银叶树对Pb、Cd、Cu污染模拟湿地的适应性和修复潜力

陆 洁, 彭远航, 朱洁怡, 龙凤玲, 阮可瑾, 郑峰霖, 刘颂颂, 曾曙才

(1.华南农业大学林学与风景园林学院,广东 广州 510642; 2.广东省东莞市林业科学研究所,广东 东莞 523003)

湿地作为水陆过渡带,具有巨大的环境调节功能[1]。我国城市化和工业化发展过程中,一些滨海、湖泊湿地受到工业废水、生活污水的影响,面临着重金属污染的风险[2-5]。湿地中多种重金属形成的复合污染也引起学者们的广泛关注[4]。

重金属富集能力强的植物可有效拦截和过滤污染物质,净化被污染的水体,具有高效、经济及不产生二次污染等优点[6-7]。碱蓬(Suaedasalsa)对胶州湾滨海湿地多种重金属均有富集作用[8];北海互花米草(Spartinaalterniflora)可累积重金属,阻止其进一步扩散[9]。目前,有关湿地植物修复的研究主要集中在草本植物,而草本植物的生物量小、生长周期短,且存在修复后植物处置难等问题[10]。木本植物生物量大、根系发达、生长周期长,对重金属富集能力强,逐渐受到关注。研究[11-13]表明,池杉(Taxodiumascendens)、铁冬青(Ilexrotunda)、小叶榕(Ficusmicrocarpa)等具有一定的重金属耐性。

银叶树(Heritieralittoralis)隶属于梧桐科(Sterculiaceae)银叶树属(Heritiera),是热带、亚热带海岸半红树植物,既能生长于滨海潮间带,也可生长于陆地,其板根发达,是滨海湿地植被恢复可利用的优良树种[14-15]。目前,学者们已对银叶树的群落特征、光照响应、耐盐机理、干旱胁迫响应等方面进行了研究[16-19],而对重金属污染耐性的研究鲜有报道。

本研究以银叶树为研究对象,通过盆栽试验模拟湿地环境,分析Pb、Cd、Cu复合污染下银叶树的生长、养分吸收状况及重金属的吸收累积特征,并运用熵权TOPSIS模型对银叶树的生长适应性和重金属吸收能力进行综合评价,探究银叶树对重金属污染的修复潜力,以期为湿地重金属污染的植物修复研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

银叶树来自广东省东莞市林业科学研究所育苗基地,选取健康、株高45～50 cm的植株。供试基质采自华南农业大学树木园落羽杉湿地(113°36′E,23°15′N)0～20 cm底泥,经风干、去除杂质、磨碎后过1 cm筛。底泥的pH值4.66,EC值140.30 μS·cm-1,有机质质量分数47.31 g·kg-1,全N、碱解N、全P、速效P、全K、速效K的质量分数分别为2.51、217.88、0.26、2.81、8.53、44.20 mg·kg-1,Pb、Cd、Cu、Zn、Ni、Cr的质量分数分别为471.08、1.14、41.32、151.81、13.59、42.62 mg·kg-1。栽培用花盆为底部直径15.5 cm、高19.2 cm的塑料盆。

1.2 盆栽试验

于2021年11月在华南农业大学启林北温室大棚进行盆栽试验,试验期6个月。每个花盆装底泥1.5 kg,用自来水浇灌,维持盆内自来水量为1 L(此时达到水淹状态),以模拟湿地环境。每个花盆栽植1株银叶树,缓苗15 d后,将提前配制好的三水合醋酸铅[(CH3COO)2Pb·3H2O](分析纯)、氯化镉(CdCl2·2.5H2O)(分析纯)、五水硫酸铜(CuSO4·5H2O)(分析纯)浓缩液分别添加到花盆中。3个处理分别为T1、T2、T3。T1:50 mg·L-1Pb+5 mg·L-1Cd+100 mg·L-1Cu。T2:100 mg·L-1Pb+10 mg·L-1Cd+200 mg·L-1Cu。T3:200 mg·L-1Pb+20 mg·L-1Cd +400 mg·L-1Cu。以不添加重金属为对照(CK),每个处理3个重复。采用完全随机区组设计试验。

1.3 样品的采集与检测

将供试植株整株挖出,带回实验室,先用自来水洗净根部,再用去离子水冲洗3遍,置于室内晾干。将植物的根部、地上部(茎叶)分别装入不同信封,放入烘箱105 ℃下杀青30 min,75 ℃下烘干至质量恒定,用电子天平称取根部、地上部生物量,再用不锈钢粉碎机粉碎过筛后密封保存,用于植物养分及重金属含量的测定。

采用H2SO4-H2O2消解植物样品,得到植物养分的待测液。N含量采用AA3连续流动分析仪(上海非利加实业有限公司提供)测定;P含量采用钼锑抗比色法测定;K含量采用火焰分光光度计法测定。

植物重金属元素(Pb、Cd、Cu)含量采用干灰化—原子吸收分光光度计法[20]测定。植物重金属耐性指数(tolerance index,TI)、各部分及全株养分吸收量、各部分及全株重金属累积量、转运系数( transport factor, TF)分别按以下公式计算:

TI=重金属污染处理植物平均总生物量/对照组植物平均总生物量;

各部分养分吸收量=各部分养分含量×各部分生物量;

全株养分吸收量=地下部养分吸收量+地上部养分吸收量;

各部分重金属累积量=各部分重金属含量×各部分生物量;

全株重金属累积量=地下部重金属累积量+地上部重金属累积量;

TF=地上部重金属含量/地下部重金属含量。

1.4 熵权TOPSIS模型的综合评价

本研究采用熵权TOPSIS模型对植物生长适应性和重金属吸收能力进行综合评价[21]。

(1)构建原始数据矩阵:

(1)

(2)

(2)计算各指标的信息熵值。第i个指标的熵Hi定义为:

(3)

(3)计算第i个指标的熵权系数ωi:

(4)

(5)

(6)

(5)D+为评价指标到正理想解的距离,D-为评价指标到负理想解的距离,按下式计算:

(7)

(8)

(6)计算各个项目的综合评价指数Ij。

(9)

式中:Ij的取值介于0与1之间,其值越大,评价指标离理想解越近,植物生长适应性和重金属吸收能力的综合评价也越高。

1.5 数据分析

采用Excel 2010和SPSS 19.0软件对数据进行统计分析。采用单因素(one-way ANOVA)和Duncan氏法进行方差分析和多重比较(α=0.05),利用Origin 2019软件作图。

2 结果与分析

2.1 Pb、Cd、Cu 复合污染对银叶树生长的影响

由表1可知,T1处理银叶树根部的生物量无显著变化,T2、T3处理植株的根部生物量较CK分别下降了20.59%、20.23%,均达到显著水平(P<0.05),表明银叶树根部生长受到抑制。各处理银叶树的株高、地上部生物量和总生物量均与CK无显著差异。耐性系数随着土壤重金属含量的提高呈下降趋势。

表1 各处理银叶树的株高、生物量和耐性系数1)Table 1 Plant height, biomass and tolerance index of H.littoralis under different levels of heavy metals pollution

2.2 Pb、Cd、Cu 复合污染对银叶树养分吸收的影响

由图1可以看出,各处理根部、地上部对银叶树N、P、K的吸收量与CK相比均无显著差异,表明银叶树在Pb、Cd、Cu 复合污染下对养分的吸收未受到明显影响。

图1 各处理银叶树对N(A)、P(B)、K(C)的吸收量Fig.1 N(A), P(B) and K(C) accumulation of H.littoralis plant under different levels of heavy metals pollution

2.3 Pb、Cd、Cu 复合污染对银叶树重金属吸收积累的影响

银叶树根部Pb、Cd、Cu含量随着土壤重金属含量的升高而升高(图2),T3处理达到最大值,分别为181.53、36.73、887.37 mg·kg-1。从图2可知:T1、T2处理银叶树的地上部Pb含量较CK显著提高,增幅分别为100.00%、66.18%(P<0.05),而T3处理与CK无显著差异;T1、T2、T3处理银叶树的地上部Cd含量均显著高于CK,分别为CK的35.0、73.8、91.8倍(P<0.05);T2、T3处理银叶树的地上部Cd含量显著高于T1(P<0.05),但两者无显著差异;T1、T2处理银叶树的地上部Cu含量与CK无显著差异,而T3处理银叶树的地上部Cu含量显著高于CK,为CK的19.68倍(P<0.05)。由图3可知:银叶树Pb、Cd、Cu累积量随着重金属含量的提高而提高;T3处理的Pb、Cd、Cu累积量分别为1 540.2、351.78、9 556.48 μg·株-1,显著高于其他处理。

图2 各处理银叶树的Pb(A)、Cd(B)、Cu(C)含量Fig.2 Contents of Pb(A), Cd(B) and Cu(C) in H.littoralis plant under different levels of heavy metals pollution

图3 各处理银叶树的重金属累积量Fig.3 Heavy metal accumulations in H.littoralis under different levels of heavy metals pollution

由表2可知:银叶树对Pb的转运系数随着重金属浓度的提高而减小,CK的转运系数最大;T1、T2处理银叶树对Cd的转运系数显著高于CK,而T3处理与CK无显著差异;CK银叶树对Cu的转运系数大于1,显著高于3个处理,且T1、T2、T3处理间差异不显著。

表2 各处理银叶树对Pb、Cd、Cu的转运系数1)Table 2 Pb, Cd and Cu transfer factor of H.littoralis under different levels of heavy metals pollution

2.4 银叶树对 Pb、Cd、Cu 复合污染修复效果的综合评价

由表3可知:银叶树根部Cu含量在各指标中的贡献率最大,其权重值为0.163 5;株高的贡献率最小,其权重值为0.000 1。各生物量指标权重值排序为地上部生物量>根部生物量>全株生物量,表明地上部生物量可作为衡量银叶树修复潜力的重要指标。各养分吸收指标权重值排序为 P 吸收量>N 吸收量>K 吸收量,表明银叶树受重金属胁迫时对 P 的吸收量最大。根部、地上部和全株重金属累积量的权重值均表现为Cu>Cd>Pb,表明复合重金属污染下Cu对银叶树生长及重金属吸收能力的影响最大。

表3 各处理银叶树基本指标的权重值Table 3 Weighted value of different indices of H.littoralis under different levels of heavy metals pollution

由表4可知,银叶树生长适应性及重金属吸收能力综合评价排序为T3>T2>T1>CK,表明银叶树对复合重金属污染的耐受性强,对T3处理的修复潜力最大。

表4 各处理银叶树修复潜力的综合评价结果Table 4 Comprehensive evaluation on remediation potential of H.littoralis under different levels of heavy metals pollution

3 讨论与小结

植物生物量的变化及养分吸收状况能够反映其对重金属污染环境的生长适应性[22]。在Cu胁迫下,秋茄(Kandeliaobovata)生物量随着Cu含量的提高显著降低,生长受到严重抑制[23]。在Ni质量浓度为30 mg·L-1时,矮莎草(Cyperuspygmaeus)地上部和根部生物量较对照显著增加;在Ni质量浓度为60 mg·L-1时却显著下降;同时,在这两种质量浓度Ni胁迫下秋茄地上部和地下部对养分的吸收均显著下降[24]。本研究结果表明T2、T3处理的银叶树根部生物量受到显著抑制,这可能是因为根系是植物最先接触重金属的部位,植物可通过缩短根长、减小根表面积以及减少根尖数量等来减少根表面的活性位点,降低根系对重金属的吸收能力[25]。然而,银叶树的株高、地上部生物量以及对N、P、K的吸收量均未受到显著影响,其正常的生理活动不受干扰[26-27],这可能与银叶树对重金属的耐受力有关。耐性指数是表征植物抗逆性的重要指标[28]。T1处理银叶树的耐性指数高达103.96%,具有高耐受性,故其生长未受到明显影响。随着重金属含量的进一步提高,T2、T3处理的耐性指数分别降至95.16%、80.80%。总体上看,银叶树对Pb、Cd、Cu复合污染具有很强的耐受能力。T2、T3处理的银叶树总生物量及养分吸收能力没有显著差异。

植物对重金属的吸收累积主要通过吸附在根系外围、转运至植物根系内部、通过根系向地上部转运3种方式进行[29]。本试验中银叶树对Pb、Cd、Cu的吸收累积均随着重金属含量的升高而增加,且大部分重金属储存在根部,这与前人对铁冬青(Ilexrotunda)、海桐(Pittosporumtobira)、水蓼(Polygonumhydropiper)等的研究结果[12,30-31]一致。研究[26]表明,将重金属富集在根部是植物对重金属耐受的策略之一。重金属进入植物体后,由植物木质部转运至茎叶等组织,其转运过程主要由转运蛋白介导完成[32]。本研究发现,当银叶树未受重金属污染时,其对重金属的转运能力表现为Cu>Pb>Cd,其中Cu的转运系数[33]>1,这是因为Cu是植物必需的微量元素,Cu转运蛋白可维持植物体内Cu的稳定[34]。受重金属污染后银叶树对Cu、Pb的转运能力显著降低,植物将过多或有害的重金属滞留在根部,以减轻其对地上部的毒害。然而,银叶树对Cd的转运能力随着污染物含量的提高呈先提高后降低的趋势,这可能与重金属转运蛋白类型和分布发生变化有关[35]。

此外,研究[36-37]表明植物可产生多种抵抗重金属毒害的防御机制,通过在植物根尖形成较厚的质外体屏障或通过泌氧调节等方式可将重金属截留在根系外围部分,以减少植物对重金属的吸收。当重金属离子进入根细胞后,植物可通过限制重金属转运到地上部、抗氧化系统的防御作用、络合素(PCs)等有机化合物的螯合作用、细胞壁结合及液泡区的室化作用等多种途径进行解毒[7]。

通过熵权TOPSIS模型分析可知T3处理银叶树的修复能力最强,说明银叶树在短期内能发挥较好的修复作用。就长期修复而言,T1处理银叶树的生长未受到明显影响,适应性最好。在ρ(Pb)≤50 mg·L-1、ρ(Cd)≤5 mg·L-1、ρ(Cu)≤100 mg·L-1的重金属污染湿地中,银叶树生长不受影响。而盆栽试验的环境与实际生长环境有一定差别,银叶树在实际生长环境下的修复效果有待进一步研究。