黃蕊，辛建攀，田如男

（南京林業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，南京 210037）

隨著工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展，生態(tài)環(huán)境中重金屬（鎘、鉻、銅、鉛、汞等）污染問題日趨嚴(yán)峻。重金屬污染主要來源于電鍍、采礦和冶煉等活動(dòng)，其具有長(zhǎng)期的隱蔽性、滯后性、累積性、區(qū)域性、不可逆性和不可降解性等特點(diǎn)。鎘是分布最為廣泛的重金屬污染物之一，其在污染水體中的濃度為6～360 μmol·L，在廢水中的最高濃度可以達(dá)到2 224μmol·L。鎘在生物體內(nèi)的半衰期長(zhǎng)且不易降解，即使較低濃度也具有很強(qiáng)的生物毒性，對(duì)植物、動(dòng)物及微生物構(gòu)成嚴(yán)重威脅，甚至可通過食物鏈危害人類健康。因此尋找鎘耐性和鎘富集植物對(duì)鎘污染環(huán)境進(jìn)行植物修復(fù)成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

鎘被植物吸收后，會(huì)以不同形態(tài)貯藏在不同組織器官中，其在植物體內(nèi)的移動(dòng)性被限制，從而降低對(duì)植物的毒害作用。鎘的亞細(xì)胞分布可以揭示植物對(duì)鎘的耐性和解毒機(jī)制，其中細(xì)胞壁固定和液泡區(qū)室化發(fā)揮著重要作用。湯惠華等的研究表明，鎘在花椰菜（）葉片亞細(xì)胞中的分布表現(xiàn)為細(xì)胞質(zhì)＞細(xì)胞壁＞葉綠體和線粒體。鎘與植物體內(nèi)的硝酸鹽、氨基酸鹽、有機(jī)酸鹽、蛋白質(zhì)、果膠酸鹽、磷酸鹽和草酸鹽等物質(zhì)結(jié)合，可以形成毒性和遷移能力不同的化學(xué)形態(tài)，這也是植物抵御鎘脅迫的重要機(jī)理。WANG等研究發(fā)現(xiàn)鎘在秋茄（）根、莖、葉中以氯化鈉提取態(tài)占比最高，且與醋酸提取態(tài)總占比可達(dá)到63.6%～83.6%。同時(shí)，植物還可以通過增加根系分泌物、促進(jìn)重金屬向衰老和脫落組織的轉(zhuǎn)移來增強(qiáng)鎘的排斥作用，以及通過增加細(xì)胞內(nèi)植物螯合肽、谷胱甘肽和金屬硫蛋白的生物合成和積累來增強(qiáng)鎘的螯合作用等方式提高植物對(duì)重金屬的抵御作用。

大薸（）是天南星科（Araceae）大薸屬（）的多年生水生飄浮草本植物，具有觀賞性高、吸收積累不同污染物潛力大、自然豐富度高、分布廣、生長(zhǎng)繁殖快和易打撈等優(yōu)點(diǎn)。研究表明，大薸對(duì)鎘、鉻、銅、鉛、鋅、鎳等重金屬的吸收量雖不同，但其對(duì)污染水體中重金屬的去除效率可以證明其具有優(yōu)良的蓄積能力。同時(shí)，大薸與其他挺水植物和沉水植物的搭配種植既可滿足景觀需求，又可有效改善水體富營(yíng)養(yǎng)化。除了用于凈化污染水體外，大薸還可作為一種替代能源。FERNANDES等的研究表明，在進(jìn)行鎘污染水體的修復(fù)后，大薸還可用于生產(chǎn)沼氣，且鎘對(duì)植株所產(chǎn)生的甲烷活性并未造成影響。然而，由于大薸生長(zhǎng)過于迅速，若不加以控制，則會(huì)影響當(dāng)?shù)厣锒鄻有?、危害漁業(yè)和阻礙水上交通等，將大薸應(yīng)用于重金屬污染水體的生態(tài)修復(fù)可在一定程度上控制其生長(zhǎng)。因此，較低生物量和較高重金屬富集量之間的平衡是保證大薸在進(jìn)行重金屬污染水體生態(tài)修復(fù)的同時(shí)避免因其快速生長(zhǎng)而引起水體二次污染的關(guān)鍵。在鎘污染水體的修復(fù)研究中，DAS等發(fā)現(xiàn)，大薸根部和地上部的鎘富集系數(shù)最高可達(dá)2 294和870，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)可達(dá)0.6，對(duì)污染水體中鎘的去除效果較好。SUNE等研究發(fā)現(xiàn)，大薸對(duì)鎘的吸收主要表現(xiàn)為吸附、螯合和離子交換。LI等的研究表明，大薸體內(nèi)的超氧化物歧化酶和過氧化物酶對(duì)鎘誘導(dǎo)的氧化損傷具有較好的防御機(jī)制，可提高大薸對(duì)鎘的耐受性。總體而言，這些研究多集中于大薸對(duì)鎘的吸收富集能力以及生理適應(yīng)性等方面，無法全面反映植株生長(zhǎng)與修復(fù)效率的平衡以及其對(duì)鎘脅迫的耐性解毒機(jī)制。本試驗(yàn)在前期預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了不同濃度鎘處理對(duì)大薸生物量、生長(zhǎng)形態(tài)及其體內(nèi)鎘含量、鎘的亞細(xì)胞分布和化學(xué)形態(tài)的影響，并探究鎘脅迫下大薸生長(zhǎng)與鎘富集能力的平衡以及其耐性解毒機(jī)制，為合理應(yīng)用大薸進(jìn)行重金屬污染水體的生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用一年生大薸購(gòu)買于江蘇省宿遷市沭陽縣園林綠化園藝場(chǎng)。試驗(yàn)在南京林業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院園林國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心溫室內(nèi)完成。將購(gòu)買的大薸在自來水中緩苗一個(gè)月后，選取生長(zhǎng)狀況良好、形態(tài)大小一致的植株，沖洗干凈后轉(zhuǎn)移至盛有1/2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的透明塑料小桶（上口直徑19 cm、高15 cm）中進(jìn)行適應(yīng)性培養(yǎng)，每桶2株，培養(yǎng)周期為15 d，期間適時(shí)補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)液至初始體積。

1.2 試驗(yàn)方法

適應(yīng)性培養(yǎng)結(jié)束后，選取生長(zhǎng)狀況良好、形態(tài)大小一致的植株進(jìn)行一次性鎘脅迫處理。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，處理液由CdCl·2.5HO（分析純）和1/2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液配制而成，共設(shè)置6個(gè)鎘濃度：0（對(duì)照，CK）、10（T1）、25（T2）、50（T3）、75（T4）、100（T5）μmol·L。每桶（內(nèi)盛2 L處理液）2株，每個(gè)重復(fù)14株，各處理均3個(gè)重復(fù)。分別于第0、6、12、18天對(duì)植株進(jìn)行形態(tài)觀察和記錄；于第18天時(shí)采集植株進(jìn)行生物量、地上部和地下部鎘含量、葉片鎘的亞細(xì)胞分布及化學(xué)形態(tài)的測(cè)定，每個(gè)指標(biāo)樣本量為18。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 生物量及鎘含量

將植物根系置于20 mmol·LNa-EDTA溶液中浸泡15 min以去除根表面吸附的金屬離子，然后用去離子水反復(fù)沖洗并用濾紙吸干。將植株分為地上部和地下部，置于烘箱中，經(jīng)105℃殺青30 min后，80℃烘干至質(zhì)量恒定，用電子天平稱量每株植物各部分的干質(zhì)量。

將烘干樣品剪碎、液氮研磨并過100目篩后，稱取0.1 g裝入三角瓶中，加入5 mL混合酸（HNO/HClO，/=4/1）浸泡過夜，次日于電熱板上220℃加熱消解，直至冒濃烈白煙且溶液清澈透明，冷卻后定容并過濾，采用石墨爐原子吸收光譜儀（AA900T）測(cè)定大薸地上部和地下部的鎘含量。

根據(jù)測(cè)定結(jié)果計(jì)算下列指標(biāo)：

轉(zhuǎn)移系數(shù)=植株地上部鎘含量（mg·kg）/植株地下部鎘含量（mg·kg）

富集系數(shù)=植物器官中鎘含量（mg·kg）/溶液中鎘含量（mg·kg）

單株富集量（μg）=單株植物生物量（g）×單株植物鎘含量（mg·kg）

1.3.2 鎘的亞細(xì)胞分布

采用YANG等的差速離心法并略作修改。將新鮮成熟植物葉片0.2 g在預(yù)冷緩沖液[含50 mmol·LTris-HCl（pH 7.5）、250 mmol·L蔗糖和1 mmol·L二硫蘇糖醇]中研磨成勻漿，4℃、3 000 r·min下離心15 min，沉淀為細(xì)胞壁組分；所得上清液在4℃、10 000 r·min下離心30 min，上清液和沉淀分別為細(xì)胞可溶性組分（主要為液泡）和細(xì)胞器組分。將各組分轉(zhuǎn)移至三角瓶中，于電熱板上蒸發(fā)至近干。使用與測(cè)定地上部和地下部鎘含量相同的方法消煮，最后采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，NEX I ON300）測(cè)定鎘含量，同時(shí)計(jì)算各組分鎘的占比。

1.3.3 鎘的化學(xué)形態(tài)

采用WU等的化學(xué)試劑逐步提取法并略作修改。①稱取新鮮成熟植物葉片0.5 g，加入20 mL 80%乙醇，研磨成勻漿，25℃恒溫振蕩22 h，8 000 r·min離心10 min，倒出上清液；再加入10 mL乙醇，相同條件振蕩1 h后離心，倒出上清液。合并兩次上清液，即為提取的硝酸鹽、氯化物為主的無機(jī)鹽以及氨基酸鹽（乙醇提取態(tài)，F(xiàn)）。②加入10 mL蒸餾水，振蕩1 h并離心，重復(fù)3次且合并上清液，提取水溶性有機(jī)酸鹽等（水提取態(tài)，F(xiàn)）。③再加入1 mol·L氯化鈉，提取果膠鹽、蛋白質(zhì)結(jié)合態(tài)或呈吸附態(tài)的重金屬等（氯化鈉提取態(tài)，F(xiàn)）；加入2%醋酸，提取難溶的重金屬磷酸鹽等（醋酸提取態(tài)，F(xiàn)）；加入0.6 mol·L鹽酸，提取草酸鹽等（鹽酸提取態(tài)，F(xiàn)）。④將5次提取的上清液和殘?jiān)‵）分別蒸干和消煮后，采用ICP-MS測(cè)定鎘含量，同時(shí)計(jì)算各化學(xué)形態(tài)鎘的占比。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)不同處理之間進(jìn)行單因素方差分析和Duncan多重比較（＜0.05），采用Excel 2015制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘處理對(duì)大薸生物量和生長(zhǎng)形態(tài)的影響

由圖1可知，鎘處理第18天時(shí)，隨著鎘濃度的增加，大薸地上部、地下部和總生物量均呈降低的趨勢(shì)。與CK相比，經(jīng)25～100 μmol·L鎘處理后，大薸地上部生物量降低了27.27%～66.67%（＜0.05）；經(jīng)10～100 μmol·L鎘 處 理 后，地 下 部 生 物 量 降 低 了37.50%～56.25%（＜0.05），總生物量降低了16.00%～62.00%（＜0.05）。與第0天相比，鎘處理第18天時(shí)，50～100μmol·L處理組大薸地上部和總生物量無顯著差異（＞0.05），10～100μmol·L處理組地下部生物量無顯著差異（＞0.05）。

圖1 鎘處理對(duì)大薸生物量的影響Figure 1 Effects of cadmium treatments on the biomass of P.stratiotes

由圖2可知，隨著處理時(shí)間的增加，大薸葉片數(shù)和分株數(shù)均呈上升的趨勢(shì)；0～25 μmol·L處理組大薸冠徑呈上升的趨勢(shì)，而50～100 μmol·L處理組其冠徑無顯著差異（＞0.05）。隨著鎘濃度的增加，大薸冠徑均呈降低的趨勢(shì)。第6天和第12天時(shí)，各處理組冠徑與CK均無顯著差異（＞0.05）；第18天時(shí)，50～100 μmol·L鎘處理導(dǎo)致大薸冠徑較CK降低了21.42%～29.53%（＜0.05）。由圖2b可知，隨著鎘濃度的增加大薸葉片數(shù)均呈降低的趨勢(shì)。與CK相比，10μmol·L鎘處理對(duì)大薸葉片數(shù)無顯著影響（＞0.05）；第6天時(shí)，25～100μmol·L鎘處理導(dǎo)致大薸葉片數(shù)降低了18.74%～28.12%（＜0.05），第12天時(shí)降低了34.43%～52.43%（＜0.05），第18天時(shí)降低了25.00%～58.00%（＜0.05）。由圖2c可知，隨著鎘濃度的增加大薸分株數(shù)均呈降低的趨勢(shì)。第6天時(shí)，各處理組分株數(shù)與CK均無顯著差異（＞0.05）；第12天時(shí)，50～100 μmol·L鎘處理導(dǎo)致大薸分株數(shù)比CK降低了26.60%～40.00%（＜0.05）；第18天時(shí)，25～100 μmol·L鎘處理導(dǎo)致大薸分株數(shù)比CK降低了28.91%～63.19%（＜0.05）。

圖2 鎘處理對(duì)大薸生長(zhǎng)形態(tài)的影響Figure 2 Effects of cadmium treatments on the growth form of P.stratiotes

2.2 鎘處理對(duì)大薸體內(nèi)鎘含量的影響

由圖3可知，大薸地下部鎘含量和總鎘含量分別為206.08～4 824.34 mg·kg和256.13～6 215.06 mg·kg，均隨鎘濃度的增加呈先上升后降低的趨勢(shì)，在75 μmol·L時(shí)達(dá)到峰值；地上部鎘含量為50.05～1 778.46 mg·kg，隨著鎘濃度的增加呈上升的趨勢(shì)；經(jīng)不同濃度鎘處理18 d時(shí)，大薸地下部鎘含量均顯著高于地上部（＜0.05），約為地上部的2.37～7.62倍。鎘濃度為10～100 μmol·L時(shí)，鎘在大薸地下部和總的富集系數(shù)分別為374.95～1 973.58和533.16～2 232.62，均隨鎘濃度的增加呈降低的趨勢(shì)；鎘在地上部的富集系數(shù)為158.21～399.40，隨著鎘濃度的增加呈先上升后降低的趨勢(shì)，在25 μmol·L時(shí)達(dá)到峰值；經(jīng)不同濃度鎘處理18 d時(shí)，大薸地下部鎘富集系數(shù)均顯著高于地上部（＜0.05），約為地上部的2.37～7.62倍。

圖3 鎘處理對(duì)大薸鎘含量和富集系數(shù)的影響Figure 3 Effects of cadmium treatments on the cadmium content and bioconcentration factor in P.stratiotes

由圖4可知，鎘在大薸體內(nèi)的轉(zhuǎn)移系數(shù)為0.13～0.42。與CK相比，經(jīng)10～75μmol·L鎘處理18 d時(shí)，轉(zhuǎn)移系數(shù)無顯著變化（＞0.05），而經(jīng)100μmol·L鎘處理18 d時(shí)，轉(zhuǎn)移系數(shù)增加了75.00%（＜0.05）。大薸單株富集量為128.02～1 558.61 μg，隨著鎘濃度的增加呈先上升后降低的趨勢(shì)，25～75μmol·L鎘處理顯著高于其余處理組（＜0.05）。

圖4 鎘處理對(duì)大薸鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)和單株富集量的影響Figure 4 Effects of cadmium treatments on the cadmium transfer coefficient and individual enrichment of P.stratiotes

2.3 鎘處理對(duì)大薸葉片中鎘亞細(xì)胞分布的影響

由圖5可知，大薸葉片中，細(xì)胞壁組分、可溶性組分和細(xì)胞器組分鎘含量分別為0.32～154.77、0.12～85.52 mg·kg和0.39～88.89 mg·kg，均隨鎘濃度的增加而逐漸上升。與CK相比，經(jīng)50～100μmol·L鎘處理18 d時(shí)細(xì)胞壁組分鎘含量增加了110.56%～482.66%（＜0.05），可溶性組分增加了145.92%～711.67%（＜0.05）；與CK相比，經(jīng)25～100μmol·L鎘處理18 d時(shí)細(xì)胞器組分鎘含量增加了30.74%～226.92%（＜0.05）。細(xì)胞壁組分和可溶性組分鎘的占比分別為34.02%～46.91%和15.15%～26.06%，均隨鎘濃度的增加而逐漸上升，但與CK相比無顯著差異（＞0.05）；細(xì)胞器組分鎘的占比為27.04%～50.83%，隨鎘濃度的增加而逐漸降低（＜0.05）。當(dāng)溶液中鎘濃度＞10μmol·L時(shí)，細(xì)胞壁組分鎘的占比最大（42.61%～46.91%），其次是細(xì)胞器組分（27.04%～39.72%）和可溶性組分（17.68%～26.06%）。與CK相比，當(dāng)鎘濃度為25～100μmol·L時(shí)，細(xì)胞壁組分和可溶性組分鎘的占比總和提高了11.11～23.79個(gè)百分點(diǎn)（＜0.05）。

圖5 鎘處理對(duì)大薸葉片各亞細(xì)胞組分鎘含量和占比的影響Figure 5 Effects of cadmium treatments on the cadmium content and proportion of P.Stratiotes'leaf subcellular components

2.4 鎘處理對(duì)大薸葉片中鎘化學(xué)形態(tài)的影響

由表1可知，大薸葉片中，乙醇、蒸餾水、氯化鈉、醋酸、鹽酸提取態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)鎘含量分別為0.02～1.10、0.12～32.35、0.40～30.67、0.91～42.39、0.06～13.98 mg·kg和0.02～0.89 mg·kg，均隨溶液中鎘濃度的增加呈上升趨勢(shì)。與CK相比，經(jīng)50～100μmol·L鎘處理18 d時(shí)乙醇提取態(tài)鎘含量增加了19.50～54.00倍（＜0.05），蒸餾水提取態(tài)鎘含量增加了82.83～268.58倍（＜0.05），氯化鈉提取態(tài)鎘含量增加了28.78～75.68倍（＜0.05），鹽酸提取態(tài)鎘含量增加了71.00～232.00倍（＜0.05）；經(jīng)50、100 μmol·L鎘處理18 d時(shí)殘?jiān)鼞B(tài)鎘含量分別增加了19.50、43.50倍（＜0.05）；經(jīng)25～100μmol·L鎘處理18 d時(shí)醋酸提取態(tài)鎘含量增加了8.26～45.58倍（＜0.05）。

表1 鎘處理對(duì)大薸葉片各提取態(tài)鎘含量的影響（mg·kg-1）Table 1 Effects of cadmium treatments on the cadmium content of each extracted state in P.Stratiotes'leaves（mg·kg-1）

由圖6可知，在各鎘濃度水平下，均以醋酸提取態(tài)鎘的占比（35.00%～59.06%）最大，其次是氯化鈉提取態(tài)（16.72%～26.45%）和水提取態(tài)（7.77%～33.22%），鹽酸提取態(tài)（2.92%～11.56%），乙醇提取態(tài)（0.72%～2.03%）和殘?jiān)鼞B(tài)（0.33%～1.28%）占比較?。ǎ?.05）。與CK相比，醋酸提取態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)鎘的占比隨鎘濃度的增加呈降低趨勢(shì)，而水提取態(tài)和鹽酸提取態(tài)鎘的占比呈上升趨勢(shì)，乙醇提取態(tài)和氯化鈉提取態(tài)鎘無顯著變化（＞0.05）。與CK相比，經(jīng)10～100μmol·L鎘處理后，毒性和移動(dòng)性較高的乙醇、水提取態(tài)鎘的占比總和提高了8.74～25.83個(gè)百分點(diǎn)。

圖6 鎘處理對(duì)大薸葉片各提取態(tài)鎘占比的影響Figure 6 Effects of cadmium treatments on cadmium content proportion of each extracted state in P.Stratiotes'leaves

3 討論

3.1 大薸生物量和生長(zhǎng)形態(tài)的變化

根系對(duì)環(huán)境變化較為敏感，是植物接觸和感應(yīng)重金屬的首要部位，同時(shí)也是最先受到重金屬毒害的部位。本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)10～100μmol L鎘處理18 d時(shí)，大薸根系生物量均顯著降低（圖1），表明根系受到了明顯的鎘毒害作用，這與謝倚慧等對(duì)馬纓丹（）的研究結(jié)論一致。這可能是因?yàn)槎鄶?shù)（70.33%～88.39%）鎘富集在大薸根系（圖3），并通過誘發(fā)根系細(xì)胞氧化損傷、破壞根尖初生細(xì)胞DNA結(jié)構(gòu)和降低其有絲分裂指數(shù)等抑制根系的生長(zhǎng)發(fā)育。同時(shí)，環(huán)境中過高濃度的鎘還會(huì)通過干擾根系對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收與運(yùn)輸、降低抗氧化系統(tǒng)活性、妨礙葉片光合生理代謝等途徑來影響植物地上部的生長(zhǎng)發(fā)育。本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)不同濃度鎘（≥25μmol·L）處理18 d時(shí)，大薸地上部生長(zhǎng)被抑制，表現(xiàn)為生物量下降（圖1）和冠徑變小、葉片數(shù)減少、分株數(shù)減少（圖2），這與SILVA等和COELHO等的研究結(jié)果相似。

3.2 大薸體內(nèi)鎘含量的變化

大薸地上部和地下部鎘含量最大分別為1 778.46 mg·kg和4 824.34 mg·kg（圖3），具有相當(dāng)可觀的鎘吸收和富集能力，可作為鎘污染水體的植物修復(fù)材料。轉(zhuǎn)移系數(shù)是衡量植物將重金屬?gòu)牡叵虏哭D(zhuǎn)運(yùn)到地上部能力大小的重要指標(biāo)。隨著鎘濃度的增大，大薸轉(zhuǎn)移系數(shù)逐漸上升（圖4），說明鎘從地下部向地上部的遷移能力增強(qiáng)，最大轉(zhuǎn)移系數(shù)為0.42（鎘濃度為100μmol·L），這與DAS等的研究結(jié)果相似。因此大薸體內(nèi)鎘含量的分布表現(xiàn)為地下部＞地上部（圖3），這與LI等的研究結(jié)果相似，表明大薸主要將鎘富集在根系，并阻止其向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)，這是大薸抵御鎘毒害的機(jī)制之一。SILVA等的研究指出，12.8 mg·L鎘處理會(huì)引起大薸根表皮層、外胚層以及內(nèi)胚層的增厚，由于表皮負(fù)電荷的吸附作用，其厚度的增加可以加強(qiáng)根系作為鎘生物過濾器的作用，且內(nèi)胚層和外胚層可形成質(zhì)外屏障，在抵御鎘脅迫方面發(fā)揮重要作用，這也是大薸體內(nèi)鎘主要分布在根部的原因。NEDELKOSKA等的研究發(fā)現(xiàn)，20μg·g鎘處理下，遏藍(lán)菜（）在10 d內(nèi)幾乎將所有吸收的鎘優(yōu)先分布于根毛細(xì)胞壁，然后再向共質(zhì)體運(yùn)輸至地上部。這表明植物對(duì)鎘的跨膜吸收延遲現(xiàn)象是其抵抗鎘脅迫的重要機(jī)制，從而為細(xì)胞內(nèi)重金屬解毒機(jī)制的啟動(dòng)預(yù)留準(zhǔn)備時(shí)間。本研究發(fā)現(xiàn)，大薸在鎘濃度為10～100 μmol·L范圍內(nèi)時(shí)，地下部富集系數(shù)為374.95～1 973.58，隨鎘濃度增加呈逐漸降低的趨勢(shì)，而地上部富集系數(shù)為158.21～399.40，呈先上升后降低的趨勢(shì)（圖3）。這是由于隨著鎘濃度的增加，大薸地上部和地下部的鎘含量也增加，過多的鎘離子會(huì)損傷植株根系，表現(xiàn)為地下部富集系數(shù)逐漸降低，而對(duì)植株地上部的損傷存在延遲效應(yīng)，因此其富集系數(shù)呈先上升后降低的趨勢(shì)。

10～100 μmol·L鎘濃度范圍內(nèi)，大薸鎘的單株富集量為1 051.60～1 558.61 μg（圖4）。與CK相比，大薸生物量均顯著降低（圖1），其中25～100μmol·L處理組大薸總生物量與第0天相比無顯著差異，表明在此濃度處理下，大薸既可維持較高的鎘富集量，又可保持較低的生物量，在進(jìn)行鎘污染水體生態(tài)修復(fù)的同時(shí)還可避免因其快速生長(zhǎng)而引起二次污染。

3.3 大薸葉片中鎘亞細(xì)胞分布的變化

鎘在亞細(xì)胞水平上的選擇性區(qū)域分布可在一定程度上緩解其對(duì)細(xì)胞的毒害作用。細(xì)胞壁是阻止鎘進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)的首要屏障，也是植物儲(chǔ)存鎘的主要部位。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶液中鎘濃度＞10 μmol·L時(shí)，大薸葉片中有42.61%～46.91%的鎘分布于細(xì)胞壁（圖5），這與WANG等對(duì)苧麻（）葉片鎘亞細(xì)胞分布的研究結(jié)果一致。研究表明，細(xì)胞壁主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和果膠等物質(zhì)組成，這些物質(zhì)中的羥基、羧基可與鎘結(jié)合，從而降低鎘離子活性和移動(dòng)性。當(dāng)細(xì)胞壁中陽離子結(jié)合位點(diǎn)達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，鎘可經(jīng)由細(xì)胞膜上的離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。鎘與細(xì)胞質(zhì)中的有機(jī)配體螯合后被區(qū)隔于液泡中，這決定了細(xì)胞在鎘毒害過程中的生存能力。本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)10～100μmol·L鎘處理18 d時(shí)，大薸葉片細(xì)胞可溶性組分中鎘含量呈上升趨勢(shì)（圖5）。這可能印證了在較高濃度鎘脅迫下，位于液泡膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可將細(xì)胞內(nèi)的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡中，增強(qiáng)液泡區(qū)室化作用，從而有利于減緩鎘對(duì)葉綠體、線粒體等細(xì)胞器的毒害作用。在大薸葉片中，細(xì)胞壁組分和可溶性組分中鎘的占比均隨鎘濃度的增加而逐漸上升，其中25～100 μmol·L鎘處理使其占比總和顯著提高了11.11～23.79個(gè)百分點(diǎn)（圖5）。同時(shí)，URAGUCHI等指出，鎘耐性植物通常將鎘固定在細(xì)胞壁，而鎘非耐性植物則將鎘轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡。因此，大薸很可能是一種鎘耐性植物，其主要通過增強(qiáng)葉片細(xì)胞壁固定和液泡區(qū)室化作用來應(yīng)對(duì)高濃度鎘脅迫，這可能也是在10～100μmol·L鎘濃度范圍內(nèi)大薸地上部鎘含量不斷上升的原因（圖3）。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，在鎘濃度為10～100 μmol·L范圍內(nèi)時(shí)，大薸地上部鎘含量（圖3）、亞細(xì)胞分布中總鎘含量（圖5）和化學(xué)形態(tài)總鎘含量（表1）分別為291.19～1 778.46、15.45～329.18 mg·kg和5.77～121.28 mg·kg，與10 μmol·L鎘處理相比，隨著鎘濃度的增加，鎘含量增幅分別為2.85～5.11、1.01～20.30倍和1.88～20.02倍，說明隨著鎘脅迫的加重，更多的鎘離子被分配于植物成熟葉片中，由于成熟植物細(xì)胞的液泡相對(duì)更大，可為儲(chǔ)存鎘提供更多空間，這也是大薸應(yīng)對(duì)高濃度鎘脅迫的一種策略。

3.4 大薸葉片中鎘化學(xué)形態(tài)的變化

鎘的化學(xué)形態(tài)與其在植物體內(nèi)的毒性和遷移能力有關(guān)，不同化學(xué)形態(tài)鎘的毒性和活性隨著提取劑（乙醇、蒸餾水、氯化鈉、醋酸、鹽酸）極性的增加而不斷下降。唐敏等的研究表明，欒樹（）、臭椿（）和銀杏（）葉片中鎘主要以醋酸提取態(tài)的形式存在。在大薸葉片中，鎘以醋酸提取態(tài)為主（35.00%～59.06%），氯化鈉提取態(tài)（16.72%～26.45%）和水提取態(tài)（7.77%～33.22%）次之（圖6），表明大薸葉片中難溶性重金屬磷酸鹽物質(zhì)較多，由于鎘主要分布于細(xì)胞壁（34.02%～46.91%），因此這些難溶性重金屬磷酸鹽物質(zhì)可能較多分布于細(xì)胞壁中，以增強(qiáng)其對(duì)鎘的固持能力。氯化鈉提取態(tài)鎘含量也與細(xì)胞壁中蛋白質(zhì)、果膠等物質(zhì)對(duì)鎘的吸附固定作用有關(guān)，其決定了植物細(xì)胞壁對(duì)鎘的解毒作用。本試驗(yàn)中，氯化鈉提取態(tài)鎘的占比僅次于醋酸提取態(tài)，這與鎘主要分布于大薸葉片細(xì)胞壁有關(guān)（圖5）。隨著鎘濃度的增加，大薸葉片中醋酸提取態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)鎘的占比呈降低趨勢(shì)，水提取態(tài)和鹽酸提取態(tài)鎘的占比呈上升趨勢(shì)，經(jīng)10～100μmol·L鎘處理后，大薸葉片中毒性和移動(dòng)性較高的乙醇、水提取態(tài)鎘的占比總和提高了8.74～25.83個(gè)百分點(diǎn)（圖6）。閆雷等在黃瓜（）葉片細(xì)胞鎘化學(xué)形態(tài)分布的研究中也發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果。可見在高濃度鎘脅迫下，大薸葉片中的鎘存在向高遷移活性轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，這說明存在于細(xì)胞壁中的難溶性重金屬磷酸鹽、蛋白質(zhì)和果膠等物質(zhì)對(duì)鎘的螯合解毒作用有限。今后的研究可從分子層面揭示大薸的耐性解毒機(jī)制，即重金屬亞細(xì)胞分布和化學(xué)形態(tài)相關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、內(nèi)源信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的交互作用等。

4 結(jié)論

（1）鎘脅迫抑制了大薸生長(zhǎng)，表現(xiàn)為生物量下降、冠幅減小、葉片數(shù)量和分株數(shù)減少。

（2）大薸將大量鎘積累在地下部以減少對(duì)地上部的傷害。在葉片中，細(xì)胞壁固定和液泡區(qū)室化有利于減緩鎘毒害作用。鎘主要以醋酸提取態(tài)存在于葉片細(xì)胞中，從而有利于降低鎘的毒性和移動(dòng)性。

（3）10～100μmol·L鎘處理18 d后，大薸可維持較高的鎘富集量和較低的生物量，在進(jìn)行鎘污染水體生態(tài)修復(fù)的同時(shí)還可避免因其快速生長(zhǎng)而引起的水體二次污染。