美人蕉對(duì)水體中重金屬Cd的富集能力研究
摘要：通過(guò)溶液培養(yǎng)，研究了美人蕉在不同營(yíng)養(yǎng)務(wù)件下，不同Cd濃度的吸收情況。研究結(jié)果表明：美人蕉在營(yíng)養(yǎng)元素N的作用下對(duì)于Cd的吸收是一個(gè)交互作用的生理效應(yīng)；美人蕉在營(yíng)養(yǎng)元素C的作用下對(duì)于cd的吸收沒(méi)有很大影響，只有C濃度增大到一定程度才有促進(jìn)作用；美人蕉根對(duì)Cd的吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于葉對(duì)Cd的吸收量且隨Cd濃度的增加而降低。
關(guān)鍵詞：Cd脅迫；根系分泌物；營(yíng)養(yǎng)元素；美人蕉
O 引言
2l世紀(jì)世界各國(guó)的工業(yè)飛速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，許多國(guó)家在發(fā)展的過(guò)程中卻忽視了對(duì)環(huán)境的保護(hù)。伴隨工業(yè)“三廢”而排放出來(lái)的重金屬對(duì)水體的污染越來(lái)越嚴(yán)重。而鎘作為“五毒”重金屬元素之一，在生物圈中易轉(zhuǎn)移，毒性大，并通過(guò)植物吸收累積由食物鏈影響人類的健康。重金屬污染水體的植物修復(fù)是指通過(guò)植物系統(tǒng)及其根系移去、揮發(fā)或穩(wěn)定水體環(huán)境中的重金屬污染物，或降低污染物中的重金屬毒性，以期達(dá)到清除污染、修復(fù)或治理水體為目的的一種技術(shù)。目前按其機(jī)理可分為植物揮發(fā)、植物吸收和植物吸附Ⅱ]o該技術(shù)具有成本低、不破壞河流生態(tài)環(huán)境、不引起二次污染等優(yōu)點(diǎn)。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，植物修復(fù)已經(jīng)成為環(huán)境污染治理研究領(lǐng)域的一個(gè)前沿性課題。重金屬Cd易于被植物從污染介質(zhì)中吸收。成為植物體內(nèi)代謝較強(qiáng)的脅迫因子，并抑制植物吸收營(yíng)養(yǎng)元素。同時(shí)，營(yíng)養(yǎng)元素的施用也可緩解Cd對(duì)植物的脅迫毒害作用。本文通過(guò)研究N、C兩種營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)美人蕉吸收Cd影響，為重金屬污染水體修復(fù)進(jìn)行初步的探討。
1 實(shí)驗(yàn)材料與方法
1．1 供試植物
采用美人蕉作為修復(fù)植物，美人蕉具有生長(zhǎng)快，根部發(fā)達(dá)，易于在水中生長(zhǎng)等特性，是一種適合于植物修復(fù)技術(shù)的植物。于中山大學(xué)園林中挑選紅花美人蕉幼株，高度約為15鋤，根部脫泥洗凈。
1．2材料培養(yǎng)及處理
本研究采用溶液培養(yǎng)的方法進(jìn)行。營(yíng)養(yǎng)液選擇霍格蘭式營(yíng)養(yǎng)液。培養(yǎng)液組成如下(單位均為pInDl／L)：Mgs04，500；K殂P04，50；Ca(N03)2，500；fA—Fe(Ⅱ)，100；H3803，lO；MrlS04，1．8；4，10；CuS04，O．3l；NiS04，0．5；采用容積為2L的透明塑料杯培育植物，每個(gè)容器定植1株，經(jīng)過(guò)挑選長(zhǎng)勢(shì)一致的植株在營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)15 d后，放入一定濃度的培養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)。培養(yǎng)液中的Cd、c、N元素分別由一定濃度的Cd(NO，)2、葡萄糖和NaNO，組成。
Cd處理實(shí)驗(yàn)中cd元素的濃度分別為0 mg／L(空白對(duì)照)、5 mg／L、10mg／L和20mg／L？刂埔蛩谻元素的濃度采用0m g／L、40mg/L、120mg/L？刂埔蛩豊元素的濃度采用7mgL、14m g／ L、28mg／ L。一定濃度的Cd元素分別與不同濃度的C、N兩種元素組成培養(yǎng)液，進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。各處理均做2次平行實(shí)驗(yàn)，取平均值。營(yíng)養(yǎng)液和培養(yǎng)液均是每3 d更換1次。整個(gè)實(shí)驗(yàn)最后選用88株美人蕉進(jìn)行鎘吸收實(shí)驗(yàn)。
植物放置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)窗戶旁邊(保證光照)，廣州5月份的自然環(huán)境下培育。經(jīng)Cd處理實(shí)驗(yàn)15d后將所得的植物經(jīng)自來(lái)水和蒸餾水反復(fù)沖洗后．于烘箱120℃殺青15min，80℃烘干至恒重，粉碎，備用。
1．3樣品分析方法
粉碎后的樣品經(jīng)高氯酸一硝酸消解體系消解后，采用火焰原子吸收分光度法測(cè)定樣品中Cd含量。
2結(jié)果與討論
2．1 營(yíng)養(yǎng)元素N的濃度變化對(duì)美人蕉根吸收Cd的影響
不同cd濃度隋況下，美人蕉根對(duì)Cd吸收量隨N濃度的變化情況見圖l所示。
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從圖1中可以看出隨著N濃度的增加，對(duì)美人蕉根對(duì)鎘的吸收均有一定的促進(jìn)作用。但在高鎘濃度情況下，N濃度的增加對(duì)植物吸收鎘的促進(jìn)作用的提高尤為明顯。根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的報(bào)告，N具有緩沖Cd對(duì)植物的毒害能力，它通過(guò)改變植物根系Cd的有效濃度，植物根系分泌物的種類和數(shù)量以及植物的生長(zhǎng)狀況和抗逆性來(lái)影響植物對(duì)Cd的吸收量¨51。上述多種因素之間的交互作用，使得在不同濃度的N投加下，植物對(duì)Cd的吸收量產(chǎn)生變化。
N濃度較低時(shí)，N可以促進(jìn)根系分泌物產(chǎn)生有機(jī)酸等物質(zhì)，降低溶液pH值，使得Cd的生物有效性提高，利于植物吸收。隨著N濃度的提高，進(jìn)一步促進(jìn)根系分泌物產(chǎn)生一些螯合物與Cd形成穩(wěn)定的金屬螯合物復(fù)合體，而植物對(duì)NO，一N的吸收增多也會(huì)促進(jìn)植物分泌OH一，緩解部分pH的下降，二者共同作用降低了Cd的生物活性。同時(shí)，根系分泌物吸附、包埋Cd，使其在根外沉淀下來(lái)，從而降低Cd對(duì)植物的脅迫。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)當(dāng)N濃度較高時(shí)，容器底和壁附著較多的黏滑狀褐色沉淀，推測(cè)其為根系分泌物包裹的Cd沉淀。同時(shí)高的N濃度可以促進(jìn)植物細(xì)胞合成Cd結(jié)合蛋白，即Cd—Bp和Cd多肽絡(luò)合物的植物絡(luò)合素這些物質(zhì)可以和吸人體內(nèi)的Cd結(jié)合，有效地降低其毒性，使其固定于根部，增強(qiáng)了植物的抗逆性，因此植物對(duì)Cd的吸收量大幅提升。
2．2 營(yíng)養(yǎng)元素C的濃度變化對(duì)美人蕉根吸收Cd的影響
不同Cd濃度情況下，美人蕉根對(duì)Cd吸收量隨C濃度的變化情況見圖2所示。
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從圖2中可以看出，在低鎘濃度情況下，隨著C濃度的變化，美人蕉根對(duì)鎘的吸收變化不大，但在高的鎘濃度情況下，隨著C濃度的增加，對(duì)美人蕉根吸收鎘具有一定的促進(jìn)作用。鎘影響植物體內(nèi)葉綠素含量，抑制光化學(xué)系統(tǒng)電子轉(zhuǎn)運(yùn)，從而使植物光合作用下降，植物體內(nèi)合成的糖量減少由于植物對(duì)水中C的依賴程度不大，因此在c濃度較低的情況下，美人蕉根對(duì)鎘的吸收量并沒(méi)有隨著C濃度的增加而增加，甚至出現(xiàn)反復(fù)的情況。這主要是由于C養(yǎng)分與Cd存在競(jìng)爭(zhēng)被吸收的關(guān)系，鎘脅迫下，植物對(duì)糖類的C養(yǎng)分還是有一定需求，因此植物更傾向于吸收葡萄糖形式的C養(yǎng)分，因此在一定程度上抑制了鎘的吸收；同時(shí)，隨著C養(yǎng)分的增加，可能刺激植物產(chǎn)生更多根際分泌物以抵制Cd對(duì)植物的侵害，又在一定程度上使得美人蕉對(duì)鎘的抗性增強(qiáng)，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，也促進(jìn)了美人蕉對(duì)養(yǎng)分和鎘的吸收。當(dāng)C濃度的進(jìn)一步增加，其對(duì)植物的抗鎘性有了更好的促進(jìn)作用，使得植物能夠更好地生長(zhǎng)，這在高濃度的鎘溶液中體現(xiàn)得尤為明顯，當(dāng)葡萄糖濃度達(dá)到120 lllg／L后，根部鎘含量有較大程度的上升。
C養(yǎng)分對(duì)植物吸收鎘影響不如N養(yǎng)分明顯，可能由于植物本身具有光合作用，能合成糖類等有機(jī)物，因此對(duì)額外添加的C養(yǎng)分需求不大。
2．3 有毒重金屬Cd的濃度變化對(duì)美人蕉根吸收Cd的影響
由圖l和圖2看來(lái)，不論是投加了額外的N養(yǎng)分還是C養(yǎng)分，隨著鎘濃度的增加，植物根部鎘含量呈減少的趨勢(shì)，尤其是當(dāng)鎘濃度增加到20ppm時(shí)，植物根部吸收量明顯少于鎘濃度為5 ppm和lO ppm的情況。由于5 ppm的鎘濃度相對(duì)較低，對(duì)植物危害不大，植物自我保護(hù)作用不是很強(qiáng)，對(duì)鎘并不是很排斥，因此鎘吸收量相對(duì)于10ppm和20 ppm要大一些；而隨著鎘濃度的增加，鎘對(duì)植物的危害加劇，相應(yīng)地植物采取多方面的策略來(lái)抵抗或減弱Cd脅迫的程度，如固定化、區(qū)域化及合成植物螯合肽、金屬硫蛋白、應(yīng)激蛋白、應(yīng)激乙烯等，從而在一定范圍和程度上阻止有害物質(zhì)進(jìn)入植物體內(nèi)，尤其是當(dāng)鎘濃度增到20ppm，這種抵制作用更加明顯，因此植物對(duì)鎘的吸收量最低。根據(jù)我們實(shí)驗(yàn)觀察，當(dāng)cd濃度越高時(shí)，容器底和壁附著的黏滑狀褐色沉淀越多。這是植物在對(duì)重金屬Cd脅迫下的一種自我保護(hù)機(jī)制，通過(guò)根系分泌物螯合、吸附以及包裹Cd，使其在根外沉淀下來(lái)，有效地降低了Cd對(duì)植物的毒害作用。
3．3 美人蕉葉對(duì)Cd吸收的分析
不同Cd濃度情況下，美人蕉葉對(duì)Cd吸收量隨C和N濃度的變化情況見圖3和圖4所示。
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如圖3、圖4所示，植物葉對(duì)Cd吸收量比較小，植物葉的吸收量變化波動(dòng)大，無(wú)論C、N的變化對(duì)Cd的吸收都無(wú)明顯規(guī)律，這主要是由于植物本身個(gè)體的差異性等造成。植物的葉的吸收涉及很多方面的因素，植物的遷移機(jī)理，光和作用，蒸騰作用，葉片組織等一系列的理論，仍需作進(jìn)一步研究。
對(duì)比圖1、圖2和圖3、圖4，可以發(fā)現(xiàn)，不論所加入的營(yíng)養(yǎng)元素是N還是C，美人蕉根對(duì)Cd的吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于葉對(duì)Cd的吸收量，約5～10倍以上。因?yàn)镃d對(duì)植物葉的毒害作用遠(yuǎn)大于對(duì)根的毒害作用，植物基于自我保護(hù)而把大量的Cd固定在根部，只有少部分Cd被輸送到葉處，有效地降低了Cd對(duì)植物的毒害作用在水培實(shí)驗(yàn)?zāi)┢，還有少部分美人蕉開花了，這也證明了植物的自我保護(hù)有效地控制了Cd在植物體內(nèi)的分布，即便高濃度重金屬Cd的環(huán)境下，植物仍能使光合作用，開花甚至繁殖后代不受其影響，保持生物多樣性。
4 結(jié)論
植物美人蕉對(duì)重金屬鎘具有一定的富集能力，且N、C營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)其吸收鎘的能力具有一定的影響，N的影響要明顯大于C的影響。
(1)N營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)美人蕉鎘富集量的影響是非常錯(cuò)綜復(fù)雜的。N的施用可以緩解重金屬對(duì)植物脅迫毒害作用，但有的時(shí)候也可能加劇重金屬的脅迫作用，促進(jìn)植物對(duì)鎘的吸收。
(2)C對(duì)植物的影響不如N明顯。但C同樣能在一定程度上緩沖重金屬對(duì)植物的毒害作用，減少進(jìn)入植物體內(nèi)的鎘含量。往往高濃度的C還會(huì)稍微促進(jìn)植物對(duì)鎘的吸收。
(3)由于植物本身的自我保護(hù)作用，植物對(duì)鎘的吸收量隨鎘濃度的增加而下降，且植物吸收的鎘大部分儲(chǔ)存于根部，葉中鎘含量很少，以保證植
物的正常生長(zhǎng)發(fā)育。
影響植物吸收重金屬的因素多種多樣，如植物形態(tài)差異、pH值、氧化還原電位、根際微生物作用等等。鑒于時(shí)間、條件及技術(shù)水平的限制，我們只對(duì)N、C兩種營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)美人蕉富集鎘的能力做了一些比較研究，以期望能為人類利用植物修復(fù)技術(shù)治理重金屬污染提供一定的實(shí)踐基礎(chǔ)。
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