重金属铅胁迫下凤仙花幼苗及根际环境响应

吴恒梅，刘垠泽，申晓慧，秦冠羽，李秀霞，李春丰，姜 成,*

(1. 佳木斯大学 生命科学学院，黑龙江 佳木斯 154007；2.宜春学院生命科学与资源环境学院，江西 宜春336000；3. 佳木斯市质量技术监督检验检测中心，黑龙江 佳木斯 154007)

土壤重金属污染是世界各国面临的环境问题，引起了广泛的研究和关注[1-3]。铅是重金属污染中较严重且毒害性很强的元素，其流动性强、生物毒性大且易被植物吸收[4-7]，经植物茎秆和果实传入动物和人类体内，最终影响人类的健康[8-10]。铅并非植物生长所必需的金属微量元素，且对土壤及植物的生长有毒害作用[11]。铅污染会导致根系不能对营养物质进行正常的吸收和代谢，其原因在于受重金属铅的影响，土壤酸碱度发生改变，土壤微生物活性降低，土壤酶活性随之降低[12]，影响土壤氮素供应的有效性[13-15]。铅胁迫会降低细胞的有丝分裂速度，从而导致植物生长缓慢；其在高浓度胁迫下会影响种子的出苗率、根长及鲜重，甚至出现根组织坏死等[4]。

凤仙花(ImpatiensbalsaminaL.)又名指甲花，生存力强，适应性好，对外界胁迫有很强的耐性[16]。徐玲玲等探讨了不同浓度镉胁迫下凤仙花种子萌发及幼苗叶绿素、丙二醛含量及抗氧化酶活性的变化，表明低镉浓度(≤50 mg·L-1)促进种子萌发和叶绿素的合成，丙二醛含量和抗氧化酶活性随镉浓度升高呈现先上升后下降的趋势[17]；姜成等的研究表明低浓度胁迫下(Pb-Cd浓度低于750～40 mg·L-1时)，对凤仙花根的损伤比孔雀草和矮翠菊轻，说明凤仙花对Pb-Cd胁迫抗性要高于孔雀草和矮翠菊[18]，凤仙花作为修复受重金属铅镉污染土壤具有一定的应用潜力。本试验选取凤仙花为供试植物，研究重金属铅胁迫下凤仙花幼苗生长及根际土壤酶活性和碱解氮的响应，对重金属铅污染根际微环境进行分析评价，为重金属污染防治和土壤修复提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试植物为凤仙花，凤仙花种子由佳木斯大学科技园提供。供试土壤取自于佳木斯大学花坛，土壤pH6.7，有机质含量为2.45%，全氮、全磷和全钾含量分别为0.16%、0.15%和3.24%，土壤Pb背景值为0.25 mg·kg-1。主要试剂：硝酸铅、氯化钾、氢氧化钾、苯二甲酸氢钾、磷酸二氢钾、磷酸氢二钠、氢氧化钠、甲基红、溴甲酚绿、酒精、硼酸、硫酸、丙三醇、过氧化氢、高锰酸钾、焦性没食子酸、柠檬酸、蔗糖、葡萄糖、酒石酸钾钠、3,5-二硝基水杨酸、苯酚。

1.2 试验方法

采用盆栽试验方法，选取大小适中的花盆(规格：口径×底径×高度为180 mm×125 mm×150 mm)，每个花盆中分别加入风干土壤500 g。将配置好的硝酸铅溶液(Pb2+浓度为2 000 mg·L-1)浇入土中，各处理分别浇入蒸馏水和硝酸铅溶液49.9、99.9、149.9、199.9、249.9、299.9、349.9 mL，使花盆中土壤重金属铅浓度分别为0.25(CK)、200、400、600、800、1000、1200、1400 mg·kg-1。准备凤仙花种子若干，水培凤仙花种子至露白，播50粒种子至花盆中，覆土约1 cm。每个处理播种3盆，放于室内光照培养架上培养，温度25℃，相对湿度60%，光照强度1.4×104lx，每天光照8 h(8:00-16:00)。出苗后每盆留20株幼苗，培养15～20 d左右取样测定。将每盆中的20株凤仙花幼苗全部取出，取样时将幼苗连根挖出，收集抖落根系表面土壤作为根际土壤，将根用清水洗净，并用滤纸吸干待测植株根茎部水分。

1.3 指标测定

对供试凤仙花植株出苗率、株高、根长、根冠比进行测量。对每盆中所有20株幼苗分别称量地上部和地下部鲜重。土壤过氧化氢酶活性测定采用高锰酸钾滴定法[19]，土壤多酚氧化酶活性测定采用分光光度法[20]，土壤蔗糖酶活性测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法[21]。土壤pH值测定采用电位测定法[22]，碱解氮测定采用碱解扩散法[23]。

1.4 数据分析

采用SPSS18.0软件进行数据统计分析，再根据Duncan法进行多重比较，分析差异显著性。

2 结果与分析

2.1 铅胁迫下凤仙花生长的响应

由表1可知，土壤重金属铅浓度低于400 mg·kg-1时，凤仙花出苗率和苗高与CK相比差异不显著，随土壤重金属铅浓度逐渐升高，出苗率明显下降。当重金属铅浓度为200 mg·kg-1时，根长、根冠比的变化不显著，随着铅浓度的升高，根长受到抑制作用，根冠比逐渐减小。

表1 铅胁迫下凤仙花生长的响应Table 1 Response of impatiens growth under heavy metal Pb stress

2.2 铅胁迫下凤仙花根际土壤过氧化氢酶活性的响应

由图1可知，随重金属铅浓度不断升高，凤仙花根际土壤过氧化氢酶活性出现稳定缓慢升高趋势，在铅浓度为600 mg·kg-1时达到最大值，当铅在土壤中处于高浓度(800 mg·kg-1)后，呈现较快下降趋势。说明凤仙花对重金属铅胁迫具有一定的抗性，从过氧化氢酶活性表现衡量其抗性浓度为600 mg·kg-1。

图1 铅胁迫下凤仙花根际土壤过氧化氢酶活的响应Fig. 1 Response of soil catalase activity under Pb stress

2.3 铅胁迫下凤仙花根际土壤多酚氧化酶活性的响应

结果表明，重金属铅处于低浓度时，多酚氧化酶活性呈较缓趋势稳定上升，在600 mg·kg-1出现峰值，之后随着重金属铅浓度继续升高，土壤多酚氧化酶活性呈下降趋势(图2)。

图2 铅胁迫下凤仙花根际土壤对多酚氧化酶活的响应Fig. 2 Response of soil polyphenol oxidase activity under Pb stress

2.4 铅胁迫下凤仙花根际土壤蔗糖酶活性的响应

由图3可见，重金属铅在土壤中处于低浓度状态时，土壤中蔗糖酶活性逐渐升高；当铅浓度为600 mg·kg-1时，土壤蔗糖酶活性达到最大值；当铅含量继续升高时，土壤蔗糖酶活性受到抑制作用，可见重金属铅胁迫下凤仙花根系土壤蔗糖酶活性表现为先上升后下降的趋势。

图3 重金属铅胁迫下凤仙花根际土壤蔗糖酶活性的响应Fig. 3 Response of soil invertase activity under Pb stress

2.5 铅胁迫下凤仙花根际土壤pH的响应

铅胁迫下凤仙花根际土壤酸碱度的响应见图4。土壤中铅处于低浓度状态时，随铅浓度逐渐上升，pH值呈上升趋势。当铅浓度为600 mg·kg-1时，pH值最大，当铅浓度高于800 mg·kg-1时，pH值随铅浓度的上升呈下降趋势。说明在低浓度铅胁迫下，根际土壤pH值呈现弱酸性，在高浓度铅胁迫下根际土壤酸性增强。

图4 重金属铅胁迫下凤仙花根际土壤酸碱度的响应Fig. 4 Response of soil pH under Pb stress

2.6 铅胁迫下凤仙花根际土壤碱解氮的响应

图5表明，当凤仙花根际土壤中铅在低浓度(0～600 mg·kg-1)时，土壤碱解氮含量呈现增高趋势，当铅含量高于800 mg·kg-1时，土壤碱解氮含量显著降低。说明重金属铅胁迫下凤仙花根际土壤碱解氮呈现先增后降的趋势。

图5 重金属铅胁迫下凤仙花根际土壤碱解氮的响应Fig. 5 Response of soil alkaline nitrogen under Pb stress

3 讨 论

3.1 铅胁迫下凤仙花生长的响应

植株幼苗的生长状况直接反映了受重金属胁迫的程度，一般表现为低促髙抑的现象[17]。范志强等的研究表明，在铅浓度较低时(50～100 mg·L-1)，波斯菊根长和苗高随浓度的升高而增加，之后随着铅浓度升高，根长和苗高降低[24]。本试验中凤仙花幼苗根长和苗高随铅浓度增加呈现减小趋势，但在铅浓度为400 mg·kg-1时，与对照相比，苗高未存在显著差异；根长在铅浓度为200 mg·kg-1时，未与对照存在显著差异，说明凤仙花根部受铅胁迫的抑制作用高于地上部。可能由于根系首先接触土壤中的铅，铅对幼苗主根发育及根毛产生伤害，使根对水分和矿物质营养的吸收能力减弱，进而影响了凤仙花地上部的正常生长发育。

3.2 铅胁迫下凤仙花根际土壤过氧化氢酶活性的响应

土壤过氧化氢酶能够促进土壤中过氧化氢的分解，防止它对植株产生毒害作用。高秀丽等[25]对重金属积累对土壤酶活性的影响进行了研究，结果表明过氧化氢酶活性与铅的含量呈负相关性，即过氧化氢酶活随重金属铅浓度的增加而降低。本试验在高浓度铅处理时得到相似结果，但低浓度铅处理条件下，表现为过氧化氢酶活性呈上升趋势，表明凤仙花的生长能够对其根际微环境起到调节作用，进而增强了凤仙花对重金属铅的耐受性。但其耐受能力也受到重金属铅浓度的影响，当铅浓度高于800 mg·kg-1时，耐受能力逐渐下降。

3.3 铅胁迫下凤仙花根际土壤蔗糖酶活性的响应

土壤蔗糖酶对土壤中添加的易溶性营养物质起重要的作用，可将蔗糖水解为容易被植物吸收利用的果糖和葡萄糖。杨波等[26]的研究表明：土壤蔗糖酶活性与铅呈正相关关系，即重金属铅对蔗糖酶具有激活作用。本试验研究中，低浓度铅胁迫下，凤仙花根际土壤中蔗糖酶活性略有上升趋势，但随重金属铅浓度逐渐增大，土壤中蔗糖酶活性明显受到抑制。这可能是高浓度的重金属铅超出了凤仙花的耐受能力，导致其蔗糖酶活性的下降。

3.4 铅胁迫下凤仙花根际土壤多酚氧化酶活性的响应

多酚氧化酶是一种土壤微生物、植物根系分泌物及动植物残体分解释放的复合酶[19]。它能把土壤的芳香族化合物转化为矿物、糖类等有机质，使芳香族化合物在土壤中得到充分循环[27]。本试验中低浓度铅胁迫下，凤仙花根际土壤多酚氧化酶活性具有升高趋势，但随重金属铅浓度逐渐增高，多酚氧化酶活性明显受到抑制。程东祥[28]等的研究也得到类似的结果，但其铅的抑制浓度为1000 mg·kg-1，高于本研究的800 mg·kg-1。这可能由于其试验是在重金属复合污染条件下进行，不同重金属之间发生相互作用，从而改变了酶活对铅响应机制。

3.5 铅胁迫下凤仙花根际土壤碱解氮的响应

土壤中碱解氮与土壤中有机质含量、熟化程度成正比。碱解氮含量作为植物氮素营养较无机氮有更好的相关性，所以常将它作为土壤氮素有效性的指标[29-30]。本试验中重金属铅以低浓度形式胁迫凤仙花时，根际土壤碱解氮含量呈缓慢上升趋势，表明在低浓度铅处理下，凤仙花对铅胁迫具有一定的耐性。其根系在从土壤中吸收水分、养分的同时，也向土壤中分泌质子、离子和有机物，这些物质改变了根际微环境的物理和化学性质，为根际土壤微生物提供了适宜的生长条件，而根际中的有益微生物在增加土壤肥力、促进有机质的增加等方面发挥着积极的促进作用。但当重金属铅达到较高浓度时碱解氮含量则受到明显抑制，呈下降趋势。说明在高浓度重金属铅胁迫影响下，土壤中有机质含量下降，熟化程度随之下降，凤仙花得不到充分的营养，导致凤仙花生长发育不良[18,31]。

4 结 论

铅胁迫对凤仙花出苗和生长表现为抑制作用，根受铅的抑制作用大于地上部；凤仙花根际土壤中过氧化氢酶活性、蔗糖酶活性、多酚氧化酶活性随铅浓度的升高呈现低浓度升高和高浓度下降趋势，临界浓度为600 mg·kg-1；铅胁迫下凤仙花根际土壤pH值响应表现为其酸性先缓慢减弱，而后逐渐增强，变化明显且速度较快；凤仙花根际土壤碱解氮呈现先缓慢上升后逐渐下降的趋势。综上所述，凤仙花对重金属铅胁迫具有一定的抗性，其抗性浓度为600 mg·kg-1，在重金属铅污染土壤修复应用中具有较大潜力，可以作为候选修复植物在实际铅污染土壤中进一步深入研究。