夏小麗，聞永慧，朱佳鵬，錢加增，汪 瓊

(西南林業(yè)大學園林園藝學院，國家林業(yè)和草原局西南風景園林工程技術(shù)研究中心，云南省功能性花卉資源及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)工程研究中心，昆明 650224)

微量元素銅是環(huán)境主要污染物之一，被認為是潛在的生物毒素、致癌劑。隨著工業(yè)的快速發(fā)展，排入環(huán)境中的銅及其化合物越來越多，由于食物鏈的累積性和傳遞性，最終會危害人類健康。近年來銅中毒及污染的報道愈來愈多，引起了世界各國的重視，我國已把銅及其化合物列入水中優(yōu)先控制物黑名單[1]。

滇池是云貴高原最大的淡水湖泊，作為昆明市及周邊地區(qū)生活和生產(chǎn)的主要水源，其環(huán)境狀況對當?shù)氐慕?jīng)濟有著很大的影響。由于歷史原因，滇池的生態(tài)環(huán)境受到嚴重的破壞，富營養(yǎng)化問題非常突出。近年來，圍繞其富營養(yǎng)化已進行了大量的相關(guān)研究，但對其水體和沉積物重金屬污染及潛在的生態(tài)危害研究報道較少。滇池水體中重金屬銅的含量較低[2]，李曉銘等[3]對滇池表層沉積物銅的含量及其分布特征進行了分析，發(fā)現(xiàn)草海、外海沉積物銅含量分別為背景值的11.51倍、2.85倍，說明滇池及其河口沉積物已受到一定程度的銅污染。程常磊[4]發(fā)現(xiàn)，滇池沉積物重金屬的遷移性制約了間隙水中重金屬含量，間隙水中重金屬存在向表層水擴散的趨勢。

植物修復技術(shù)作為一種生態(tài)環(huán)保的污染治理技術(shù)，在重金屬污染治理中起著非常重要的作用。植物對重金屬的凈化作用主要體現(xiàn)在植物的根、莖和葉對重金屬有著不同程度的吸收，從而降低環(huán)境中重金屬的含量。目前，常用鴨跖草(Commelinacommunis)、海州香薷(ElsholtziasplendensNakai ex F. Maekawa)、鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)等植物修復水體、土壤中的銅污染[5-6]。鴨跖草是銅超積累植物，具有較強的主動吸收轉(zhuǎn)化銅的能力，常和海州香薷一起用于銅礦區(qū)的跡地治理[7]，礦山和非礦山兩種生境下的鴨跖草對銅的耐性和吸收積累存在差異[8]。紫鴨跖草(CommelinapurpureaC.B.Clarke.)也具有較強的銅富集能力，其對銅的吸收能力因植株部位的不同而各異[9]。國內(nèi)外學者就鴨跖草對銅的耐性機理和富集特征進行了相關(guān)研究，Wang等[10]發(fā)現(xiàn)，超富集和無富集銅的兩種鴨跖草對抗氧化物酶的反應不同，因此可用抗氧化物酶活性來指示銅的毒性。鴨跖草、紫鴨跖草均為昆明市園林常用植物，既能用于治理輕度富營養(yǎng)化水體，又能富集濕地水體中的銅和鉛[11]。前人均只對一種鴨跖草進行銅脅迫響應研究，兩種鴨跖草的耐銅性及積累量隨時空變化規(guī)律的相關(guān)研究少見報道。本試驗以鴨跖草、紫鴨跖草為材料，研究銅脅迫對兩種鴨跖草的生理特性及不同部位營養(yǎng)元素積累的影響，擬為鴨跖草屬植物用于修復和監(jiān)測滇池銅污染提供基礎數(shù)據(jù)，探究鴨跖草屬植物用于滇池沉積物銅污染修復的可行性。

1 材料和方法

1.1 材 料

鴨跖草、紫鴨跖草均采自西南林業(yè)大學后山樹木園，兩種鴨跖草采回實驗室后，用去離子水沖洗干凈，分別放入改良的Hoagland營養(yǎng)液[12](不加銅、鐵、鉀、鋅和鎂)適應培養(yǎng)3 d，待根系完全長出后，挑選長勢大小均勻一致的幼苗作為試驗材料。

1.2 方 法

以CuSO4·5 H2O為銅源，根據(jù)銅脅迫對其他植物產(chǎn)生較強毒害作用的濃度，設0(ck)，25，50，75，100，125 mg·L-1共 6個銅脅迫濃度處理，每個處理3次重復，處理液使用300 mL改良的Hoagland營養(yǎng)液，每瓶處理選擇5株幼苗。因紫鴨跖草根部受損嚴重，在處理的第15天只采集兩種鴨跖草葉片、莖進行相關(guān)生理指標測定。

1.3 測定指標及方法

將不同濃度銅脅迫處理下的兩種鴨跖草的葉、莖于105 ℃殺青后置于烘箱中烘干，用研缽研磨成粉末過200目篩后取0.100 0 g樣品粉末，加6 mL HNO3和2 mL HCl，用微波消解儀消解、電熱板趕酸后用去離子水定容至25 mL，過濾后使用原子吸收光譜儀測定銅、鉀、鐵、鋅、鎂含量。

水分測定采用重量法，丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性測定參照李合生[13]的方法，葉綠素含量測定參照柯野等[14]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有測定數(shù)據(jù)通過Excel 2010軟件進行統(tǒng)計處理，使用SPSS 17.0軟件進行方差分析、相關(guān)分析和主成分分析，使用Origin pro 2021軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 銅脅迫對兩種鴨跖草地上部分生物量的影響

不同濃度銅脅迫下，兩種鴨跖草地上部分(葉、莖)的生物量均呈下降趨勢，在125 mg·L-1銅處理時，鴨跖草、紫鴨跖草地上部分生物量分別下降了51.3%和62.2%(圖1)。隨著銅脅迫濃度增大，兩種鴨跖草的生長受到嚴重影響，導致其滲透壓增大，細胞膜失水程度增加，受銅傷害加大。

注：小寫字母表示同種植物地上部分生物量在不同濃度銅脅迫下差異顯著。圖1 銅脅迫對兩種鴨跖草地上部分生物量的影響Fig.1 Effects of copper stress on aboveground biomass of two species of Commelina plants

2.2 銅脅迫對兩種鴨跖草葉綠素含量的影響

隨著銅處理濃度的增大，鴨跖草葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b含量呈先增大后減小的趨勢，在25 mg·L-1銅處理時，鴨跖草葉綠素a、葉綠素a+b含量最高，分別為ck的1.22、1.48倍；紫鴨跖草葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b含量呈下降的趨勢，在125 mg·L-1銅處理時，紫鴨跖草葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b含量分別為ck的0.16、0.15、0.16倍。隨著銅處理濃度的增大，紫鴨跖草逐漸失綠，其受傷害程度較鴨跖草重。

2.3 銅脅迫對兩種鴨跖草抗氧化酶活性和MDA含量的影響

由圖3可知，與ck相比，各濃度銅處理下鴨跖草SOD活性變化不大，但紫鴨跖草SOD活性均有增加，在銅濃度為75 mg·L-1時，紫鴨跖草活性最大，為32.43 U·(g·min)-1。兩種鴨跖草POD活性呈先增加后降低的趨勢；銅濃度為100 mg·L-1時，鴨跖草POD活性最大，為176.4OD470·(g·min)-1；銅濃度為50 mg·L-1時，紫鴨跖草POD活性最大，為192.2OD470·(g·min)-1。與ck相比，鴨跖草CAT活性呈降低的趨勢，而紫鴨跖草CAT活性呈先升后降的趨勢；銅濃度為125 mg·L-1時，兩種鴨跖草CAT活性最低，分別為54.6、19.4OD240·(g·min)-1，鴨跖草的CAT活性遠大于紫鴨跖草，其植物組織受到的傷害比紫鴨跖草小。隨銅濃度升高，鴨跖草MDA含量呈上升的趨勢，而紫鴨跖草MDA含量呈先升后降的趨勢。

注：小寫字母表示同種植物葉綠素含量在不同濃度銅脅迫下差異顯著。圖2 銅脅迫對兩種鴨跖草葉綠素含量的影響Fig.2 Effects of copper stress on chlorophyll content of two species of Commelina plants

2.4 銅脅迫對兩種鴨跖草不同部位金屬元素含量的影響

由圖4、圖5可知，與ck相比，隨著銅濃度的增加，兩種鴨跖草葉和莖中銅含量均呈增大趨勢，在銅濃度為50 mg·L-1時，鴨跖草葉中最高，為167.5 mg·kg-1，是ck的2.09倍；銅濃度為125 mg·L-1時，鴨跖草莖中、紫鴨跖草葉中最高，分別為1 122.5 mg·kg-1、1 012.5 mg·kg-1，是ck的40.81倍、9倍；銅濃度為100 mg·L-1時，紫鴨跖草莖中最高，為1 125 mg·kg-1，是ck的45倍。通過比較可知，紫鴨跖草葉中銅的積累量高于鴨跖草，是鴨跖草葉中1.12～10.12倍，兩種鴨跖草莖中銅的積累量相差不大。溶液中銅濃度的變化會導致兩種鴨跖草對其他營養(yǎng)元素的吸收發(fā)生變化，隨著銅濃度的增加，鴨跖草葉和莖、紫鴨跖草莖中鉀、鐵的含量呈先增后降的趨勢；紫鴨跖草葉中鉀、鐵含量呈減小的趨勢；兩種鴨跖草莖中鋅、鎂的含量則變化不大；鴨跖草、紫鴨跖草莖和葉對銅的富集系數(shù)分別為154、14.8、158.8、32.4，其莖中銅的含量遠高于葉片，鴨跖草、紫鴨跖草莖中銅的積累量為葉的6.04～11.15倍、0.91～7.35倍，說明莖是兩種鴨跖草銅吸收和富集的主要部位。

注：小寫字母表示同種植物SOD、POD、CAT活性和MDA含量在不同銅濃度下差異顯著。圖3 銅脅迫對兩種鴨跖草3種氧化酶活性和MDA含量的影響Fig.3 Effects of copper stress on enzyme activities of three kinds of oxidase and MDA content of two species of Commelina plants

注：小寫字母表示同種植物葉中金屬元素含量在不同銅濃度下差異顯著。圖4 銅脅迫對兩種鴨跖草葉中金屬元素含量的影響Fig.4 Effects of copper stress on the content of metal elements in the leaves of two species of Commelina plants

2.5 兩種鴨跖草各生理指標相關(guān)性和主成分分析

2.5.1相關(guān)性分析

相關(guān)性分析表明，鴨跖草鮮重、紫鴨跖草鮮重和干重與溶液中銅濃度呈極顯著負相關(guān)(p<0.01)，即在高濃度銅處理下，兩種鴨跖草生物量均呈降低趨勢；紫鴨跖草葉綠素a+b含量與溶液中銅濃度呈極顯著負相關(guān)(p<0.01)，即在高濃度銅處理下，紫鴨跖草根莖生長受到抑制，葉片失綠。兩種鴨跖草SOD活性與溶液中銅濃度相關(guān)性不顯著，鴨跖草SOD活性與鋅積累量呈顯著正相關(guān)；紫鴨跖草POD活性與溶液中銅濃度呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，鴨跖草的POD活性與溶液中銅濃度呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，鴨跖草CAT活性與溶液中銅濃度呈極顯著性負相關(guān)(p<0.01)，兩種鴨跖草MDA含量則與溶液中銅濃度相關(guān)性不顯著。

注：小寫字母表示同種植物莖中金屬元素含量在不同銅濃度下差異顯著。圖5 銅脅迫對兩種鴨跖草莖中金屬元素含量的影響Fig.5 Effects of copper stress on the content of metal elements in the stems of two species of Commelina plants

注：a為鴨跖草；b為紫鴨跖草。圖6 兩種鴨跖草主成分分析結(jié)果Fig 6 Results of principal component analysis of two species of Commelina plants

銅脅迫下，兩種鴨跖草中5種金屬元素的含量與溶液中的銅濃度經(jīng)雙變量皮爾森相關(guān)性分析后發(fā)現(xiàn)，鴨跖草的葉、莖中銅含量和溶液中銅濃度呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；鴨跖草的葉中鉀、鐵含量和溶液中銅濃度呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；鴨跖草莖中銅含量和鋅含量、鉀含量和鎂含量、鋅含量和鎂含量均呈顯著正相關(guān)(p<0.05)；鴨跖草葉中鉀含量和鐵含量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)。紫鴨跖草莖中銅和鉀含量呈極顯著負相關(guān)(p<0.01)，銅和鋅含量、鉀和鎂含量均呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)。紫鴨跖草葉中銅和鉀含量、銅和鐵含量、銅和鎂含量均呈極顯著負相關(guān)(p<0.01)，鉀和鎂含量、鋅和鎂含量均呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)。

2.5.2主成分分析

由圖6可知，鴨跖草、紫鴨跖草兩個主成分累計貢獻率分別為73.4%、74.9%。其中鴨跖草主成分1中絕對值較大的是鉀含量、MDA含量、POD和CAT活性等，主成分2中貢獻較大的是葉綠素a含量、鎂含量、葉綠素a+b含量，葉片中葉綠素a和鎂含量呈顯著性正相關(guān)關(guān)系。紫鴨跖草主成分1中絕對值較大的是鉀、鎂、葉綠素b含量、干重等，葉綠素b含量和紫鴨跖草干重呈顯著性正相關(guān)關(guān)系，主成分2中貢獻較大的是SOD和POD活性、鐵含量等。

3 討 論

3.1 不同鴨跖草的抗氧化酶活性與銅脅迫濃度的關(guān)系

銅在植物中的正常含量低于20 mg·kg-1，高濃度的Cu2+會對植物造成不同程度的傷害[8]。本研究結(jié)果表明，隨著銅處理濃度的增加，兩種鴨跖草生物量下降，葉綠素含量也隨之降低導致光合作用減弱。兩種鴨跖草對銅的吸收、運輸和分布存在差異，銅濃度越高，紫鴨跖草受傷害程度越大，當銅濃度超過100 mg·L-1時紫鴨跖草根部受損嚴重，導致其全株受到傷害明顯，而鴨跖草只是略微失綠，說明鴨跖草對銅具有較強的耐受性，其耐受性與根部抑制重金屬離子對自身毒害有關(guān)，耐受性強的鴨跖草可能會限制銅從根部向地上運輸，降低銅向細胞質(zhì)中運輸而解毒[15-16]，但銅在鴨跖草體內(nèi)的轉(zhuǎn)移分布機理尚不明確。

銅脅迫下，植物通過提高體內(nèi)SOD、POD、CAT活性及MDA含量等生理響應來增加抵抗重金屬脅迫的毒害作用[17]。楊兵等[18]發(fā)現(xiàn)，不同生態(tài)型甚至同一生態(tài)型不同器官鴨跖草的POD、CAT、SOD活性對Cu2+的敏感性不同，POD抗氧化酶對Cu2+的敏感性高于CAT和SOD。本研究發(fā)現(xiàn)，鴨跖草SOD和CAT活性水平不穩(wěn)定，POD活性和MDA含量隨銅濃度增大均有所上升。SOD和CAT活性水平不穩(wěn)定的原因可能是Cu2+脅迫下產(chǎn)生的活性氧破壞 DNA、RNA 和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，進而破壞抗氧化酶的表達系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)，降低了SOD、CAT活性[19]。

3.2 銅對礦質(zhì)營養(yǎng)元素的影響

銅脅迫不僅影響鴨跖草的生長,還對其植株不同部位銅及養(yǎng)分含量的分配產(chǎn)生影響[21]。劉婷婷等[22]發(fā)現(xiàn)，海州香薷對銅的高度耐性在于其細胞壁可以積累大量的Cu2+，細胞壁中含有的果膠、纖維素、半纖維素在Cu2+的吸附固定過程中起著重要的作用。黃長干等[23]發(fā)現(xiàn)，鴨跖草細胞壁是銅分布的主要位點之一。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著銅濃度的增加，兩種鴨跖草葉和莖中銅積累量均呈增大趨勢，其莖中銅的積累量遠高于葉片中，說明莖是兩種鴨跖草銅吸收和富集的主要部位。鴨跖草對銅耐性高于紫鴨跖草，但其對銅的積累量卻低于紫鴨跖草，銅富集能力是否與葉、莖中細胞壁積累的纖維素、半纖維素有關(guān)尚不清楚。本研究還發(fā)現(xiàn)，隨著溶液中銅含量的增加，其他4種金屬元素含量呈現(xiàn)低促高抑的現(xiàn)象，與ck相比，鴨跖草葉和莖中鉀、鐵、鋅、鎂元素含量的變化范圍分別為0.51～1.08、1.13～1.62、1.15～1.35、0.96～1.02和0.92～1.21、0.93～1.61、0.88～1.20、0.95～1.03。紫鴨跖草莖和葉中鉀、鐵的含量隨溶液中銅濃度的增加而減小，鎂的含量變化不大。紫鴨跖草葉和莖中鉀、鐵、鋅、鎂元素含量的變化范圍分別為0.85～0.99、0.28～0.47、0.79～1.07、0.75～1和0.75～0.91、0.77～1.43、1.14～1.43、0.87～1，由此可見，在不同濃度銅脅迫下，鴨跖草莖和葉中鉀、鐵、鋅、鎂含量變化不大，但紫鴨跖草葉中鐵含量降低較多，與葉綠素含量變化趨勢一致，即葉綠素含量的降低與銅誘導的缺鐵有關(guān)。廖斌等[8]發(fā)現(xiàn)，鴨跖草對銅的吸收和轉(zhuǎn)運效率依賴于處理液中銅的供應濃度，在不同濃度的Cu2+處理下，紫鴨跖草對必需養(yǎng)分元素的吸收和積累維持正常，它們的濃度均在保證一般植物正常生長的濃度范圍內(nèi)。殷金梅[25]發(fā)現(xiàn)，低濃度Cu脅迫下小麥Ca和Na元素的吸收沒有變化，而高濃度Cu脅迫下Ca和Na元素的吸收受到顯著的抑制；申洪濤等[26]發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫下煙葉中Cu和Zn元素的含量下降，各部位Cd元素含量均上升。結(jié)合前人的研究成果推測，銅脅迫下兩種鴨跖草莖和葉中金屬含量的變化可能與其細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。

4 結(jié) 論

隨著銅濃度的增加，兩種鴨跖草都受到不同程度的損害，尤以根系受損最為嚴重，鴨跖草較紫鴨跖草對銅具有較強的耐受性。銅脅迫下兩種鴨跖草通過提高體內(nèi)SOD、POD、CAT活性及MDA的含量來減輕重金屬脅迫的毒害作用，鴨跖草SOD、CAT活性均大于紫鴨跖草，鴨跖草較紫鴨跖草具有更強的抗氧化脅迫能力。溶液中銅含量也會影響兩種鴨跖草養(yǎng)分含量和銅積累量，隨著溶液中銅濃度增加，兩種鴨跖草鉀、鐵、鋅、鎂等4種金屬元素含量呈低促高抑的現(xiàn)象，其葉和莖中銅積累量均呈增大趨勢，莖中銅的積累量遠高于葉片中，紫鴨跖草高于鴨跖草，但其耐受性小于鴨跖草。因此，可選擇耐性植物鴨跖草用于修復滇池重金屬污染。