周 慧 寇太記

（1. 河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023；2. 新鄉(xiāng)學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的廢水和固體廢棄物的滲出液等部分進(jìn)入水域，造成部分水體中重金屬鎘（Cd）、鉛（Pb）超標(biāo)。研究表明，Cd可在生物體內(nèi)富集，當(dāng)水體中的Cd濃度超標(biāo)時(shí)，會(huì)影響水生動(dòng)植物的正常生長(zhǎng)，甚至?xí)斐善渌劳鯷1-2]。Cd還可以通過(guò)食物鏈進(jìn)入到人體內(nèi)，會(huì)引起慢性中毒，會(huì)使骨骼的代謝受阻[3]。由此可見(jiàn)，Cd污染問(wèn)題對(duì)人們身體健康造成了很大威脅，但是傳統(tǒng)的化學(xué)重金屬污染修復(fù)成本高、操作難度大，且會(huì)造成二次污染，物理修復(fù)效果欠佳[4]。植物修復(fù)作為一種綠色環(huán)保的生物技術(shù)，近年來(lái)被人們廣泛青睞，其利用植物的根系直接將重金屬污染元素從土壤和水體中吸收轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到修復(fù)的目的[5]，其修復(fù)凈化過(guò)程不破壞土壤生態(tài)環(huán)境[6]，土壤結(jié)構(gòu)、微生物活性，并且同時(shí)還能達(dá)到美化環(huán)境的目的，被作為傳統(tǒng)水體修復(fù)的替代措施之一[7-8]。目前關(guān)于水體植物生態(tài)響應(yīng)重金屬Cd污染的研究多以藻類(lèi)、草本類(lèi)植物為主，且它們主要通過(guò)吸附并固定水中懸浮物和重金屬離子，從而達(dá)到修復(fù)的目的，而利用觀賞植物開(kāi)展研究的還較少。園林觀賞植物在城市濱水區(qū)綠化方面不但可以美化河岸線，豐富景觀，還具有修復(fù)重金屬的作用[9]。為此，本研究選取園林濱水區(qū)綠化應(yīng)用較為廣泛的水生鳶尾（Iris tectorum）、美人蕉（Canna indica）、再力花（Thalia dealbata）、千屈菜（Lythrum salicaria）、蒲草（Typha angustifolia）5種常見(jiàn)的濕生觀葉植物作為研究對(duì)象，研究其在重金屬Cd脅迫下的富集能力與抗性生理，以期為利用水生觀賞植物對(duì)水體重金屬Cd污染修復(fù)及河道植物綠化配置提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試的水生鳶尾、美人蕉、再力花、千屈菜、蒲草5種濕生植物采購(gòu)于新鄉(xiāng)市翟坡花卉基地；供試盆栽底泥采用趙定排河中污泥，污泥取回后將其均勻混合，并經(jīng)自然風(fēng)干研磨、去除雜物后過(guò)100目篩，測(cè)定其基本理化性質(zhì)及土壤重金屬Cd含量的背景值[7]（0.051 mg/kg）；供試的重金屬Cd元素以CdCl2形態(tài)處理；試驗(yàn)培養(yǎng)水取自新鄉(xiāng)市本地自來(lái)水。

1.2 實(shí)驗(yàn)處理

實(shí)驗(yàn)采用盆栽培養(yǎng)，選用長(zhǎng)度120 cm，寬度60 cm，高度35 cm的生態(tài)培養(yǎng)盆。將上述經(jīng)過(guò)處理的土壤取相同質(zhì)量按10 cm厚度均勻的平鋪至盆底，盆內(nèi)加入經(jīng)過(guò)暴曬8 h以上的自來(lái)水40 L，靜態(tài)模擬自然狀況下小型水體。實(shí)驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)Cd濃度處理，分別將CdCl2分析純?cè)噭┌凑?.0（CK）、0.3（K1）、1.0（K2）、5.0（K3）、10.0 mg/kg（K4）加入種植盆。5種濕生植物選取生長(zhǎng)健壯、長(zhǎng)勢(shì)較好且每種高度和根系等生物量基本一致的5種濕生植物幼苗，每種分別取3株（3個(gè)平行樣），按照相同種植密度栽植于處理好的重金屬污染底泥中，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，共選用15個(gè)培養(yǎng)盆。盆栽植物放置于室外防雨棚內(nèi)種植培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)于2019年8月開(kāi)始，歷經(jīng)28 d，實(shí)驗(yàn)中蒸發(fā)的水分用經(jīng)過(guò)暴曬的自來(lái)水來(lái)補(bǔ)充。

1.3 測(cè)定內(nèi)容與方法

1.3.1 測(cè)定指標(biāo)與方法

供試植物培養(yǎng)28 d后將其取出，用水沖洗干凈并放在烘箱中烘24 h（溫度80 ℃），用粉碎機(jī)粉碎后過(guò)100 目（0.15 mm）篩。稱取0.2 g樣品放入消化管（50 mL）中，按照體積比4∶1加入優(yōu)級(jí)純度的HNO3和HClO4混合酸15 mL，將管口封膜并靜置過(guò)夜；次日放于消化爐上消化（140 ℃、8 h），溶液澄清透明后用去離子水定容至100 mL后備用。各部位Cd2+的積累量，使用AA?7000火焰原子吸收分光光度計(jì)（島津，日本）測(cè)定[9]。

取植物樣品葉片進(jìn)行測(cè)定，主要測(cè)定可溶性蛋白（SP）含量（波長(zhǎng)595 nm）、游離脯氨酸（Pro）含量（波長(zhǎng)520 nm）、丙二醛（MDA）含量（波長(zhǎng)532、600、450 nm）和相對(duì)電導(dǎo)率（REC），其中可溶性蛋白含量用考馬斯亮藍(lán)染色法[10]、Pro含量用酸性茚三酮法、MDA含量用硫代巴比妥酸法[10]、REC用電導(dǎo)儀測(cè)定[11]，每個(gè)樣品重復(fù)3次，各生理指標(biāo)均測(cè)3次重復(fù)后取平均值。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)所有數(shù)據(jù)采用Excel 2017和SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行處理，5種濕生植物抗重金屬鎘的強(qiáng)弱能力的比較采用隸屬函數(shù)法，該方法是應(yīng)用較為廣泛的綜合評(píng)價(jià)方法之一，是利用模糊數(shù)學(xué)的原理進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。先求出各植物某一生理指標(biāo)的具體隸屬函數(shù)值，然后對(duì)各隸屬函數(shù)值進(jìn)行求和，最后得出隸屬函數(shù)總值[12-13]，如公式（1）～（3）。

式中：i=1，2，3，···，n，ni表示5種濕生植物中某種的某一生理指標(biāo)i的測(cè)定值；nimax和nimin分別表示某一指標(biāo)的最大值和最小值；μ（ni）表示某一指標(biāo)ni的隸屬函數(shù)值；N表示隸屬函數(shù)總值；如果所測(cè)生理指標(biāo)與抗重金屬脅迫呈正相關(guān)用（1）式，呈負(fù)相關(guān)則用（2）式，最后根據(jù)公式（3）計(jì)算隸屬函數(shù)總值。如果該值越大，則說(shuō)明抗重金屬脅迫能力就越強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 5種濕生植物各組織Cd積累量差異分析

由圖1可知，在重金屬Cd脅迫下，5種濕生觀賞植物體內(nèi)的Cd積累量都是隨著處理濃度的升高而呈現(xiàn)不同程度的增加，在10.0 mg/kg時(shí)均達(dá)到最大值，且再力花地上部與根系的Cd積累量分別是CK的549%和705%；水生鳶尾地上部與根系的鎘Cd積累量分別是CK的1 138%和865%；蒲草地上部與根系的Cd積累量分別是CK的1 289%和925%；千屈菜地上部與根系的Cd積累量分別是CK的6 489%和4 313%；美人蕉地上部與根系的Cd積累量分別是CK的7 861%和5 923%，其差異最為凸顯。再力花在4個(gè)處理下根系Cd積累量均低于地上部Cd積累量，蒲草在0.3 mg/kg處理時(shí)根系Cd積累量略低于地上部Cd積累量，水生鳶尾在10.0 mg/kg處理時(shí)根系Cd積累量略低于地上部Cd積累量，其余2種植物均表現(xiàn)為在各個(gè)處理濃度下根系Cd含量大于地上部Cd含量。在10.0 mg/kg處理下，5種濕生觀賞植物地上部與根系的Cd積累量的高低順序依次是美人蕉>千屈菜>蒲草>水生鳶尾>再力花。

圖1 Cd脅迫下5種濕生植物地上部與根系Cd積累量比較Fig. 1 Comparison of Cd accumulation in shoot parts and roots of 5 wet plants under Cd stress

2.2 Cd脅迫對(duì)5種濕生植物SP含量的影響

由圖2可知，在重金屬Cd脅迫處理下，美人蕉、千屈菜、蒲草、再力花4種濕生植物SP的含量是隨著Cd濃度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。在K2時(shí)均達(dá)到最大值，此時(shí)含量分別是CK的173%、377%、176%和200%；再力花在K3時(shí)降至最低點(diǎn)，并且低于CK38.68%；其他3種植物均在K4時(shí)降至最低。水生鳶尾在整個(gè)Cd濃度遞增過(guò)程中，SP的含量呈現(xiàn)緩慢的遞增趨勢(shì)。

圖2 Cd脅迫對(duì)5種濕生植物SP含量影響Fig. 2 Effects of Cd stress on soluble protein content of 5 wet plants

2.3 Cd脅迫對(duì)5種濕生植物Pro含量的影響

由圖3可知，隨著重金屬Cd處理濃度梯度的逐漸增加，美人蕉、水生鳶尾、千屈菜、蒲草4種植物游離Pro含量均呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，都在K4時(shí)達(dá)到最大，其分別達(dá)到CK的521%、611%、255%、612%，而再力花葉片中游離Pro含量卻呈現(xiàn)先遞增后遞減又遞增的趨勢(shì)；在K2時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)是CK的712%。

圖3 Cd脅迫對(duì)5種濕生植物Pro含量的影響Fig. 3 Effects of Cd stress on free proline content of 5 wet plants

2.4 Cd脅迫對(duì)5種濕生植物MDA含量的影響

由圖4可知，隨著重金屬Cd處理濃度梯度的不斷增加，美人蕉、水生鳶尾等5種濕生植物葉片中MDA含量均呈現(xiàn)不同程度的遞增，都在K4時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)含量分別是CK的239%、259%、242%、173%、405%，再力花最高，說(shuō)明再力花細(xì)胞膜傷害最為嚴(yán)重。

圖4 Cd脅迫對(duì)5種濕生植物MDA含量的影響Fig. 4 Effects of Cd stress on malondialdehyde content of 5 wet plants

2.5 Cd脅迫對(duì)5種濕生植物REC的影響

由圖5可知，當(dāng)隨著重金屬Cd處理濃度梯度的不斷增加，水生鳶尾、美人蕉等5種濕生植物的REC均呈現(xiàn)不同程度的遞增現(xiàn)象，都在K4時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)REC值分別是CK的139%、138%、134%、124%和141%，其中再力花REC遞增最快。

圖5 Cd脅迫對(duì)5種濕生植物相對(duì)電導(dǎo)率的影響Fig. 5 Effects of Cd stress on relative conductivity of 5 wet plants

2.6 5種濕生植物生理指標(biāo)的相關(guān)性分析

由表1可知，在Cd脅迫下5種濕生植物中僅有水生鳶尾的相關(guān)性達(dá)到顯著水平（P<0.05），其他均未達(dá)到。在Cd脅迫下5種濕生觀賞植物相關(guān)性均達(dá)到顯著性水平（P<0.05）。在重金屬Cd脅迫下，美人蕉等5種植物MDA和REC變化同步性較好，而植物體內(nèi)的SP和游離Pro和含量變化的同步性較差。

表1 5種濕生植物生理指標(biāo)的相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis of physiological indexes of 5 wet plants

2.7 5種濕生植物抗重金屬Cd能力的比較

由表2可知，5種濕生觀賞植物抗Cd能力大小依次為蒲草、美人蕉、水生鳶尾、千屈菜、再力花。

表2 5種濕生觀賞植物各項(xiàng)生理指標(biāo)的隸屬函數(shù)值Table 2 The membership function values of physiological indexes of 5 wet plants

3 結(jié)論與討論

從上述分析結(jié)果來(lái)看，5種濕生觀賞植物對(duì)重金屬鎘的吸收與積累總體上是隨著底泥中鎘濃度的增加而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且除了再力花外，美人蕉等其他4種植物根系吸收和富集重金屬能力基本大于地上部分。與學(xué)者劉大林等[14]研究3種高粱屬（Sorghum）植物在重金屬Cd脅迫下富集量，郭暉等[9]研究斑葉龜背竹（Monstera deliciosa）等5種觀賞植物在鉛鎘脅迫下富計(jì)量，張樹(shù)攀等[15]研究3種高粱屬牧草在Cd脅迫下富計(jì)量的研究結(jié)果基本上相符。在K4處理下，美人蕉等5種濕生觀賞植物地上部與根系的鎘積累量的高低順序依次是美人蕉>千屈菜>蒲草>水生鳶尾>再力花。

當(dāng)一定量的重金屬離子進(jìn)入植物體內(nèi)后，會(huì)迅速的與植物體內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)及酶等大分子物質(zhì)進(jìn)行結(jié)合，并在其體內(nèi)替代如Mg2+、Zn2+等發(fā)揮功能時(shí)所需的特定金屬元素，不過(guò)其活性也會(huì)隨之降低[16]。本研究中，在重金屬Cd脅迫處理下，除水生鳶尾之外，美人蕉、千屈菜、蒲草、再力花4種濕生觀賞植物體內(nèi)的SP合成功能受到明顯影響，其適應(yīng)性的調(diào)節(jié)機(jī)制也受到限制。植物在鹽堿、重金屬等逆境脅迫下會(huì)產(chǎn)生Pro，其含量的變化與植物抗逆能力呈現(xiàn)相關(guān)性，在生理學(xué)上常被作為植物逆境生理的重要指標(biāo)之一。隨著Cd處理濃度的增加，美人蕉、水生鳶尾、千屈菜、蒲草4種植物葉片中Pro含量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，說(shuō)明這4中濕生觀賞植物均對(duì)重金屬Cd存在著不同程度的抗性，這與郭暉等[9]研究多花白鶴芋（Spathiphyllum kochii）、麒麟葉（Epipremnum pinnatum）、斑葉龜背竹和金鉆（Philodendron‘con-go’），溫瑀等[17]研究杞柳（Salix integra）和紅瑞木（Swida alba）對(duì)重金屬脅迫生理響應(yīng)研究結(jié)果一致，進(jìn)一步證實(shí)某些植物體內(nèi)Pro含量隨著脅迫重金屬濃度的增加會(huì)大量積累。而再力花葉片中Pro含量則在K2達(dá)到最大，但隨著重金屬處理濃度的增加其含量卻有所下降，這說(shuō)明在高濃度重金屬Cd脅迫下，再力花生理抗性能力還是有一定得限度。在重金屬脅迫下，是植物細(xì)胞膜發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用產(chǎn)生MDA，其含量與膜脂過(guò)氧化作用呈正相關(guān)，即含量越高，膜質(zhì)過(guò)氧化程度越高。隨著重金屬Cd濃度的增加，5種濕生觀賞植物葉片中MDA含量也均呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢(shì)。說(shuō)明這5種濕生植物細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用顯現(xiàn)，傷害程度加劇，同時(shí)其清除活性氧的能力有所降低，植物受到的脅迫傷害加大，從數(shù)據(jù)看出再力花受傷害程度相對(duì)最大。王思瑤等[18]研究堿蓬（Suaeda glauca）幼苗在金屬Pb2+、Cd2+、Hg2+、Cu2+離子脅迫下生長(zhǎng)及生理生化指標(biāo)變化，萬(wàn)子棟等[19]研究堿蓬在重金屬?gòu)?fù)合脅迫下萌發(fā)生長(zhǎng)及富集情況的研究結(jié)果均表明MDA含量隨著重金屬處理濃度的增加呈上升趨勢(shì)，與本文研究結(jié)果一致。而鮮靖蘋(píng)[20]在研究龜背竹在鹽及重金屬脅迫下生理抗性的影響結(jié)果顯示，龜背竹體內(nèi)累積的MDA含量隨著重金屬濃度的增大，呈先增加后降低的趨勢(shì)，與本研究結(jié)論不一致，可能原因是與Cd2+設(shè)置濃度的梯度不同有關(guān)系。生物膜結(jié)構(gòu)及功能的穩(wěn)定性與植物的抗逆性密切相關(guān)，植物細(xì)胞膜在干旱、鹽堿、重金屬或復(fù)合因素脅迫影響下會(huì)受到嚴(yán)重傷害，體內(nèi)大量滲透物質(zhì)外流，引起相對(duì)電導(dǎo)率的升高。5種濕生觀賞植物在金屬鎘處理濃度增加下，其REC均呈不同程度的上升，說(shuō)明重金屬脅迫對(duì)5種植物的正常生理機(jī)能都造成了不同程度的破壞。牟祚民等[21]通過(guò)研究重金屬脅迫對(duì)天竺葵（Pelargonium hortorum）生長(zhǎng)及生理特性的影響，表明隨著處理濃度的增加天竺葵的REC呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，與本文研究結(jié)論一致。

本研究表明，在鎘脅迫下，水生鳶尾體內(nèi)SP和Pro存在著一定的關(guān)聯(lián)性，且2種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)相關(guān)性達(dá)到顯著水平。而美人蕉、水生鳶尾、千屈菜、蒲草、再力花等5種植物體內(nèi)的MDA含量和REC相關(guān)性均達(dá)到顯著水平。并且看出，在重金屬脅迫下，植物體內(nèi)MDA含量和REC變化同步性較好，而SP含量與Pro含量變化同步性卻較差。通過(guò)隸屬函數(shù)法分析表明，抗重金屬Cd能力大小依次為蒲草>美人蕉>水生鳶尾>千屈菜>再力花。

本研究模擬自然條件在盆栽中進(jìn)行，影響因素較少，如在自然條件下可能會(huì)有更多的重金屬、農(nóng)藥殘留等通過(guò)大氣沉降、地表徑流等流入河流并沉降于底泥之中，會(huì)發(fā)生一系列物理變化或者化學(xué)反應(yīng)，這種環(huán)境下，重金屬脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的影響會(huì)更為復(fù)雜。因此，美人蕉、水生鳶尾、千屈菜、蒲草、再力花等對(duì)于不同環(huán)境條件下河流、池塘，湖泊，抗重金屬Cd脅迫能力的大小情況還需進(jìn)一步研究，以期為利用水生觀賞植物對(duì)水體重金屬Cd污染修復(fù)及河道植物綠化配置提供科學(xué)依據(jù)。