3-吲哚乙酸对植物修复重金属污染土壤的增效作用

戚琳 宋修超 沈新 陈雅静 张瑞敏 关莹

摘要：为探究植物在外源3-吲哚乙酸（IAA）作用下对重金属[铜（Cu）、铅（Pb）、锌（Zn）、镉（Cd）]污染土壤的修复效果，以江苏省某重金属复合污染区土壤为对象，通过盆栽种植紫花苜蓿和黑麦草2种先锋植物，研究3-吲哚乙酸对植物修复重金属污染土壤效果的影响。结果表明：IAA可促进植物在重金属污染的土壤中生长，紫花苜蓿和黑麦草株高、根长和生物量均比不添加IAA的处理显著高;相比于对照，各处理土壤重金属含量降低，其中IAA处理下黑麦草土壤Cu、Zn、Cd含量最低，IAA处理下紫花苜蓿土壤Pb含量最低;IAA作用下土壤重金属去除率和植物体内重金属含量提高，2种植物对4种重金属的生物富集系数（BCF）提高，但紫花苜蓿中Pb和Zn转运系数（TF）降低，黑麦草中Cu和Zn的TF不受IAA影响。综合分析，植物激素IAA可促进植物生长，对植物修复土壤重金属污染具有增效作用。

关键词：3-吲哚乙酸;植物修复;重金属;去除率;富集系数;转运系数

中图分类号： X53文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）04-0193-05

收稿日期：2021-05-14

基金项目：江苏开放大学（江苏城市职业学院）“十三五”科研规划课题（编号：18SSW-ZR-Y-17）;江苏省大学生创新创业训练计划（编号：202014000008Y）;江苏省环境工程重点实验室开放基金（编号：HX2017005）。

作者簡介：戚 琳（1987—），女，山西临汾人，硕士，实验师，主要从事环境生态学及土壤修复相关研究。E-mail：qlkatrina@163.com。

通信作者：宋修超，博士，助理研究员，主要从事农业废弃物肥料化与基质化利用相关研究。E-mail：xiuchao103@163.com。

土壤是动植物和微生物的主要栖息场所，同时是各种污染物的最终归宿[1]。土壤污染具有隐蔽性、滞后性、累积性和不可逆转性等特点，导致其治理难度大、耗时长、恢复代价大[2]。作为典型的无机污染物，重金属毒性强，进入土壤后难降解，能与土壤有机质或矿物质相结合并长期留存于土壤中，最终在土壤中不断积累[3]，同时通过食物链的富集作用危及人类健康，引发生态风险[4-5]。

植物修复（phytoremediation）是利用植物及其根际微生物群落的理化或生物过程来吸收、转化、降解、挥发或固定土壤污染物的一种原位生物修复技术[6-7]。相较于传统理化修复方法，植物修复成本低，对环境破坏小、扰动少[8]。然而，大多数超积累植物（hyperaccumulator）适生范围窄、根系浅、生长慢，无法达到快速处理复合污染土壤的目的[9]。因此，植物修复的关键在于促进植物体根部生物量的增加，保证植物在污染土壤中定植并发挥作用。

植物激素3-吲哚乙酸（IAA）是植物体内合成的、调控植物生长发育的微量有机物质，能促进植物细胞伸长、分裂和分化生长，提高植物抗逆性、促进植物根系发育和叶片生物量的增加，对植物的生长发育和生理生化有着重要影响[10-11]。IAA用于促进植物生长已具有一定的研究基础[12]，但应用于强化植物修复土壤重金属的报道较少。因此，本研究选取江苏省典型重金属复合污染土壤，筛选先锋植物紫花苜蓿和黑麦草，利用盆栽试验，将IAA应用于土壤重金属污染的植物修复领域，结合3-吲哚乙酸与植物产生的协同效应，以期为重金属污染土壤的植物修复中引入植物激素提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）和黑麦草（Lolium perenne L.）种子购自河北景天种业有限公司;吲哚乙酸购于杭州茉钡特生物科技有限公司。

供试土壤取自苏北地区某重金属复合污染区，土壤pH值6.5，有机质含量17.3 g/kg，铜（Cu）含量73.4 mg/kg，铅（Pb）含量105 mg/kg，锌（Zn）含量298.6 mg/kg，镉（Cd）含量1.1 mg/kg。使用前风干、磨细并过20目筛，称取5 kg土壤于塑料盆钵中待用。取饱满的种子用10%H2O2消毒，无菌水反复冲洗干净后，均匀铺在培养皿上并覆盖湿润纱布，置于28 ℃培养箱。3～4 d后挑选长势健壮一致的幼苗转移至盆钵，移栽10株/盆，土壤水分含量调节至最大田间持水量的60%左右。IAA用乙醇溶解，加蒸馏水配制成10 mg/L溶液备用。

1.2 试验设计

本试验于2020年9—10月在江苏城市职业学院屋顶花园进行，共设置5个处理：既不种植物也不添加IAA（CK）、种植紫花苜蓿（P1）、种植紫花苜蓿并添加IAA（P1+I）、种植黑麦草（P2）、种植黑麦草并添加IAA（P2+I），每个处理重复3次，试验周期60 d。添加IAA的处理分别于试验10、30、50 d灌根施用，以防止IAA光解。试验结束采集土壤和植物样品：以土钻随机采8个点/盆，混合均匀装入干净的自封袋中;随机选取5棵/盆整株植株，作为1个植株样品放入信封保存。

1.3 分析方法

1.3.1 紫花苜蓿和黑麦草株高及生物量测定

紫花苜蓿和黑麦草植株用蒸馏水充分洗净，测定其株高及根长;植株于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘至恒质量，植株地上部及地下部分别称质量。

1.3.2 土壤及植物中重金属含量测定

植株样品用粉碎机磨碎过80目尼龙筛，土壤样品自然风干，研磨过100目尼龙筛，用HNO3-HClO4消解植物样，HCl-HNO3-HClO4消解土样[13]，通过7500A 型Aligent电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定植物和土壤中的Cu、Zn、Cd、Pb含量。

1.3.3 富集系数和转运系数

富集系数BCF=Cp/C0，式中：Cp代表植物体内重金属含量，mg/kg;C0为土壤重金属的初始含量（1.1节），mg/kg。

转运系数TF=Ca/Cu，式中：Ca代表植物地上部重金属含量，mg/kg;Cu代表地下部重金属含量，mg/kg。

1.4 数据分析

数据经Excel 2010整理，SPSS 19.0统计软件进行单因素方差分析（One-Way ANOVA）和多重比较（LSD）检验处理间的差异以及试验数据的统计，设显著性水平α=0.05。

2 结果与分析

2.1 IAA对植物生长的影响

如图1所示，添加IAA可促进植物生长，使其株高和根长均显著高于不添加IAA的处理（P<0.05）。仅种植紫花苜蓿的P1处理、仅种植黑麦草的P2处理植株株高分别为17.29、14.95 cm，在IAA作用下分别增加30.0%、29.8%，而IAA作用下紫花苜蓿和黑麦草根长分别比不添加IAA的植株增加32.6%和43.0%。

如图2所示，IAA处理下紫花苜蓿和黑麦草植株生物量均有所增加，且显著高于不添加IAA的处理。其中，P1+I处理地上部生物量最大，达到 1.14 g/株，P2+I地下部生物量最大，达到0.70 g/株。

2.2 IAA对土壤重金属的影响

由图3可知，所有种植植物的处理土壤重金属含量均低于CK，不同处理对土壤Cu、Zn和Cd的去除率表现为CK<P1<P2<P1+I<P2+I。在IAA作用下，种植黑麦草的土壤中Cu、Zn、Cd含量最低，分别为37.49、192.16、0.96 mg/kg。土壤Pb的去除率表现为CK<P2<P1<P2+I<P1+I，IAA处理下紫花苜蓿土壤Pb含量最低，为64.30 mg/kg。

2.3 IAA对植物体内重金属含量的影响

由表1可知，2种植物地上部和地下部均可检测出重金属，且各处理地下部的重金属含量高于地上部。所有添加IAA处理的植物地上部和地下部重金属含量均高于仅种植植物的处理，其中P1+I处理地上部和地下部Pb、Zn和Cd含量最高，P2+I处理地上部和地下部Cu含量最高，说明外源添加IAA可促进紫花苜蓿对Pb、Zn和Cd的吸附以及黑麦草对土壤Cu的吸附。

由表2可知，相比于仅种植植物的处理，添加IAA可提高4种重金属的生物富集系数（BCF），且P2+I处理Cu的BCF最大，为1.29，显著高于其他3个处理;P1+I处理Pb、Zn和Cd的BCF最大，分别为1.12、2.26和1.34，显著高于其他3个处理（P<0.05），说明IAA可促进植物对土壤重金属的富集吸收。添加IAA对重金属在植物体内的转运系数（TF）影响随植物种类和重金属种类的不同而变化，Cu最大的TF是P2和P2+I处理，为0.20;而Pb、Zn和Cd最大的TF分别为P2+I、P1和 P1+I 处理，分别为0.66、0.65和0.52。紫花苜蓿添加IAA降低了Pb和Zn的TF，而黑麦草添加IAA对Cu和Zn的TF无影响。

3 讨论

重金属胁迫下植物生长会受抑制，而外源IAA使植株株高、根长和生物量增加，这是由于低浓度植物激素对植物生长发育产生调节作用，能够促进细胞分裂、刺激细胞伸长，在器官和整株水平对植物生长起促进作用[14]。在本研究中，IAA可促进紫花苜蓿和黑麦草生长，显著提高植株株高、根长和生物量。周建民等研究发现，IAA能促进植物根系伸长，增加植株高度，促进植物的生长发育，增加地上部生物量[15];López等认为，IAA能够促进植物细胞分裂和分化，增强植物根系生长，促进植物对土壤营养物質和污染物质的吸收[16]。

紫花苜蓿和黑麦草在生长过程中，根系在土壤中迅速扩展，可为重金属提供充足的吸附点，有利于植物对重金属的吸收提取，使土壤中重金属含量降低、去除率升高。而外源IAA促进了植物在污染土壤中的生长，尤其是对根系生长的促进，使植物得以在污染土壤中定植并发挥修复作用。本研究发现，IAA可显著提高2种植物体内的重金属含量，同时，种植紫花苜蓿的土壤中4种重金属和种植黑麦草的土壤中Zn、Cd含量显著降低。Li等连续3年种植景天属植物，研究植物提取修复对土壤重金属的影响，发现土壤全量Cd、Zn含量显著低于对照组[17]。吴东墨等研究了吲哚乙酸和激动素配合施用对蜈蚣草提取土壤砷效率的影响，发现2种激素有助于总As含量显著降低，但对土壤有效态As含量无显著影响[18]。向言词等研究发现，单独施用IAA或吲哚乙酸-水杨酸（IAA-SA）联合处理可有效缓解铅对芥菜型油菜生长的抑制效应，并显著增加芥菜型油菜体内铅含量[19]。赵书晗等用20 mg/L IAA处理2种不同砷富集能力植物，发现IAA可使植物既保持正常生长又超量富集砷，植物生物量和叶片砷含量均显著增加[20]。Fssler等发现，低浓度IAA处理可有效促进向日葵生长，同时叶片中铅和锌含量显著提高[21]。

富集系数指植物体内某重金属的含量与植物生长土壤中该重金属含量的比值，用于评价植物将重金属吸收转移到其体内的能力[22]。在本研究中，2种植物在IAA的作用下对重金属的富集能力显著提高，这是由于IAA可有效缓解重金属对植物的毒害，在促进植物生长的同时提高植物对重金属的耐受性和吸收提取能力[15，23]。相比之下，黑麦草对Cu的富集能力更强，而紫花苜蓿对Pb、Zn、Cd的富集能力更强。转运系数（TF）指植物体内地上部重金属与地下部重金属含量的比值，用于评价植物根部向地上部转运重金属的能力[13]。Hadi等用吲哚乙酸喷施玉米叶片后发现，植物生长受到促进、生物量显著增加，玉米对铅的吸收和转运能力也显著增强[24]。在本研究中，IAA能显著提高紫花苜蓿对Cu和Cd以及黑麦草对Pb和Cd向地上部转运的能力，对紫花苜蓿转运Pb和Zn的能力反而起到抑制作用，这与郗厚叶等的研究结果[25]一致，推测是由于外源IAA作用下，紫花苜蓿根部对Pb和Zn积累量远高于地上部，导致转运系数低于不添加IAA的处理。

4 结论

相比于仅种植植物的处理，外源3-吲哚乙酸可促进紫花苜蓿和黑麦草生长，显著提高植株株高、根长和生物量，对紫花苜蓿地上部生物量的影响更明显，而黑麦草则表现为地下部影响更明显。IAA作用下，土壤中重金属的去除率和植物体内重金属含量提高，紫花苜蓿和黑麦草对4种重金属（Cu、Pb、Zn和Cd）的生物富集系数（BCF）显著提高，但紫花苜蓿中Pb和Zn转运系数（TF）降低，黑麦草中Cu和Zn的TF不受IAA影响。综合分析，外源添加植物激素IAA可强化土壤重金属的植物修复效果。

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