劉宏輝,盧 丹,陳琳玉,向國紅,周蕓蕓,白 婧

(湖南人文科技學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院,湖南婁底 417000)

我國是銻礦大國,銻礦儲量位居世界第一,產(chǎn)量約占世界總量的79.6%[1]。銻(Sb)被制成阻燃塑料、電池、泵密封劑等工業(yè)生產(chǎn)品,逐漸遷移到環(huán)境中并周而復(fù)始地循環(huán),引發(fā)人們對環(huán)境與人體健康的擔憂[2]。我國土壤銻背景濃度在0.3～8.4 mg /kg[3]。作為“世界銻都”的錫礦山地區(qū)土壤銻濃度高達8 591.16 mg/kg,是主要的非致癌風(fēng)險因子,對生態(tài)環(huán)境和人體健康均具有危害[4-5]。

生物修復(fù)技術(shù)是指利用植物提取、植物揮發(fā)以及植物固化的植物修復(fù)技術(shù)[6]。該技術(shù)將土壤中銻轉(zhuǎn)移存儲到植物并隨著植物收獲進行集中處理,還可以通過植物根部的積累和沉淀來加強土壤中重金屬的固定。研究表明,植物根際分泌物使土壤中的重金屬污染物轉(zhuǎn)化為相對無害的物質(zhì),從而達到減輕土壤重金屬污染以及對其環(huán)境和人類健康的風(fēng)險[7]。

油菜屬于十字花科蕓薹屬植物,生育期在冬季,不與水稻爭地,種植技術(shù)簡單,具有很強的地域適應(yīng)性[8]。油菜為油料作物,生物量大,生長周期短,生產(chǎn)技術(shù)成熟,油菜吸收的重金屬大部分都集中在地上部分,可作為富集植物用來降低農(nóng)田中的重金屬污染。相對于油菜根、莖、葉部位,籽粒中重金屬含量較低,不影響菜油食用價值,可以實現(xiàn)邊修復(fù),邊生產(chǎn),可以將重金屬隨著植物的收獲從土壤中帶離[9]。既改善生態(tài)環(huán)境,保護自然資源,還可以得到較高的經(jīng)濟價值,達到雙贏的經(jīng)濟效益。

因此,研究重金屬對植物生長和生理生化的影響是十分有必要的,而且對于糧食安全、環(huán)境生態(tài)保護和環(huán)境污染治理具有重要的意義。

1 重金屬Sb脅迫對油菜生長特性的影響

1.1 重金屬Sb脅迫對油菜種子萌發(fā)的影響在種子萌發(fā)階段用重金屬處理可以認識到植物對重金屬的敏感性及抗耐性。重金屬通過抑制細胞生長,損害細胞結(jié)構(gòu)和細胞膜的完整性等,影響種子的正常萌發(fā)[10]。研究表明,油菜種子隨著Cu2+濃度增加,平均發(fā)芽率和發(fā)芽勢逐漸降低,當Cu2+濃度大于4 000 mg/L時,其種子萌發(fā)率最低,與對照呈極顯著差異[11]。低濃度的銻對大豆種子萌發(fā)的有促進作用,當Sb濃度大于15 mg/L時,大豆發(fā)芽速度減慢,發(fā)芽率低[12]。芝麻和向日葵的種子萌發(fā)率均隨著Pb2+、Cd2+、Cr6+、Cu2+濃度的升高而降低,且各處理芝麻種子的萌發(fā)率均極顯著高于向日葵[13]。對于不同類型的作物,Sb對其的脅迫濃度不同。

1.2 重金屬Sb脅迫對油菜根系的影響植物受到污染首先會表現(xiàn)在根系生長與形態(tài)的改變上。根系形態(tài)變化是植物根系對重金屬適應(yīng)的重要方式,植物根系形態(tài)、大小直接影響植物體內(nèi)重金屬的積累量,是評價植物對重金屬耐性的重要指標[14]。低濃度重金屬對植物根系側(cè)根生長有一定的促進作用,但隨著重金屬濃度增加,對根系產(chǎn)生毒害作用,明顯抑制植物根系的生長,造成根系生物量、根表面積、根體積、根尖數(shù)等指標下降,導(dǎo)致根小、萎縮,側(cè)根和根毛減少甚至消失,根系吸收能力減弱[15-17]。紫花苜蓿在50 mg/kg的Cd處理下,根系總長度、根平均直徑、根表面積、根尖數(shù)和分枝數(shù)與CK相比均顯著下降(P<0.05)[18]。重金屬對油菜幼苗的主根生長有著明顯抑制作用,濃度越高抑制作用越明顯,直至生長停止[19]。

1.3 重金屬Sb脅迫對油菜植株生長狀況的影響不同重金屬濃度處理對不同植物種類、形態(tài)和產(chǎn)量產(chǎn)生的毒害效應(yīng)有差異。主要表現(xiàn)為,隨著重金屬濃度的增加植株的干重和鮮重顯著降低,地上部重金屬含量均顯著增加。油菜幼苗在200 μmol/L的Al3+處理下生物量最高,在500 μmol/L的Al3+處理下,油菜幼苗生物量顯著低于CK[20]。低濃度Cd的處理下油菜株高和干重與對照相比顯著增加,Cd濃度為200 mg/kg時,油菜的生長出現(xiàn)子葉枯萎黃化等顯著抑制作用[21]。當植物生長受到顯著Sb脅迫時,表現(xiàn)出植物矮小、葉片面積減小、葉片收攏、莖部彎曲、不抗倒伏、葉片顏色暗淡發(fā)黃等現(xiàn)象[22]。

2 重金屬Sb對油菜生理生化活動的影響

2.1 重金屬Sb對油菜光合作用的影響葉綠素含量會直接反應(yīng)植物的光合作用的強弱和植物的生長狀況[23]。隨著土壤中Sb3+濃度的增加,甜芥菜葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量與對照相比呈現(xiàn)先增加后減少趨勢;當土壤Sb3+濃度達到60 mg/kg時,葉綠素a、b及總量基本趨于平衡[24]。當土壤中Cd增加量低于120 mg/kg時,油菜的葉綠素a、b含量顯著增加,處理濃度高于120 mg/kg時葉綠素a、b含量急劇下降,且隨著Cd處理濃度的升高,其下降幅度更大[14]。不同濃度的重金屬脅迫植物表現(xiàn)出不同的適應(yīng)性,重金屬脅迫抑制植物的細胞分裂和伸長,降低光合速率,傷害細胞膜結(jié)構(gòu),刺激和抑制了葉綠素中酶的活性,影響蛋白質(zhì)和氨基-r-戊酮酸的合成,直接導(dǎo)致葉綠體結(jié)構(gòu)被破壞,植物葉綠素含量下降和生物量的減少[25-26]。

不同濃度的重金屬處理顯著抑制了油菜、玉米、鳶尾植株的生長,葉片光合色素含量和光合作用參數(shù)[光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(E)、葉綠素?zé)晒?Fv/Fm)]也顯著降低。當植物遭遇環(huán)境脅迫時,植物的Fv/Fm減小,植物的光合作用減弱,葉綠素的光合結(jié)構(gòu)被破壞,Fv/Fm呈現(xiàn)下降趨勢,因此將Fv/Fm視為反映植物生長環(huán)境是否良好的監(jiān)測指標之一[27]。當向土壤中添加 0～1 000 mg/kg范圍的Sb水溶液時,隨Sb處理濃度的增加,玉米的光合參數(shù)、葉綠素含量和生物量都降低,高濃度的Sb會嚴重影響玉米的生長發(fā)育,進而影響玉米的產(chǎn)量和品質(zhì),土壤中Sb濃度大于50 mg/kg會導(dǎo)致玉米葉片中葉綠素合成、Fv/Fm顯著降低[28]。綜上所述,不同濃度重金屬處理下油菜的光合參數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,葉綠素含量顯著下降。

2.2 重金屬Sb脅迫對油菜抗氧化反應(yīng)的影響長時間的生存與進化,使植物擁有一套完整的應(yīng)對氧化脅迫的保護和損傷修復(fù)系統(tǒng)。其中超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)是抗氧化系統(tǒng)中重要的酶類,共同組成植物體內(nèi)的活性氧清除系統(tǒng),相互協(xié)調(diào)保護植物避免自由基對它的傷害,保護細胞膜的完整性,減輕不良因素造成的危害[29-30]。

在低濃度Cd處理下,油菜的SOD活性緩慢上升,說明低濃度的Cd可以誘導(dǎo)SOD活性增加。隨著Cd濃度增加,SOD活性下降,MDA含量逐漸上升,POD和CAT活性逐漸下降[31-32]。隨著U濃度增加,SOD、POD和CAT的活性都有所下降[33]。Cu處理下,油菜APX、SOD、POD活性含量升高,MDA含量降低。Cr處理下,APX、POD、SOD、CAT活性上升[34]。Al處理下,SOD、CAT、POD活性隨著濃度增加先升高后降低[20]。Cr處理下,MDA、SOD、POD活性上升,CAT活性下降[35]。不同重金屬對不同作物抗氧化物酶活性的影響見表1。

表1 不同重金屬對不同作物抗氧化物酶活性的影響

2.3 重金屬脅迫對油菜生化指標的影響脯氨酸(Pro)、可溶性蛋白和可溶性糖是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì),維持原生質(zhì)與環(huán)境的滲透平衡。脯氨酸不僅在逆境條件下起到滲透調(diào)節(jié)劑的作用,而且增加蛋白質(zhì)的溶解度,加快蛋白質(zhì)水合作用和緩減蛋白質(zhì)損傷,從而維持細胞膜結(jié)構(gòu)的完整性[42]。隨著Cd濃度增加,油菜植株內(nèi)的脯氨酸含量增加,在Cd含量為200 mg/kg的條件下,油菜體內(nèi)的脯氨酸含量是對照的17.95倍[30]。在Cd脅迫下植物體內(nèi)的脯氨酸含量增加,它通過與金屬的螯合作用形成無毒的脯氨酸-金屬絡(luò)合物,從而提高了植物的抗逆[43-44]。Cu污染下,隨著濃度的增加,油菜脯氨酸含量逐漸下降,總可溶性糖含量表現(xiàn)為先增后降;Zn污染下,脯氨酸和總可溶性糖含量均表現(xiàn)為先增后降[34]。Sb3+可導(dǎo)致水稻體內(nèi)水溶性蛋白質(zhì)含量降低以及高濃度Sb3+還能導(dǎo)致甜芥菜葉片中可溶性糖和淀粉含量的顯著降低[24]。

3 重金屬Sb污染對油菜安全品質(zhì)的影響

油菜生物量大、根系發(fā)達,且油菜籽粒中重金屬含量相對于其他部位較低[10]。研究表明,油菜種子平均含油量為40%,菜籽油富含有多種脂質(zhì)成分,是食用植物油來源,也可以作為生物柴油。油菜種子提取油脂后,其余的是蛋白質(zhì)、碳水化合物和種皮組分的菜籽粕,粕餅中積累重金屬含量比菜油中的要高,可以采用混合溶劑脫毒技術(shù)來去除粕餅中重金屬含量,防止粕餅投放到環(huán)境中對土壤造成二次污染,可將其用作動物飼料,增加經(jīng)濟價值[45-47]。

油菜根、莖、葉、籽粒中重金屬含量可反映油菜對重金屬的富集能力。重金屬Pb、As在油菜各部位的富集量從大到小依次為根、葉、果莢、莖、籽粒,重金屬Zn、Cu、Cd在油菜各部位的富集量從大到小依次為葉、根、果莢、莖、籽粒。油菜各生育時期,葉、根和莖是Zn和Cd主要富集器官,花和籽粒對Zn和Pb富集量也很明顯,收獲期果莢對Cd和Cu富集量較突出(表2)[48]。油菜各生育時期重金屬含量大小表現(xiàn)為:Zn>Cu>Pb>Cr>Cd;富集系數(shù)大小表現(xiàn)為:Zn>Cd>Pb≈Cu>Cr[49]。

表2 重金屬在油菜不同生育時期不同部位的積累情況

4 展望

土壤重金屬污染已是全球性環(huán)境問題,人類活動導(dǎo)致土壤重金屬污染面積大幅度增加。要從根本上解決重金屬污染問題,就要限制農(nóng)業(yè)活動、工業(yè)生產(chǎn)中重金屬的排放量,從而降低土壤重金屬對人體毒害的風(fēng)險、維護環(huán)境和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境。目前油菜生產(chǎn)種植技術(shù)成熟,土壤中重金屬可隨植株收獲而帶離,能夠有效降低土壤中重金屬含量,維持土地價值屬性,保持經(jīng)濟價值。在今后的土壤重金屬污染治理中,首先,應(yīng)加大對重金屬污染防治的宣傳與管理,減少人為污染發(fā)生;其次,由于植物本身的生理、生化特性導(dǎo)致不同油菜品種不同部位對不同重金屬吸收、遷移和轉(zhuǎn)化以及耐性機制存在較大差異,重點應(yīng)集中在油菜品種培養(yǎng)和篩選、油菜聯(lián)合微生物修復(fù)技術(shù)、油菜耐重金屬脅迫關(guān)鍵基因的深入研究;最后,添加外源激素、農(nóng)藝措施等改良手段來增強其修復(fù)效率,挖掘其修復(fù)潛力。