張雅潔 杜崇宣 楊思林 劉云根,# 王 妍 馬 榮

(1.西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650224;2.云南省山地農(nóng)村生態(tài)環(huán)境演變與污染治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650224)

砷(As)是一種廣泛存在于自然界但難以自然降解或微生物分解的強(qiáng)毒性環(huán)境污染元素[1-2]。隨著工業(yè)化發(fā)展，越來(lái)越多的現(xiàn)代化生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的As進(jìn)入了環(huán)境[3]。已有地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的環(huán)境As污染問(wèn)題[4]。此外，由于A(yíng)s的遷移性，若僅僅觀(guān)測(cè)到環(huán)境中As濃度降低，并不能說(shuō)明水生態(tài)系統(tǒng)As污染及其毒性效應(yīng)隨之降低[5]，可能被轉(zhuǎn)移到了生態(tài)系統(tǒng)中的生物體內(nèi)。湖濱帶是湖泊的水陸交錯(cuò)區(qū)域，具有陸源污染攔截、污染物降解、水質(zhì)提升和生物多樣性維持等多種生態(tài)功能，是保障湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康的重要屏障[6]。挺水植物作為湖濱濕地生物群落的重要組成部分，對(duì)重金屬有較大吸收量，在湖濱帶重金屬植物修復(fù)中具有廣泛應(yīng)用。目前，植物對(duì)As的富集、響應(yīng)機(jī)制研究已取得較多進(jìn)展，但多關(guān)注植物的地上部分，對(duì)于植物根系分泌物的關(guān)注較少。事實(shí)上，根系是植物與土壤的物質(zhì)交換界面，對(duì)環(huán)境脅迫能迅速做出響應(yīng)[7]。根系分泌物是植物長(zhǎng)期以來(lái)形成的一種適應(yīng)機(jī)制。在重金屬污染脅迫下，植物根系分泌物種類(lèi)、組成都會(huì)發(fā)生改變[8]。因此，研究As耐受植物根系分泌物對(duì)As污染脅迫的響應(yīng)，可進(jìn)一步探明As耐受植物對(duì)As污染環(huán)境的適生機(jī)制。由于一般情況下植物體內(nèi)的物質(zhì)變化會(huì)隨其物候期變化[9-10]，因此本研究測(cè)定與分析了在不同As濃度條件下典型挺水植物香蒲(TyphaangustifoliaL.)各物候期的根系分泌物，據(jù)此探析香蒲對(duì)As污染環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制及用香蒲進(jìn)行植物修復(fù)的最佳物候期，以期為As污染地區(qū)植物修復(fù)提供理論參考和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試香蒲購(gòu)自云南省昆明市富民縣某香蒲種植基地，篩選長(zhǎng)勢(shì)一致的用于試驗(yàn)。供試土壤為采自西南林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)的紅壤，基本性質(zhì)見(jiàn)表1。Na2HAsO4·7H2O為分析純。

表1 供試土壤基本性質(zhì)

供試土壤經(jīng)自然晾干、研磨、過(guò)2 mm篩后，與史丹利有機(jī)型家庭園藝復(fù)合肥按1∶2(體積比)混勻，使用黑色聚乙烯塑膠桶(直徑25 cm，高35 cm)作為濕地模擬裝置，每個(gè)桶裝入15 kg混合土和10 L無(wú)菌水剛好至淹水狀態(tài)，通過(guò)加入Na2HAsO4·7H2O設(shè)置土壤中As質(zhì)量濃度為0、50、150、600 mg/kg，分別代表As空白、As低濃度、As中濃度和As高濃度脅迫，每個(gè)濃度設(shè)置3個(gè)重復(fù)，常溫、黑暗環(huán)境下老化一個(gè)半月后于2018年4月栽種香蒲，每個(gè)濕地裝置栽種4株生苗齡為一個(gè)月的香蒲幼苗，控制溫度為20～25 ℃，相對(duì)濕度為60%～75%，自然光照，每隔一星期添加無(wú)菌水至淹水狀態(tài)。

1.2 樣品采集及測(cè)定

將物候期劃分為幼苗期、花果期、枯黃期3個(gè)階段，分別在2018年6月(幼苗期)、8月(花果期)、10月(枯黃期)采用韋雪晶等[11]的方法進(jìn)行根系分泌物采集，用氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀(Agilent 7890A/5975C)測(cè)定。同時(shí)采集3個(gè)物候期的植物根系和土壤，并測(cè)定As含量[12]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀軟件MSD ChemStation自帶的NIST Serach篩選出匹配度90%以上的物質(zhì)，并采用峰面積歸一法(單一成分的峰面積/所有成分的峰面積)表征根系分泌物質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

利用SPSS 17.0進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差、顯著性、相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 As脅迫對(duì)不同物候期香蒲根系分泌物種類(lèi)的影響

2.1.1 定性分析

由圖1可以看出，烴類(lèi)為香蒲根系分泌物中的主要種類(lèi)，各物候期均檢出種類(lèi)眾多的烴類(lèi)。從植物處于不同物候期根系分泌物種類(lèi)變化分析，幼苗期香蒲根系分泌物有烴類(lèi)、酚類(lèi)、生物堿類(lèi)和唑類(lèi)4類(lèi)，唑類(lèi)是幼苗期僅有的種類(lèi)；花果期香蒲根系分泌物的種類(lèi)最豐富，出現(xiàn)了1種有機(jī)酸類(lèi)和多種酯類(lèi)，生物堿類(lèi)的種類(lèi)數(shù)也明顯增多；枯黃期香蒲根系分泌物種類(lèi)比較單一，僅檢測(cè)出烴類(lèi)、酚類(lèi)、生物堿類(lèi)3類(lèi)。

圖1 各物候期不同As質(zhì)量濃度處理下的香蒲根系分泌物種類(lèi)

幼苗期、花果期香蒲根系分泌物種類(lèi)數(shù)均在A(yíng)s脅迫條件下增多，但都在A(yíng)s低濃度下就達(dá)到峰值，相比As空白分別增加了9、3種。幼苗期在A(yíng)s空白處理下香蒲根系僅分泌烴類(lèi)和唑類(lèi)，As脅迫后開(kāi)始分泌酚類(lèi)和生物堿類(lèi)，同時(shí)烴類(lèi)種類(lèi)數(shù)大幅增加。As高濃度脅迫時(shí)烴類(lèi)種類(lèi)數(shù)減少，生物堿類(lèi)種類(lèi)數(shù)進(jìn)一步增加?；ü诔霈F(xiàn)的有機(jī)酸類(lèi)是在A(yíng)s脅迫下出現(xiàn)的，同時(shí)As脅迫下酯類(lèi)種類(lèi)數(shù)增加?？蔹S期A(yíng)s低濃度脅迫下根系分泌物種類(lèi)數(shù)與As空白相同，而As中、高濃度脅迫下烴類(lèi)種類(lèi)數(shù)增加，As高濃度脅迫下生物堿類(lèi)種類(lèi)數(shù)也有增加。

2.1.2 半定量分析

各物候期不同As質(zhì)量濃度處理下香蒲根系分泌物質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)圖2。

注：不同小寫(xiě)字母表示P<0.05水平下組間差異顯著。表2同。

幼苗期A(yíng)s空白條件下香蒲根系分泌物中烴類(lèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)極高，達(dá)90%以上，受As脅迫后顯著下降，As高濃度脅迫較As空白降低了18.82百分點(diǎn)。幼苗期僅有的唑類(lèi)在A(yíng)s低濃度和中濃度脅迫下質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著下降，但在A(yíng)s高濃度脅迫時(shí)又顯著增加。酚類(lèi)和生物堿類(lèi)在幼苗期A(yíng)s空白條件下未檢出，受As脅迫后開(kāi)始出現(xiàn)，并隨As濃度的升高呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

花果期香蒲植株趨于成熟，其根系分泌物種類(lèi)變得更加豐富。雖然烴類(lèi)仍是根系分泌物中的主要成分，但相比幼苗期總體明顯減少。酚類(lèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著As濃度升高逐漸增加，As低濃度、中濃度、高濃度脅迫下相比As空白分別增加了4.48百分點(diǎn)、7.08百分點(diǎn)、8.40百分點(diǎn)。有機(jī)酸類(lèi)和酯類(lèi)僅在花果期出現(xiàn)，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)都隨As濃度升高而增加。As中濃度、As高濃度相對(duì)As低濃度時(shí)有機(jī)酸類(lèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了3倍以上?；ü谏飰A類(lèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同As濃度脅迫下差異不大，但相比幼苗期有大幅增加。

枯黃期香蒲根系分泌物只有3類(lèi)，烴類(lèi)仍是主要成分，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比花果期進(jìn)一步減少，而且隨As濃度升高先升后降。酚類(lèi)變化規(guī)律與其他兩個(gè)物候期相同，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨As濃度升高逐漸增加。生物堿類(lèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨As濃度升高表現(xiàn)為先降后升，并且相比其他兩個(gè)物候期進(jìn)一步增加，As高濃度脅迫時(shí)已接近烴類(lèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.2 As脅迫下不同物候期香蒲根系分泌物的共有成分

As脅迫下不同物候期香蒲根系分泌物共有成分有8種(見(jiàn)表2)，均為烴類(lèi)，包括7種烷烴和1種烯烴，都為鏈狀結(jié)構(gòu)。其中，二十烷、二十三烷、二十四烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大。As脅迫對(duì)二十烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響較大，低濃度脅迫時(shí)就已經(jīng)表現(xiàn)出來(lái)，幼苗期及花果期A(yíng)s低濃度脅迫下較As空白分別降低了17.22百分點(diǎn)、4.44百分點(diǎn)，而枯黃期A(yíng)s低濃度脅迫下則較As空白升高了2.59百分點(diǎn)。As低濃度脅迫對(duì)幼苗期二十三烷、二十四烷影響不顯著，而As中濃度和高濃度脅迫有一定影響；花果期這2種烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)在A(yíng)s低濃度脅迫下相比As空白分別下降了9.84百分點(diǎn)、8.87百分點(diǎn)，隨著As濃度進(jìn)一步升高，二十三烷先增加后減少，二十四烷則持續(xù)減少；枯黃期，As中濃度和低濃度脅迫對(duì)二十三烷有促進(jìn)作用，而高濃度脅迫則是抑制作用，二十四烷在A(yíng)s脅迫下基本都呈抑制作用。

表2 As脅迫下不同物候期香蒲根系分泌物的共有成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.3 As脅迫下不同物候期香蒲根系分泌物的特有成分

As脅迫下不同物候期香蒲根系分泌物的特有成分包括烴類(lèi)、唑類(lèi)、酚類(lèi)、酯類(lèi)、有機(jī)酸類(lèi)、生物堿類(lèi)6類(lèi)，最主要的是烴類(lèi)，由于是特有成分，因此不進(jìn)行差異顯著性的多重比較。

根系分泌物特有烴類(lèi)成分包括9種烷烴和1種烯烴(見(jiàn)表3)，烷烴多為鏈狀結(jié)構(gòu)，有2種為環(huán)狀結(jié)構(gòu)。幼苗期和花果期在A(yíng)s脅迫環(huán)境下可以分泌較多種類(lèi)特有成分，而枯黃期較少。幼苗期有7種特有烴類(lèi)成分僅在A(yíng)s脅迫下分泌，其中3-甲基十七烷僅在A(yíng)s中濃度脅迫下檢出。花果期有所不同，只有二十五烷和3-甲基十七烷在A(yíng)s空白中未檢出?？蔹S期時(shí)二十九烷、3-甲基十七烷和9-二十六烯等3種烴類(lèi)根系分泌物消失，十七烷、十九烷、二十五烷在A(yíng)s濃度較高時(shí)才被檢出，只有壬基環(huán)戊烷、十一烷基環(huán)戊烷在不同As濃度脅迫下均有出現(xiàn)。

表3 As脅迫下不同物候期香蒲根系分泌物的特有烴類(lèi)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)1)

根系分泌物其他特有成分見(jiàn)表4。幼苗期分泌1種唑類(lèi)、1種酚類(lèi)和3種生物堿類(lèi)，唑類(lèi)為香蒲幼苗期僅有的根系分泌物，質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨As濃度升高而增加，但As脅迫下均小于A(yíng)s空白；2,2’-亞甲基雙[6-(1,1-二甲基乙基)]-4-甲基酚在受到As脅迫時(shí)出現(xiàn)，特別是As高濃度脅迫時(shí)相比As低濃度、As中濃度脅迫時(shí)明顯增加；生物堿中的油酸酰胺、棕櫚酰胺和芥酸酰胺都只有受到As脅迫時(shí)出現(xiàn)，尤其是棕櫚酰胺和芥酸酰胺只有在受到As高濃度脅迫時(shí)才出現(xiàn)?；ü诔蝾?lèi)外，其他10種化合物基本上都有檢出，棕櫚酰胺、2,5-二叔丁基酚和棕櫚酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨As濃度升高有明顯的增加趨勢(shì)，其中棕櫚酸還是花果期在A(yíng)s脅迫下特有的化合物。只有2,5-二叔丁基酚和2,2’-亞甲基雙[6-(1,1-二甲基乙基)]-4-甲基酚，還有油酸酰胺和芥酸酰胺在枯黃期穩(wěn)定分泌，另外As高濃度脅迫時(shí)還檢測(cè)到了棕櫚酰胺。

表4 As脅迫下不同物候期香蒲根系分泌物的其他特有成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.4 共有根系分泌物與土壤、根系A(chǔ)s間的相關(guān)性分析

由表5可見(jiàn)，在幼苗期和花果期，只有二十四烷與土壤、根系A(chǔ)s有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；在枯黃期，二十三烷和1-二十烯與土壤、根系A(chǔ)s有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，二十四烷與土壤、根系A(chǔ)s有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表5 共有根系分泌物與土壤、根系A(chǔ)s的相關(guān)性1)

3 討 論

3.1 不同物候期對(duì)香蒲根系分泌物的影響

水環(huán)境重金屬污染是現(xiàn)今不容忽視的環(huán)境污染問(wèn)題，香蒲作為公認(rèn)的濕地水生優(yōu)勢(shì)物種，對(duì)As脅迫具有較強(qiáng)耐受性，且以花果期修復(fù)As污染的效果最好[13]。陳俊峰等[14]發(fā)現(xiàn)，香蒲體內(nèi)As含量呈現(xiàn)地下部分大于地上部分的特征，因此探明根系分泌物對(duì)土壤重金屬的修復(fù)機(jī)制具有重要意義。本研究探究了As脅迫對(duì)不同物候期香蒲根系分泌物的影響差異。本研究發(fā)現(xiàn)，花果期香蒲根系分泌物的種類(lèi)最豐富，且有有機(jī)酸類(lèi)和酯類(lèi)檢出，說(shuō)明花果期更能對(duì)As脅迫作出應(yīng)激反應(yīng)。這主要是因?yàn)橐话闱闆r下，花果期植物體內(nèi)新陳代謝最旺盛[15-18]。有研究表明，植物在受到重金屬脅迫時(shí)其根系會(huì)分泌有機(jī)酸以降低重金屬的毒害作用[19-20]。盧豪良等[21]利用秋茄根系分泌有機(jī)酸作為土壤重金屬提取劑，發(fā)現(xiàn)根系分泌的有機(jī)酸能促進(jìn)重金屬的溶解，使重金屬的形態(tài)發(fā)生改變。酯類(lèi)的官能團(tuán)—COO—能通過(guò)絡(luò)合反應(yīng)吸附重金屬[22]。因此，花果期香蒲根系在A(yíng)s脅迫下分泌有機(jī)酸類(lèi)和酯類(lèi)是應(yīng)對(duì)As脅迫作出的適應(yīng)機(jī)制。

3.2 不同As濃度對(duì)香蒲根系分泌物的影響

有研究表明，在A(yíng)s脅迫下植物會(huì)有部分根系分泌物增加[23]。本研究亦然，香蒲根系分泌的酚類(lèi)在3個(gè)物候期內(nèi)均隨As濃度升高而增加。酚羥基作為一種含氧活性官能團(tuán)，在土壤As污染修復(fù)中發(fā)揮重要作用[24]，可對(duì)植物根系促生菌的繁殖起到促進(jìn)作用，有助于改善土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)[25]。生物堿類(lèi)在香蒲所有物候期都有檢出，但不同物候期時(shí)As濃度對(duì)生物堿類(lèi)的影響不同。本研究檢出的生物堿類(lèi)包括酰胺和腈。酰胺中的酰胺鍵是一種弱堿性官能團(tuán)，其中的氮、氧原子能夠提供孤對(duì)電子與金屬離子形成絡(luò)合物，從而可能達(dá)到去除重金屬的效果[26]。施啟榮[27]發(fā)現(xiàn)，腈對(duì)重金屬有良好的吸附性，可用于廢水中重金屬去除。不同物候期香蒲根系分泌的酰胺和腈隨As濃度的變化有不同的響應(yīng)，具體原因還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

(1) 香蒲根系分泌物主要包括烴類(lèi)、酚類(lèi)和生物堿類(lèi)，枯黃期僅有這3類(lèi)，幼苗期還有少量唑類(lèi)，花果期根系分泌物種類(lèi)最豐富，出現(xiàn)特有的有機(jī)酸類(lèi)和酯類(lèi)。

(2) 香蒲對(duì)As具有耐受性。在A(yíng)s脅迫下，香蒲會(huì)通過(guò)根系分泌物的改變來(lái)適應(yīng)，如酚類(lèi)、有機(jī)酸類(lèi)和酯類(lèi)等，特別是酚類(lèi)在3個(gè)物候期均表現(xiàn)出隨As濃度升高而增加的趨勢(shì)。