯合剂GLDA;狼尾草;镉;富集;转运;植物修复系数

中图分类号：S688.4                              文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2021）11-2969-08

Effects of GLDA on cadmium absorption， accumulation and translocation ability of Pennisetum alopecuroides

GUO Wei-qiang， DU Xue， PENG Yu-lan， ZHAO Chun-li， QU Tong-bao*

（College of Horticulture，Jilin Agricultural University， Changchun  130118， China）

Abstract：【Objective】The experimental objective was to explore the effects of the degradable chelating agent GLDA on the absorption，enrichment and transport of Pennisetum alopecuroides cadmium（Cd） when applied at different concentrations，aiming to provide a scientific basis for the full use of chelating agents and plants to repair Cd-contaminated soil.【Method】P. alopecuroides was used as experimental material， and pot experiment was conducted to study the effects of different molar mass concentrations of GLDA[0（control），1，2，3，4，5 mmol/kg] on the growth index，physiological index，the concentration of Cd in each part of P. alopecuroides. The correlation between GLDA concentration and the physicochemical properties of P. alopecuroides was analyzed. 【Result】The results showed that compared with the control，the plant height，root length and total biomass of P. alopecuroides increased first and then decreased with the increase of GLDA molar mass concentration， the plant height increased 8.23%， the root length increased 4.41% and the total biomass increased 7.75% with GLDA 2 mmol/kg. The chlorophyll a，total chlorophyll and chlorophyll a/b of P. alopecuroides increased firstly and then decreased，and reached the maximum value with GLDA 2 mmol/kg， which were 1.16，1.09 and 1.19 times of those of the control treatment. Compared with the control， the bioconcentration factors（BCF） of P. alopecuroides under GLDA treatment increased and showed the order of root>leaf>stem. When the molar concentration of GLDA was 2 mmol/kg，translocation factor（TF）>1.00，the maximum value of PRF was 1.93. Correlation analysis showed that the concentration of GLDA was significantly negatively correlated with plant height，chlorophyll，aboveground biomass and underground biomass of P. alopecuroides（P<0.01， the same below），but positively correlated with underground Cd content. 【Conclusion】Comprehensive analysis showed that low concentration of GLDA can improve photosynthetic efficiency，promote the growth of P. alopecuroides and increase its enrichment and transport capacity by promoting the production of chlorophyll，while high concentration can inhibit the growth of P. alopecuroides. The optimum molar mass concentration of GLDA for P. alopecuroides to remediate cadmium pollution is 2 mmol/kg，which can significantly improve the remediation efficiency of cadmium pollution.

Key words：biodegradable chelator GLDA; Pennisetum alopecuroides; cadmium; accumulation; translocation; phytoremediation factor

Foundation item： National Natural Science Foundation of China（42077443）; Jilin  Science and Technology Deve-lopment Plan Project（20190303078SF）

0 引言

【研究意义】大气沉降、采矿冶炼及污水灌溉等因素导致重金属镉（Cd）污染日益严重（串丽敏等，2014;He et al.，2015;陈雅丽等，2019），调查结果显示每年进入农田的Cd总量高达1417 t，其中仅有13%可通过各种途径被输出，其余大部分仍滞留在农田中（陈能场等，2017）。Cd已成为我国农田最主要的污染物，不仅影响作物产量和安全，还会通过食物链的积累威胁人类生命健康（张运红等，2018;蒋欣梅等，2020）。应用植物修复重金属污染的土壤是一种行之有效的方法，可通过植物提取、固定和降解等方式减少土壤中的有毒有害物质（Mahar et al.，2016），但植物修复技术存在修复周期长、植物生物量小等局限性（Wang et al.，2019;Li et al.，2020）。因此选择生物量大、生长迅速和重金属富集能力较强的耐性植物是新的研究方向，可通过改善其重金属富集能力，从而提高修复效率。【前人研究进展】许多学者利用螯合剂与植物联合修复重金属污染的场地，取得了突破性进展。螯合剂可与重金属结合形成可溶性络合物促进土壤中植物的吸收，目前应用较多的螯合剂主要包括乙二胺四乙酸（EDTA）、柠檬酸（CA）、乙二胺二琥珀酸（EDDS）、二乙基三乙酸（NTA）和乙二醇双四乙酸（EGTA）等（丁竹红等，2009;郑黎明等，2017）。张熹等（2014）研究表明添加EDTA可显著提高黑麦草对Cd的吸收;韩廿等（2019）应用油葵修复Cd、砷（As）复合污染土壤，结果发现施用NTA、EGTA、EDDS和EDTA均可提高油葵对重金属污染土壤的修复效率;王天顺等（2020）研究发现在土壤中添加EDDS、NTA和EGTA 3种螯合剂均可促进钻叶紫菀对Cd、铅（Pb）、锌（Zn）和铜（Cu）的富集与转运。但传统螯合剂在植物修复中存在着生物降解性差、损害土壤特性、抑制植物生长和人工合成成本高等问题，难以推广使用（Wang et al.，2019）。谷氨酸二乙酸四钠（GLDA）是一种新型绿色可降解生物螯合剂，具有易降解、污染低、适用pH范围广等优点而成为研究热点（贺玉龙等，2020）。卫泽斌等（2015）研究表明，施用GLDA后东南景天对土壤Cd和Zn的提取效率显著提升;吴青等（2015）研究发现GLDA萃取去除Cd、镍（Ni）、Cu的效果与EDTA相同且对土壤毒害更小;覃建军等（2020）研究表明，多次低剂量施加GLDA可显著增加象草地上部生物量和Cd含量。【本研究切入点】禾本科植物适应性强，根茎发达，地下须根相互延伸交错，有利于吸收土壤中的重金属（赵雅曼等，2019），与螯合剂联合修复重金属污染具有较高的研究价值。狼尾草（Pennisetum alopecuroides）是一种生长迅速、生物量大、根系发达的多年生草本，对重金属Cd具有较好的耐性和较强的富集能力，在修复高浓度Cd污染土壤方面具有极大的应用潜力（王瑜等，2015;乔云蕾，2016;郑瑞伦等，2021）。目前探究GLDA浓度对大生物量植物生长和修复效率影响的研究较少，在狼尾草与GLDA联合修复重金属污染方面尚未见相关报道。【拟解决的关键问题】以狼尾草为试验材料，通过温室内盆栽试验探究可降解螯合剂GLDA以不同浓度施加时，对狼尾草生长特性、生物量、生理指标和Cd富集量等理化性质的影响，以期为充分利用螯合剂与植物联合修复Cd污染土壤及提高植物修复效率提供科学依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

狼尾草种子购自长春市美锦园林公司，千粒重为4.19 g;GLDA购自山东远联化工股份有限公司;氯化镉（CdCl2·2.5H2O）为优纯级。土壤采自吉林农业大学园艺学院苗圃（0～20 cm），土壤有机质含量56.39 g/kg，全氮含量4.5 g/kg，碱解氮含量151 mg/kg，速效磷含量13.78 mg/kg，速效钾含量204 mg/kg，pH 6.74，土壤Cd2+背景值为0.021 mg/kg，自然风干后过20目孔径筛备用。

1. 2 试验方法

选取20 cm×18 cm营养钵作试验盆钵，称取供试土壤2 kg置于营养钵中（盆下垫塑料托盘以防止添加物渗漏），随后添加CdCl2·2.5H2O，使供试土壤中Cd浓度达20 mg/kg。尿素和磷酸二氢钾分别以100和80 mg/kg作为基础肥料施入土壤，加水充分混匀，在室温自然光下陈化7 d。

选取籽粒饱满的狼尾草种子播种于育苗穴盘中，10 d后将长出3～4片子叶且长势一致的狼尾草幼苗移栽至试验钵中，每钵5株，统一正常田间管理。40 d后，为保证添加的均匀性，将GLDA溶于超纯水中再均匀浇灌于土壤表面。GLDA浓度设为0（对照，CK）、1、2、3、4和5 mmol/kg，每个梯度设3组平行试验。通过称量控制每盆加水量，使土壤水分保持在70%，每盆播种、浇水和收割均同步进行，15 d后收获植株并采集根际土壤进行指标分析。

1. 3 样品采集与测定

狼尾草叶绿素含量采用乙醇—丙酮混合液浸泡法测定（王思予等，2017a）。将测定完叶片叶绿素含量的植株收获，根系与地上部（茎、叶）分离，经超纯水反复冲洗后用滤纸吸干，测量其株高和根长。在105 ℃烘箱中杀青30 min后，于70 ℃烘干至恒重，测定其样品地上部与地下部生物量干重。测定生物量后将狼尾草根、茎、叶研磨成粉末过筛备测。采集的根际土壤经自然风干后，去除杂物并研磨，過筛备测。植物样品用HNO3-HClO4（体积比4∶1）消解;土壤样品用HCl-HNO3-HF（体积比6∶3∶1）消解，待测液采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-MS）测定。

1. 4 相关系数计算

利用耐性系数（Tolerance index，TI）表示植物对重金属的耐受性（关海燕，2019），利用富集系数（Bioconcentration factors，BCF）和转运系数（Translocation factor，TF）分别表示重金属在植物体内的积累和转移（王瑞琛，2020），用植物修复系数（Phytoremediation factor，PRF）评价各处理的修复效果（Li et al.，2020）。系数公式计算如下：

TI=处理组RW或SW/对照组RW或SW

BCF=Cp/Cs

TF=Ca/Cr

PRF=（Ca×Ma）/（C′a×M′a）

式中：RW为地上部生物量（g），SW为地下部生物量（g）;Cp为根、茎、叶各部分重金属含量（mg/kg），Cs为土壤重金属含量（mg/kg）;Ca为植物地上部重金属含量（mg/kg），Cr为植物根部重金属含量（mg/kg）;Ca和C′a分别为处理组和对照组植物地上部重金属含量（mg/kg），Ma和M′a分别为处理组和对照组植物地上部生物量（g）。

1. 5 统计分析

采用Excel 2010和SPSS 19.0对试验数据进行统计分析，以Origin 2018制图。

2 结果与分析

2. 1 GLDA处理对狼尾草生长指标的影响

如表1所示，GLDA浓度为1～5 mmol/kg时，狼尾草株高和根长均呈先升高后降低的变化趋势。在GLDA浓度为2 mmol/kg时均达最大值（70.60和16.57 cm），较对照分别增加8.23%和4.41%;在GLDA浓度为5 mmol/kg时降至最低值（52.68和14.34 cm），分别较对照降低19.24%和9.64%。方差分析结果表明，各处理间根长差异不显著（P>0.05，下同），株高差异显著（P<0.05，下同）。

狼尾草总生物量随GLDA浓度的增加呈先升高后下降的变化趋势，在浓度为2 mmol/kg时达最大值（4.59 g），较对照增加7.75%，浓度为5 mmol/kg时降至最低值（3.35 g）。其中，地上部生物量为2.51～3.61 g，随GLDA浓度增加呈先升高后降低的变化变化;地下部生物量为0.84～0.98 g，随GLDA浓度增加总体呈降低趋势。在GLDA浓度为2 mmol/kg时地上和地下部生物量均达最大值，分别较对照提高9.39%和2.08%;当GLDA浓度为5 mmol/kg时地上和地下部生物量均降至最低值，分别较对照显著降低23.94%和12.50%（表1）。

耐性系数可反映出狼尾草对Cd胁迫的耐受性，耐性系数越高，表明狼尾草生长越优良。从图1可看出，在GLDA处理下狼尾草地上部耐性系数在0.76～1.07，地下部耐性系数在0.87～1.01;在低浓度GLDA（≤2 mmol/kg）处理下，地上部耐性系数明显高于地下部，且地上部耐性系数大于1.00，在GLDA浓度为5 mmol/kg时地上部和地下部耐性系数均显著低于对照。

2. 2 GLDA处理对狼尾草叶绿素含量的影响

从表2可看出，随着GLDA浓度的增加，狼尾草叶绿素a含量、总叶绿素含量和叶绿素a/b均呈先升后降的变化趋势，均在GLDA浓度为2 mmol/kg时达最大值（1.08 mg/g、1.42 mg/g和3.29），分别为对照的1.16、1.09和1.19倍，均在GLDA浓度为5 mmol/kg时降至最低值（0.82 mg/g、1.24 mg/g和和2.10），分别较对照显著降低11.83%、4.62%和24.19%。GLDA处理下狼尾草的叶绿素b和类胡萝卜素含量与对照间差异不显著，其中叶绿素b含量随GLDA浓度的增加呈先降后升的变化趋势，在浓度为2 mmol/kg时降至最低值（0.34 mg/g），类胡萝卜素含量则先升高后降低，在GLDA浓度为2 mmol/kg时达最大值（0.27 mg/g）。

2. 3 GLDA处理对狼尾草各部分富集Cd的影响

从图2可看出，对照的狼尾草根、茎、叶中Cd含量表现为根（61.06 mg/kg）>叶（28.56 mg/kg）>茎（14.40 mg/kg）的分布特征。狼尾草根部Cd含量随着GLDA浓度的增加呈先升高后略有降低的变化趋势，GLDA浓度为1～5 mmol/kg时狼尾草根部Cd含量较对照分别显著增加5.76%、10.96%、13.56%、15.25%和11.01%，GLDA浓度为4 mmol/kg时达最大值（70.37 mg/kg）;狼尾草茎的Cd含量随着GLDA浓度增加呈先升高后降低的變化趋势，在2 mmol/kg时达最大值（22.82 mg/kg），较对照增加58.47%，GLDA浓度达3 mmol/kg时逐渐降低，但3～5 mmol/kg GLDA处理茎中Cd含量分别较对照增加52.29%、45.21%和15.90%;狼尾草叶片Cd含量随GLDA浓度增加也表现为先升后降的变化趋势，在2 mmol/kg时达最大值（52.99 mg/kg），较对照显著增加85.54%，GLDA浓度为3～5 mmol/kg时叶片Cd含量逐渐降低，较浓度2 mmol/kg时分别降低19.25%、23.93%和32.19%，但较对照分别显著升高49.82%、41.14%和25.81%。

2. 4 GLDA处理对狼尾草富集系数、转运系数和植物修复系数的影响

由图3可知，对照的狼尾草根富集系数为3.21，当GLDA浓度为1～5 mmol/kg时根富集系数逐渐增大，较对照显著增加4.67%～13.08%;狼尾草茎和叶富集系数在对照下分别为0.76和1.50，当GLDA浓度为2 mmol/kg时达最大值（1.18和2.74），分别较对照显著增加55.26%和82.67%，随着GLDA浓度的继续增加（3～5 mmol/kg），狼尾草茎和叶的富集系数逐渐降低，但均高于对照，茎富集系数分别为对照的1.50、1.39和1.18倍，叶富集系数分别为对照的1.48、1.37和1.29倍。

从图4可看出，狼尾草转运系数随着GLDA浓度的增加呈先升高后降低的变化趋势，在GLDA浓度为2 mmol/kg时达最大值（1.12），较对照显著增加60.00%，其余处理狼尾草转运系数均小于1.00。狼尾草植物修复系数也呈先升高后降低的变化趋势，在GLDA浓度为2 mmol/kg时达最大值（1.93）。除5 mmol/kg GLDA处理外，其余处理的植物修复系数均大于1.00，分别较对照增加47.00%、93.00%、34.00%和13.00%。

2. 5 相关分析结果

对螯合剂GLDA在不同浓度条件下与狼尾草各生长指标及Cd富集含量的相关性进行分析，结果（表3）表明，GLDA处理浓度与狼尾草株高、叶绿素含量、地上部生物量及地下部生物量呈极显著负相关（P<0.01，下同），而与地下部Cd含量呈极显著正相关;叶绿素含量与株高、地上部生物量及地下部生物量呈极显著正相关;GLDA不同浓度处理相关性最高的是株高，相关系数为-0.807。

3 讨论

植物的株高和根长是衡量植物对重金属抗性的重要指标，也是对重金属耐性最直观的体现（贺玉龙等，2020;Malik et al.，2021）。添加螯合剂会影响植株的生长，Yang等（2020）研究表明施入螯合剂后显著降低玉米的生长指标，而在邱亚群等（2021）对蜈蚣草修复As污染土壤添加GLDA的研究中，低浓度GLDA可促进蜈蚣草的株高生长和生物量积累。本研究结果表明，狼尾草株高和根长随GLDA浓度的变化表现为低促高抑，与贺玉龙等（2020）添加GLDA低浓度（2.5 mmol/kg）促进三叶草生长而高浓度对植物有毒害作用的研究结果基本一致。高浓度GLDA处理下，狼尾草株高显著降低，表明GLDA对株高的抑制效果大于根长。

植物生物量是反映植物在重金属胁迫下修复能力的重要指标（Malik et al.，2021）。本研究结果表明，与对照相比，狼尾草地上部生物量和植株总生物量随着GLDA浓度的增加而先升后降，地下部生物量总体表现为逐渐下降，在GLDA浓度为5 mmol/kg时狼尾草出现植株萎蔫，叶片发黄现象。综上可见，低浓度GLDA能促进狼尾草生物量积累，而浓度过高会毒害植物，降低生物量积累。耐性系数表明，当施加GLDA浓度较低时（≤2 mmol/kg），狼尾草对Cd耐性较高，生长更为优良，与卫泽斌等（2015）在土壤中添加10 mmol/kg GLDA时抑制东南景天生长的研究结果类似，螯合剂浓度过高会影响植物营养吸收（Hseu et al.，2013），因此應选择适宜浓度的GLDA添加到土壤中。

叶绿素和类胡萝卜素是植物进行光合作用的重要参数，可反映植物光合能力强弱及受伤害程度（夏涓文等，2019;杨建伟等，2020）。本研究结果表明，狼尾草叶绿素a和总叶绿素含量随着GLDA浓度的增加先升高后降低，与地上部生物量变化相同，说明低浓度GLDA可促进狼尾草的光合作用，而高浓度GLDA对狼尾草造成毒害，使叶绿素a合成受阻从而抑制光合效率（Han et al.，2018），降低狼尾草生物量，与王思予等（2017a）的研究结果一致。叶绿素b和类胡萝卜素含量虽有变化，但与对照相比差异不显著，与王思予等（2017b）对黑麦草的研究有所差异，可能是由于植物种类不同，在重金属Cd胁迫下狼尾草叶绿素a起主导作用。本研究中，低浓度GLDA可通过促进叶绿素a的生成来强化狼尾草对重金属Cd的耐性，对维持狼尾草正常的生理状态方面发挥着积极作用。

添加螯合剂可活化土壤中的重金属，增加其有效态含量，更有利于植物吸收土壤中的重金属（Manoj et al.，2020）。在本研究中，GLDA处理下狼尾草根、茎、叶中Cd含量与对照相比均明显增加，说明添加GLDA可有效提升狼尾草植株内的Cd含量。但随着GLDA浓度的持续增加，狼尾草叶片中Cd含量先升高后降低，与地上部生物量趋势一致，与周宽等（2021）对葎草修复Cd污染土壤添加GLDA研究得到的结果相同，原因可能是GLDA浓度过高会影响植物地上部生物量，从而导致叶片中Cd含量降低。狼尾草中Cd元素的迁移能力用富集系数和转运系数表示，值越大，植物对重金属从土壤到根、从土壤到地上部以及从根到地上部迁移能力越强（Wang et al.，2019）。在本研究中，GLDA的添加显著增加了根、茎、叶的富集系数，且表现为根>叶>茎，表明土壤中的Cd更多地积累在狼尾草根部，与王瑜等（2015）在不同浓度Cd胁迫下4种狼尾草材料的Cd2+主要富集在根部的研究结果一致。其原因可能是由于狼尾草根部分泌的低分子量有机酸与Cd结合，促进了狼尾草根部对Cd的吸收（韦朝阳和陈同斌，2001）。对照的转运系数较低，随着添加GLDA浓度的增加而先升高后降低，且在GLDA浓度为2 mmol/kg时，转运系数大于1.00，表明GLDA可增强狼尾草的Cd转运能力，与Wei等（2012）应用螯合剂提高万寿菊转运系数的研究结果基本一致，GLDA在增强植物提取方面具有巨大潜力。

狼尾草与其他修复植物的不同之处在于其生长迅速，生物量大，可通过多次收割地上部去除土壤中的重金属。因此，在评价添加GLDA处理下狼尾草修复效果时，应综合考虑狼尾草的生物量和重金属含量，计算其植物修复系数（Li et al.，2020）。在本研究中，狼尾草的植物修复系数在GLDA浓度为2 mmol/kg时最大，之后随着GLDA浓度的继续增加而开始下降。这是因为高浓度GLDA形成的螯合物过多对狼尾草根系有毒害作用，降低了狼尾草地上部生物量，从而影响其提取效率，进而影响其修复能力（Yang et al.，2020）。因此，在GLDA与植物修复相结合时，有必要考虑植物生长和重金属吸收之间的平衡来确定最佳的GLDA浓度。

4 结论

低浓度GLDA（≤2 mmol/kg）能显著促进狼尾草生长，高浓度则表现出毒害作用抑制狼尾草生长。GLDA浓度为2 mmol/kg时可通过促进叶绿素的生成提高光合效率，使狼尾草的生物量显著增加。施加GLDA可显著促进狼尾草对重金属Cd的富集含量，提高转运系数。GLDA对狼尾草修复Cd污染的最适浓度为2 mmol/kg，可显著提高狼尾草的修复效率。

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收稿日期：2021-02-23

基金項目：国家自然科学基金项目（42077443）;吉林省科技发展计划项目（20190303078SF）

通讯作者：曲同宝（1970-），https：//orcid.org/0000-0002-3777-120X，博士，副教授，主要从事园林植物应用研究工作，E-mail：qvtb @sina.com

第一作者：国伟强（1995-），https：//orcid.org/0000-0001-8575-4116，研究方向为园林植物应用，E-mail：guo067213@163.com