刺槐对污染土壤中铅的生理响应和吸收特征_罗绪锋.pdf

收稿日期：修回日期：基金项目：国家自然科学基金青年基金项目“刺槐间作龙葵 蜈蚣草对镉砷污染土壤的固氮及协同修复机制”（）；湖南省自然科学基金青年基金项目“木本植物与超富集植物间作对重金属污染土壤的协同修复机制”（）；湖南省教育厅科研项目“刺槐镉铅生理响应机制及其稳定修复重金属污染土壤研究”（）；长沙市自然科学基金项目“重金属污染土壤上刺槐的生理耐受机制及其稳定修复研究”（）。第一作者简介：罗绪锋（），男，硕士研究生，从事重金属污染土壤植物修复研究。：。通信作者：曾鹏（），男，讲师，从事重金属污染土壤修复与控制研究。：。：刺槐对污染土壤中铅的生理响应和吸收特征罗绪锋，肖 月，曾 鹏，周 航，辜娇峰，廖柏寒（中南林业科技大学环境科学与工程学院，湖南 长沙）开放科学标识码（码）摘要：通过盆栽试验，分别设置对照（）、和 土壤铅（）含量分别为、和 种处理，研究 胁迫对木本植物刺槐的生长生理响应特征、显微结构、吸收和分布的影响。结果表明，刺槐对污染土壤中 具有较强的生理耐受和解毒能力。在培养初期（），当土壤 含量为 时，刺槐叶片过氧化物酶（）活性较 显著降低；培养 ，胁迫下刺槐叶片丙二醛（）含量较 显著提高 。然而，培养 ，当土壤 含量为 时，刺槐叶片的总叶绿素、含量及超氧化物歧化酶、过氧化氢酶活性均与 无显著差异，且叶片维持完整的细胞结构。扫描电镜结果表明，刺槐根、茎部的导管与筛管在降低 向地上部运输过程中发挥着重要作用。主要累积在刺槐根部，且 从根部向地上部的转运系数小于。研究表明，刺槐正常的光合作用、抗氧化酶保护作用以及导管和筛管对 运输的阻控等过程使刺槐对 有较强的耐受能力，对稳定修复 污染土壤具有一定潜力。关键词：刺槐；胁迫；耐受响应；显微结构；植物修复中图分类号：；文献标识码：文章编号：（），（，）：，：（），（，）（），（），（），：；年中国生态环境状况公报显示，重金属为影响土壤质量的主要污染物。其中土壤中的重金属 铅（）可被植物和动物吸收，通过食物链传递威胁人类健康。因此，寻找有效的方法来修复 森林与环境学报，（）：第 卷 第 期 年 月污染土壤迫在眉睫。与传统的物理化学修复技术相比，植物修复技术具有环境友好、成本低、二次污染小等特点，在修复 等重金属污染土壤方面具有广泛应用前景。目前，金丝草（）、柳叶箬（）和羽叶鬼针草（）等 超富集植物被广泛研究。然而，这些 超富集植物的植株矮小、生长缓慢，且地理分布范围小，从而限制其大规模工程应用。木本植物具有生物量大、根系发达和生长周期长等特点，在植物修复重金属污染土壤方面具有广泛的应用前景。有研究表明，麻风树（）根和茎部对 的累积量可达 和 ，可作为植物提取 的候选物种。枫香（）根部可累积大量的 且对 的转运系数（，）最大值为，表明其具有植物稳定修复 污染土壤的潜力。在高浓度（）胁迫处理下，小叶榕（）根部对 的累积量可达 。因此，选用速生的木本植物在修复 等重金属污染土壤方面具有重要意义。胁迫下，植物可激活抗氧化防御系统来抵御污染土壤中 的毒害。目前，草本植物对 的生理耐受机制有比较深入的研究：如在轻度（）胁迫下，蜈蚣草（）叶片的叶绿素含量与超氧化物歧化酶（，）、过氧化氢酶（，）、过氧化物酶（，）活性明显升高，从而维持自身的正常生长；鸢尾（）幼苗叶片的丙二醛（，）含量与、和 活性均随着土壤 浓度的提高呈逐渐升高的趋势，表明鸢尾对 胁迫具有一定的耐受性。但木本植物在 污染土壤下的生理耐受机制研究较少，因此进一步了解木本植物对 的生理耐受机制对其应用于 污染土壤修复至关重要。刺槐（）属豆科刺槐属落叶乔木，生长迅速，且与根瘤菌共生，重金属耐受性强。有研究表明，水培条件下，低浓度（）胁迫对刺槐幼苗生长有一定的促进作用，而中、高浓度（）胁迫则使刺槐幼苗生长受到抑制；刺槐根部可降低地表径流水中的 负荷输出；刺槐叶片细胞可形成多泡体来适应 胁迫；刺槐叶片 活性随着 胁迫浓度升高呈先上升后下降的变化趋势。上述研究仅仅从水培条件下研究了刺槐对 的生理响应，但刺槐对污染土壤中 的生理耐受响应、显微结构和富集特征还缺乏系统性的研究。因此，本研究通过温室盆栽试验，研究污染土壤中 胁迫对刺槐生长、光合作用和抗氧化酶活性等生理指标的影响，根、茎、叶的显微结构在 胁迫下的变化特征，以及 在刺槐体内的分布和累积特征，以期阐明刺槐对污染土壤中 的耐受机制和吸收特征，为选用刺槐修复 等重金属污染土壤工程应用提供理论依据。材料与方法 供试土壤与植物供试土壤采自湖南省宁乡市（，）周边郊区表层土（），其土壤基本理化性质如表 所示。采集的土壤经自然风干，碾磨过 筛，用于后续的盆栽试验。供试刺槐苗（年生）采购于山西绛县某苗木基地。选择粗细一致的苗木并统一修剪高度为 ，用于盆栽试验，其整株原始 含量为 。表 供试土壤的基本理化性质 值 有机质含量 （）碱解氮含量 （）有效磷含量 （）速效钾含量 （）总 含量 （）试验设计将 的供试土壤装入塑料漏水桶（底部直径 、顶部直径 、高 ）中。根据土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）（）中的管制值和土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）（）中的筛选值，分别向供试土壤中添加、和 的（）（作为外源），形成不同浓度 污染土壤，并将处理依次编号为森 林 与 环 境 学 报第 卷、和。每个处理 次重复，每个重复 盆。添加外源 后，经消解，、和 处理的土壤总 含量分别为（）、（）、（）和（）。每盆施加 尿素（）、磷酸二氢铵（）和 硝酸钾（）作为基肥。在室内平衡 周后，同时移栽健壮、大小基本一致的刺槐幼苗，共 株，其中每盆 株。盆栽试验于 年 月至 月在中南林业科技大学温室进行，培养期间用去离子水进行浇灌，保持自然光照。在培养、和 ，分别采集相同部位的植物叶片（约 片）用于、活性及、叶绿素含量等生理指标的测定。其余按根、茎、叶分开，然后依次用自来水和去离子水清洗后在 下杀青 ，下干燥至恒重，并记录各个部分的干重，粉碎后备用。分析与测试供试土壤的基本理化性质（土壤 值及有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量等）测定根据鲁如坤的方法进行。刺槐叶片叶绿素含量采用 乙醇提取分光光度法测定；含量测定采用硫代巴比妥酸（，）比色法测定；和 活性分别采用愈创木酚法和紫外吸收法测定；活性采用羟胺法（试剂盒编号，中国）测定。选取培养 ，和 处理植株的部分新鲜根和茎，经漂洗、脱水、干燥和镀膜后置于扫描电镜（，）（，日本）中进行观察和分析；部分新鲜叶片经固定、脱水、包埋和染色后用于透射电镜（，）（，日本）分析和观察。植株样品中 含量采用（体积比为）消解，消解过程采用国家植物标准物质（）和空白液体进行质量控制，消解液中 浓度采用电感耦合等离子体发射光谱仪（，美国）进行测定。转运系数（）植株地上部 含量 植株根部 含量。数据统计与分析所有数据与表格采用 软件进行处理与绘制；采用 软件进行 多重比较和 相关性分析，为显著性水平；利用 软件进行图的绘制。结果与分析 胁迫对刺槐幼苗生物量的影响培养 ，、和 处理的刺槐生物量与 相比无明显变化图 （），表明培养初期 胁迫对刺槐的生长无明显影响。然而，培养 ，和 处理的刺槐整株生物量较 均显著降低，其中根生物量分别显著降低了 和 图（），表明培养后期高浓度 胁迫会影响刺槐的生长。从整个培养周期（）来看，胁迫下刺槐的生物量呈明显升高趋势。注：不同小写字母表示不同处理间存在显著差异（）。：（）图 胁迫对刺槐生长的影响 第 期罗绪锋，等：刺槐对污染土壤中铅的生理响应和吸收特征 胁迫对刺槐叶片生理指标的影响从图（）可看出，培养 ，胁迫对刺槐叶片总叶绿素含量无明显影响，而培养 ，处理的刺槐叶片总叶绿素含量较 显著降低，表明高浓度 胁迫会影响刺槐叶片总叶绿素的合成。同时，培养 ，和 处理的刺槐叶片叶绿素 叶绿素 与 相比，分别显著升高 和图（），表明 胁迫下刺槐可通过调节叶绿素 叶绿素 来维持自身的正常生长。随着培养时间的延长（），胁迫下刺槐叶片总叶绿素含量和叶绿素 叶绿素 较 均无显著差异。从图（）可看出，培养 ，、和 处理的刺槐叶片 含量较 无显著差异。而培养，和 处理的刺槐叶片 含量较 分别显著升高 和。在培养初期（），当土壤 含量为 时，刺槐叶片 活性较 显著降低 。同时，从图（）可知，随着培养时间的延长（），胁迫下刺槐叶片 活性呈下降趋势，尤其是 处理下刺槐叶片 活性与 相比显著降低。然而，培养 ，和 处理的刺槐叶片 活性与 相比分别显著升高 和 图（）。且培养 ，处理的刺槐叶片、和 活性以及 含量较 均无显著变化。因此，刺槐可有效调节叶片光合色素和抗氧化酶活性来降低污染土壤中 对植物生长产生的不利影响。注：不同小写字母表示不同处理间存在显著差异（）。：（）图 胁迫对刺槐叶片生理响应的影响 森 林 与 环 境 学 报第 卷 胁迫下刺槐根、茎、叶的显微结构特征培养 ，胁迫下（以 处理为例）刺槐根和茎的显微结构见图（）、（）。与 相比，处理的刺槐根和茎的组织结构横截面基本保持完整，然而，刺槐根和茎部的导管与筛管出现不同程度的坍缩，且筛管的数量变少。从图（）可看出，的刺槐叶片细胞排列紧密，叶绿体结构完整且存在适当数量的淀粉颗粒与嗜锇颗粒，而 处理的刺槐叶片细胞排列逐渐松散，细胞壁增厚，淀粉颗粒数量与体积减小。从图（）可进一步看出，处理的刺槐叶片细胞线粒体维持正常形态，叶绿体中类囊体的排列与基质片层的结构没有明显受到 胁迫的影响，且嗜锇颗粒的数量与体积并未明显增加。总体而言，刺槐叶片的细胞结构受 胁迫的影响较小。图 刺槐根、茎、叶的显微结构 ，刺槐对 的吸收和转运特征 处理的刺槐根、茎和叶 含量随着处理时间的延长呈显著升高的变化趋势，而 和 处理的升高不明显图（）（）。与培养 相比，培养 的刺槐根、茎和叶 含量分别升高了、和 倍。这表明刺槐可从污染土壤中积累一定量的，且 主要集中在根部，其中根部最大 吸收量可达 。从图（）可进一步看出，在整个培养过程中（），刺槐对 的 均小于（除外）。刺槐体内 含量与生理生化指标之间的相关性分析由图 可以发现，刺槐总生物量分别与刺槐根、茎 含量呈显著负相关，这表明 累积会显著影响刺槐在污染土壤的生长效应。此外刺槐叶片 活性与叶片生物量呈显著正相关，因此 活性对刺槐在 污染土壤中的生长发挥了重要作用。此外刺槐叶片 活性与 含量呈显著正相关，所以 在降低刺槐叶片膜脂过氧化作用中充当了重要角色。第 期罗绪锋，等：刺槐对污染土壤中铅的生理响应和吸收特征图 刺槐对 的吸收和转运特征 图 刺槐体内 含量与生理生化指标之间的相关性 森 林 与 环 境 学 报第 卷 讨论与结论植物生物量在一定程度上可反映植株对 的耐受能力。本研究中，培养 ，刺槐整株生物量较 显著降低，这与彭维新等研究发现高浓度 会抑制小叶榕生长一致。相关性分析表明，刺槐总生物量分别与刺槐根、茎的 含量呈显著负相关，表明刺槐体内 的累积效应可能会影响刺槐的生长。但在本研究中，整个培养周期（），胁迫下刺槐的生物量呈逐渐升高趋势，表明刺槐可在污染土壤 含量为 范围内生长状况良好，也表明刺槐对 污染土壤有较强的耐受能力。叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，叶绿素含量的高低往往可作为判断植物光合作用和受重金属胁迫状况的重要指标。在本研究中，培养初期（），处理的刺槐叶片总叶绿素含量较 显著降低，表明污染土壤 含量为 时会影响刺槐叶片总叶绿素的合成。有研究表明，重金属离子可与叶绿素合成相关酶的肽链中富含的巯基（）结合，抑制其酶活性从而阻碍了叶绿素的合成。然而，随着培养时间的延长（），杨树（）在 胁迫浓度大于 时其叶绿素含量降低。因此，刺槐能保持正常的光和色素进而维持自身的光合作用。本研究中，胁迫下刺槐叶片的总叶绿素含量和叶绿素 叶绿素 与 相比均无显著差异。因此，随着刺槐与污染土壤中 接触时间的延长，刺槐可调节光合色素含量与叶绿素 叶绿素 来维持叶片正常的光合作用，从而维持其在 污染土壤上的正常生长状况。是脂质过氧化的产物，其含量可反映细胞膜的损坏程度。本研究中，培养 ，和 处理的刺槐叶片 含量较 显著升高。有研究表明，胁迫可造成叶片细胞的膜脂过氧化，从而引起氧化激应反应。本研究中，培养、和 ，胁迫下刺槐叶片 活性呈下降趋势。重金属的毒性可引起细胞内产生过量的活性氧自由基（，），从而导致植物抗氧化酶体系的氧化损伤，进而造成刺槐叶片 活性降低。然而，培养 ，和 处理的刺槐叶片 活性较 分别显著升高了 和。这与 发现在低、中重金属胁迫下五色苋（）叶片 活性显著升高的结果类似。本研究中，刺槐叶片 活性与 含量呈正相关，表明刺槐叶片中的 对清除膜脂过氧化产物具有至关重要的作用。刺槐叶片 活性与叶片生物量呈显著正相关，表明 可在维持刺槐正常生长过程中发挥重要作用。培养，处理的刺槐叶片、和 活性以及 含量较 均无显著差异，表明随着培养时间的延长，刺槐叶片抗氧化酶活性可恢复到正常水平，从而降低 胁迫产生的毒害作用。有研究表明，以、和 为主的抗氧化酶体系可在一定范围内清除植物体内过多的，从而保护植物免受污染土壤中 的毒害。刘升乔研究表明，中华蚊母（）含量随 胁迫浓度的升高而升高，活性则随胁迫浓度的升高而降低，这与本研究结果相反。因此，刺槐具有较好的抗氧化酶系统来降低污染土壤中 诱导产生的氧化应激反应。本研究中，处理的刺槐根和茎的组织结构横截面基本保持完好，表明刺槐根茎在高浓度 胁迫下能保持正常的水分吸收、营养运输和其他生理活动。但在土壤 浓度为 时，刺槐根和茎部的导管与筛管出现不同程度的坍缩，筛管孔结构的变少，从而可能阻止了 从根部向地上部转运的过程。这与 研究发现在高浓度重金属胁迫下桑树根、茎韧皮部的孔隙结构数量减少，导管和筛管结构出现一定程度塌陷的结果类似。因此，刺槐根和茎的筛管与导管可在阻隔 向地上部的运输过程中发挥重要作用，从而有效降低 胁迫对植物地上部的不利影响。本研究中，处理的刺槐叶片细胞排列逐渐松散，细胞壁增厚，刺槐叶片叶绿体中类囊体的排列与基质片层的结构没有明显受到 胁迫的影响，同时，胁迫下刺槐叶片细胞内嗜锇颗粒的数量与体积并未增加。进入植物体后，首先接触到细胞壁，细胞壁可以与过量的 结合促使细胞壁增厚，有研究表明，细胞壁增厚可以形成一个额外的腔室，积累低酯化的果胶用于 沉积。因此细胞壁的增厚可能为刺槐一种自我保护机制。同时额外的 从细胞壁转运到液泡中，进而有效保护线粒体和叶绿体等原生质体，叶绿体中类囊体的排列与基质片层的结构没有明显受到 胁迫的影响可以证明这一点，因此保证了刺槐正常的光合作用。但在 处理下，刺槐叶片细胞淀粉颗粒数量、体积与 相比 第 期罗绪锋，等：刺槐对污染土壤中铅的生理响应和吸收特征减少。有研究表明，淀粉颗粒可能参与了植物体内的渗透调节与重金属的解毒作用。同时也有研究表明，草本植物紫背浮萍（）在 胁迫下叶片细胞内的嗜锇颗粒数量与体积增加。因此，木本植物刺槐较草本植物对 胁迫更具有耐受性。总体而言，胁迫下刺槐叶片的细胞结构基本保持完整，从而维持其在 污染土壤上正常的生理调节功能。刺槐体内 含量随着污染土壤中 含量的升高而升高。这与蒋严波等研究发现枫香幼苗不同组织中 含量与累积量随着土壤 含量的升高而升高的结果类似。本研究中，主要累积在刺槐根部，其最大 吸收量为 。有研究发现，木本植物紫穗槐（）和大麻花（）根部也能积累大量。由于木本植物对重金属具有转运能力的金属转运蛋白较少，导致其根部积累大量。本研究中，在整个培养过程（）中，、和 处理的刺槐对 的 均小于。在刺槐根部长时间累积，引起刺槐根部的主动防御，从而导致刺槐将大量阻止在根部，从而降低 对刺槐地上部的不利影响。有研究表明，大部分木本植物，如光叶榆（）、盐肤木（）等，对 的 也小于。因此，本研究中，刺槐根部可有效富集，且对 的转运能力较差，可作为一种潜在木本植物来稳定修复 污染土壤。本研究中，刺槐对污染土壤中 具备一定的耐受能力。培养初期（），当土壤 含量为 时，刺槐叶片的 活性较 分别降低了；且培养，胁迫下刺槐叶片的 含量提高了。然而，培养 ，刺槐叶片的总叶绿素、含量及抗氧化酶活性与 相比均无显著差异，且刺槐叶片细胞维持完整的细胞结构。刺槐根部 含量随处理时间的延长呈逐渐升高的趋势，且最大吸收量可达 。从刺槐根部向地上部的 小于。结果表明，胁迫下刺槐根、茎部的导管与筛管可降低 的向上转运过程。因此，刺槐可作为稳定修复 污染土壤的候选植物。参考文献 ，：，（）：侯晓龙，常青山，刘国锋，等 超富集植物金丝草（）、柳叶箬（）环境工程学报，（）：王红旗，李华，陆泗进 羽叶鬼针草对 的吸收特性及修复潜力 环境科学，（）：，：，：蒋严波，凌忠，韦献东，等 基于主成分分析法的枫香耐铅性及土壤修复潜力研究 水土保持学报，（）：彭维新，庄玉婷，梁智淇，等 小叶榕对土壤铅镉污染的抗性和修复潜力研究 农业环境科学学报，（）：，（），：夏红霞，朱启红、及其交互作用对蜈蚣草抗氧化酶及叶绿素含量的影响 环境化学，（）：朱旭东，原海燕，黄苏珍，等 胁迫对路易斯安那鸢尾幼苗生长和生理生化特性的影响 植物资源与环境学报，（）：，：周建，江泽平，魏远 重金属铅胁迫对刺槐幼苗生长及铅离子转运特性的影响 浙江农林大学学报，（）：森 林 与 环 境 学 报第 卷 李贵，童方平，刘振华，等 植物原位阻截铅锌矿区土壤重金属效果和配置模式研究 中国农学通报，（）：，（）：杨楠，王进鑫，周芙蓉，等 铅胁迫对刺槐和紫穗槐抗氧化酶活性的影响 干旱区资源与环境，（）：中国环境科学研究院生态环境部南京环境科学研究所 土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）：北京：中国标准出版社，中国环境科学研究院生态环境部南京环境科学研究所 土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准（试行）：北京：中国标准出版社，鲁如坤 土壤农业化学分析方法 北京：中国农业科技出版社，国家质量监督检验检疫总局 植物和人发成分分析标准物质：北京：中国质检出版社，朱健，王平，夹书珊，等 旱柳（）对 的耐性、富集、转运与胁迫响应研究 环境科学学报，（）：刘诺，张新珏，张爱琳，等 两种杨树对铅和铅镉复合胁迫的生理响应 森林与环境学报，（）：，（）：，：，：刘升乔 中华蚊母（）对 的生理响应及吸收累积研究 重庆：西南大学，（），：，；，：，（）：，：，（）：，（），（）：，：，（）：（责任编辑：江 英）第 期罗绪锋，等：刺槐对污染土壤中铅的生理响应和吸收特征