2016, Vol. 37
2. 中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室, 青岛 266100;
3. 山东省海洋环境地质工程重点实验室, 青岛 266100
2. Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;
3. Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering, Qingdao 266100, China
重金属污染为环境和人类健康带来严重后果，已成为人们普遍关注的环境问题[1].铬(Cr)是对生物威胁最严重的重金属之一，工业制品全球年产量约为107 t[2]，致使大量含Cr废物通过直接排放和间接大气沉降进入土壤，Cr污染土壤的修复与治理迫在眉睫.植物修复是一种绿色、生态友好型的原位修复技术.但Cr的超积累植物种类稀少，近年来筛选生长迅速、生物学产量高，且对Cr耐受能力强的植物成为低浓度Cr污染场地植物修复及已处理污染场地生态恢复的新方向[3, 4].
目前，植物对Cr的积累含量是筛选修复植物种类的主要指标，已发现的对Cr具有一定耐受性的植物品种包括白花三叶草[5]、高羊茅[5]和四川黄籽[6]等.而Cr在植物中的积累对植物的生长及生理造成毒性损害[7]，成为植物大量积累Cr的主要限制因素. Cr对植物的毒性作用主要表现为植物生物量下降、严重损害植物根部生长，并刺激活性氧(ROS)的产生、诱导膜脂过氧化[8].但植物也拥有自身防御机制，如脯氨酸、抗氧化酶、次级代谢产物等，保护植物不受重金属的氧化应激伤害，提高植物对重金属的耐受能力[9, 10].不同植物对重金属耐受性能不同，如何进行评价、哪些指标能够综合反映植物对重金属污染场地的修复潜力，目前尚无明确界定.因此研究植物在重金属胁迫下的生长、生理响应，联合植物对金属的积累效果，完善重金属耐受型植物评价指标体系对重金属污染场地的修复具有重要现实意义.
土壤中的Cr主要以Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)形式存在，Cr(Ⅲ)是动植物生长必需的元素，在土壤中的含量普遍高于Cr(Ⅵ)；而Cr(Ⅵ)对植物的毒性超过Cr(Ⅲ)的100倍[11, 12]，且其更容易被植物吸收. Cr(Ⅵ)胁迫下耐受型植物的生理代谢及富集性能已有研究[3~6]，然而，对比Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)胁迫下植物的生长、生理表征指标及对Cr积累效果的研究仍较少.
本研究以青岛红星化工厂铬渣堆场及周边楼山河沿岸的土壤、植被铬污染调查为基础，选用调查区分布广泛、生长茂盛的土著草本植物黑麦草(Lolium perenne L.)和牵牛花[Pharibitis purpurea(L.) Voigt]为研究对象，分析Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)胁迫下两种植物生长、生理响应指标及对Cr的积累指标，探讨两种植物对不同价态Cr耐受能力及Cr积累效果，并以此为基础准确评价这两种植物对Cr污染土壤的修复潜能，以期为科学地筛选Cr污染土壤修复的植物资源提供理论支持.
1 材料与方法 1.1 供试材料 1.1.1 植物材料黑麦草(Lolium perenne L.)，禾本科黑麦草属，多年生草本植物.其生长迅速、根系发达、生物量大，对重金属具有较强的耐受能力.牵牛花[圆叶牵牛，Pharibitis purpurea(L.) Voigt]，旋花科牵牛属，一年生蔓性缠绕草本.其有发达的直根，有较强的耐干旱、耐盐碱能力，观赏性强.植物种子购于尚品绿化工程苗木公司.
1.1.2 供试土壤供试土壤采自青岛红星化工厂铬渣堆场上游2 km处的表层土壤(0~20 cm).青岛红星化工厂从1958年建厂至2004年累计堆放的铬渣总量超过2×105 t. 2004年对铬渣进行烧结炼铁处置，但以铬渣堆场为中心，其毗邻的楼山河沿岸上游1 km至下游2.5 km处表层土壤均受到不同程度Cr污染. 2015年8月，对铬渣堆场及周边楼山河沿岸表层土壤Cr污染状况进行调查，发现铬渣堆场表层土壤Cr(Ⅲ)最大值和平均值分别为15 697.5 mg ·kg-1和3 156.8 mg ·kg-1，Cr(Ⅵ)分别为255.4 mg ·kg-1和63.6 mg ·kg-1，与历史调查结果相比，污染程度有所降低[13, 14].
土壤样品采回后自然风干、磨细后过2.5 mm筛，室温下保存.供试土壤的pH值、有机质和阳离子交换量(CEC)分别为7.32、 10.47 g ·kg-1和16.48 cmol ·kg-1，总铬和六价铬含量分别为9.58 mg ·kg-1和0.52 mg ·kg-1.
1.2 试验设计依据调查区表层土壤Cr含量进行预试验，确定Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的最高含量分别为1 500 mg ·kg-1及300 mg ·kg-1.采用直径12 cm、高14 cm的塑料花盆进行室内盆栽试验，每盆土壤用量1 kg(以干土计).供试土壤设置6个Cr(Ⅲ)浓度和6个Cr(Ⅵ)浓度(均以Cr计)，浓度梯度分别为0(CK)、 100、 250、 500、 1 000、 1 500 mg ·kg-1及0(CK)、 25、 50、 100、 200、 300 mg ·kg-1.按上述浓度将Cr以CrCl3 ·6H2O和K2Cr2O7的溶液形式均匀加入，充分混匀，于室内25℃下平衡一周后用于试验，各处理重复3次.
选择饱满度一致的种子用0.5%次氯酸钠溶液浸泡消毒10 min，用去离子水冲洗后播种于处理后的土壤中，待种子出苗一周后间苗，每盆保留长势一致的幼苗15株.植物生长期间根据土壤水分蒸发情况，不定期补充蒸馏水保持土壤含水量达饱和持水量的65%；整个生长期采用自然光源，温度保持在10~25℃.
植株生长30 d后破坏性取样，测定植物各项生理指标，并收获植物.收获的植株用去离子水快速洗净，然后将地上部和根部分开.处理后的植物样品在105℃下杀青0.5 h，70℃烘干至恒重.烘干样品粉碎过0.425 mm筛，用于测定植物中Cr含量.
1.3 分析方法 1.3.1 植物生长、生理指标的测定试验结束后，测量植物株高、根长、干重等生长指标.选取植物相同部位测定其各项生理指标，其中：
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叶绿素含量采用乙醇提取法[15]测定，脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法[16]测定，根系活力采用氯化三苯基四氮唑法[16]测定.植物抗氧化系统中的丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法[16]测定，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性分别采用氮蓝四唑还原法[16]、愈创木酚比色法[16]及紫外吸收法[16]测定.
1.3.2 植物Cr含量的测定称取粉碎的植物样品0.5 g于锥形瓶中，加入20 mL浓硝酸和4 mL高氯酸低温加热消解[5].体积减至2~5 mL时，加入10 mL去离子水，再加热10~15 min后移入25 mL比色管中，并用0.2%硝酸定容至刻度，使用原子吸收光谱分析其中Cr含量，并计算富集系数及转运系数.做空白试验作为对照，同时加入国家标准植物样品(GBW07602)进行质量控制，样品回收率为94%~103%.
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TU-1810(普析，中国)紫外可见分光光度计. M6型(Thermo Solar, USA)原子吸收光谱仪.
1.5 数据分析应用SPSS 16.0软件对数据进行方差分析(ANOVA)和P=0.05水平下的Tukey检验；相关分析采用Pearson相关系数，并用Two-tailed进行显著性检验.统计数据采用Origin 8.5软件绘图.
2 结果与分析 2.1 Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)胁迫下黑麦草和牵牛花的生长指标土壤中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)对黑麦草和牵牛花的株高、根长和生物量均产生影响(表 1). 100 mg ·kg-1 Cr(Ⅲ)胁迫下，黑麦草的株高和根长分别高于对照组5.0%和15.3%，至1 500 mg ·kg-1时仅为对照组的64.6%和43.7%.高浓度Cr(Ⅲ)对牵牛花的生长抑制较为明显，1 500 mg ·kg-1 Cr(Ⅲ)胁迫下牵牛花株高和根长仅分别为对照组的26.0%和27.2%. Cr(Ⅵ)胁迫对两种植物的株高和根长均表现出显著的抑制作用(P < 0.05).例如Cr(Ⅵ)浓度为25 mg ·kg-1时，黑麦草的株高和根长甚至低于1 500 mg ·kg-1Cr(Ⅲ)处理下的相应值.
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表 1 Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)胁迫对黑麦草和牵牛花生长指标的影响1) Table 1 Effect of Cr(Ⅲ) and Cr(Ⅵ) stress on the growth parameters of Lolium perenne L. and Pharibitis purpurea(L.) Voigt |
Cr(Ⅲ)胁迫下，两种植物的生物量均呈先升高后下降的趋势；对比来看500 mg ·kg-1 Cr(Ⅲ)胁迫下，黑麦草的生物量仍与对照组持平，而该浓度下牵牛花生物量仅为对照组的60.2%. Cr(Ⅵ)胁迫下，两种植物的生物量均显著下降(P < 0.05)，且牵牛花的下降更为明显，在25 mg ·kg-1 Cr(Ⅵ)胁迫下牵牛花生物量与对照组相比下降了34.9%，而当浓度增加到50 mg ·kg-1时，降幅增加至71.3%，明显高于相同处理下的黑麦草下降比率44.0%.综上所述，植物生物量对Cr(Ⅵ)敏感，而植物根长对Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)胁迫的表征作用均较强.
2.2 Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)胁迫下黑麦草和牵牛花的生理指标 2.2.1 一般生理指标Cr胁迫还对植物叶绿素及脯氨酸合成、含水率和根系活力造成影响.两种植物在Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)胁迫下的叶绿素含量见表 2. Cr(Ⅲ)胁迫下黑麦草和牵牛花叶绿素含量分别在250 mg ·kg-1和100 mg ·kg-1时开始降低，至1 500 mg ·kg-1时总叶绿素含量分别仅为对照组的81.5%和20.5%. Cr(Ⅵ)胁迫使两种植物叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均呈下降趋势，且各处理组间差异更为显著(P < 0.05). Cr胁迫下黑麦草叶绿素a/b值呈下降趋势，而牵牛花则表现为下降后升高.因此，黑麦草叶绿素a对Cr较为敏感，而牵牛花总叶绿素含量对Cr毒害的指示作用更好.
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表 2 Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)胁迫对黑麦草和牵牛花的叶绿素含量的影响 Table 2 Effect of Cr(Ⅲ) and Cr(Ⅵ) stress on chlorophyll content of Lolium perenne L. and Pharibitis purpurea(L.) Voigt |
Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)胁迫下两种植物的含水率、根系活力和脯氨酸含量如图 1. Cr(Ⅲ)胁迫下两种植物含水率均大于80%，且各处理组与对照组相差均维持在6%以内；50 mg ·kg-1 Cr(Ⅵ)胁迫下，黑麦草和牵牛花的含水率均在50 mg ·kg-1时开始降低，并分别在100 mg ·kg-1和50 mg ·kg-1 Cr(Ⅵ)时下降最为明显(与对照组相比分别下降了44.8%和35.1%).因此，与Cr(Ⅵ)相比，植物含水率对Cr(Ⅲ)胁迫的指示作用并不明显.
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图 1 Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)胁迫对黑麦草和牵牛花生理指标的影响 Fig. 1 Effect of Cr(Ⅲ) and Cr(Ⅵ) stress on the physiological parameters of Lolium perenne L. and Pharibitis purpurea(L.) Voigt |
Cr(Ⅲ)不超过250 mg ·kg-1时黑麦草和牵牛花的根系活力分别可达对照组的1.1和1.7倍；而仅在25 mg ·kg-1的Cr(Ⅵ)胁迫下时，两种植物的根系活力相比对照组分别下降了54.4%和58.5%.因此，根系活力对Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)胁迫下植物毒害具有较强表征作用，且其对Cr(Ⅵ)胁迫更为敏感.
Cr(Ⅲ)胁迫下黑麦草和牵牛花脯氨酸含量分别在500 mg ·kg-1和250 mg ·kg-1时显著升高(P < 0.05)，最高含量分别可达对照组的4.7倍和7.7倍；Cr(Ⅵ)胁迫下两种植物各处理组脯氨酸含量差异显著(P < 0.05)，最高含量与对照组相比分别增加了6.3倍和8.2倍.由此可知，植物脯氨酸含量对Cr胁迫较为敏感.
综合生长和生理指标表明，Cr(Ⅲ)胁迫不超过250 mg ·kg-1时，Cr(Ⅲ)对黑麦草和牵牛花的生长状况和生理代谢具有促进作用，过量Cr(Ⅲ)(≥250 mg ·kg-1)及所有浓度Cr(Ⅵ)(≥25 mg ·kg-1)对植物造成毒性伤害.
2.2.2 抗氧化酶系统指标Cr(Ⅲ)胁迫下植物超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性分别见图 2(a)、 图 2(c)和图 2(e). Cr(Ⅲ)胁迫下黑麦草的3种抗氧化酶活性均表现出先升高后下降的趋势，其中SOD和POD活性最高值分别高出对照组的71.6%、 161.9%，且两种酶活性仅在Cr(Ⅲ)浓度超过1 000 mg ·kg-1时低于对照组；而CAT活性在100 mg ·kg-1时最高，超过此浓度后CAT活性变化不显著(P > 0.05). Cr(Ⅲ)胁迫下牵牛花SOD活性变化趋势与黑麦草一致，但POD、 CAT均随土壤中Cr(Ⅲ)浓度的升高而降低. Cr(Ⅵ)胁迫下两种植物SOD和POD活性均呈先升高后下降的趋势[图 2(b)和图 2(d)]，两种植物SOD和POD活性均在25 mg ·kg-1时显著升高(P < 0.05)；随Cr(Ⅵ)浓度升高，黑麦草和牵牛花的CAT活性均显著下降(P < 0.05)，Cr(Ⅵ)浓度在100 mg ·kg-1时约与对照持平.由此可知，黑麦草和牵牛花的SOD和POD对Cr胁迫的抵抗性较强，Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)分别不超过1 000 mg ·kg-1和100 mg ·kg-1时两种植物对Cr的耐受能力较强.
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图 2 Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)胁迫对黑麦草和牵牛花抗氧化酶活性和丙二醛含量的影响 Fig. 2 Effect of Cr(Ⅲ) and Cr(Ⅵ) stress on antioxidant enzyme activities and malondialdehyde content of Lolium perenne L. and Pharibitis purpurea(L.) Voigt |
Cr(Ⅲ)胁迫下，两种植物的丙二醛(MDA)含量均在250 mg ·kg-1时开始显著升高(P < 0.05)，所有处理组黑麦草的MDA含量均不超过对照组的45%，而牵牛花最大MDA含量可达对照组的2.2倍. Cr(Ⅵ)胁迫时两种植物MDA含量均显著增加(P < 0.05)，25 mg ·kg-1 Cr(Ⅵ)时的MDA含量甚至高于1 500 mg ·kg-1 Cr(Ⅲ)时的含量.相比Cr(Ⅲ)，较低浓度Cr(Ⅵ)即可使植物的质膜系统受到伤害，干扰植物的正常生命活动.对比根系活力、脯氨酸等生理指标表明，MDA可作为植物受Cr氧化胁迫的表征指标.
2.3 黑麦草和牵牛花对Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的有效积累Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)胁迫下两种植物地上部和根部Cr含量如图 3所示.两种植物根部Cr含量均高于地上部，且Cr(Ⅵ)含量均高于Cr(Ⅲ). Cr(Ⅲ)胁迫下黑麦草和牵牛花地上部Cr含量分别于500 mg ·kg-1和250 mg ·kg-1时开始显著升高(P < 0.05)；根部最高积累浓度分别可达427.8 mg ·kg-1和363.0 mg ·kg-1. Cr(Ⅵ)胁迫下，两种植物地上部Cr含量在50 mg ·kg-1时急剧增加，分别为25 mg ·kg-1处理组的3.4倍和3.0倍；根部最高积累浓度分别达957.4 mg ·kg-1和743.3 mg ·kg-1，地上部最高积累浓度分别达394.7 mg ·kg-1和340.4 mg ·kg-1.由此可知，两种植物对Cr积累的部位主要位于植物根部.
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图 3 Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)胁迫下黑麦草和牵牛花对Cr的积累浓度 Fig. 3 Cr accumulation in Lolium perenne L. and Pharibitis purpurea(L.) Voigt under Cr(Ⅲ) and Cr(Ⅵ) stress |
随土壤Cr浓度升高，两种植物地上部和根部对Cr的富集系数(BCF)基本呈下降趋势，且根部对Cr的富集能力高于地上部(表 3). Cr(Ⅲ)胁迫下，黑麦草和牵牛花根部和地上部的富集系数均低于0.1，浓度为250 mg ·kg-1时根部富集系数分别达地上部的13.9倍和10.1倍. Cr(Ⅵ)胁迫下植物的富集系数均大于Cr(Ⅲ)，黑麦草和牵牛花根部富集系数平均为地上部的2.7倍和1.9倍.黑麦草和牵牛花在Cr(Ⅵ)胁迫下的转运系数(TF)较高，最高分别可达0.49和1.05.
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表 3 Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)胁迫下黑麦草和牵牛花对Cr的转运系数(TF)和富集系数(BCF) Table 3 Cr bioconcentration factor (BCF) and transfer factor (TF) of Lolium perenne L. and Pharibitis purpurea(L.) Voigt under Cr(Ⅲ) and Cr(Ⅵ) stress |
3 讨论 3.1 生长及生理指标表征植物对Cr胁迫的耐受能力
植物对Cr胁迫的耐受能力，一方面通过生长等指标直观表现为植物受毒害的程度；另一方面间接表现在植物应对逆境胁迫的生理机制.植物应对Cr胁迫的生理响应主要为渗透调节和抗氧化机制.
3.1.1 根长、根系活力指标表征Cr胁迫下植物的受害程度Cr损害植物的生长发育，直观表现为植株矮小、根系不发达及生物量下降[17~20]，而且影响叶片光合作用和根系代谢[21].本研究中，低浓度Cr(Ⅲ)( < 250 mg ·kg-1)对两种植物的生长有促进作用，但高浓度抑制植物生长，且根长和根系活力指标变化最为明显[表 1、 图 1(c)、 图 1(d)].而Cr(Ⅵ)阴离子复合物可进入植物细胞膜[22, 23]，对植物生长的毒性作用强，本研究中土壤Cr(Ⅵ)浓度仅为25 mg ·kg-1时黑麦草和牵牛花即产生明显毒性作用，且根长的减少最为显著，根系活力极低. Cr胁迫下根部生长的抑制及根系活力的降低可能与介质中的矿物营养有关[24].有研究通过增加Cr(Ⅵ)胁迫介质中硫酸盐、磷酸盐及硝酸盐浓度，缓解了芥菜幼苗主根的生长抑制，且缓解率可达70%[19].因此，根长可作为Cr毒害植物最直接的指标，根系活力是对高浓度Cr(Ⅲ)与Cr(Ⅵ)胁迫较为敏感的生理指标.
3.1.2 丙二醛(MDA)含量表征Cr胁迫下植物氧化应激水平Cr对植物的主要毒性作用还表现为植物体内ROS大量积累，细胞膜脂过氧化作用加大，MDA含量升高[27]. Scoccianti等[25]发现Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)胁迫下猕猴桃花粉幼苗的膜脂过氧化作用均显著增加，且Cr(Ⅵ)胁迫下更为敏感.本研究中，Cr(Ⅵ)胁迫和高浓度Cr(Ⅲ)下植物的膜脂过氧化程度较严重，黑麦草MDA含量较高[图 2(g)和图 2(h)].高浓度Cr胁迫下MDA增加可能是植物组织细胞损伤的结果，金属耐受型植物比敏感植物的膜脂过氧化水平低[26].综合可知，黑麦草抗氧化能力略好，且MDA是衡量植物受Cr氧化毒害程度的主要指标.
3.1.3 脯氨酸含量表征Cr对植物的毒害程度及植物的渗透调节能力非酶类渗透调节物质脯氨酸[27]能够稳定亚细胞结构，缓冲细胞的氧化还原电势[28, 29]，其含量的增加常被认为是植物适应逆境的表现.但也有研究认为，植物体内脯氨酸含量的升高与电子传递活性的下降有关[7]，Cr胁迫下脯氨酸含量的升高更能反映植物的毒性症状.本研究中，黑麦草脯氨酸含量略低于牵牛花，牵牛花需要合成更多的脯氨酸来平衡渗透势，中毒较深，耐受性较差. Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)胁迫下黑麦草脯氨酸含量与株高均呈显著负相关(相关系数和显著水平分别为R2=-0.890，P < 0.05；R2=-0.942，P < 0.01)；而牵牛花脯氨酸含量与生物量均呈显著负相关(R2=-0.924，P < 0.01；R2=-0.877，P < 0.05).因此，脯氨酸含量指标既可调节植物渗透平衡，又在一定程度上反映了植物的受害程度.
3.1.4 抗氧化酶活力表征Cr胁迫下植物的耐受能力重金属胁迫导致植物产生大量ROS，引起细胞毒害，而SOD能及时清除超氧阴离子自由基(O2·-)，POD和CAT则能有效清除SOD的歧化产物H2O2，减缓细胞膜系统的伤害[23]，使植物适应逆境环境.研究发现，抗氧化酶在超积累植物李氏禾(Leersia hexandra Swartz)应答Cr氧化胁迫中起到重要作用[30].而且，不同植物抗氧化系统对Cr胁迫的响应不同，如Cr(Ⅵ)胁迫使洋甘菊抗氧化物含量降低[20]；低浓度Cr(0.5 mmol ·L-1)即可对银胶菊产生氧化损害，而高浓度Cr(1 mmol ·L-1)仍可使龙葵叶片的SOD、 POD含量升高[24]；而Patel等[27]则认为POD是罗勒抗氧化应激主要防御机制.本研究中，Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)分别不超过250 mg ·kg-1、 25 mg ·kg-1时两种植物的SOD、 POD活性均较高[图 2(a)～2(f)].因此，植物抗氧化酶活力是植物抵抗Cr胁迫的内在响应，SOD、 POD可用来表征黑麦草和牵牛花对Cr的耐受能力.
3.2 Cr的积累指标表征植物对Cr的积累效果植物体中Cr的积累含量是筛选植物修复资源的重要指标之一.本研究中，与Cr(Ⅲ)相比，植物根部更容易吸收Cr(Ⅵ)，Cr浓度均为100 mg ·kg-1时，两种植物对Cr(Ⅵ)的积累浓度超过对Cr(Ⅲ)积累浓度的10倍(图 2).这可能是由于土壤中Cr(Ⅲ)更容易被土壤表面吸附或形成沉淀稳定存在，植物可利用程度不高，而Cr(Ⅵ)的酸根离子带负电荷，吸附性能差，溶解性和生物有效性较高[31]；并且有报道称Cr(Ⅵ)的吸收更快速，其可利用与硫酸盐相同的运输系统渗透进入根部细胞[32]，并在细胞内部被还原，生成大量自由基影响植物正常代谢及生长.一般植物叶片中Cr的临界含量大约仅为10 mg ·kg-1左右[7]，而Cr超积累植物的参考值为地上部分Cr积累浓度大于1 000 mg ·kg-1[33]，我国仅发现的Cr超级累植物李氏禾的叶片Cr含量平均高达1 786.9 mg ·kg-1[34].本研究发现黑麦草和牵牛花根部Cr(Ⅵ)最大积累浓度分别为957.4 mg ·kg-1和743.3 mg ·kg-1，地上部分别为394.7mg ·kg-1和340.4 mg ·kg-1(图 2).其他耐Cr植物筛选研究的结果发现，土培条件下白花三叶草根部和地上部对Cr的积累含量分别为414.04 mg ·kg-1和352.05 mg ·kg-1，高羊茅分别为405.27 mg ·kg-1和344.26 mg ·kg-1[5]；草炭泥和园土栽培条件下扁穗牛鞭草根部和地上部分别达1 565.83 mg ·kg-1和763.68 mg ·kg-1[35].而Vernay等[8]在水培条件下研究了黑麦草根部和地上部对Cr(Ⅵ)的积累，发现当Cr(Ⅵ)为500 μmol ·L-1的营养介质中的积累浓度分别达到2 450 mg ·kg-1和210 mg ·kg-1，产生这种差异的原因可能是植物生长介质中Cr的可利用形态与含量不同.对比可知，黑麦草和牵牛花对土壤中的Cr具有一定的富集潜力.
植物的富集系数和转运系数是统一量化植物提取和转运土壤重金属的重要指标.虽然Cr胁迫下黑麦草对Cr的积累浓度高于牵牛花，但其转运能力和叶片富集能力不及牵牛花，且两种植物对Cr的转运系数均不超过1.05(表 3). Cr[尤其是Cr(Ⅲ)]不易向地上部转运，可能是由于Cr(Ⅲ)与细胞壁的—COOH官能团迅速形成复合物，使之固定在根部细胞的液泡中[7]，这也是植物耐受高浓度Cr的机制.综上所述，黑麦草和牵牛花对Cr有一定富集能力，实际Cr污染土壤治理时需借助土壤改良等措施增强植物对Cr的积累和转运.
4 结论(1) Cr胁迫下黑麦草和牵牛花的生长、生理指标表明，当土壤Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)浓度分别在250 mg ·kg-1和25 mg ·kg-1时两种植物开始受到Cr的毒性损害，且黑麦草对Cr的耐受能力优于牵牛花.
(2)表征植物受Cr毒害程度较为有效的指标为根长和根系活力，MDA可表征植物受到氧化伤害的程度，而脯氨酸、 SOD及POD均可表征植物对Cr的耐受能力.植物对Cr的积累指标是筛选植物修复资源的主要指标，黑麦草根部对Cr的积累浓度高于牵牛花，且植物对Cr(Ⅵ)的富集能力高于Cr(Ⅲ).
致谢: 感谢中国海洋大学环境科学与工程学院水土污染分析实验室成员对采样及实验过程提供的帮助！| [1] | Bolan N, Kunhikrishnan A, Thangarajan R, et al. Remediation of heavy metal(loid)s contaminated soils -To mobilize or to immobilize?[J]. Journal of Hazardous Materials , 2014, 266 : 141–166. DOI:10.1016/j.jhazmat.2013.12.018 |
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