彭珊珊， 俞 茜， 羅 芳， 李 影

(安徽師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

重金屬進(jìn)入土壤系統(tǒng)中，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化、土壤質(zhì)量退化，并通過(guò)食物鏈最終進(jìn)入人體，對(duì)人類的健康造成嚴(yán)重的威脅。因此，土壤系統(tǒng)中重金屬污染和治理一直是國(guó)際上的難點(diǎn)和熱點(diǎn)之一[1-2]。利用超富集(積累)植物提取修復(fù)技術(shù)已引起普遍關(guān)注。但目前，推廣和應(yīng)用植物提取修復(fù)技術(shù)的主要障礙是超富集(積累)植物生長(zhǎng)緩慢，生物量小以及修復(fù)效率低等。通過(guò)運(yùn)用農(nóng)學(xué)、工程學(xué)、植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)、物理、化學(xué)、生物學(xué)等強(qiáng)化措施提高超富集(積累)植物的生物產(chǎn)量和積累重金屬的能力，以達(dá)到提高其修復(fù)效率，是植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用的重要的發(fā)展方向[3-5]?，F(xiàn)階段提高植物對(duì)重金屬富集效率的途徑和強(qiáng)化措施主要包括施肥、添加劑的施用、基因技術(shù)改良以及其它農(nóng)藝措施等，其中，施肥是提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的傳統(tǒng)農(nóng)藝措施，已成為植物修復(fù)過(guò)程中的必要手段而備受關(guān)注[3,6-8]。磷是植物必需營(yíng)養(yǎng)元素，磷酸鹽有效促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高植物磷營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；磷在植物的生理代謝過(guò)程中起著非常重要的作用，尤其在有機(jī)物的代謝和運(yùn)輸方面具有非常重要的調(diào)控作用；磷與離子元素的交互作用以及植物根系對(duì)元素的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、分布、積累等方面也密切相關(guān)[7,9]。有研究表明[7,9,10-12]，磷肥的施加不同程度影響了土壤中重金屬離子的有效性，進(jìn)而影響植物對(duì)重金屬的吸收和積累能力。陳同斌等[4]研究發(fā)現(xiàn)水培條件下磷對(duì)蜈蚣草砷吸收能力具有一定的促進(jìn)作用。迄今為止，有關(guān)磷和重金屬離子在植物體內(nèi)的交互作用機(jī)制還不是很清楚，雖然施肥可促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高植物生物量，但與此同時(shí)，由于“相對(duì)稀釋”效應(yīng)的影響，植物體內(nèi)重金屬含量也許會(huì)下降，從而導(dǎo)致地上部累積的重金屬未必一定增加，因此施肥是否能提高植物修復(fù)效率仍是一個(gè)有待研究的問(wèn)題。加強(qiáng)磷對(duì)超富集(積累)植物重金屬吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)作用的研究在提高超積累植物吸收和積累重金屬的能力具有重要的理論指導(dǎo)意義和實(shí)踐意義。

節(jié)節(jié)草(Hippochaeteramosissimum)隸屬于木賊科木賊屬，是多年生草本植物，葉片退化，分布廣泛，適應(yīng)性強(qiáng)。李影等[13-15]研究表明節(jié)節(jié)草可通過(guò)根部截留和細(xì)胞壁沉積，以及使體內(nèi)的Cu2+形成難溶性、活性低的化合物來(lái)降低過(guò)量的Cu對(duì)其的毒害。節(jié)節(jié)草對(duì)Cu具有較強(qiáng)的耐性和較高的積累能力，但是節(jié)節(jié)草對(duì)銅的富集特性主要表現(xiàn)為根部積累，地上部分積累量相對(duì)較低，使得實(shí)際修復(fù)效率較低。研究磷對(duì)節(jié)節(jié)草銅吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響有助于節(jié)節(jié)草實(shí)際修復(fù)應(yīng)用的開(kāi)展和研究。因此本文通過(guò)水培實(shí)驗(yàn)，研究了銅脅迫下，不同濃度的磷對(duì)節(jié)節(jié)草銅的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)情況的影響，探究磷與節(jié)節(jié)草銅富集特性的關(guān)系，以期為節(jié)節(jié)草修復(fù)效率的提高和實(shí)際應(yīng)用提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集及處理

于安徽銅陵獅子山銅尾礦庫(kù)隨機(jī)采集節(jié)節(jié)草幼苗。將采集的植物幼苗根部土壤清洗干凈，于正常土壤中預(yù)培養(yǎng)數(shù)周，待新苗長(zhǎng)出后，取長(zhǎng)勢(shì)一致的節(jié)節(jié)草幼苗，供溫室水培實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以Hoagland全營(yíng)養(yǎng)液配制NaH2PO4和CuSO4·5H2O(分析純)的溶液，使Cu脅迫濃度(以純Cu2+計(jì))為20mmol·L-1，磷濃度分別為0、0.5、2.0mmol·L-1，以不添加CuSO4·5H2O和NaH2PO4的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液為空白對(duì)照組(0-0/Cu-P)，共計(jì)六個(gè)處理，分別標(biāo)記為CK(0-0)，T1(0-0.5)、T2(0-2.0)、T3(20-0)、T4(20-0.5)、T5(20-2.0)。各處理組均設(shè)3個(gè)重復(fù)。取預(yù)培養(yǎng)長(zhǎng)勢(shì)一致(株高約10cm)的幼苗進(jìn)行處理培養(yǎng)，每盆種植5株，溫室中連續(xù)培養(yǎng)20d，四天進(jìn)行一次處理液更換。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，樣品收集，先后用自來(lái)水和蒸餾水反復(fù)沖洗，ETNA-Na浸泡清洗根部，再用去離子水仔細(xì)清洗干凈，吸干表面水分，待測(cè)。

1.3 分析測(cè)定

1.3.1 節(jié)節(jié)草生物量的測(cè)定 采用直接截取法，將節(jié)節(jié)草分成地上莖、地下莖和根三部分，烘干至恒重，分別稱取其干重。

1.3.2 節(jié)節(jié)草體內(nèi)磷含量的測(cè)定 分別稱取植物不同組織的樣品，通過(guò)H2SO4-H2O2分解提取植物體內(nèi)的磷，采用鉬銻抗比色法測(cè)定[16]。

1.3.3 節(jié)節(jié)草不同組織器官銅含量的測(cè)定 將節(jié)節(jié)草分成地上莖、地下莖和根，地下莖及根需用1mmol·L-1的EDTA-Na浸泡15min，108℃烘箱中殺青1h后，80℃下烘干6-8h至恒重，磨碎。分別稱取各樣1g，加入混酸5mL(濃HNO3:HClO4=5:1)，于低溫消化至灰白色，定容25mL，過(guò)濾，取濾液待測(cè)。采用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定Cu含量[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel2010軟件和SPSS16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行圖表制作、數(shù)據(jù)的分析和差異顯著性檢驗(yàn)。采用單因素方差分析和多重比較法(LSD)分別分析磷、銅單一和復(fù)合污染下的節(jié)節(jié)草的生長(zhǎng)、銅含量等指標(biāo)在不同

濃度組間的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)節(jié)節(jié)草各組織部位生物量的影響

由表1分析可知，不同處理組間，節(jié)節(jié)草各組織器官的干重均表現(xiàn)出明顯的差異性(p<0.05)。當(dāng)未施加磷時(shí)，20mmol·L-1的銅脅迫下，節(jié)節(jié)草地上部分、地下莖和根的干重均明顯低于其對(duì)照組(0-0)，表現(xiàn)出明顯的銅毒害作用。在銅脅迫和非銅脅迫下，相對(duì)于對(duì)照組(0-0)，磷的施加均不同程度地促進(jìn)了節(jié)節(jié)草地上部分、地下莖和根部干重的增加，尤其是低濃度(P≤0.5mmol·L-1)的施磷時(shí)(T1、T4處理)，其促進(jìn)作用較為突出(p<0.05)。

表1 不同水平處理對(duì)節(jié)節(jié)草各組織部位生物量的影響(mg·株-1(干重))

*:不同字母表示同一處理組不同濃度間存在顯著性差異

2.2 不同處理水平對(duì)節(jié)節(jié)草各組織器官銅含量的影響

AS：地上部分Aboveground stem，US：地下莖Underground stem，R：根Root圖1 不同處理水平下節(jié)節(jié)草各組織器官銅含量(mg·kg-1)Fig.1 The Cu concentrations in different organs ofH.ramosissimum under applications(mg·kg-1)

由圖1分析可得，相對(duì)于對(duì)照組，在不同濃度的磷、銅處理下，節(jié)節(jié)草地上部分、地下莖和根部銅含量均呈現(xiàn)明顯的差異性。在銅脅迫和非銅脅迫下(T1、T2、T4、T5處理組)，磷的施加不同程度地促進(jìn)了節(jié)節(jié)草對(duì)銅的吸收和積累，其中當(dāng)磷濃度低于0.5mmol·L-1(T1、T4)時(shí)，地上部和根部銅含量分別是對(duì)照組的3.38、1.49倍和1.57、1.19倍，表現(xiàn)出顯著的促進(jìn)積累作用，而此時(shí)(≤0.5mmol·L-1，T1、T4)地下莖銅含量明顯下降，僅為其對(duì)照的50%左右。當(dāng)磷的濃度高于2.0mmol·L-1(T2、T5)時(shí)，地上部和地下莖銅含量保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，根部銅含量有下降趨勢(shì)。說(shuō)明低濃度的磷(≤0.5mmol·L-1)可顯著提高節(jié)節(jié)草對(duì)銅的吸收和向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的能力，而高濃度的磷(≥2.0mmol·L-1)對(duì)節(jié)節(jié)草向地上轉(zhuǎn)運(yùn)銅的能力促進(jìn)作用不明顯。

由圖2分析可知，各處理組節(jié)節(jié)草對(duì)銅的富集主要以地下莖積累為主，S/R明顯小于1，說(shuō)明磷的施加并未改變節(jié)節(jié)草以地下部為主要銅積累的特性。但當(dāng)施磷水平較低時(shí)(≤0.5mmol·L-1，T1、T4)地上部銅積累能力顯著增強(qiáng)，S/R分別是其對(duì)照的5.16倍和2.69倍，但地下莖銅積累量明顯下降，顯示出部分銅離子可能向地上轉(zhuǎn)運(yùn)的潛力；而當(dāng)磷濃度達(dá)到2.0mmol·L-1時(shí)，節(jié)節(jié)草將銅離子向地上轉(zhuǎn)運(yùn)的潛能明顯下降。

AS：地上部分Aboveground stem，US：地下莖Underground stem，R：根Root圖2 不同處理水平下節(jié)節(jié)草各組織器官銅含量的百分比Fig.2 Percentage of copper content in different organs ofH.ramosissimum under the applications

2.3 不同處理下節(jié)節(jié)草體內(nèi)磷、銅含量的相關(guān)性分析

由表2可見(jiàn)：無(wú)磷和高磷處理下節(jié)節(jié)草地上部分磷、銅含量之間無(wú)顯著相關(guān)性；低濃度磷(≤0.5mmol·L-1)處理時(shí)，節(jié)節(jié)草地上莖磷、銅含量之間呈顯著的正相關(guān)；無(wú)磷和低磷處理時(shí)，節(jié)節(jié)草地下部分磷、銅含量之間均呈現(xiàn)顯著或極顯著的相關(guān)性；高濃度磷(≥2.0mmol·L-1)處理下節(jié)節(jié)草地下部分磷、銅含量之間無(wú)明顯相關(guān)。

3 討 論

重金屬在植株內(nèi)的運(yùn)輸影響著植物對(duì)重金屬的吸收與耐性，以及重金屬在植物體內(nèi)的分布和金屬離子與植物體內(nèi)物質(zhì)的結(jié)合形態(tài)等[18,19]。磷肥是提高土壤肥

力和增加農(nóng)作物產(chǎn)量的常規(guī)農(nóng)藝措施之一，施磷肥會(huì)對(duì)普通作物和超富集植物吸收重金屬產(chǎn)生不同的影響[4,20-22]。有研究表明磷和重金屬離子之間存在著復(fù)雜的相互關(guān)系，磷能降低重金屬離子的毒性，并增強(qiáng)植物在過(guò)量重金屬脅迫條件下的長(zhǎng)勢(shì)，相反地，土壤中高濃度的重金屬會(huì)明顯減弱植物對(duì)磷的吸取[23,24]。本研究發(fā)現(xiàn)，適量提高磷的濃度(≤0.5mmol·L-1)一定程度上能促進(jìn)節(jié)節(jié)草的生長(zhǎng)，提高其銅含量，增大銅的累積量，也有利于地下莖的銅向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)，但當(dāng)磷濃度過(guò)高時(shí)(≥2.0mmol·L-1)，

表2 不同處理下節(jié)節(jié)草體內(nèi)磷和銅含量的相關(guān)性分析

注：*表示顯著性；**表示極顯著性。Note:*indicates significant level atP<0.05;**indicates very significant level atP<0.01

節(jié)節(jié)草銅積累能力和轉(zhuǎn)運(yùn)能力呈顯著下降趨勢(shì)。這可能是因?yàn)榱资侵参矬w內(nèi)許多重要化合物(如核酸、核蛋白、磷脂等)的組成元素，參與植物體內(nèi)碳水化合物、氮和脂肪代謝，還能提高作物對(duì)干旱、寒冷和病蟲(chóng)害等不良環(huán)境的抗逆性[18,22]。但是當(dāng)植物體內(nèi)含磷量過(guò)高時(shí)，導(dǎo)致植物體內(nèi)N/P和K/P比例失調(diào)，對(duì)植物的生長(zhǎng)和品質(zhì)產(chǎn)生不良的影響[18]。金屬離子進(jìn)入根細(xì)胞后，大部分是隨著蒸騰流向地上部遷移的，而節(jié)節(jié)草葉片退化，地上部的蒸騰拉力相對(duì)較小，這就可能造成銅離子隨蒸騰流向地上部運(yùn)輸?shù)哪芰^低。節(jié)節(jié)草將金屬離子向上轉(zhuǎn)運(yùn)的方式更多可能是以主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)為主，這就使得轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中需要大量的能量(ATP)。磷是ATP代謝合成的關(guān)鍵性物質(zhì)，調(diào)控著植物體內(nèi)能量的轉(zhuǎn)化和許多重要代謝，不同形態(tài)的磷酸鹽與金屬離子的活性密切相關(guān)，一定水平的磷有效地活化了植物體內(nèi)惰態(tài)的銅，但是磷濃度過(guò)量會(huì)導(dǎo)致植物的營(yíng)養(yǎng)失衡，進(jìn)而影響植物體一系列的生理代謝，可能造成金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)受阻。在本實(shí)驗(yàn)節(jié)節(jié)草體內(nèi)磷、銅含量之間的相關(guān)性分析中，低濃度磷(≤0.5mmol·L-1)與植物銅積累和轉(zhuǎn)運(yùn)能力間有明顯的正相關(guān)性，說(shuō)明適量均衡的施肥可有效促進(jìn)節(jié)節(jié)草對(duì)銅離子的吸收和向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)。但是過(guò)量施磷(≥2.0mmol·L-1)會(huì)導(dǎo)致植物營(yíng)養(yǎng)失衡，植物生物量下降，以及銅含量和轉(zhuǎn)運(yùn)能力呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。此外，與前人的研究結(jié)果相比，水培和土培的實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在明顯差異性。土培實(shí)驗(yàn)表明，隨著施磷濃度的增加土壤中金屬離子的有效性明顯下降，從而降低植物對(duì)重金屬的吸收；而水培實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)為低濃度磷促進(jìn)植物對(duì)金屬離子的吸收，高濃度磷抑制植物對(duì)金屬離子的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)?？梢?jiàn)磷、銅的互作效應(yīng)是相當(dāng)復(fù)雜的，涉及銅的積累、轉(zhuǎn)運(yùn)、及植物生長(zhǎng)等多種過(guò)程，由于基因型和環(huán)境因素的差異都有可能改變磷、銅交互作用的效果，因此供磷的結(jié)果可能導(dǎo)致銅含量的增加、減少或不變，其機(jī)制還有待進(jìn)一步深入研究。

綜合本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增施磷可顯著促進(jìn)節(jié)節(jié)草的生長(zhǎng)，提高其干物質(zhì)產(chǎn)量，同時(shí)促進(jìn)了節(jié)節(jié)草對(duì)Cu2+的吸收和Cu2+向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)和積累。但過(guò)度施磷將造成植物營(yíng)養(yǎng)失衡，導(dǎo)致生理紊亂，不利于植物的生長(zhǎng)以及銅的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。從植物修復(fù)角度考慮，借助農(nóng)藝施肥措施增加重金屬污染土壤中有效磷的含量對(duì)提高超積累植物吸收、積累重金屬的能力還是具有一定的促進(jìn)作用，但是不同磷肥、不同物種以及不同生長(zhǎng)環(huán)境與磷肥施加量有著密切聯(lián)系。