一种新发现的镉超积累植物龙葵(Solanum nigrum L)

第49卷 第24期 2004年12月论 文2568 一种新发现的镉超积累植物龙葵(Solanum nigrum L)魏树和 周启星* 王 新 张凯松 郭观林(中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程重点实验室, 沈阳110016. * 联系人, E-mail: zhouqixing2003@)摘要 以杂草为研究对象, 通过盆栽模拟实验和小区实验, 从20科54种杂草植物中筛选出镉(Cd)超积累植物龙葵(Solanum nigrum L). 研究结果表明, 在Cd 投加浓度为25 mg/kg 条件下, 龙葵茎和叶中Cd 含量分别为103.8和124.6 mg/kg, 超过了Cd 超积累植物应达到的临界含量标准100 mg/kg, 而且其地上部Cd 富集系数为2.68, 地上部Cd 含量大于其根部Cd 含量, 植物的生长未受抑制, 这些特点均满足Cd 超积累植物的衡量标准. 小区实验也表明, 龙葵对Cd 的富集特性均符合Cd 超积累植物的基本特征. 因此, 可以确定龙葵是Cd 超积累植物. 研究结果对于超积累植物筛选乃至植物耐性生理) 具超积累特征杂草植物的筛选. 筛选实验论 文第49卷 第24期 2004年12月 2569Zn 等重金属), 使土壤含水量经常保持在田间持水量的80%左右. 待植物成熟后或下霜之前, 收获杂草. 参试杂草植物共有54种, 分属20科, 其中菊科植物最多, 共13种[8].() 小区确认实验. 为了确认龙葵在田间污染环境条件下对重金属的超积累能力, 在进行不同浓度梯度实验的同时, 又进行了小区实验. 小区面积为8 m 2 (L = 4 m, W = 2 m), 土壤基本理化性质与盆栽土壤相同. 小区土壤中Cd 投加浓度为50 mg/kg. 具体操作如下: 于2003年6月下旬将小区土壤挖出, 挖掘深度为50 cm, 能确保龙葵的根系均生长在Cd 污染土壤中. 待挖出的土壤自然风干后过4 mm 筛, 然后将土壤大体分为2等份, 其中一份投加重金属Cd, 另一份回填作为未投加Cd 的对照区. 投加重金属时, 先将风干土分成均匀的等份, 每份3 kg, 按设计的浓度将Cd 均匀拌入, 然后再将每份投加Cd 土壤放在一起混匀后回填到小区的另半部分, 小区的两部分土壤中间用塑料隔开. 待投加Cd 土壤平衡2周后开始移栽龙葵幼苗. 2003年7月下旬将生长一致的龙葵幼苗10棵分别移栽到未投加Cd 的对照土壤和投加Cd 的处理土壤, 幼苗高度为4 cm 左右. 添加的试剂及田间管理方式与上述筛选实验相同. 由于在9月末霜期来临之前植物还没有成熟, 因此, 于9月下旬整个小区加盖了塑料棚, 棚内高度为80 cm, 土壤含水量一直保持在80%左右, 并在植物成熟时同时采集植物及其相应根区土壤样品, 植物生长时间为91 d.(茎原子吸收分光光度计法测定其中的重金属含量, 重复3次[8]. 原子吸收分光光度计为日立180-80, 其Cd, Pb, Cu 和Zn 的测定波长分别为228.8, 283.3, 324.8和213.8 nm. 土壤的有机质含量等基本理化性质的测定采用常规的测定方法[9]. 土壤pH 用PHS-3B 型pH 计测定, 土︰水比为1︰2.5. 分析所获数据, 在计算机上用Microsoft Excel 进行平均值和标准差(SD)的计算, 并利用Duncan’s 新复极差测验(SSR 测验)进行差异显著性测验, t 测验检验小区实验中对照区和处理区植物地上部干重的差异显著性[10]. 测定结果表明, 供试土壤pH 为6.5, 有机质1.52%, 重金属元素背景值分别为Cd 0.2 mg/kg, Pb 14.2 mg/kg, Cu 12.4 mg/kg 和Zn 39.9 mg/kg.2 结果与分析2.1 龙葵对Cd 的超积累特征一般来说, 既使土壤中重金属污染程度较高, 但只要土壤中重金属浓度没有达到抑制植物生长的临界浓度条件下, 植物地上部生物量通常不会下降, 但一旦超过这一临界浓度, 植物的生长就会受到抑制, 其叶色第49卷 第24期 2004年12月论 文2570 性来看, 龙葵具有超积累植物所应具有的耐性较强的基本特征[14].表1给出了龙葵对重金属Cd 的富集情况(干重, 下同). 在Cd 单一污染处理(T 1)中, 其地上部Cd 积累量达到31.8 mg/kg, 大于根部含量(27.8 mg/kg), 且其地上部Cd 富集系数为3.17, 明显大于1. 在Cd-Pb- Cu-Zn 复合污染处理 (T 2)中, 龙葵对Cd 的富集特性与其在Cd 单一污染条件下对Cd 的富集特性大体一致. 由此可见, 龙葵对Cd 的富集特性符合超积累植物所具有的地上部重金属含量大于其根部重金属含量的基本特征, 而且其地上部Cd 富集系数也大于1. 可见, 从龙葵对Cd 污染的耐性及对Cd 的富集特性来看, 无疑是Cd 超积累特征植物[8]. 2.2 龙葵对Cd 的耐性及富集潜力盆栽浓度梯度实验中, 不同Cd 浓度处理条件下, 龙葵的叶色变化不明显, 但株高却发生显著变化, 其中处理R 3, R 4, R 5的株高分别为19.3, 18.0和16.5 cm, 与CK 2的株高(29.2 cm)相比, 显著下降(P < 0.05), 而在Cd 投加浓度为10和25 mg/kg 的处理(R 1, R 2)中, 其株高分别为29.5和28.2 cm, 均未下降(P < 0.05). 从地上部生物量的情况来看(图2), 与对照相比(CK 2), 龙葵在Cd 投加浓度为10和25 mg/kg 的处理(R 1, R 2)中, 地上部生物量也均未下降, 表现出较强的耐性特征, 说明该植物种在土壤Cd 浓度低于25 mg/kg 情况下, 能够有很好的修复行为论 文第49卷 第24期 2004年12月2571表2 盆栽浓度梯度实验龙葵对Cd 的富集情况a)处理 根 茎 叶 籽实 地上部 地上部EF R 1 28.8 ± 1.55d 61.5 ± 2.25b 75.5 ± 2.49a 11.2 ± 0.60e 36.6 ± 1.61c 3.63 ± 0.14 R 2 59.9 ± 1.11d 103.8 ± 3.50b 124.6 ± 1.63a 23.7 ± 1.43e 67.3 ± 1.43c 2.68 ± 0.06 R 3 97.4 ± 2.43c 135.5 ± 3.40b 194.3 ± 4.71a 33.3 ± 0.63d 101.1 ± 1.99c 2.02 ± 0.04 R 4 113.1 ± 0.65d 203.6 ± 3.57b 264.8 ± 1.11a 40.2 ± 0.91e 131.3 ± 4.91c 1.31 ± 0.05 R 5157.4 ± 5.63d252.4 ± 2.02b291.4 ± 1.05a45.3 ± 0.15e167.2 ± 5.63c0.83 ± 0.04a) 单位: mg/kg含量也大于其根部Cd 含量. 因此从植物对Cd 的积累特性来看, 龙葵已满足了Cd 超积累植物对重金属富集的基本特征[8,15,16]. 随着土壤Cd 污染水平的增加(R 3, R 4和R 5), 植物体内Cd 含量也在增加, 其茎和叶中Cd 含量大大超出100 mg/kg 的临界含量标准.盆栽浓度梯度实验结果表明, 龙葵在土壤Cd 投加浓度为25 mg/kg 时, 其茎和叶中Cd 含量均达到了Cd 超积累植物应达到的临界含量标准, 而且地上部Cd 含量大于其根部Cd 含量, 同时对Cd 耐性较强, 完全符合Cd 超积累植物的衡量标准, 进一步确认龙葵是Cd 超积累植物[2,14,15].2.3 小区实验龙葵对Cd 的超积累特征小区实验植物体内Cd 含量的测定结果表明(表3), 龙葵根部Cd 含量平均为96.3 mg/kg, 茎中Cd 含量平均为129.4 mg/kg, 叶中Cd 含量平均为194.7 mg/kg, 地上部Cd 富集系数平均为2.01, 地上部Cd 含量大于其根部Cd 含量, 符合Cd 超积累植物的衡量标准[2,14,15], 且其地上部Cd 富集系数大于1, 这与盆栽浓度梯度实验中在Cd 投加浓度为50 mg/kg 时, 龙葵根部Cd 含量为97.4 mg/kg, 茎135.5 mg/kg, 叶194.3 mg/kg, 地上部富集系数为2.02的值基本相当(R 3, 表2), 表现出与盆栽实验较一致的结果.表3还列出了小区实验条件下龙葵各植株的地上部生物量. t 测验结果表明, 小区实验中龙葵各植株地上部生物量情况, 与盆栽浓度梯度实验中龙葵地上部生物量的表现基本一致(t = 5.690>2.101, v = 18), 说明龙葵在盆栽实验条件下, 能较好地反映出其在田间自然生长条件下对Cd 的耐性特征.总之, 小区实验结果进一步确认, 龙葵对Cd 的 富集特性均符合Cd 超积累植物的基本特征, 龙葵确实是Cd 超积累植物.3 讨论关于超积累植物的衡量标准, 最初提出的同时也是最主要的一个是植物富集重金属的临界含量, 亦即植物茎或叶中重金属的含量要高于一定的标准值. Brooks 等人[1]首先将Ni 超积累植物临界含量定为表3 小区实验龙葵体内Cd 含量及地上部富集系数和干重植物株根 /mg ·kg −1 茎 /mg ·kg −1 叶 /mg ·kg −1 籽实 /mg ·kg −1 地上部 /mg ·kg −1 地上部EF 处理地上部干重/g ·棵−1 对照地上部干重/g ·棵−1 1 96.3 128.6 203.0 38.0 97.0 1.94 4.41 6.54 2 82.7 136.4 189.9 38.3 84.5 1.69 3.19 5.06 3 102.7 132.5 194.2 43.5 104.6 2.13 2.94 5.87 4 92.5 127.3 203.0 47.5 93.7 1.89 3.29 5.67 5 98.9 132.3 193.1 33.2 100.0 2.01 2.97 4.23 6 95.9 123.7 195.0 35.4 98.0 1.97 4.10 6.75 7 93.7 129.9 196.9 34.9 96.1 1.93 3.78 6.15 8 99.7 127.2 191.0 39.4 108.7 2.21 3.03 4.46 9 98.2 126.1 188.2 42.0 105.4 2.14 2.90 4.53 10 102.3 130.1 193.2 34.8 105.1 2.14 4.01 4.62 平均 96.3 129.4 194.7 38.7 99.3 2.01 3.45 5.39 标准差S 5.81 3.67 5.01 4.52 7.11 0.16 0.56 0.93 变异系数CV6.032.842.5711.687.157.7816.0817.18万方数据第49卷 第24期 2004年12月论 文25721000 mg/kg, 后来又将这一标准降到500 mg/kg [17]. Molaisse 等人[18]提出Cu 超积累植物的临界标准是1000 mg/kg. Reeves 等人[19]认为植物对Zn 的富集很容易超过1000 mg/kg, 因此, 他建议Zn 超积累植物的临界含量标准为10000 mg/kg. Chaney 等人[14]研究认为Cd 超积累植物的临界含量标准是100 mg/kg, 同时还认为超积累植物对重金属应有较强的转移能力并提出超积累植物的一个极其关键的特征是其对重金属有超强的耐性. Wenzel 等人[20]认为Cd 超积累植物的临界含量标准应降为50 mg/kg, 因为Cd 超积累植物比较少. 目前, 关于超积累植物的衡量标准基本趋于一致, 即超积累植物至少应同时具有2个基本特征: 其一是临界含量特征, 广泛采用的参考值是植物茎或叶中重金属富集的临界含量Zn 和Mn 为10000 mg/kg, Pb, Cu, Ni, Co 及As 均为1000 mg/kg, Cd 为100 mg/kg, Au 为1 mg/kg [15]; 其二是转移特征, 即植物地上部(主要是指茎或叶)重金属含量大于其根部重金属含量. 而我们的研究表明[3,8,21], 超积累植物还应具有耐性特征和富集系数特征. 耐性特征是指植物对重金属具有较强的耐性. 其中对于人为控制实验条件下的植物来说, 是指与对照相比, 植物地上部生物量(茎籽实部分的干重之和)没有下降, 至少当土壤中重金属浓度高到足以使植物地上部重金属含量达到超积累植物应达到的临界含量标准时地上部生物量没有下降. 富集系数特征是指植物地上部富集系数大于1, 至少当土壤中重金属浓度与超积累植物应达到的临界含量标准相当时植物地上部富集系数大于1. 根据上述4个衡量标准可以看出, 在Cd 投加浓度为25 mg/kg 条件下, 龙葵对Cd 具有较强的耐性和转移能力, 地上部富集系数大于1, 其茎和叶对Cd 的富集也均超过了100 mg/kg, 因而是Cd 的超积累植物.目前, 研究较多的Cd 超积累植物是天蓝遏兰菜(Thlaspi caerulescens ). Baker 等人[22]研究发现, 矿区天蓝遏兰菜Cd 平均含量为164 mg/kg. Brown 等人[23]发现当土壤中Cd 含量为1020 mg/kg 时, 天蓝遏兰菜叶片中Cd 含量可以达到1800 mg/kg. 而生长于法国南部的天蓝遏兰菜对Cd 的富集量可高达2800 mg/kg [24]. 同种植物对重金属富集能力之所以有较大差异, Zhao 等人[25]认为这可能是因为植物的生态型不同的缘故. 由于天蓝遏兰菜除了对Cd 具有超积累能力外, 还可以超积累Zn 和Ni, 又由于超积累植物对重金属的超强富集能力及耐性是一般植物所不具备的, 所以有人也试图像将拟南芥(Arabidopsis thaliana )作为基因模式植物一样将天蓝遏兰菜作为一种超积累模式植物加以研究以便利于植物超积累生理茎及根中Cd 含量分别为18.1, 9.4和109.2及58.8, 73.0和1368.2 mg/kg, 其生物量可达到10 t/hm 2, 根系至少可达地下0.5 m. 为了提高植物修复效率, 有人也试图利用一些添加剂来促进植物对重金属的吸收. Turgut 等人[30]利用EDTA 以加强向日葵属植物Helianthus annuus 的2个栽培种对Cd 的修复能力. 结果表明, 当培养介质施加0.1 g/kg 的EDTA 后, 植物对Cd 的积累量明显提高. 尽管利用超积累植物或具有超强积累能力植物作为Cd 污染环境修复试材的研究还很多, 但关于利用植物修复Cd 污染土壤的实例还极少报道, 这说明从超积累植物到成熟的植物修复技术还有很长的一段路要走, 与现代农业高新技术相结合也许是植物修复技术早日成熟的一条捷径[31]. 本研究虽然证实龙葵是一种Cd 超积累植物, 但相关的配套修复技术还有待于不断探索. 不过该种植物来源于未污染生态区, 在重金属诱导时间较短的情况下即表现出超积累特征, 因此, 对于超积累植物筛选乃至植物耐性生理国家自然科学基金海外青年学者合作研究基金(批准号: 20428707)资助项目.万方数据论 文第49卷 第24期 2004年12月2573参 考 文 献1Brooks R R, Lee J, Reeves R D. Detection of nickliferous rocks by analysis of herbarium species of indicator plants. J Geochem Ex-plor, 1977, 7: 49~77 2 Brooks R R, Chambers M F, Nicks L J, et al. Phytomining. Trends Plant Sci, 1998, 3(9): 359~3623 周启星, 宋玉芳. 污染土壤修复原理与方法. 北京: 科学出版社. 20044 Zhou Q X, Hua T. Bioremediation: A review of applications and problems to be resolved. Prog Natl Sci, 2004, 14(11): 937~9445 夏家淇. 土壤环境质量标准详解. 北京: 中国环境科学出版社. 19966吴燕玉, 陈涛, 张学询. 沈阳张士灌区镉的污染生态研究. 见: 高拯民, 主编. 土壤-植物系统污染生态研究. 北京: 中国科学技术出版社, 1986. 295~301 7周启星, 任丽萍, 孙铁珩, 等. 某铅锌矿开采区土壤镉的污染及有关界面过程. 土壤通报, 2002, 33(4): 300~3028 Wei S H, Zhou Q X. Identification of weed species with hyperac-cumulative characteristics of heavy metals. Prog Natl Sci, 2004, 14(6): 495~5039 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法. 北京: 中国农业科技出版社,200010 马育华. 田间实验和统计方法. 北京: 农业出版社, 199011 孙铁珩, 周启星, 李培军. 污染生态学. 北京: 科学出版社,200112 周启星, 程云, 张倩茹, 等. 复合污染生态毒理效应的定量关系分析. 中国科学, C 辑, 2003, 33(6): 566~57313 Wei S H, Zhou Q X, Wang X, et al. Potential of weed speciesapplied to remediation of soils contaminated with heavy metal. J Environ Sci China, 2004, 16(5): 868~87314 Chaney R L, Malik M, Li Y M. Phytoremediation of soil metals.Curr Opin Biotechnol, 1997, 8: 279~28415 Baker A J M, Brooks R R. Terrestrial higher plants which hyper-accumulate metallic elements-a review of their distribution, ecol-ogy and phytochemistry. Biorecovery, 1989, 1: 811~826 16 刘威, 束文圣, 蓝崇钰. 宝山堇菜(Viola baoshanensis ）　一种新的镉超富集植物. 科学通报, 2003, 48(19): 2046~204917Brooks R R, Radford C C. Nickel accumulation by Buropean spe-cies of the genus Alyssum. Proc Roy Socl Lond, Sec B, 1978, 197~20418Malaisse B. Aeolanthus biformifoliu de wild: A hyperaccumulator of copper from Zaire. Science, 1978, 199: 887~88819 Reeves R D, Brooks R R. Hyperaccumulation of lead and zinc by two metallophytes from a mining area of central Europe. Envi-ronmental Pollution, 1983, 31: 227~28720Wenzel W W, Jockwer F. Accumulation of heavy metals in plants grown on mineralized soils of the Austrian Alps. Environmental Pollution, 1999, 104: 145~15521 Ma L Q, Komar K M, Tu C, et al. A fern that hyperaccumulates arsenic. Nature, 2001, 409: 57922Baker A J M, Reeves R D, Hajar A S M. Heavy metal accumula-tion and tolerance in British population of the metallophyte Thlaspi caerulescens J & C Presl(Brassicaceae). New Phytologist, 1994, 127: 61~6823Brown S L, Chaney R L, Angle J S, et al. Phytoremediation poten-tial of Thlaspi caerulescens and bladder campion for zinc -and- cadmium-contaminated soil. J Environ Quality, 1994, 23: 1151~ 115724Lombi E, Zhao F J, Dunham S J, et al. Cadmium accumulation in population of Thlaspi caerulescens and Thlaspi goesingense. New Phytologist, 2000, 145: 11~2025Zhao F J, Hamon R E, Lombi E, et al. Characteristics of cadmium uptake in two contrasting ecotypes of the hyperaccumulator Thlaspi caerulescens. J Exper Botany, 2002, 53: 535~543.26Assuncao A G L, Schat H, Aarts M G M. Thlaspi caerulescens , an attractive model species to study heavy metal hyperaccumulation in plants. New Phytologist, 2003, 159(2): 351~36027Gardea-Torresdey J L, Peralta-Videa J R, Montes M, et al. Bioac-cumulation of cadmium, chromium and copper by Convolvulus arvensis L: Impact on plant growth and uptake of nutritional ele-ments. Bioresource Technology, 2004, 92(3): 229~23528de La Rosa G, Peralta-Videa J R, Montes Milka, et al. Cadmium uptake and translocation in tumbleweed (Salsola kali ), a potential Cd-hyperaccumulator desert plant species: ICP/OES and XAS studies. Chemosphere, 2004, 55(9): 1159~116829 Citterio S, Reprint A, Santagostino A, et al. Heavy metal tolerance and accumulation of Cd, Cr and Ni by Cannabis sativa L. Plant and Soil, 2003, 256(2): 243~25230 Turgut C, Pepe M K, Cutright T J. The effect of EDTA and citric acid on phytoremediation of Cd, Cr, and Ni from soil using Heli-anthus annuus . Environmental Pollution, 2004, 131(1): 147~15431 魏树和, 周启星. 重金属污染土壤植物修复基本原理及强化措施探讨. 生态学杂志, 2004, 23(1): 65~72(2004-09-07收稿, 2004-12-06收修改稿)万方数据。