葛海香， 白院生， 李 民， 章清波， 劉 森， 韓玉林

(江西財經(jīng)大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，江西南昌 330032)

重金屬鉛(Pb)污染作為常見的污染源之一，以其在環(huán)境中累積和降解方面的不可逆性，一旦污染土壤和水體，便參與食物鏈的富集，進而極大地危害人類健康及生命[1-2]。而植物修復(fù)技術(shù)是一項綠色修復(fù)技術(shù)，以環(huán)保、經(jīng)濟、生態(tài)等優(yōu)點為社會所接受[3-4]，對被污染環(huán)境的修復(fù)有重要的意義。

香菇草(Hydrocotylevulgaris)為多年生傘形科草本植物，多分枝，節(jié)生根且根莖發(fā)達，適應(yīng)性極強，分布范圍廣泛，具有很高的觀賞和藥用等應(yīng)用研究價值。本試驗以液體培養(yǎng)法研究重金屬Pb的尾礦滲出液對香菇草生長的影響，測定葉綠素含量、光合及非酶系統(tǒng)等生理指標(biāo)，以期為今后進一步探討和修復(fù)江西德興被重金屬Pb礦尾礦滲出液污染的水體環(huán)境及在Pb超富集植物的選擇上提供理論和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

供試的植物幼苗為香菇草，其來源于無重金屬環(huán)境影響的江蘇某苗圃基地，Pb尾礦滲出液源自于江西省德興市鉛尾礦壩。

1.2 方法

1.2.1 香菇草幼苗培育和Pb脅迫處理方法 試驗于2017年3月在江西財經(jīng)大學(xué)原資源與環(huán)境管理學(xué)院植物生理實驗室(115.81°E、 28.73°N)開展。其培養(yǎng)方法參考Han等的方法[5]，選其長勢良好且一致的約5～7 cm幼苗，以每盆栽5株分植于塑料花盆中(規(guī)格20.5 cm×15.5 cm)，并在盆內(nèi)套入2層塑料袋以防止液體中Pb尾礦滲出液的外滲，并各加入 1/4 Hoagland Nutrition液(HN)500 mL進行1周的預(yù)培養(yǎng)后，再按序進行5組不同體積分?jǐn)?shù)Pb尾礦滲出液的處理，依次為：HN(CK)，其他的體積分?jǐn)?shù)為75% HN+25% Pb(1/4 Pb)、50% HN+50% Pb(1/2 Pb)、25% HN+75% Pb(3/4 Pb)、100% Pb(Pb)，每個處理3盆(每盆視為1次重復(fù))。每周更換1次處理液，處理28 d后取樣測定香菇草幼苗的生長、生理等指標(biāo)。

1.2.2 香菇草生長勢和生理指標(biāo)的測定方法 將每個處理組隨機選取3株幼苗用去離子水沖洗干凈后，再用直尺法分別測量幼苗的地上部和地下部長度。在植物生理指標(biāo)方面，分別取該植物0.1 g地上部和地下部進行測定。參照李合生的方法[6]，摘取幼苗葉片進行光合色素含量的測定；用電導(dǎo)儀法測定新鮮葉片(取測定光合色素含量相同部位的葉片)和根系的相對電導(dǎo)率；用硫代巴比妥酸法測定植物體內(nèi)丙二醛(MDA)含量；在抗壞血酸(AsA)和谷胱甘肽(GSH)含量測定上分別參考Kampfenkel等[7]和Ma等[8]的方法。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理

應(yīng)用軟件Excel 2016和SPSS 20.0進行相關(guān)試驗數(shù)據(jù)的處理和分析，并采用鄧肯氏(Duncan’s)新復(fù)極差法對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析。耐性指數(shù)公式參考Han等的公式：耐性指數(shù)=(處理組幼苗平均根長/對照組幼苗平均根長)×100%[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 Pb尾礦滲出液單一脅迫對香菇草幼苗生長和耐性指數(shù)的影響

由圖1、圖2可知，香菇草幼苗在不同體積分?jǐn)?shù)的Pb尾礦滲出液濃度處理中，其各項生長指標(biāo)較對照均有一定的降低。Pb尾礦滲出液體積分?jǐn)?shù)越大，其幼苗的地上部和地下部長度越短。地上部在純Pb尾礦滲出液脅迫中，較對照顯著降低33.3%(P<0.05)，說明Pb濃度增加與幼苗的耐性指數(shù)成反比。在0～100% Pb尾礦滲出液處理下，其地下部分根系的耐性指數(shù)的逐漸呈降低趨勢，說明幼苗根系的各項生長指標(biāo)受到明顯抑制。

2.2 Pb尾礦滲出液單一脅迫對香菇草幼苗部分生理指標(biāo)的影響

2.2.1 對光合色素含量及相對電導(dǎo)率的影響 由圖3可知，香菇草幼苗葉片中光合色素葉綠素a(Chl a)和葉綠素b(Chl b)含量隨著Pb尾礦滲出液體積分?jǐn)?shù)增加，呈先增加后降低的趨勢，而類胡蘿卜素(Car)含量隨著Pb尾礦滲出液體積分?jǐn)?shù)增加呈下降趨勢。在1/4 Pb尾礦滲出液處理中，Chl b 含量顯著高于對照(P<0.05)，比對照增加7.7%，而Car含量比對照減少了2.1%。在全Pb尾礦脅迫處理下，植物葉片中的Chl a、Chl b和Car含量分別較對照僅下降了1.0%、8.0%和6.4%。表明香菇草幼苗葉片中光合色素的合成在低濃度的Pb脅迫處理中具有一定的促進作用，但隨著Pb脅迫濃度的增加，其對葉片中的光合色素合成產(chǎn)生了一定的破壞作用。由圖4可知，不同體積分?jǐn)?shù)的Pb尾礦滲出液脅迫下，香菇草幼苗地上部和地下部的相對電導(dǎo)率均高于對照，但均未達到顯著水平。

2.2.2 對丙二醛(MDA)含量的影響 在不同體積分?jǐn)?shù)的Pb尾礦滲出液處理的基質(zhì)中，香菇草幼苗地上部和地下部MDA含量的變化見圖5。在不同的Pb尾礦滲出液體積分?jǐn)?shù)的處理中，香菇草幼苗地上部MDA含量呈上升趨勢，在純Pb處理下與對照處理差異顯著(P<0.05)，較對照增加57.1%。而地下部分的MDA含量呈現(xiàn)在低體積分?jǐn)?shù)中下降、高體積分?jǐn)?shù)的脅迫下上升趨勢，在純Pb尾礦滲出液處理中MDA含量較高，較對照增加100%。

2.2.3 對抗壞血酸(AsA)和谷胱甘肽(GSH)含量的影響 在不同體積分?jǐn)?shù)的Pb尾礦滲出液脅迫處理中，香菇草幼苗地上部和地下部AsA和GSH含量的變化分別見圖6和圖7。從圖6可知，不同體積分?jǐn)?shù)Pb尾礦滲出液處理的香菇草地下部AsA含量與對照均無顯著差異，地上部呈先上升后下降趨勢，3/4 Pb和Pb處理較對照達顯著差異(P<0.05)。其中，在1/2 Pb脅迫下，幼苗地上部和地下部AsA含量最高，較對照分別增加6.6%和7.5%。而在純Pb條件下，幼苗地上部AsA含量明顯低于對照，降幅為12.7%，而地下部AsA含量較對照略有增加，僅為4.4%。結(jié)果表明，低體積分?jǐn)?shù)的Pb脅迫對香菇草AsA的合成和積累有促進作用，而隨著Pb液體積分?jǐn)?shù)增加，對其影響則不明顯。

由圖7可見，香菇草隨Pb尾礦滲出液體積分?jǐn)?shù)的增加，各部GSH含量變化總體呈上升趨勢，且均高于對照。在純Pb脅迫下，幼苗地上部和地下部GSH的含量均顯著高于對照(P<0.05)，分別比對照增加64.9%、53.6%。其中，隨Pb液體積分?jǐn)?shù)的增加，幼苗地上部GSH含量比地下部含量增長趨勢更為明顯。說明高體積分?jǐn)?shù)的Pb脅迫對香菇草幼苗地上部GSH含量積累比地下部分的GSH含量積累更為顯著。

3 討論

Pb含量不僅會造成環(huán)境的污染，而且還會直接影響到植物生長，甚至?xí)?dǎo)致植物死亡[10-11]。植物自身的生長狀況能直接反映植物在受重金屬脅迫時的耐性程度[12-13]，也是判斷植物抵抗所受脅迫能力的重要依據(jù)。本試驗顯示，在Pb尾礦滲出液脅迫中，香菇草幼苗地上賠和地下部生長指標(biāo)均低于對照，且呈下降趨勢。

植物的光合作用是其生長的重要物質(zhì)來源，而葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高低恰恰又決定植物光合作用能力的強弱[14]。有研究指出，重金屬Pb、鎘(Cd)脅迫對一些植物的生理耐性有著明顯的低促高抑現(xiàn)象[15]，這可能與植物的種類以及在發(fā)育期間重金屬體積分?jǐn)?shù)變化有直接的關(guān)系。另有研究表明，綠豆葉綠素含量在Pb處理下減少，主要原因可能是由葉綠素合成以及葉綠素酶的活性受到高濃度Pb破壞造成的[16]。在本試驗中，不同體積分?jǐn)?shù)Pb處理中，香菇草幼苗葉片中光合色素葉綠素a(Chl a)和葉綠素b(Chl b)含量隨著Pb尾礦滲出液體積分?jǐn)?shù)增加呈先增加后降低趨勢，而類胡蘿卜素(Car)含量隨著Pb尾礦滲出液體積分?jǐn)?shù)增加呈下降趨勢。在1/4 Pb尾礦滲出液處理中，Chl b含量顯著高于對照(P<0.05)，比對照增加7.7%，而Car含量比對照減少2.1%。植物細胞膜外滲出液中的電導(dǎo)率，在一定程度上說明了植物葉片受害后的生理變化，與植物的傷害程度和抗性有密切關(guān)系[17]。植物的膜透性通過相對電導(dǎo)率反映出來，相對電導(dǎo)率越大，表明植物受到的脅迫程度越深[18]。本研究顯示，不同體積分?jǐn)?shù)的Pb尾礦滲出液脅迫下，香菇草幼苗地上部和地下部的相對電導(dǎo)率均高于對照，且在純Pb尾礦滲出液脅迫下，分別比對照增加24.8%、25.1%。說明香菇草體內(nèi)的細胞膜系統(tǒng)在此過程中受到極大的傷害。這可能由于香菇草幼苗細胞膜透性受到影響，導(dǎo)致其內(nèi)可溶性物質(zhì)外滲，從而打破了細胞間的代謝平衡引起的，同時反映香菇草具有一定的脅迫誘導(dǎo)抗性能力。

在本研究中，不同體積分?jǐn)?shù)Pb處理的香菇草地上部葉片中MDA含量均明顯高于對照，并隨Pb液體積分?jǐn)?shù)的變化，MDA含量呈先上升后下降，這一研究結(jié)論與原海燕對Pb脅迫下馬藺的相關(guān)研究部分結(jié)果[19]不一致?？赡苡捎谄潴w內(nèi)活性氧水平較高導(dǎo)致植物細胞受到氧化脅迫的傷害。隨著時間推移，其體內(nèi)所受的氧化反應(yīng)慢慢趨于穩(wěn)定。而本研究中地下部MDA含量變化也與原海燕對馬藺的研究結(jié)果[19]不一致。這可能與本研究中Pb處理時間過長有關(guān)。

植物體內(nèi)GSH和AsA在清除活性氧以及抗氧化脅迫等方面有重要作用[8]。本試驗表明，在不同體積的處理中，幼苗地上部和地下部GSH含量均高于對照，說明Pb脅迫可以促使GSH的合成，對其耐Pb性方面有一定作用。香菇草在低體積分?jǐn)?shù)Pb尾礦處理下對其體內(nèi)AsA含量增加有促進作用，但隨Pb液體積分?jǐn)?shù)的增加，AsA含量逐漸下降，但與對照相比下降幅度較小，說明其有一定的耐鉛性。

4 結(jié)論

在不同體積分?jǐn)?shù)的Pb尾礦滲出液的處理下，香菇草幼苗生長、光合色素均受到不同程度的抑制，體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)也有一定的損傷，但通過香菇草自身調(diào)節(jié)內(nèi)部的生理機制來增強對Pb的耐性，并以誘導(dǎo)植物體內(nèi)光合色素、相對電導(dǎo)率、丙二醛含量、GSH和AsA的合成與積累來體現(xiàn)。說明香菇草可以通過調(diào)節(jié)機體抗氧化系統(tǒng)來進一步緩解Pb對自身的毒害，保證植物自身的生長和發(fā)育，表明其在修復(fù)重金屬Pb污染水體方面有一定的潛力。