重金属复合污染对灯心草的联合效应

重金属复合污染对灯心草的联合效应

目前，植物修复技术在处理重金属污染土壤的许多方法中得到了广泛应用，如永久性治理效果、治理过程的定位、治理成本的降低、环境学的兼容性以及后续处理的简单性。利用植物从污染土壤中提取重金属效率的高低取决于植物本身的属性。然而，目前发现的超累积植物往往植株矮小、生长速度慢,再加上受气候、土壤环境条件以及重金属复合污染的制约的限制，在实际应用中能够去除土壤污染元素的总量较小，因此作为土壤修复植物，具有较小的经济和应用价值。一些普通植物虽然对重金属耐性低，组织中重金属累积量也不高，但由于其生长速度快、生物量大，在给定时期内带走的单位面积土壤中重金属总量也大，因而也具有极大的利用价值。对此，有人提出仅仅应用植物的生物富集系数和转运系数作为超累积植物的评价指标是远远不足的，还必须考虑植物的生长周期和生物量，即富集质量分数虽未达某一水平，但生长快、生物量大的植物也能作为超富集植物。在重金属对植物的毒害方面，研究者已经从形态、生理生化、细胞核分子水平做了大量的研究工作，主要集中在剂量效应关系的研究上，并从以前的高剂量、短期的急性毒性试验向低剂量、长期的慢性毒性试验转变的趋势。重金属污染下生物体抗性机理的研究一直是重金属污染生态学的重要内容之一。目前有关重金属污染对植物生态毒理效应的研究主要集中于陆生及水生植物，而对湿地植物的研究还涉及较少。我国湿地植物物种资源丰富，筛选一些具有一定经济价值的非食用的湿地植物作为重金属污染土壤修复植物不失为一条实现经济与环境双赢的可取途径。灯芯草(Juncuseffuses)别名野席草、灯草、水灯心，是席草类、莎草科、蒲草属、多年生草本作物，在我国分布较广。灯心草以其经济、药用价值高而广泛应用于医药和民用工业，在利用其治理城市污水方面也有相关报道。Cd、Pb、Cu、Zn、As5种重金属元素可代表采矿及冶炼厂所排污水和大气的典型污染物，由其导致大面积的土壤污染给我国农业生产和人们身体健康造成了极大的不利影响。本文以这5种重金属作为复合污染因子，以现行土壤环境质量标准为浓度设置依据，探讨5种重金属对灯心草的联合生理毒害机制、该5种重金属的土壤临界毒性效应值以及各种金属在灯心草体内的富集和迁移转化状况，为制定土壤环境容量、利用灯芯草进行重金属污染土壤的治理、修复和污染区生态系统的重建提供科学依据，借以丰富环境污染生态学内容。1材料和方法1.1农田重金属污染供试土壤有3种———空白土壤、铅锌尾矿污染土壤和矿毒水污染土壤。空白土壤采自湖南农业大学教学实习基地，为红壤性水稻土。污染土壤均采自湖南省郴州市苏仙区东河流域，该区域的农业土壤由于长期受上游有色金属矿洗矿废水的污染，特别是1985年特大山洪将东坡120万t的尾砂坝冲垮，尾矿砂覆盖于该区域的农田上，造成农田土壤被重金属严重污染，其上生长的粮食作物和其他作物的产量明显下降，并不同程度地存在品质问题。供试植物为典型的湿生植物-灯心草(Juncuseffuses)，野外采集。1.2不同浓度重金属污染土壤元素供试土壤经自然风干、捣碎、剔除杂物后过2mm筛，同时测定其基本理化性质及重金属含量背景值。于陶瓷盆中（30cm×20cm）装土5kg，按预先设置的浓度于每盆中以CdCl2·2.5H2O、Pb(NO3)2、CuCl2·2H2O、Zn(NO3)2·6H2O、Na2HAsO4·7H2O形式添加各外源重金属，同时按盆栽作物对养分的需求分别加人尿素、磷酸二氢钾和硫酸钾400、200、300mg·kg-1，喷施去离子水充分混匀后平衡1周，作为模拟不同浓度的重金属污染土壤。从野外采集长势一致的灯心草用蒸馏水洗净根系上粘附的土壤和杂质后分别于每盆中移栽90株，并将每株在距土面5cm处剪断，待其重新生长，试验设置处理浓度，见表2。试验期间定期浇水，保持70%的田间持水量。生长40d后取植株相同部位茎叶，用蒸馏水洗净、揩干，用于测定各项生理生化指标。待其继续生长至150d后收获，沿土表剪取地上部，测量株高并观察记录其分蘖数，同时洗出根系。在105℃下杀青30min,70℃烘干，称量地上部和地下部干重。1.3测定项目及方法灯心草叶绿素总含量（叶绿素a+叶绿素b）的测定采用丙酮和乙醇浸提法，分别在波长644nm和662nm处用721型可见光分光光度计测定。SOD、CAT活性的测定采用化学比色法，按照从南京建成生物工程研究所所购买的试剂盒的顺序测定（U·mL-1·FW）。POD活性的测定采用愈创木酚法（△470nm·min-1·g-1FW）。Cd、Pb、Cu、Zn含量的测定采用土样经王水-高氯酸消化，植株分地上部和地下部采用浓硝酸-高氯酸消化，原子吸收分光光度计（AA-646，日本岛津）测定。As的测定采用二乙基二硫代氨基甲酸银比色法测定。试验结果为3次结果平均值。数据处理采用MicrosoftExcel进行相关性检验和DPS3.01中文数据统计软件进行方差分析和多重比较。2分析与讨论的结果2.1土壤环境质量表3显示，在土壤环境质量二级标准上限值浓度范围内，灯心草分蘖数与对照相比无显著差异，且处理水平1高于对照，说明该重金属浓度处理水平对灯心草分蘖数具有一定的促进作用。当土壤中重金属浓度超过土壤环境质量二级标准上限值后，灯心草分蘖数开始显著低于对照（P>0.5）。相比之下，复合重金属污染对灯心草株高的影响程度较大。即使在土壤环境质量二级标准上限值浓度范围内株高与对照相比也有显著性差异，分别比对照下降了5.90%和8.36%。当土壤中重金属浓度超过土壤环境质量二级标准上限值后，株高下降更快。重金属污染对植物影响的最终结果是反映在生物产量上。对此，国家土壤环境容量协作组规定将植物生物量或产量减少5%～10%（灯心草由于产量数额小取高限）时土壤有害物质的浓度作为土壤有害物质的最大允许浓度。由表3可知，随着土壤中复合重金属浓度的升高，灯心草地上部生物量呈减产趋势。处理水平1与对照相比没有显著差异，只比对照下降了3.49%，处理水平2开始显著低于对照。虽然在土壤环境质量二级标准上限值处（处理水平2）灯心草地上部生物量相对于对照下降显著但减产幅度为9.15%。据此,可以初步将土壤环境质量二级标准上限值设定为土壤中5种重金属对灯心草的毒性效应临界值。同时通过对灯心草分蘖数-地上部干重和株高-地上部干重的回归分析结果表明灯心草分蘖数、株高和地上部干重呈显著正相关（相关系数分别为0.921和0.935）。因此，可以认为复合重金属污染对灯心草地上部干重的影响主要是通过影响其分蘖数和株高造成的。在复合重金属污染下，灯心草地下部干重虽呈下降趋势，但从减产幅度（4.06%～13.32%）来看，其受各重金属处理水平的影响程度比地上部干重小。推测原因有两点：一是可能由于灯心草地下部生物量较小，从而导致其产量变化不明显；二是可能由于灯心草地下部对复合重金属污染的抗性较强同时在盆栽过程中发现灯心草的主根系深入土层较深，且须根密生于整个土壤层。这一点对于将灯心草应用于尾矿地区的植被重建和固土蓄水极其有利。由表3还可以看出，铅锌尾矿和矿毒水污染对灯心草分蘖数和株高的抑制均达到了显著程度，且铅锌尾矿污染的抑制作用大于矿毒水污染。作为对两项生长指标影响累积的结果，使得生长在矿毒水和铅锌尾矿污染土壤中的灯心草地上部生物量最终分别减产27.91%和36.23%。2.2复合重金属污染对灯心草生理生化指标的影响2.2.1复合重金属浓度对植物叶绿素合成的影响由表4可知，在整个浓度梯度设置范围内灯心草叶绿素含量随复合重金属处理浓度的增加而下降，呈明显的剂量-效应关系。即使在土壤环境质量二级标准上限值处也受到较大程度的影响，叶绿素a含量、叶绿素b含量和叶绿素总含量分别下降了12.31%、6.83%、11.38%。高浓度处理水平4下降幅度最大，叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总含量分别比对照减少了39.76%、25.08%和36.12%，植物失绿症状明显。生长在矿毒水污染土壤和铅锌尾矿污染土壤中中的灯心草叶绿素合成也受到了很大程度的抑制（P<0.05），这可能是由于污染土壤中超量Cd、Pb、As的联合毒害作用所致。从表4还可以看出，灯心草叶绿素a和叶绿素b之间的比值除处理水平1外亦随着复合重金属浓度梯度的升高而降低，相对于对照都达到了显著程度。这就表明灯心草叶绿素a的变化幅度明显大于叶绿素b，也说明了在相同处理条件下叶绿素a所受到的伤害比叶绿素b大。这可能与重金属首先破坏叶绿素a有关。Woolho-use认为，随着叶片的衰老，植物叶绿素含量逐渐下降，叶绿素a比叶绿素b下降得更快，叶绿素a/b可以作为叶片衰老的标志，同时也是衡量叶片感受重金属污染相对敏感的一个生理指标。本试验中灯心草叶绿素含量及叶绿素a/b值随着复合重金属浓度的增高下降明显，说明复合重金属污染加速了灯心草叶片的老化。2.2.2复合重金属污染对灯心草3种保护性酶活性的影响SOD、CAT、POD共同组成植物体内一个有效的活性氧清除系统，三者协调一致的共同作用，能有效清除植物体内的自由基和过氧化物。由表5可以看出，在浓度梯度设置的处理水平1至处理水平3的范围内，随着复合重金属污染浓度的递增，灯心草POD酶活性被不同程度的激活，在处理水平2处出现抗性高峰，增幅为13.13%～29.46%。在处理水平4处酶活性受到抑制，比对照下降了15.15%。灯心草体内SOD酶活性随着复合重金属污染程度的增强呈先升后降的变化趋势。在处理水平1和处理水平2处酶活性有被激活的趋势，但变化幅度不是很大，分别比对照上升了9.91%和18.97%。从处理水平3处酶活性便逐渐受到抑制，在处理水平4处达到最低值，仅为对照的73.15%。在复合重金属污染下灯心草体内CAT酶表现出与前两种酶截然不同的变化情况，其活性随着复合重金属污染浓度升高而呈连续下降的变化趋势，且CAT酶出现抗性峰时所对应的复合重金属浓度处理水平也不同。POD和SOD酶处理水平2达到一个较小的峰值，而CAT酶则在处理水平1处便达到了一个较大的峰值，比对照上升了71.86%。处理水平2和处理水平3，酶活性虽有所下降，但仍高于对照。与POD酶和SOD酶一样，高浓度处理水平4,CAT酶活性亦比对照低，但下降幅度不是很大，仅比对照降低3.05%。由此可以看出在相同浓度处理的复合重金属污染条件下灯心草3种抗氧化酶中CAT酶表现出更高的敏感性。由表5还可以看出矿毒水和铅锌尾矿污染对灯心草3种保护性酶均有激活作用，但矿毒水的激活程度明显大于铅锌尾矿。在二者污染下灯心草POD酶活性分别高出对照12.96%和5.28%。SOD酶活性分别高出对照12.11%和4.85%。CAT酶活性分别高出对照92.33%和36.05%。这表明灯心草3种保护性酶能够相互协调共同抵抗外界复合重金属污染对植物造成的活性氧伤害。这一点对利用灯心草治理铅锌尾矿及矿毒水污染土壤具有极大的现实意义。2.3土壤重金属有效浓度应注意的指标目前有关土壤重金属临界毒性效应值的确定多采用多体系的综合生态环境效益法，对于这些方面的报道有很多。本试验主要应用其中的两种判定标准：一是使用减产临界值，即以生物量(或产量)减少5%～10%时的土壤重金属有效浓度作为临界指标；二是采用植物生理生化指标的变化来表示污染土壤毒性临界值。依据上述两个判定标准,可以以灯心草地上部产量减产10%、生理生化指标抑制或增加10%时对应的最低浓度作为土壤中有害物质的最大允许浓度。从本试验数据综合分析来看，这个临界浓度值适合设定在处理水平2处（相当于土壤环境质量二级标准上限值），即当污染土壤中Cd、Pb、Cu、Zn、As5种重金属浓度分别为0.3、300、100、250、30mg·kg-1时，不会对灯心草造成明显不可逆转的生理毒害效应。3在复合污染条件下，灯心草对重金属的积累3.1重金属对灯心草pb、cu、zn、as的转运分布规律灯心草在不同浓度处理水平重金属复合污染土壤中生长5个月后，Cd、Pb、Cu、Zn、As在植株体内的含量与分布均不相同，见表6。在浓度梯度设置范围内各重金属在灯心草茎叶内的积累主要表现为三种变化趋势：一是随着重金属处理浓度的增加，Cd、As在灯心草茎叶中的积累量表现为逐渐升高的趋势，最大值均出现在处理水平4，积累量分别达到3.28和0.597mg·kg-1，在处理水平1时，元素As在灯心草中无积累。二是随着重金属处理浓度的增加Cu、Zn在灯心草茎叶中的积累量表现为先升后降的趋势，最大值分别出现在处理水平1和处理水平3，积累量分别为对照的2.67倍和21.02倍。三是随着重金属处理浓度的增加Pb在灯心草茎叶中的积累量表现为先升后降再升的变化趋势，先后在处理水平1和处理水平4处达到峰值，积累量分别为对照的2.88倍和2.29倍，在处理水平2处Pb积累量有下降的趋势。各重金属在灯心草根系中的积累亦表现出两种明显的变化趋势：一是随着重金属处理浓度的增加，Cd在灯心草根系中的积累量呈现出先升后降的变化趋势，最大值出现在处理水平3，为对照的3.62倍。二是随着重金属处理浓度的增加，Pb、Cu、Zn、As在灯心草根系中的积累量呈不断上升趋势，最大值均出现在处理水平4,Pb、Cu、Zn含量分别为对照的14.58倍、7.24倍和43.27倍。从各重金属的转运系数来看，基本上都是根系中的浓度高于茎叶中的浓度，这与以往许多报道是基本一致的，但各重金属（除Pb外）在灯心草体内的转运系数表现出特定的变化趋势。Cd的转运系数呈先升后降再升的趋势，Cu的转运系数呈先升后降的趋势，Zn的转运系数呈先降后升再降的趋势，As的转运系数呈逐渐升高的趋势。Pb的转运系数虽无特定变化趋势，但各重金属浓度处理下Pb的转运系数均小于1。大量的报道说Pb进入植物体内后绝大部分累积在根部，本文支持这一观点。其原因是Pb在根系主要以Pb3(PO4)2和PbCO3等沉淀形式存在，在植物汁液中也有离子态和络合态Pb，由于吸附、钝化或沉淀作用，植物根系所吸收的Pb向地上部运输困难。由表6还可以看出，处理水平4以及生长在矿毒水和铅锌尾矿污染土壤中的灯心草体内Cd的转运系数均大于1。这就表明灯心草能把吸收的Cd较多地运输到地上部，其体内可能存在良好的运输机制，有待进一步研究。在矿毒水和铅锌尾矿处理下，各重金属在灯心草内的积累和分布规律似乎与模拟盆栽有些出入，这可能与二者的土壤理化性质和结构组成有关。同时发现在土壤环境质量二级标准上限值处各重金属在灯心草茎叶中的积累有下降的趋势，这与以上提到的各重金属处理水平对灯心草地上部生物量和各项生理生化指标的影响趋势大体一致。3.2土壤重金属含量与积累量间的回归分析为揭示土壤Cd、Pb、Cu、Zn、As复合污染对灯心草吸收重金属的影响规律，以土壤重金属含量为自变量，分别设土壤Cd、Pb、Cu、Zn、As含量为X1、X2、X3、X4、X5，植物地上部和地下部Cd、Pb、Cu、Zn、As的吸收量为Y，基于Cd、Pb、Cu、Zn、As复合处理试验样本测试的基础数据(见表6)，进行了多元线性回归分析。表7可知，Cd在灯心草地上部的积累量与土壤中Pb含量呈显著负相关，在地下部的积累量与土壤中Pb含量呈显著正相关，但与其他重金属含量不存在显著相关性。Pb、Cu在灯心草地上部的积累量与土壤中各重金属含量之间相关性均没有达到显著程度，Pb在灯心草地下部的积累量与土壤中Pb含量呈显著负相关，与As含量呈显著正相关。Cu在灯心草地下