汞抗性花卉的篩選與牽牛對汞脅迫的響應

侯靜，姜華，關曉歡，王娟

(遼寧師范大學 生命科學學院，遼寧 大連 116082)

0 引言

植物修復作為一種環境友好型的修復技術，是致力于清除土壤重金屬污染的一種生物修復技術.因該技術具有不破壞土壤結構［1］、所使用的植物生物量大且根系發達、美化環境的同時對空氣及水體無二次污染等優點，成為環境污染治理方面重要的研發對象.早期研究表明，植物具有修復重金屬污染土壤的潛在能力［2-3］，并且已經篩選出一批重金屬超積累植物種類［4-6］.目前，植物修復技術已被國內外廣泛應用，尤其是生長周期短、生物量累積迅速的草本植物在植物修復中顯示出較大的研究價值.花卉作為草本植物中的觀賞類型，除具備草本植物的基本特征外，還具有資源豐富、對食物鏈無入侵性［7］、兼顧土壤修復與美化環境等諸多優勢.基于此，本實驗從24種常見花卉植物中篩選對重金屬汞具有較強耐受性的植物種類，進行汞污染下的植物生長反應與累積特性研究，期望對于開展超富集植物的品種開發與利用提供重要的理論參考和技術支撐.

1 材料與方法

1.1 材料

試劑:HgCl2，國產分析純.

儀器:IRIS Intrepid II XSP電感耦合等離子體發射光譜儀(美國熱電公司).

土壤:實驗用土取自遼寧師范大學花卉園，土壤理化性質為:土壤 pH值6.9、電導率0.52 ms/cm、有機質含量21.11 g/kg，全氮、全磷含量分別為0.13 g/kg和0.92 g/kg，速效磷、速效鉀含量分別為0.07 g/kg 和0.12 g/kg，汞背景值為0.12mg/kg.

花卉種子:黑心金光菊(Rudbeckia hirta)、秋英(Cosmosbipinnata)、 翠 菊(Callistephus chinensis)、蛇目菊(Sanvitalia procumbens)、貓兒菊(Hypochaerisciliata)、 石 竹 (Dianthus chinensis)、一串紅(Salvia splendens)、牽牛(Pharbitis nil)、雞冠花(Celosia cristata)、銀葉菊(Senecio cineraria)、萬壽菊(Tagetes erecta)、孔雀草(Tagetes patula)、角堇(Viola cornuta)、大麗花(Dahliapinnata)、 小天藍繡球(Phlox drumondii)、羽衣甘藍 (Brassica oleracea var.acephala Linn.f.tricolor)、 鳳 仙 花 (Impatiens balsamina)、紫茉莉(Mirabilis jalapa)、圓錐石頭花(Gypsophila paniculata)、金雞菊 (Coreopsis drummondii)、天人菊(Gaillardia pulchella)、矢車菊(Centaurea cyanus)、百日菊(Zinnia elegans)和半枝蓮(Scutellaria barbata).

1.2 方法

重金屬抗性花卉的篩選:配制HgCl2母液，使Hg2+濃度分別為:0、5、20、50、80 和 100mg/L.將24種花卉種子分別置于以濾紙為發芽床的平皿中，注入含有不同濃度Hg2+的溶液，至發芽床達到飽和.25℃恒溫培養7 d后測定發芽率、根長、根干重等生長指標，觀察比較供試花卉種苗對重金屬汞脅迫的生長響應，初步篩選出對汞具有較好耐性的花卉進行盆栽實驗.

重金屬處理盆栽實驗:設3個濃度梯度，即Hg2+為 5、20和 50mg/kg，以去離子水為對照(CK).供試土壤在自然條件下風干、過篩.將含有不同濃度重金屬汞的水溶液與土壤混合，水∶土比例為1∶2.5(V/W)，平衡30 d后待用.花盆直徑15 cm、高12 cm，毎個花盆中盛土壤600 g.每種處理設置三個重復花盆.挑選大小一致、顆粒飽滿的牽牛種子，每盆栽種5粒，溫室內培養.培養條件:溫度(21 ±1)℃、光強 100 μmol/m2·s、光周期 16∶8 h(L∶D).依據盆土干濕情況，每處理組澆灌等量去離子水.

1.3 樣品分析與數據統計

播種80 d后收獲，用游標卡尺測量幼苗株高和莖粗、葉片大小(葉長和葉寬)，統計生長指標;植株用自來水沖洗，再用去離子水沖洗三次、瀝干、烘干、稱重，計算生物量.收獲的植株分為根、莖、葉三部分，105℃下殺青30 min，70℃下烘至恒重并粉碎，粉碎的植物及土壤樣品采用濃HCl-HNO3法［8］消化(3∶1，V/V)，重金屬汞的含量用電感耦合等離子體發射光譜儀測定.實驗數據采用SPSS 17.0處理，應用最小顯著法(LSD)進行差異顯著性檢驗.

2 實驗結果與討論

2.1 花卉種子對汞脅迫的響應

通過對花卉種子發芽率、根長和根干重的測定觀察到，牽牛對重金屬汞的耐受能力最強(表1).

表1 花卉種子對重金屬汞脅迫的響應(均值±標準差，n=3)

表1 花卉種子對重金屬汞脅迫的響應(均值±標準差，n=3)(續表)

表1 花卉種子對重金屬汞脅迫的響應(均值±標準差，n=3)(續表)

基于上述實驗結果，我們重點研究了牽牛種子對重金屬汞脅迫的響應.牽牛種子發芽率隨著Hg2+濃度的增加呈下降趨勢.當Hg2+濃度為5mg/L時，對牽牛種子發芽率的影響較小;當Hg2+濃度為20mg/L時，處理的種子發芽率比對照降低9.1%，差異顯著(P＜0.05);當 Hg2+濃度高于50mg/L時，處理后的種子發芽率比對照分別降低29.3%、42.0%和54.6%，與對照比較差異極顯著(P＜0.01).對于其它23種花卉種子，發芽率比對照出現明顯差異的濃度大多為5mg/L，雖然金雞菊和羽衣甘藍種子的發芽率水平均高于牽牛種子，但是Hg2+處理對根長和根干重表現出明顯的抑制作用.

牽牛根長隨著Hg2+濃度的增加呈上升后下降的變化趨勢.當Hg2+濃度為5mg/L時，對牽牛根長具有促進作用，比對照升高2.8%;當Hg2+濃度高于20mg/L時，牽牛根長開始明顯降低，與對照差異極顯著(P＜0.01).對于其它23種花卉種子，雖然翠菊和蛇目菊種子同牽牛種子一樣，在Hg2+濃度為20mg/L時，根長才比對照明顯降低，但是當Hg2+濃度達到80mg/L和100mg/L時，翠菊和蛇目菊均沒有根系生長，而牽牛在80mg/L和100mg/L汞處理濃度下根系繼續生長發育，長度分別為29.3mm和7.7mm.

牽牛根干重隨著Hg2+濃度的增加呈先增多后減少的變化趨勢.當Hg2+濃度為5mg/L和20mg/L時，牽牛種子根干重比對照分別增加13.7%和15.0%;之后隨著 Hg2+濃度的繼續增加，根干重開始下降，當達到50mg/L時，牽牛種子根干重比對照降低14.6%，差異顯著(P＜0.05);當Hg2+濃度為80mg/L和100mg/L時，牽牛根干重分別比對照降低66.5%和93.1%，差異極顯著(P＜0.01).對于其它23種花卉種子，根干重比對照出現明顯差異的濃度大多為5mg/L和20mg/L，雖然翠菊種子同牽牛種子一樣，在Hg2+濃度為50mg/L時，根干重才比對照明顯降低，但是當Hg2+濃度達到80mg/L和100mg/L時，翠菊根系停止生長，而牽牛在80mg/L和100mg/L汞處理濃度下根系繼續生長發育，干重分別為7.8mg 和1.6mg.

因此，與其它23種花卉種子比較，牽牛種子對汞脅迫有較強的耐性.

2.2 汞污染對牽牛植株生長的影響

通過對植株生長指標的測定，評價牽牛對重金屬汞的耐受能力.實驗結果如表2.

對植株生物量的影響:牽牛植株地上部生物量隨Hg2+濃度的增加呈先增大后減小的變化趨勢，中、低濃度Hg2+處理對牽牛植株地上部生物量具有明顯的促進作用，當土壤Hg2+含量為20mg/kg和50mg/kg時，地上部生物量分別比對照提高了 17.5%(P＜0.05)和 64.6%(P＜0.01);當土壤Hg2+含量為100mg/kg時，地上部生物量與對照水平相當.地下部生物量同樣隨Hg2+濃度的增加呈先增大后減小的變化趨勢，當土壤Hg2+含量為20mg/kg時，地下部生物量與對照水平相當;當土壤Hg2+含量為50mg/kg時，地下部生物量比對照明顯提高了38.5%，差異極顯著(P＜0.01);當土壤Hg2+含量為100mg/kg時，地下部生物量比對照降低了69.3%，差異極顯著(P＜0.01).由此可見，牽牛地上部植株對Hg2+污染具有較強的耐性，而地下部植株在壤中Hg2+濃度達到100mg/kg時表現出葉片狹小、發黃、脫落等明顯的中毒現象.

表2 不同濃度Hg處理對牽牛生長的影響(均值±標準差，n=3)

對植株生長的影響:中、低濃度汞處理對牽牛植株株高、葉長和葉寬的生長具有一定促進作用，對莖粗的生長具有抑制作用，當土壤Hg2+含量為20mg/kg和50mg/kg時，植株莖粗分別比對照降低 3.4%(P＜ 0.05)和4.7%(P＜ 0.01).高濃度汞處理對植株的生長產生了明顯的抑制作用，當Hg2+含量為100mg/kg時，植株莖粗比對照降低6.8%，差異極顯著(P＜0.01)，葉長比對照降低15.6%，差異極顯著(P＜ 0.01).

2.3 Hg2+在牽牛體內的累積分析

通常以轉運系數和富集系數表示植物對重金屬的轉運及富集能力.轉運系數(TF)以植株地上部重金屬含量與地下部重金屬含量之比表示［9］;富集系數(BF)以植株地上部重金屬含量與相應土壤中重金屬含量之比表示［10］.

本實驗將牽牛種子播種在不同濃度重金屬污染土壤中，生長80 d后收獲，分析重金屬在牽牛根、莖、葉等不同器官中的分布情況及其轉移效率與富集效率.結果表明，牽牛植株根、莖和葉中Hg2+含量均隨土壤中Hg2+濃度增加呈上升趨勢，當處理濃度由 20mg/kg、50mg/kg增加到100mg/kg時，根部Hg2+含量明顯上升，而葉片中Hg2+含量變化不大.由此推斷，汞污染達到一定濃度時，大量的Hg2+主要累積在根部，導致根部結構被破壞，產生中毒現象，限制Hg2+向上轉運，此結論驗證了高濃度Hg2+處理條件下牽牛植株根部生物量降低的結論.從根、莖、葉對Hg2+的吸收情況來看，不同濃度處理條件下植株各部分汞的分布規律均不相同.中、低濃度處理時，Hg2+的累積規律是:葉＞根＞莖;高濃度處理時，Hg2+的累積規律是:根＞莖＞葉.由此變化規律可以看出，中、低濃度Hg2+處理時，葉片對Hg2+具有較強的富集能力，隨著濃度土壤中Hg2+的增加，根對Hg2+表現出很強的富集能力(圖1).

圖1 不同濃度Hg處理對牽牛植株根、莖、葉富集Hg的影響

圖2 不同濃度Hg處理對牽牛轉移及富集能力的影響

牽牛植株對Hg2轉運系數隨處理濃度的增加呈先上升后下降的變化趨勢;富集系數隨處理濃度的增加呈下降趨勢.中、低Hg2+處理時，轉運系數和富集系數均大于1，說明牽牛對中、低濃度Hg2+污染具有較強的轉運和富集能力.當處理濃度增加到100mg/kg時，轉運系數和富集系數均明顯降低，牽牛植株向上轉運和富集汞的能力均受到限制，此結果也驗證了牽牛在100mg/kg Hg2+處理時根部生物量降低的結論(圖2).

3 討論

重金屬累積能力是超富集植物篩選的一個重要指標.牽牛植株根、莖和葉對Hg2+的累積量最高分別達到114.2mg/kg(100mg/kg)、64.09mg/kg(100mg/kg)和 52.62mg/kg(100mg/kg).由此可見，牽牛對汞具有較強的富集能力.

就其分布規律而言，Hg2+在牽牛植株各器官中的分布隨處理濃度的變化而不同，這是因為植物在不同污染條件下，為適應重金屬脅迫而采取的某種分配策略［11］.Cai［12］等認為，Hg2+在植物體內的分布與植物對汞的耐性有關.牽牛對高濃度汞污染表現出的耐性主要是基于其根的作用，Hg2+被根部細胞壁上的配位基與細胞外的碳水化合物固定，從而抑制其毒性的產生［13］，這符合超積累植物的主要特征［14-15］.就轉運系數和富集系數而言，當Hg2+濃度低于50mg/kg時，轉運系數和富集系數均大于1，最大分別可達1.13和1.47，轉運系數大于1，說明地上部的Hg2+含量大于根部含量;而地上部富集系數大于1，說明牽牛對汞具有較強的積累能力.可見牽牛具備超富集植物特征.

綜合以上分析可知，牽牛對重金屬汞具有較高的耐性和較強的富集能力.同時，牽牛屬于一年生草本植物，具有生長迅速、對環境適應能力強等特點，為城市常見花卉，既有美化價值又有生物修復價值.因此，可以作為城市土壤汞污染的植物修復資源，適于大面積推廣應用.

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