铅/镉复合污染物对金盏菊生长的影响及在其体内富集特征

丁绍兰， 杜　波， 范春辉

(陕西科技大学 资源与环境学院， 陕西 西安　710021)



铅/镉复合污染物对金盏菊生长的影响及在其体内富集特征

丁绍兰， 杜波， 范春辉

(陕西科技大学 资源与环境学院， 陕西 西安710021)

摘要：花卉类植物的抗逆环境能力较强，生长周期较短、生物量较大；利用花卉类植物修复重金属污染土壤,有效避免了食物链循环效应对人体健康的潜在威胁，因此，该修复技术的安全性较好、实用性较强.通过盆栽试验研究Pb/Cd复合污染对金盏菊(Calendula officinalis L)幼苗生长状况的影响，同时考察土壤持水量对Pb/Cd富集行为的影响.研究发现：污染胁迫条件下，金盏菊幼苗的出苗率都维持在45%以上；黄土Pb/Cd对金盏菊生物量的影响不大，金盏菊幼苗的生长过程能够一定程度上改良黄土理化性质.通过扫描电镜发现，幼苗根部较空白对照组发生显著改变，以适应重金属的复合胁迫作用.此外，过高或过低的土壤持水量都不利于金盏菊幼苗对Pb/Cd的吸收积累，根部是金盏菊幼苗积累Cd的主要部位，且金盏菊幼苗对黄土中Cd的萃取能力较强.

关键词：金盏菊； 复合胁迫； 生长状况； 富集行为； 重金属

0引言

近年来，随着城市化和工业化的快速发展，土壤重金属污染日趋严重[1].根据我国环境保护部的统计，我国有接近20%的耕地受到镉、铅、镍、铜、锌等重金属的污染[2]，作为土壤中主要的重金属污染物，铅(Pb)的迁移性较差，在环境中分布最广[3];镉(Cd)的富集性很强，对环境的危害最大[4]，并且Pb和Cd在环境中总是伴随存在的，对环境构成复合污染[5].因此，Pb/Cd复合污染土壤的治理成为一项亟待完成的工作.

在众多的修复技术中，植物修复技术因其成本低廉、操作简单、不破坏土壤结构和应用面积大等优势受到国内外学者的广泛关注[6,7]，该技术实施的基础是运用对重金属具有较高耐性和富集性的超富集植物[8].目前，在世界范围内已经发现超富集植物400余种，但是这些植物普遍存在生物量小、生长缓慢、适应能力差等缺点，这使超富集植物在实际的运用中具有一定的局限性[9].此外，已经发现的超富集植物的种类有限，也没有重金属超富集花卉植物的报道.因此，如果将花卉植物在美化环境的同时与治理、修复污染环境联系起来，将会具有很大的意义，并且值得研究.

金盏菊(CalendulaofficinalisL)，又名金盏花，是我国重要的草本花卉之一.金盏菊适应能力较强，能够承受Pb、Cd的单一毒害作用，表现出极强的耐性[10,11]，但利用金盏菊修复Pb/Cd复合污染土壤还鲜见系统性的报道.本文以常见的花卉植物-金盏菊为研究对象，研究其在Pb/Cd复合污染土壤中的生长情况及对重金属吸收积累能力.利用花卉植物修复重金属污染土壤的研究才刚刚起步，花卉具有美化、绿化、净化环境的作用，作为修复重金属的植物具有很高的使用价值，该研究为利用花卉修复重金属污染土壤提供理论依据.

1试验部分

1.1试验材料

供试土壤：为陕西科技大学校园花坛内长期种植花卉的黄土，采集0～20 cm表层黄土.采集的土壤经自然风干后，过4 mm筛，室温保存备用，其基本理化性质如表1所示.

供试植物：金盏菊，为菊科金盏菊属两年生草本植物，其种子来自西安三色花卉.

供试试剂：配制污染黄土所需的化学试剂Pb(NO3)2和CdCl2·2.5H2O，均为分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司生产.

表1　土壤基本理化性质

1.2盆栽试验

金盏菊的耐性较强，本次试验采用高浓度Pb/Cd复合污染(Pb：1 000 mg/kg土，Cd：30 mg/kg土)，用长44 cm、宽20 cm、高14 cm的塑料盆进行盆栽试验，每盆装供试5 kg(以烘干土计)，分别加入尿素、磷酸二氢钠和氯化钾 0.4、0.2、0.3 g/kg作为底肥，从而能够充分满足盆栽植物对养分的需求.另设三组对照组，单一Pb污染(Pb：1 000 mg/kg土)、单一Cd污染(Cd：30 mg/kg土)和空白对照(CK).此外，外源Pb/Cd以水溶液的形式均匀喷洒到供试土壤中，充分搅拌，以确保Pb、Cd的均匀分布，所有处理均重复3次，放置15 d备用.

试验设5个土壤持水量水平，分别为土壤田间持水量的75%～80%(W1)、65%～70%(W2)、55%～60%(W3)、45%～50%(W4)、35%～40%(W5)，2014年10月14日开始播种，金盏菊在自然条件下生长，用纯净水浇灌(水中未检出Pb和Cd)，前15 d保持土壤湿润，并记录金盏菊的出苗情况，15 d后开始用称重法控制土壤持水量，60 d后收获金盏菊植株.

1.3样品处理及测定方法

收获的金盏菊幼苗分为地上部分(叶片和茎的总和，下同)和根两部分，自来水冲洗后用蒸馏水洗净.植物株高及根长用皮尺测定3次，取平均值.于105 ℃的烘箱中杀青30 min后，在70 ℃烘干至恒重，用电子天平称重后研磨成粉末，采用HNO3-HClO4法消煮，原子吸收分光光度法测定重金属Pb、Cd含量.

金盏菊根部经干燥后，置于金属载物台上，用常规真空喷镀法喷金，用扫描电镜(SEM，TM1000，日本)观察表观形貌.

收集植物根系附近的黄土样品，自然风干，研磨，过60目筛，用于测定黄土的容重、pH、有机质、阳离子交换量(CEC)、电导率等理化性质，具体方法参照《土壤理化分析》[12].

1.4数据处理与分析

试验数据采用Excel2003处理，采用Origin5.0制图，图表中的数据均以平均值表示.

2结果与讨论

2.1金盏菊生长状况

重金属胁迫对幼苗期金盏菊生长发育的影响如表2所示.与对照处理(CK)相比，重金属单一/复合胁迫对金盏菊幼苗的株高和出苗率具有显著的抑制作用，源于重金属直接作用于植物细胞系统，导致自身代谢功能受损.但在重金属高度胁迫条件下，金盏菊的出苗率仍维持在45%以上，暗示了其对重金属胁迫的忍耐性和污染场地修复的内在潜力.黄土Pb/Cd的存在对金盏菊生物量(根干重和植株干重)的影响不大，但却有助于增加金盏菊幼苗根长，造成“粗短”根(CK)和“细长”根(重金属胁迫)的形态分化.通常认为，重金属胁迫能降低植物根细胞有丝分裂速度，进而导致植物根长变短.但陈俊任等[13]指出重金属也可能通过调控作用间接促进植物根系生长，不排除根系对重金属胁迫的“回避机制”，这种微型“生态修复单元”可能有利于减缓重金属对植物根系的毒害作用.

表2　重金属胁迫对黄土区金盏菊幼苗

2.2黄土理化性质差异

与黄土原样相比，无论是否存在重金属胁迫作用，金盏菊的生长过程都能在一定程度上影响黄土理化性质(如表3所示).幼苗期金盏菊能够降低黄土容重，说明修复过程黄土的团粒结构和孔隙特性有所变化，这有助于黄土体系水、热、气、肥的循环流通.金盏菊幼苗可以降低黄土pH值，推测其中可能存在金盏菊根系代谢分泌物(有机酸、糖类等)的贡献，也可能是金盏菊根系对黄土离子组分选择性吸收的结果.黄土CEC的降低可能与pH值的减小有内在关联，而有机质含量和电导率的升高则反映了植物/微生物的协同作用[14].总体来看，在Pb/Cd植物修复过程中，金盏菊幼苗对黄土理化性质的影响是积极的，预期可以达到污染生态修复和黄土性质改良的双重目标.

表3　重金属胁迫金盏菊幼苗生长

2.3扫描电镜

(a)CK处理(放大500倍) (b)CK处理(放大1 000倍)

(c)Pb/Cd处理(放大500倍) (d)Pb/Cd处理(放大1 000倍)图1　黄土区重金属胁迫金盏菊幼苗根系表观形态

重金属复合胁迫对金盏菊根部表观形貌的影响如图1所示.CK处理(如图1(a)、1(b)所示)的金盏菊根部直径较大，截面纹路规整，表皮细胞排列紧实，根毛浓密，侧根较多，根部微形态清晰可辨；而Pb/Cd复合胁迫(如图1(c)、1(d)所示)对金盏菊根部形态影响较大，根部整体呈现细长、弯曲且萎缩的状态，略有分叉和突起现象，根毛数量显著减少，但剖面组织较为光洁，基本无多余物质出现.这种根部表面形态差异可能暗示了根系表皮组织能够对重金属胁迫做出有效响应，进而尽量保障养分的吸收运输和新陈代谢的正常进行[15].

2.4金盏菊不同部位的重金属积累量

植株重金属积累量反映了植物对土壤中重金属的萃取能力.从图2(a)可以看出，随着持水量的减小，幼苗地上部分对Cd的积累量呈现出先增大再减小的变化规律，处理W2的Cd积累量最大，达到9.61μg/株，这表明土壤持水量是影响金盏菊幼苗吸收Cd的重要参数，过高或过低的土壤持水量都不利于幼苗对Cd的吸收积累.对于Pb，幼苗地上部积累量随持水量的变化呈现不规律的上下波动，处理W2，W4的积累量较大，分别为3.11μg/株、3.33μg/株.

金盏菊幼苗根部对Pb/Cd积累量的变化规律一致，但是Pb积累量在处理W3达到最大，而Cd在处理W2达到最大(如图2(b)所示)，这表明Pb/Cd被吸收进入植物根部对土壤持水量的要求不尽相同，且土壤持水量能够显著影响植物根部对重金属的吸收.另一方面，幼苗根部的Cd积累量明显高于地上部分(处理W1除外)，表明根部是幼苗吸收积累Cd的主要部位.此外，在不同土壤持水量下，金盏菊幼苗的地上部分、根部对Cd、Pb的积累量不同，且地上部分、根部的Cd积累量均显著高于Pb，表明金盏菊幼苗对土壤中Cd的萃取能力较强，这可能是因为Pb/Cd复合污染时，Cd元素的毒性较强，抑制了植物幼苗不同部位对Pb的吸收积累，此外，Pb、Cd同时存在于土壤时，Pb可抢夺Cd在土壤中的吸附位点，而且土壤对Pb的吸附性较强，Pb与土壤颗粒之间通过化学反应形成了较稳定的络合物，难于迁移，很难被植物吸收利用[16].

(a)金盏菊地上部

(b)金盏菊根部图2　复合胁迫下金盏菊幼苗不同部位对重金属的积累量

3结论

金盏菊对重金属的忍耐性较强，在Pb、Cd单一与Pb/Cd复合污染条件下，金盏菊幼苗的出苗率仍维持在45%以上.黄土中Pb/Cd的存在对金盏菊生物量(根干重和植株干重)的影响不大，但却能促进金盏菊幼苗根的生长.金盏菊幼苗能够改良污染黄土的容重、pH、有机质、CEC和电导率等基本理化性质，预期可以达到污染生态修复和黄土性质改良的双重目标.通过扫描电镜发现，幼苗根部较空白对照组发生显著改变，以适应重金属的复合胁迫作用.

复合胁迫条件下，金盏菊不同部位的重金属积累量明显受到土壤持水量的影响，过高或过低的土壤持水量都不利于金盏菊幼苗对重金属的吸收积累，根部是幼苗吸收积累Cd的主要部位，且金盏菊幼苗对土壤中Cd的萃取能力较强.

参考文献

[1] Bin H E,Yun Z J,Shi J B,et al.Research progress of heavy metal pollution in China:Sources,analytical methods,status,and toxicity[J].Chinese Science Bulletin Kexue Tongbao,2013,58(2):134-140.

[2] 刘登彪，郑骏宇，赵涛，等.不同供磷水平对四种超富集植物生长及吸收重金属的影响[J].环境科学学报，2015，35(4)：1 198-1 204.

[3] 范春辉，张颖超，王家宏.基于Tessier-AAS法的华中大农区污染红土Pb赋存形态非生物转化机制研究[J].光谱学与光谱分析，2015，35(2)：534-538.

[4] 顾继光，林秋奇，胡韧，等.土壤-植物系统中重金属污染的治理途径及其研究展望[J].土壤通报，2005，36(1)：128-133.

[5] 刘家女，周启星，孙挺.Cd-Pb复合污染条件下3种花卉植物的生长反应及超积累特性研究[J].环境科学学报，2006，26(12)：2 039-2 044.

[6] 苗欣宇，周启星.污染土壤植物修复效率影响因素研究进展[J].生态学杂志，2015，34(3)：870-877.

[7] Saba G,Parizanganeh A H,Zamani A,et al.Phytoremediation of heavy metals contaminated environments:Screening for native accumulator plants in zanjan-iran[J].International Journal of Environmental Research,2015,9(1):309-316.

[8] 王静雯，伍钧，郑钦月，等.EDTA对鱼腥草修复铅锌矿区重金属复合污染土壤的影响[J].水土保持学报，2013，27(6)：62-66.

[9] 孙雨亮，黄苏珍，原海燕.Cu污染土壤中溪荪和花菖蒲的生长状况及对Cu的积累及转运能力[J].植物资源与环境学报，2011，20(2)：49-55.

[10] Liu J N,Zhou Q X,Sun T,et al.Growth responses of three ornamental plants to Cd and Cd-Pb stress and their metal accumulation characteristics[J].Journal of Hazardous Materials,2008,151(1):261-267.

[11] 李翠兰，邵泽强，王玉军，等.水培条件下几种观赏植物对铅的富集特征[J].东北林业大学学报，2011，39(1)：49-51.

[12] 中科院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海：上海科学技术出版社，1978.

[13] 陈俊任，柳丹，吴家森，等.重金属胁迫对毛竹种子萌发及其富集效应的影响[J].生态学报，2014，34(22)：6 501-6 509.

[14] Dhal B,Thatoi H N,Das N N,et al.Chemical and microbial remediation of hexavalent chromium from contaminated soil and mining/metallurgical solid waste:A review[J].Journal of Hazardous Materials,2013,250-251(2):272-291.

[15] Lombi E,Kempson I M,Scheckel K G.In situ analysis of metal(loid)s in plants:State of the art and artefacts[J].Environmental & Experimental Botany,2011,72(1):3-17.

[16] 王学锋，师东阳，刘淑萍，等.Cd-Pb复合污染在土壤-烟草系统中生态效应的研究[J].土壤通报，2007，38(4)：737-740.

The growth and bioaccumulation characteristic of

Calendula officinalis L under lead/cadmium

co-contamination

DING Shao-lan， DU Bo， FAN Chun-hui

(College of Resources and Environment, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:Having a short growth periodicity and a strong enrichment in biomass,the adaption to adverse environment of ornamental plants is quite strong,and the circulatory effect of food chain,a potential threat to human health,could be effectively avoided when using ornamental plants to restore contaminated soil with heavy metal,so this technology are proved security and practicability.The pot experiments were conducted to study the effect of Pb/Cd combined pollution on the growth of Calendula officinalis L and the effect of soil moisture on the bioaccumulation behavior of the seedlings.The results indicated that the emergence rate remained 45% or more under the contamination condition,the lead/cadmium in loess had a little effect on the biomass of Calendula officinalis L, and the growth process of seedlings could improve partly physical and chemical properties of contaminated loess.Compared with the CK,the root morphology of seedlings was significantly changed by SEM so that Calendula officinalis L can be applied to the combined stress of the heavy metals.Moreover,it was unfavorable to the absorption and bioaccumulation of Pb/Cd if the soil moisture were too low or too high,the root is the main organ for absorbing and accumulating cadmium,and the extraction ability of seedlings on cadmium was quite strong.

Key words:Calendula officinalis L； combined stress； growth； bioaccumulation behavior； heavy metal

中图分类号：X53

文献标志码：A

文章编号：1000-5811(2015)05-0030-04

作者简介:丁绍兰(1963-)，女，山西襄汾人，教授，博士生导师，研究方向：清洁生产与水污染防治

基金项目：教育部中国博士后科学基金项目(2012M511968)

收稿日期:*2015-06-21