普陀山苔草对铅锌的富集特性及生理响应研究

马建玲，黄金龙，朱雪梅*，邵继荣，文 雯，李志强，何 芳

（1.四川农业大学环境学院，成都 611130；2.崇州市街子镇人民政府，四川崇州 611242；3.四川农业大学生命科学学院，四川雅安 625014）

随着铅锌矿的开采、废水的排放、尾矿的堆积等，土壤遭受重金属铅污染的现象已十分严重[1]。铅也是环境中毒性最大，分布最广的有毒重金属之一[2]，易被积累和吸收，易滞留、难降解，不仅可以影响植物的生长，也可通过食物链的传递而影响人体的健康[3-4]。目前许多方法已有效地治理了铅污染的土壤，如固化稳定法、电渗析法、淋洗法、客土置换法等[5]，但它们治理费用高、且易造成二次污染[6]，而相比较，植物修复是一种花费少、适用性好、环境友好及绿色生态的治理方法[7]。

植物修复就是利用特殊植物（富集或者超富集植物）把重金属从土壤中转移到植物组织中，通过收割植物以达到修复的目的[8]，因此对富集或者超富集植物的鉴定、筛选和研究是关键[9-10]。而目前国际上已报道超富集植物有700多种，但对铅超富集植物的研究较少[11]，对铅富集植物的寻找及鉴定也显得更加急迫。现阶段国内外从莎草科（Cyperaceae）中去筛选培育铅富集植物的研究还甚少报道。

本课题组通过前期对四川省汉源县普陀山铅锌矿区的优势植物调查与筛选发现，普陀山苔草（Carex putuoshanensis sp.）是该矿区的优势植物，且在野外条件下，其地上部分和地下部分铅含量分别为 2 493.40、2 211.27 mg/kg，锌含量分别为 867.09、959.69 mg/kg，可以初步确定为铅富集植物[12]。为了进一步确定普陀山苔草对铅锌的富集特性，本研究通过砂培盆栽试验，研究普陀山苔草在不同浓度铅锌处理下，对铅锌的富集特性、生长状况及生理响应，以期筛选出一种新的铅锌富集植物，为铅锌污染土壤的植物修复提供新材料。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

普陀山铅锌矿区位于四川省雅安市汉源县境内，其地理坐标：东经 102°39′54″～102°41′56″，北纬29°24′35″～29°25′59″，平均海拔 2 050 m，年均气温14.5℃，年均降雨量741.8 mm，属北温带与季风带之间的山地亚热带气候区。该矿区已连续开采了20多年，矿区废矿渣体上植物种类繁多、生长良好。

1.2 供试材料

普陀山苔草采于四川省雅安市汉源县普陀山铅锌矿，采用地下根茎进行无性繁殖育苗。

1.3 试验设计

试验为二因素四水平随机区组试验，铅浓度分别设 0（P0）、200（P1）、400（P2）、600（P3）mg/L 4 个浓度水平，锌浓度分别设 0（Z0）、50（Z1）、125（Z2）、250（Z3）mg/L 4 个浓度水平，共组成 16（4×4）个处理组合，以P0Z0为空白对照（CK），每个处理重复3次。铅锌分别采用 Pb（CH3COO）2·3H2O 和 ZnSO4·7H2O。

将长出2片真叶、长势良好、大小一致的普陀山苔草幼苗移栽至塑料盆（盆直径13 cm，高12 cm）中进行砂培，每盆均匀栽3株，在四川农业大学大棚培养，植物培养90 d收获。培养期间，每隔7天浇一次Hoagland完全营养液（100 mL/盆），每隔2天浇一次去离子水（100 mL/盆），预培养14 d后再进行铅锌处理，每隔5天浇一次重金属溶液（100 mL/盆）。

1.4 指标测定与方法

处理90 d后，每个处理选取15株长势较一致的植株，先用自来水清洗，然后用去离子水反复冲洗，用游标卡尺测定植物的株高、根长；再将植物鲜重样于105℃下杀青30 min，80℃下烘干至恒重，称重测其生物量；用TTC法测定根系活力[13]。选取完全成熟的叶片，用丙酮-乙醇浸提法测定叶绿素含量[14]；用硫代巴比妥酸法测定丙二醛含量[15]；用相对电导率法测定叶片质膜透性[16]。

采用原子吸收光谱仪测定铅锌含量，富集系数为植物地上部分重金属含量与溶液中重金属含量的比值[17-18]；转运系数为植物地上部重金属含量与植物地下部重金属含量的比值[19]。

1.5 数据处理

采用统计分析软件SPSS 20.0和LSD法进行方差分析和差异显著性检验，利用Microsoft Excel 2010绘制相关图表。

2 结果与分析

2.1 铅锌处理对普陀山苔草生长的影响

由表1可见，铅锌单一处理下，普陀山苔草株高、根长、生物量均随铅浓度的增大而增加，且在铅浓度为600 mg/L（P3Z0）时，普陀山苔草的株高达到最大值，比对照（P0Z0）显著增加了52.91%，而随锌浓度的增大先增后降，且处理间差异显著（P＜0.05）。

铅锌交互处理下，在锌浓度为50 mg/L时，普陀山苔草株高、根长、生物量随铅浓度的增大而降低；而在锌浓度为125 mg/L时，其株高、根长、生物量则随铅浓度的增大而增加，且在铅浓度为600 mg/L、锌浓度为125 mg/L（P3Z2）时，植物根长、生物量达到最大值，比对照显著增加了99.25%、39.83%；在锌浓度为250 mg/L时，普陀山苔草株高、根长、生物量随铅浓度的增大先增后降，各处理普陀山苔草株高、根长和生物量均显著高于对照，且处理间差异显著（P＜0.05）。

表1 铅锌处理对普陀山苔草株高、根长、生物量的影响Table1 Effects of lead and zinc treatments on the growth of Carex putuoshanensis sp.

2.2 铅锌处理对普陀山苔草铅锌富集特性的影响

由图1和图2可见，铅锌单一处理下，普陀山苔草地上及地下部分铅锌含量均随铅锌浓度的增大而增加。

铅锌交互处理下，在锌浓度为50、125、250 mg/L时，普陀山苔草地上及地下部分铅含量均随铅浓度的增大而增加，且在铅浓度为600 mg/L，锌浓度为125、250 mg/L（P3Z2、P3Z3）时，普陀山苔草地上部分铅含量大于地下部分，其地上部分铅含量分别为3 299.92 、3 212.76 mg/kg，是对照（P0Z0）的 33.23、32.35 倍。在铅浓度为 200、400、600 mg/L时，普陀山苔草地上及地下部分锌含量均随锌浓度的增大而增加（除了P1Z3外），且地下部分锌含量大于地上部分，在铅浓度为600 mg/L、锌浓度为250 mg/L（P3Z3）时，植物地上地下部分锌含量均达到最大，分别是对照的5.42、5.65倍。各处理普陀山苔草地上及地下部分铅、锌含量均显著高于对照，且处理间差异显著（P＜0.05）。

由表2可见，铅锌处理下，普陀山苔草地上及地下部分铅、锌富集系数均大于1，铅锌单一处理下，普陀山苔草地上及地下部分铅锌富集系数均随铅锌浓度的增大而增加，且地下部分铅锌富集系数大于地上部分。铅锌交互处理下，在锌浓度为50、125 mg/L时，普陀山苔草地上及地下部分铅富集系数随铅浓度的增大而降低（除了P3Z2外），普陀山苔草地上部分锌富集系数随着铅浓度的增大而下降，而地下部分锌富集系数则先增后降；在锌浓度为250 mg/L时，普陀山苔草地上及地下部分铅锌富集系数均随铅浓度的增大而增加。

图1 铅锌处理下普陀山苔草的铅含量Figure1 Effects of lead and zinc treatments on the lead accumulation of Carex putuoshanensis sp.

图2 铅锌处理下普陀山苔草的锌含量Figure2 Effects of lead and zinc treatments on the zinc accumulation of Carex putuoshanensis sp.

铅锌处理下，普陀山苔草锌转运系数均小于1；除了P3Z2和P3Z3外，普陀山苔草铅转运系数均小于1，且在P3Z2和P3Z3处理下，其铅转运系数分别为1.16、1.31，这表明普陀山苔草具有较强的铅富集能力。

总之，当铅浓度为600 mg/L，锌浓度为125、250 mg/L（P3Z2、P3Z3）时，普陀山苔草达到了铅超富集植物的标准。此外，一定浓度锌的加入可显著增加普陀山苔草地上部分对铅的富集。

2.3 铅锌处理对普陀山苔草生理特性的影响

2.3.1 铅锌处理对普陀山苔草根系活力的影响

由图3可见，铅锌单一处理下，普陀山苔草的根系活力随铅浓度的增大而增加，其根系活力随锌浓度的增大先增后降。

铅锌交互处理下，在锌浓度为50 mg/L时，普陀山苔草的根系活力随铅浓度的增大而降低，与对照（P0Z0）相比，整体有所增加；在锌浓度为125 mg/L时，普陀山苔草的根系活力随着铅浓度的增大而增加，当铅浓度为600 mg/L、锌浓度为125 mg/L（P3Z2）时，普陀山苔草根系活力达到最大值，比对照显著增加了52.3%；在锌浓度为250 mg/L时，其根系活力随铅浓度的增大先增后降，且低于对照。各处理普陀山苔草根系活力高于对照，但处理间差异不显著。因此，一定浓度的铅锌交互可促进普陀山苔草的根系活力。

表2 铅锌处理下普陀山苔草的铅锌富集及转运系数Table2 Effects of lead and zinc treatments on the lead and zinc enrichment coefficients and translocation coefficients of Carex putuoshanensis sp.

图3 铅锌处理对普陀山苔草根系活力的影响Figure3 Effects of lead and zinc treatments on the root activity of Carex putuoshanensis sp.

2.3.2 铅锌处理对普陀山苔草叶绿素的影响

由表3可见，铅锌单一处理下，普陀山苔草的叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量均随铅浓度的增大而增加，在铅浓度为600 mg/L（P3Z0）时达到最大值，分别比对照（P0Z0）显著增加了27.27%、50.0%、34.90%；而随锌浓度的增大则先增后降。

铅锌交互处理下，在锌浓度为50 mg/L时，普陀山苔草叶绿素b和叶绿素a+b含量随铅浓度的增大而降低，叶绿素a的变化不显著；在锌浓度为125 mg/L时，普陀山苔草的叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量均随铅浓度的增大而增加；在锌浓度为250 mg/L时，植物叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量随铅浓度的增大先增后降，在铅浓度为600 mg/L、锌浓度为 250 mg/L（P3Z3）时，下降到最低。在锌浓度为50、125 mg/L铅锌交互处理下，各处理普陀山苔草叶绿素b和叶绿素a+b含量显著高于对照（P＜0.05），但处理间差异不显著。

表3 铅锌处理对普陀山苔草叶绿素含量的影响Table3 Effects of lead and zinc treatments on chlorophyll content of Carex putuoshanensis sp. mg·g-1

2.3.3 铅锌处理对普陀山苔草叶片质膜透性的影响

叶片相对电导率可以反映铅锌对叶片质膜透性的影响。由图4可见，铅锌单一处理下，随着铅锌浓度的增大，普陀山苔草叶片相对电导率显著增加（P＜0.05）。

铅锌交互处理下，在锌浓度为50 mg/L时，普陀山苔草叶片相对电导率随铅浓度的增大而缓慢增加；在锌浓度为125 mg/L时，其叶片相对电导率随着铅浓度的增大而缓慢降低；在锌浓度为250 mg/L时，植物叶片相对电导率随着铅浓度的增大先降后增，在铅浓度为600 mg/L、锌浓度为125 mg/L（P3Z2）时，普陀山苔草叶片相对电导率比铅浓度为600 mg/L（P3Z0）的处理降低了7.89%。铅锌处理下，普陀山苔草叶片相对电导率较对照均显著（P0Z0）增加（P＜0.05），但各处理间的差异不显著，而锌的加入则减缓了叶片相对电导率的变化趋势。

2.3.4 铅锌处理对普陀山苔草叶片丙二醛（MDA）的影响

由图5可见，铅锌单一处理下，普陀山苔草叶片MDA随着铅浓度的增大而缓慢增加；而普陀山苔草叶片MDA随锌浓度的增大先增后降。

铅锌交互处理下，在锌浓度为50 mg/L时，普陀山苔草叶片MDA随着铅浓度的增大而增加；在锌浓度为125、250 mg/L时，其叶片相对电导率随着铅浓度的增大则缓慢降低，在铅浓度为600 mg/L、锌浓度为125 mg/L（P3Z2）时，普陀山苔草叶片MDA降到最低值，比对照（P0Z0）降低了4.82%，铅锌处理下（除了P3Z2），叶片MDA较对照有所增加，且较对照无显著性差异。

图4 铅锌处理对普陀山苔草叶片相对电导率的影响Table4 Effects of lead and zinc treatments on the relative electric conductivities of Carex putuoshanensis sp.

图5 铅锌处理对普陀山苔草丙二醛含量的影响Table5 Effects of lead and zinc treatments on the MDA of Carex putuoshanensis sp.

3 讨论与结论

3.1 讨论

耐性植物对重金属具有高度耐受性，在污染的土壤中可完成正常的生长周期，这也是植物修复的关键[20-21]。研究表明，植物受重金属毒害会表现出一定的症状，如植物坏死、生物量降低、根系萎缩等[22]。如当铅浓度超过169 μmol/L时，柳树会出现萎黄病，且生物量严重降低[23]，而铅的耐性植物毛竹却可以正常生长，且可积累一定量的铅[24]。本研究发现，普陀山苔草在铅浓度为≤600 mg/L、锌浓度≤125 mg/L复合处理下，植物的株高、根长、生物量较对照显著增加，在铅浓度为600 mg/L、锌浓度为125 mg/L时，生物量达到最大值，是同处理下铅超富集植物垫状卷柏（Selaginella pulvinata）最大生物量的1.3倍[25]。因此，一定浓度的铅锌处理可促进普陀山苔草的生长。

耐性临界值是植物在正常生长状态下修复潜力的关键数据，植物耐性临界值有上限和下限，下限以生物量减少10%为标准，上限以生物量减少20%为标准[26]，富集及超富集植物是一种特殊耐性植物，根据J.M.Baker[27]的定义，铅锌超富集植物地上部分铅和锌含量分别大于1 000、10 000 mg/kg，且地上部分重金属含量大于地下部分及富集系数和转运系数均大于1。本研究发现，普陀山苔草在铅锌处理下，最低生物量减少了16.96%，同时积累了一定量的铅锌，这表明普陀山苔草具有较强的耐铅锌性，同时其富集系数均大于1，根据聂俊华等[28]的研究，普陀山苔草也是铅富集植物，而在铅浓度为 600 mg/L、锌浓度为 125 mg/L（P3Z2）和 250 mg/L（P3Z3）处理下，普陀山苔草地上及地下部分铅含量分别为 3 299.92、2 851.67 mg/kg，3 212.76、2 444.26 mg/kg，铅转运系数分别为1.16、1.31，达到了铅超富集植物的标准。因此，普陀山苔草具有耐铅锌性，也是一种铅富集植物。

重金属铅对植物的生理代谢会造成一定的影响，如影响酶活、增加膜透性、抑制矿质养分的运输及光合作用[29]。根系和叶片的是植物响应重金属和吸收运输养分的关键[30-31]，而叶绿素是光合作用中的关键色素[32]。本研究发现，铅浓度为≤600 mg/L、锌浓度≤125 mg/L复合处理可显著提高普陀山苔草的根系活力和促进叶绿素的合成，而当锌浓度为250 mg/L时，则具有抑制性，这可能是因为低浓度的铅锌促进了根系的生长素类物质吲哚乙酸（IAA）的合成，使IAA含量增加，进而提高了根系活力，增强了植物体对水分和营养元素的吸收，为叶绿素的合成提供了所需物质和能量，另一方面叶片细胞内游离的少量铅锌离子反而促进了叶绿素合成的关键酶[33]，致使叶绿素含量增加。植物在铅锌的刺激下，叶绿体会产生大量的活性氧，引起细胞膜脂过氧化的链式反应[34]，而MDA含量和相对电导率的变化可反映植物的受损程度[35]。本研究发现，低浓度的铅锌处理可提高普陀山苔草叶片相对电导率和MDA的含量，这可能与细胞内游离的铅锌离子的浓度及与膜蛋白的磷脂类物质反应的难易程度有关，此外，还与铅锌对渗透调节作用的影响有关；而锌的加入则减缓了苔草的受损程度，这可能由于锌离子的易转移性可适度减轻活性氧对细胞膜的伤害。这也从植物的生长代谢层面上进一步解释了普陀山苔草在铅锌胁迫下可保持正常生长和积累一定量的铅锌。

普陀山苔草在铅锌处理下可完成正常的生长周期，也可积累和富集一定量的铅锌，其主要是通过生理代谢的响应来完成这一过程的，也为其应用提供了先决条件，因此，可将其用于铅污染土壤的修复。

3.2 结论

①普陀山苔草在铅浓度≤600 mg/L、锌浓度≤125 mg/L的单一及交互处理下，植物的株高、根长、生物量显著增加；且在铅浓度为600 mg/L、锌浓度为125 mg/L时，生物量达到最大值，比对照显著增加了39.83%。

②普陀山苔草具有较高的铅锌富集能力，在铅浓度≤600 mg/L、锌浓度≤125 mg/L的单一及交互处理下，植物铅锌含量均随着处理浓度的增大而增加；在铅浓度为600 mg/L、锌浓度为125 mg/L和250 mg/L时，其地上部分铅含量分别为3 299.92、3 212.76 mg/kg，铅转运系数和富集系数均大于1，达到了铅超富集植物的标准。

③普陀山苔草在铅浓度≤600 mg/L、锌浓度≤125 mg/L的单一及交互处理下，其根系活力及叶绿素含量显著增加；植物叶片相对电导率和MDA含量也增加，而锌的加入可相对减缓其受损程度。

综上所述，锌浓度低于125 mg/L的协同作用可促进普陀山苔草的生长及生理代谢，因此普陀山苔草可以作为绿化植物应用于一定浓度的铅锌污染的土壤及铅锌矿区。此外，可以将其作为铅锌污染区的修复材料，另一方面可以进一步研究其富集机理，为后期铅超富集植物的探讨提供理论支持。