铅、镉胁迫下4种沉水植物的生长和生理响应

常 宝 亮，吴 春 满，陈 剑 鹰，王 彦 杰，3，4，徐 迎 春，3，4

(1.南京农业大学 园艺学院，江苏 南京 210095； 2.浙江伟达园林工程有限公司，浙江 杭州 310051； 3.农业农村部景观农业重点实验室，江苏 南京 210095； 4.国家林业与草原局 华东地区花卉生物学重点实验室，江苏 南京 210095)

0 引 言

水体重金属污染一直是水体污染的主要类别之一[1]。水体环境安全与人们生产生活息息相关，重金属进入河流、湖泊等水体环境中，其对人类健康的危害程度更大。在2019年《有毒有害水污染物名录(第一批)》中，铅、镉重金属及其化合物均有列入。水体铅、镉污染大多来自工业、农业及生活污水排放，最终会通过食物链向上富集，进而影响人类健康[2-3]。因此，水体的重金属污染治理需得到进一步深入研究。

重金属常常形成自然界自身难以降解的重金属污染物，治理手段多种多样。植物生态修复是一种成本低且净化效果好的水体重金属污染治理技术。它利用水生植物与环境和微生物的共同作用对重金属进行净化。随着水生植物的刈割，植物体内重金属会被带离水体，水体从而得到净化[4]。研究表明，在不同生活型的水生植物中，与漂浮、浮水和挺水植物相比，沉水植物整体生活在水面以下，其生态修复效果更加明显[5]。对比其他类型的水生植物，沉水植物的植株全部位于水下，与水体接触面积比率最高，其植株各个部位均可蓄积较高的重金属[6]。

目前关于沉水植物吸附重金属的研究多关注于水体环境净化。刘寿涛等[7]的研究表明，在灌溉水湿地净化系统中，梭鱼草(Pontederiacordata)对镉吸附具有较高的净化潜力。何芳芳等[8]对6种观赏水生植物的研究发现，在处理农业灌溉水铜、锌、铅污染中，水竹芋(Thaliadealbata)和菖蒲(AcoruscalamusL.)是较好的水生植物。但水体污染对植物的影响是可持续发展的重要一环，水生植物受到污染水体中重金属长期作用才是保证水体环境稳态发展的重要因素。因此，水体污染对植物生长影响的问题亟待进一步探究。本研究选取常见的4种沉水植物，监测不同浓度Pb2+，Cd2+对4种沉水植物生长发育及生理特性的影响，以及沉水植物对镉和铅的吸收情况，以期为恢复和维持良好的水生态系统提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验植物粉绿狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)、马来眼子菜(Potamogetonwrightii)、黑藻(Hydrillaverticillata)和微齿眼子菜(Potamogetonmaackianus)均由浙江伟达园林工程有限公司提供，采集地为浙江伟达园林工程有限公司水生植物种植基地。植物均为人工种植，生长环境无污染。挑选生长良好、个体均匀的植株洗净后，于塑料种植盆(上口直径53.5 cm，高35 cm)中用清水进行适应性培养，培养周期为7 d。

1.2 试验设计

试验在南京农业大学龙潭荷花基地遮雨棚内进行，试验期间为自然温度及光照。使用直径53.5 cm、高35 cm的塑料培养盆，以水培种植方式进行试验。试验用水模拟自然状况下的水体情况，采用1/2 Hoagland 营养液配制而成。镉、铅处理分别采用CdCl2分析纯试剂、PbCl2分析纯试剂配制试验浓度。参考文献[9-10]进行浓度设置，Cd污染浓度设置为0，1，5，10，20 mg/L 5个浓度梯度；Pb污染浓度设置为0，5，10，20，40 mg/L 5个浓度梯度。试验处理设置3次重复，试验时间共30 d，试验中蒸发的水分每3 d以自来水补充。

1.3 测定方法

在处理后第15天和第30天时采用卷尺(精度0.1 cm)与电子天平测定植物的株高和生物量。试验结束取部分植株叶片测定叶绿素含量、MDA含量、抗氧化酶活性等生理指标，将剩余的植株样品于100 ℃杀青1 h烘干至恒重后测定植株体内重金属铅、镉含量。参考文献[11-12]测定植物叶片叶绿素含量、超氧化物岐化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性和丙二醛(MDA)含量。使用南京农业大学园艺学院中心实验室iCAP 7400等离子体发射光谱仪(美国Thermo Fisher公司)测定植物叶片内铅、镉含量。

2 结果与分析

2.1 铅、镉单一污染水体下植株生长情况

在重金属Pb2+、Cd2+污染环境下，植物的生长指标将直接反映植物受胁迫程度[13-14]。同时也间接反映植物对重金属污染环境的修复效果[15]。图1～2为4种植物在Pb2+处理后的株高和生物量变化情况，图3～4为4种植物在Cd2+处理后的株高和生物量变化情况，可知未加重金属时4种植物的株高与生物量在第15天和第30天保持稳定增长。无论Pb2+、Cd2+单一处理后，4种植物在两个培养周期内株高和生物量增长率均有所降低。这与纪美辰等[16]对鸢尾和水葫芦研究结果相似，均为随重金属铅浓度的增加，植株净株高明显受到影响。

图1 不同时期Pb2+对植物株高相对增长率的影响

图2 不同时期Pb2+对植物生物量相对增长率的影响

图3 不同时期Cd2+对植物株高相对增长率的影响

不仅如此，随铅浓度的升高，植株的生长速度变缓，到后期高浓度培养液中的植物出现叶死、芽死、茎干、植株死亡的现象。在重金属Pb2+、Cd2+处理下，4种植物的株高和生物量相较对照组均有不同程度的下降趋势，且随着处理浓度的升高下降越显著。说明在Pb2+、Cd2+单一处理条件下，4种沉水植物均受到了重金属对植株生长的抑制作用。

与对照组相比，不同处理组植物株高与生物量均明显受到重金属对其生长的抑制作用，随着Pb2+、Cd2+单一处理浓度的升高，重金属对植物的抑制程度增强。第30天的株高和生物量的相对增长率显著高于第15天，说明4种植物在不同浓度Pb2+、Cd2+处理下均能够生长，但会随着Pb2+、Cd2+浓度的升高而生长受到抑制。微齿眼子菜在4种植物中的生长势最强，显著高于其他3种植物，但受重金属影响也相对较大，受影响相对较小的沉水植物是马来眼子菜和黑藻。总体来看，镉对植物的毒害更强，高浓度下植株生长受到的抑制比铅大。4种植物在铅、镉单一处理下，对株高抑制效果往往大于生物量。微齿眼子菜在镉浓度为1 mg/L单一胁迫下，生物量较对照组得到增加，原因可能是一定浓度范围内的重金属促进了植物的生长[17]。

由图5可知，在Pb2+、Cd2+单一处理下，培养30 d后4种沉水植物叶片叶绿素含量与重金属处理浓度成反比。在Pb2+浓度为5 mg/L时，微齿眼子菜和黑藻的叶片叶绿素含量变化与对照组相比不显著，Pb2+浓度在大于等于10 mg/L时，4种植物叶绿素含量均显著低于对照组，其中，粉绿狐尾藻降低程度最大，达到51.3%。植物叶片有着一定的泛黄情况，说明植物生长受到胁迫。在Cd2+浓度为1 mg/L时，微齿眼子菜叶绿素含量与对照组相比变化不显著，叶绿素含量为1.89 mg/g。在Cd2+处理浓度大于1 mg/L时，其他3种植物叶绿素含量与对照组相比均降低，其中，黑藻叶绿素含量相比下降51.2%，下降幅度最大。黑藻在4种植物中叶绿素含量最低并受到重金属胁迫最为显著，其叶片黄化程度也较为明显。虽然对污染水体适应性不高，但其对污染水体中重金属镉具有较好的吸收特性。已有研究表明，重金属离子会阻碍铜绿微囊藻的光合作用[18]。本试验中，4种沉水植物同样存在随着重金属浓度的升高，叶绿素含量逐渐降低的趋势，说明植物的光合作用受到抑制。

图5 4种沉水植物叶绿素含量对Pb2+、Cd2+的响应

2.2 铅、镉单一胁迫下4种沉水植物的生理响应

当受到重金属影响时，植物的非特异性防御系统会激活，这是植物维持细胞环境稳定的要素[19-20]。铅和镉对细胞代谢的毒性作用取决于细胞质中铅和镉作为游离阳离子的含量[21]。在逆境胁迫下植物维持正常的生理活动中，抗氧化酶含量在其中起到重要作用。植株在重金属胁迫下体内会产生大量的活性氧，造成植株氧化伤害，对植株生长产生负面作用。为了清除体内多余的活性氧，保持植株在逆境环境下正常生长，植株体内便产生抗氧化酶类，其中包含POD、SOD[22]。

研究结果表明(见图6)，在Pb2+、Cd2+单一处理下，除微齿眼子菜外的其余3种沉水植物的SOD活性与对照组相比均显著提高，且具有随水体Pb2+、Cd2+浓度上升而提高的趋势。但微齿眼子菜在Pb2+处理下，各处理组与对照组相比差异不显著。微齿眼子菜SOD活性在Cd2+处理条件下与处理浓度成反比。黑藻和粉绿狐尾藻SOD活性在Pb2+处理下明显升高。马来眼子菜SOD活性在40 mg/L Pb2+浓度下呈现些许降低；黑藻SOD活性在Cd2+处理条件下上升最为显著。由图7可知，4种植物无论在Pb2+或Cd2+处理下，POD均随着处理浓度升高呈现先上升后下降的趋势，且低浓度铅污染条件下4种植物POD活性上升显著。相比于其他3种植物，粉绿狐尾藻的POD活性在不同重金属浓度处理下与对照组相比不显著。由此可以看出，不同植物在面对重金属胁迫时应对方式不同。在适宜浓度的重金属胁迫下，抗氧化酶的活性均有提高，植物通过这种方式减少重金属伤害，增强耐性[23]。通过对4种沉水植物在不同浓度Pb2+、Cd2+污染水体中的生长和生理响应研究可知，微齿眼子菜由于自身的生长特性使其株高和生物量均高于其他3种，不仅如此，其在Pb2+处理下SOD无明显变化，POD先是得到显著升高后降低，在Cd2+处理下其SOD均呈现先增高后降低的趋势，POD得到显著增加，由此表明，面对胁迫微齿眼子菜能迅速做出响应，具有一定的抗性。

图6 4种沉水植物SOD活性对Pb2+、Cd2+的响应

图7 4种沉水植物POD活性对Pb2+、Cd2+的响应

由图8可知，在不同Pb2+处理浓度下，微齿眼子菜的丙二醛含量与对照组相比差异不显著，黑藻的丙二醛含量在40 mg/L铅处理条件下达到最高，马来眼子菜在10 mg/L铅处理条件下MDA含量显著低于对照组，在40 mg/L浓度处理组中，粉绿狐尾藻丙二醛含量低于对照组。在铅处理条件下，与对照组相比，黑藻的丙二醛含量均显著升高。在镉处理下，马来眼子菜的丙二醛含量随着处理浓度的增加规律为先增加后降低，在5 mg/L镉处理下达到最高值。

图8 4种沉水植物MDA含量对Pb2+、Cd2+的响应

2.3 沉水植物对水体铅、镉的净化作用

研究表明(见表1，2)，马来眼子菜和黑藻叶片内的重金属含量随着Pb2+浓度的升高，均得到显著升高，粉绿狐尾藻在20 mg/L处理组体内Pb2+含量达到最大值，微齿眼子菜在10 mg/L处理组体内Pb2+含量达到最大值。微齿眼子菜在较低浓度Pb2+处理中植物体内含量显著高于其他处理组。高浓度铅处理下，4种植物中马来眼子菜植物体内Pb2+含量最高，达35.40 mg/kg，其次是黑藻。值得注意的是，黑藻植株体内的Pb2+浓度在Pb2+浓度为20 mg/L时高达79.80 mg/kg，远高于其他3种植物。

表1 4种沉水植物体内的Pb2+含量变化

表2 4种沉水植物体内的Cd2+含量变化

在镉处理试验中，随着Cd2+浓度的升高，4种植物均呈现出叶片内Cd2+含量也升高的规律。较低浓度处理中，微齿眼子菜叶片内镉含量处于较高水平。在Cd2+浓度为1 mg/L时高达54.90 mg/kg。高浓度镉处理条件下，4种植物中黑藻植物体内Cd2+含量最高，达到1 356.90 mg/kg。综合来看，高浓度重金属水体污染下，黑藻对水体Pb2+、Cd2+的吸附作用均最好，但其受到的伤害程度也较高。综上所述，4种沉水植物对不同浓度Pb2+、Cd2+污染水体均有一定的适应性和净化效果。但粉绿狐尾藻植株体内铅、镉的含量均显著低于其他3种植物，这与王晓美等[24]的研究结果相似。

3 结 论

本文研究了4种沉水植物在铅污染和镉污染水体中的生长与生理响应情况，并比较了4种沉水植物富集水体中铅、镉的效果。试验表明，这4种沉水植物对水体中的铅、镉都有较好的耐受与富集能力，但不同铅、镉浓度处理条件下同种植物的生长情况与富集重金属的效果不同，且不同植物的耐受与富集能力也具有一定差异。在铅、镉污染环境中，粉绿狐尾藻生长状况最好，但对于重金属的吸附效果最低。微齿眼子菜在较低浓度污染中植物吸收重金属浓度处于较高水平，黑藻在高浓度污染中植物吸收重金属浓度处于较高水平。综合表明，在铅、镉水体污染中，粉绿狐尾藻生长具有一定的耐受性。黑藻在重金属铅、镉污染水体中，植物体内吸收重金属含量较高，具有一定的吸附效果。