苹果酸和草酸对铅镉胁迫下刺槐生长及离子富集特性的影响

熊鹏辉 周 建 ，2*

（1河南科技学院园艺园林学院，河南新乡 453003；2河南省园艺植物资源利用与种质创新工程研究中心，河南新乡 453003）

随着工业化、现代化进程的推进，重金属污染土壤在世界范围内已发展成为突出的环境问题，是造成世界污染的主要因素之一[1]。河南省是我国最大的铅生产省份，拥有15家铅冶炼企业[2]，铅生产量占全国铅生产总量的1/3[3]，其污染主要来源于工业铅冶炼。铅冶炼厂的污染物通过大气沉降、污水排放等途径进入土壤，形成严重的重金属污染，尤其铅镉混合污染最为显著[3-4]。植物根部从污染土壤中富集有效态的重金属，重金属积累在植株体内[5]，影响植物的生长发育。此外，重金属进入食物链后，会转移到人或动物体内，并且一直在人和动物体内积累，严重危害人和动物的生长发育[6]，甚至会引起一些疾病，如水俣病、血铅等。

目前，在世界各国的研究中，重金属污染土壤修复方法主要包括物理方法、化学方法和生物方法[7]。甘信宏等[8]利用磺化石墨烯（SGO）去除土壤中的镉离子，去除率近50%。可见，物理方法具有较好的修复效果，但是修复成本高，且无法大面积使用。化学方法修复成本也比较高，易造成二次污染，因而其应用受到一定限制。植物修复为原位修复，不需要投入过多人力、物力和财力，并且不会对环境造成污染，成为新的发展趋势。魏树和等[9]发现，龙葵是一种镉超积累植物，能够有效吸收土壤中的镉离子，且植株生长未受到抑制。Ye等[10]、Guo等[11]研究结果都表明，植物修复的应用价值较高。

螯合剂是一种含有2个或2个以上配位原子，能够和金属原子或离子产生配体作用，生成具有环状结构的螯合物的配体物质[12]。将螯合剂加入重金属污染土壤中，螯合剂和重金属之间会发生螯合作用，改变重金属在污染土壤中的活性和存在形态，诱导强化植物修复，有利于植株更好地吸收，从而提高植物修复效果[13-14]。王静雯等[15]研究发现，乙二胺四乙酸（EDTA）能够促进鱼腥草对铅、锌的吸收，同时能促进金属离子在鱼腥草体内转运。刘 金等[16]研究发现，EDTA能促进苎麻吸收土壤中铅离子，但会造成苎麻生物量降低。目前，EDTA的应用范围最广，但其降解缓慢，易造成二次污染[17]。小分子有机酸类螯合剂是与EDTA不同的天然螯合剂，在合适浓度下，对植株吸收重金属具有一定促进作用。马 叶等[18]研究证明，天然螯合剂有机酸能够提高植物修复效果。因此，天然螯合剂对于重金属污染地区的土壤养护修复具有很强的应用发展潜力。

刺槐（Robinia pseudoacacia）是豆科刺槐属落叶乔木，是一种生长良好的树种[19]，具有耐旱涝、耐贫瘠、耐盐碱、易繁殖、生长快、固氮等优良特性[20-22]。刺槐的优良特性明显，适应性强，绿化效果好。在植物修复重金属污染土壤方面，刺槐是一种较好的生态修复树种[23]。

本试验以刺槐为研究对象，通过添加天然螯合剂苹果酸（malic acid，MA）、草酸（oxalic acid，OA），探究在铅镉胁迫下二者对刺槐的生长与离子富集特性的调控，以期为强化刺槐在铅镉污染土壤修复中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

刺槐种子来自山西运城，于3℃条件下贮藏。

1.2 试验方法

在前期工作的基础上，取普通园土、基质和腐叶土按照2∶2∶1的比例进行混合，再加入定量硝酸铅、氯化镉充分混匀，使土壤中铅、镉浓度分别为600、20 mg/kg。试验设7个土壤处理，分别为加入苹果酸0.5 mmol/kg（A）、5.0 mmol/kg（B）、10.0 mmol/kg（C），加草酸 2.0 mmol/kg（D）、4.0 mmol/kg（E）、8.0 mmol/kg（F），空白对照（CK）。将土壤置于7个穴盘中，每个穴盘6个穴孔，每个穴孔播种3粒。选择籽粒均匀的刺槐种子，在45℃温水中连续浸泡48 h，随后用湿毛巾覆盖催芽。待30%的种子露白之后，播种到穴盘中，根尖向下；然后覆盖0.5～1.0 cm的土层，并用手轻轻按压，再充分浇水。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 生长情况。待种子出苗后40 d，从每个处理中选择具有代表性的植株，用游标卡尺测量幼苗的株高、地径，5次重复。之后将测量过的幼苗从土壤中取出，用纯净水清洗干净，将地上部与地下部分离，再放入烘箱中，80℃恒温处理10 h至恒重。用电子天平称量幼苗的地上部和地下部干重，并记录数据，3次重复。

1.3.2 铅镉离子含量。取烘干的幼苗组织（0.1～0.2 g）置于研钵中研磨，研磨成粉末状后倒入消解罐中，之后加入浓硝酸10 mL和过氧化氢2 mL，放入微波消解炉（165℃，35 min，5 W）中，消解至液体为无色澄清透明。将消解液转移至50 mL的聚四氯乙烯烧杯中，放于175℃电热板上赶酸，直至呈黏稠状、黄豆粒大小。随后将消解液转移至10 mL的容量瓶中，用0.2%硝酸溶液定容。采用原子吸收光度法测定铅离子含量，利用电感耦合等离子体发射光谱仪进行镉离子的全量分析，3次重复。

1.3.3 铅镉离子转运率。离子转运是指植株体内的重金属被植株从地下部分转运到地上部分。计算公式如下：

离子转运率（%）=上部位置离子含量/下部位置离子含量×100

1.4 数据处理与分析

利用Excel 2014软件对数据进行分析和作图，并用SPSS 21.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 螯合剂对刺槐铅镉胁迫植株生长特性的调控

由图1可知，2种天然螯合剂对铅镉胁迫下刺槐株高生长有一定抑制作用，但绝大部分差异不显著（P＞0.05）。随着MA浓度的增加，刺槐株高呈上升趋势，其中MA 0.5 mmol/kg处理抑制效果最明显，较CK 显著降低20.41%（P＜0.05）。 OA 8.0 mmol/kg处理对刺槐植株的抑制效果最大，较CK降低13.08%（P＞0.05）。

图1 不同处理对铅镉胁迫下刺槐植株株高的影响

由图2可知，MA、OA对植株地径影响不显著（P＞0.05）。其中：OA 4.0 mmol/kg处理对刺槐地径促进最明显，较CK高9.87%；MA 0.5 mmol/kg和OA 2.0、8.0 mmol/kg处理均对刺槐地径有抑制，分别较CK降低0.66%、4.61%、3.94%。

图2 不同处理对铅镉胁迫下刺槐植株地径的影响

由图3可知，不同浓度MA、OA处理刺槐地上部质量均受到显著抑制（P＜0.05）。其中，MA 0.5 mmol/kg处理对刺槐地上部质量抑制效果最明显，较CK降低42.86%（P＜0.05）。不同处理植株地下部干重不同，OA 4.0 mmol/kg处理促进植物地下部生物量积累，但与对照差异不显著（P＞0.05），较CK高6.12%；其余处理均抑制植物地下部生物量积累，抑制效果显著（P＜0.05），其中 MA 5.0 mmol/kg 处理的抑制效果最显著，较CK低44.87%。从OA处理组来看，随着OA浓度的不断增加，刺槐生物量有一个先增加后减小的变化过程。当OA浓度为4.0 mmol/kg时，刺槐生物量值达到最大，为 0.33 g，较 CK 低 10.81%（P＜0.05）。在MA处理组中，随着MA浓度的增加，刺槐生物量呈上升趋势。

图3 不同处理对铅镉胁迫下刺槐植株干重的影响

2.2 螯合剂对刺槐铅镉胁迫植株离子富集的调控

由图4可知，在土壤中加入不同浓度的MA、OA后，绝大部分植株地上部细胞器的铅离子浓度降低，受到抑制，但其抑制效果不显著（P＞0.05），其中MA 0.5 mmol/kg处理抑制效果最明显，较CK低46.42%；仅OA8.0mmol/kg处理有促进作用，较CK高13.10%。随着OA浓度的增加，刺槐地上部细胞器镉离子浓度呈先降低后增高的趋势，其中OA 4.0 mmol/kg抑制效果最明显，较CK低85.82%。

图4 不同处理对铅镉胁迫下刺槐植株地上部分铅、镉离子含量的影响

由图5可知，不同浓度的MA处理对刺槐植株地下部细胞器中的铅离子富集有促进作用，其中MA 0.5 mmol/kg处理促进效果最明显，较CK高96.57%。随着OA浓度的增加，刺槐地下部细胞器的铅离子浓度有增加趋势，其中OA 2.0 mmol/kg处理有抑制作用，OA 4.0、8.0 mmol/kg处理均有促进作用，分别为CK的81.05%、169.16%、232.20%，前者作用效果不显著（P＞0.05），后者作用效果显著（P＜0.05）。由图 5可知，不同处理对植株地下部细胞器的镉离子富集均有促进作用，但效果不显著（P＞0.05），其中OA 4.0mmol/kg处理的促进效果最明显，较CK高74.96%。

图5 不同处理对铅镉胁迫下刺槐植株地下部分铅、镉离子含量的影响

2.3 螯合剂对刺槐铅镉胁迫植株的铅、镉离子转运率的调控

在铅镉胁迫下，添加不同浓度苹果酸、草酸时刺槐的铅、镉离子转运率如图6所示。在MA处理组中，刺槐的铅离子转运率均表现为抑制。MA 0.5 mmol/kg处理作用效果显著（P＜0.05），较 CK 低 72.36%；MA 5.0、10.0 mmol/kg处理对刺槐的铅离子转运率作用效果不显著（P＞0.05），分别较 CK低41.50%、52.15%。随着OA浓度的增加，刺槐铅离子转运率呈下降趋势。OA 2.0 mmol/kg处理对铅离子转运率表现为促进效果，促进效果不显著（P＞0.05），较CK高 13.80%；OA 4.0、8.0 mmol/kg处理均表现为抑制，但与CK差异不显著（P＞0.05），分别较 CK 高 56.24%、46.64%。

图6 不同处理对铅镉胁迫下刺槐植株铅、镉离子转运率的影响

MA、OA均抑制了刺槐植株的镉离子转运，且抑制效果显著（P＜0.05）。随着MA、OA浓度的增加，刺槐镉离子转运率均有一个先降低后升高的过程，OA的抑制程度较MA的抑制程度高。在MA处理组中，MA 5.0 mmol/kg处理对刺槐镉离子转运率的抑制效果最明显，较CK低88.97%；在OA处理组中，OA 4.0 mmol/kg处理对刺槐镉离子转运率的抑制效果最明显，较CK低93.51%。

3 结论与讨论

在本试验中，与对照刺槐植株相比，苹果酸、草酸处理刺槐植株的株高、地径均受到一定程度抑制，但差异不明显，这可能与处理植株地上部分重金属含量有关。植物叶片的氧化代谢和光合作用等生理过程会被铅、镉离子干扰，从而抑制植物生长发育[24]。螯合剂会促进刺槐根部铅离子的富集，大量铅离子会对植物产生一些毒害作用，阻碍植物的光合作用等生理活动。李林[25]研究的铅含量对大豆幼苗的生长影响中论证了这一点。本研究结果表明，苹果酸、草酸的添加对刺槐生物量有抑制效果，可能是由于苹果酸、草酸都是弱质子酸，可提供氢离子[26]，降低土壤pH值，破坏植物pH恒稳态，从而影响细胞的代谢活动[27-28]。

本试验中，不同处理下，刺槐植株内铅、镉离子含量与地下部分离子含量有不同程度的增加，说明一定浓度的苹果酸、草酸能通过提高土壤中有效态铅、镉的浓度促进刺槐对铅、镉的积累，这与油菜[29]、印度芥菜[30]的表现相似，也可能与铅镉交互导致离子形态的比例变化相关[31]。本研究中，草酸8.0 mmol/kg对铅、镉离子的富集效果最显著，可作为有效的外源调控手段应用于刺槐修复铅镉污染土壤的实践中，进一步丰富刺槐修复铅镉污染土壤的技术体系。

植物修复效果取决于植物对重金属的富集能力，同时重金属向上转移能力也是重要影响因素。本试验中，苹果酸和草酸对铅的转运影响不大，但对镉的转运具有一定抑制作用。这可能是因为有机酸对铅的络合能力大于镉，即当铅、镉2种重金属共存时，有机酸优先与铅结合[30]。苹果酸、草酸均能提高镉胁迫下披碱草的镉离子转运率[32]，与本试验结果相异，这可能与试验材料的种间差异相关。后期试验会持续展开，以进一步探索苹果酸、草酸对植物体内铅、镉离子转运的调控机理。