美人蕉對水體中重金屬Cd的富集能力研究
摘要：通過溶液培養，研究了美人蕉在不同營養務件下，不同Cd濃度的吸收情況。研究結果表明：美人蕉在營養元素N的作用下對于Cd的吸收是一個交互作用的生理效應；美人蕉在營養元素C的作用下對于cd的吸收沒有很大影響，只有C濃度增大到一定程度才有促進作用；美人蕉根對Cd的吸收量遠遠高于葉對Cd的吸收量且隨Cd濃度的增加而降低。
關鍵詞：Cd脅迫；根系分泌物；營養元素；美人蕉
O 引言
2l世紀世界各國的工業飛速發展，人們的生活水平不斷提高，許多國家在發展的過程中卻忽視了對環境的保護。伴隨工業“三廢”而排放出來的重金屬對水體的污染越來越嚴重。而鎘作為“五毒”重金屬元素之一，在生物圈中易轉移，毒性大，并通過植物吸收累積由食物鏈影響人類的健康。重金屬污染水體的植物修復是指通過植物系統及其根系移去、揮發或穩定水體環境中的重金屬污染物，或降低污染物中的重金屬毒性，以期達到清除污染、修復或治理水體為目的的一種技術。目前按其機理可分為植物揮發、植物吸收和植物吸附Ⅱ]o該技術具有成本低、不破壞河流生態環境、不引起二次污染等優點。自20世紀90年代以來，植物修復已經成為環境污染治理研究領域的一個前沿性課題。重金屬Cd易于被植物從污染介質中吸收。成為植物體內代謝較強的脅迫因子，并抑制植物吸收營養元素。同時，營養元素的施用也可緩解Cd對植物的脅迫毒害作用。本文通過研究N、C兩種營養元素對美人蕉吸收Cd影響，為重金屬污染水體修復進行初步的探討。
1 實驗材料與方法
1．1 供試植物
采用美人蕉作為修復植物，美人蕉具有生長快，根部發達，易于在水中生長等特性，是一種適合于植物修復技術的植物。于中山大學園林中挑選紅花美人蕉幼株，高度約為15鋤，根部脫泥洗凈。
1．2材料培養及處理
本研究采用溶液培養的方法進行。營養液選擇霍格蘭式營養液。培養液組成如下(單位均為pInDl／L)：Mgs04，500；K殂P04，50；Ca(N03)2，500；fA—Fe(Ⅱ)，100；H3803，lO；MrlS04，1．8；4，10；CuS04，O．3l；NiS04，0．5；采用容積為2L的透明塑料杯培育植物，每個容器定植1株，經過挑選長勢一致的植株在營養液中培養15 d后，放入一定濃度的培養液進行培養。培養液中的Cd、c、N元素分別由一定濃度的Cd(NO，)2、葡萄糖和NaNO，組成。
Cd處理實驗中cd元素的濃度分別為0 mg／L(空白對照)、5 mg／L、10mg／L和20mg／L。控制因素C元素的濃度采用0m g／L、40mg/L、120mg/L。控制因素N元素的濃度采用7mgL、14m g／ L、28mg／ L。一定濃度的Cd元素分別與不同濃度的C、N兩種元素組成培養液，進行正交實驗。各處理均做2次平行實驗，取平均值。營養液和培養液均是每3 d更換1次。整個實驗最后選用88株美人蕉進行鎘吸收實驗。
植物放置于實驗室內窗戶旁邊(保證光照)，廣州5月份的自然環境下培育。經Cd處理實驗15d后將所得的植物經自來水和蒸餾水反復沖洗后．于烘箱120℃殺青15min，80℃烘干至恒重，粉碎，備用。
1．3樣品分析方法
粉碎后的樣品經高氯酸一硝酸消解體系消解后，采用火焰原子吸收分光度法測定樣品中Cd含量。
2結果與討論
2．1 營養元素N的濃度變化對美人蕉根吸收Cd的影響
不同cd濃度隋況下，美人蕉根對Cd吸收量隨N濃度的變化情況見圖l所示。
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從圖1中可以看出隨著N濃度的增加，對美人蕉根對鎘的吸收均有一定的促進作用。但在高鎘濃度情況下，N濃度的增加對植物吸收鎘的促進作用的提高尤為明顯。根據國內外相關文獻的報告，N具有緩沖Cd對植物的毒害能力，它通過改變植物根系Cd的有效濃度，植物根系分泌物的種類和數量以及植物的生長狀況和抗逆性來影響植物對Cd的吸收量¨51。上述多種因素之間的交互作用，使得在不同濃度的N投加下，植物對Cd的吸收量產生變化。
N濃度較低時，N可以促進根系分泌物產生有機酸等物質，降低溶液pH值，使得Cd的生物有效性提高，利于植物吸收。隨著N濃度的提高，進一步促進根系分泌物產生一些螯合物與Cd形成穩定的金屬螯合物復合體，而植物對NO，一N的吸收增多也會促進植物分泌OH一，緩解部分pH的下降，二者共同作用降低了Cd的生物活性。同時，根系分泌物吸附、包埋Cd，使其在根外沉淀下來，從而降低Cd對植物的脅迫。我們在實驗過程中也發現當N濃度較高時，容器底和壁附著較多的黏滑狀褐色沉淀，推測其為根系分泌物包裹的Cd沉淀。同時高的N濃度可以促進植物細胞合成Cd結合蛋白，即Cd—Bp和Cd多肽絡合物的植物絡合素這些物質可以和吸人體內的Cd結合，有效地降低其毒性，使其固定于根部，增強了植物的抗逆性，因此植物對Cd的吸收量大幅提升。
2．2 營養元素C的濃度變化對美人蕉根吸收Cd的影響
不同Cd濃度情況下，美人蕉根對Cd吸收量隨C濃度的變化情況見圖2所示。
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從圖2中可以看出，在低鎘濃度情況下，隨著C濃度的變化，美人蕉根對鎘的吸收變化不大，但在高的鎘濃度情況下，隨著C濃度的增加，對美人蕉根吸收鎘具有一定的促進作用。鎘影響植物體內葉綠素含量，抑制光化學系統電子轉運，從而使植物光合作用下降，植物體內合成的糖量減少由于植物對水中C的依賴程度不大，因此在c濃度較低的情況下，美人蕉根對鎘的吸收量并沒有隨著C濃度的增加而增加，甚至出現反復的情況。這主要是由于C養分與Cd存在競爭被吸收的關系，鎘脅迫下，植物對糖類的C養分還是有一定需求，因此植物更傾向于吸收葡萄糖形式的C養分，因此在一定程度上抑制了鎘的吸收；同時，隨著C養分的增加，可能刺激植物產生更多根際分泌物以抵制Cd對植物的侵害，又在一定程度上使得美人蕉對鎘的抗性增強，促進植物生長發育，也促進了美人蕉對養分和鎘的吸收。當C濃度的進一步增加，其對植物的抗鎘性有了更好的促進作用，使得植物能夠更好地生長，這在高濃度的鎘溶液中體現得尤為明顯，當葡萄糖濃度達到120 lllg／L后，根部鎘含量有較大程度的上升。
C養分對植物吸收鎘影響不如N養分明顯，可能由于植物本身具有光合作用，能合成糖類等有機物，因此對額外添加的C養分需求不大。
2．3 有毒重金屬Cd的濃度變化對美人蕉根吸收Cd的影響
由圖l和圖2看來，不論是投加了額外的N養分還是C養分，隨著鎘濃度的增加，植物根部鎘含量呈減少的趨勢，尤其是當鎘濃度增加到20ppm時，植物根部吸收量明顯少于鎘濃度為5 ppm和lO ppm的情況。由于5 ppm的鎘濃度相對較低，對植物危害不大，植物自我保護作用不是很強，對鎘并不是很排斥，因此鎘吸收量相對于10ppm和20 ppm要大一些；而隨著鎘濃度的增加，鎘對植物的危害加劇，相應地植物采取多方面的策略來抵抗或減弱Cd脅迫的程度，如固定化、區域化及合成植物螯合肽、金屬硫蛋白、應激蛋白、應激乙烯等，從而在一定范圍和程度上阻止有害物質進入植物體內，尤其是當鎘濃度增到20ppm，這種抵制作用更加明顯，因此植物對鎘的吸收量最低。根據我們實驗觀察，當cd濃度越高時，容器底和壁附著的黏滑狀褐色沉淀越多。這是植物在對重金屬Cd脅迫下的一種自我保護機制，通過根系分泌物螯合、吸附以及包裹Cd，使其在根外沉淀下來，有效地降低了Cd對植物的毒害作用。
3．3 美人蕉葉對Cd吸收的分析
不同Cd濃度情況下，美人蕉葉對Cd吸收量隨C和N濃度的變化情況見圖3和圖4所示。
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如圖3、圖4所示，植物葉對Cd吸收量比較小，植物葉的吸收量變化波動大，無論C、N的變化對Cd的吸收都無明顯規律，這主要是由于植物本身個體的差異性等造成。植物的葉的吸收涉及很多方面的因素，植物的遷移機理，光和作用，蒸騰作用，葉片組織等一系列的理論，仍需作進一步研究。
對比圖1、圖2和圖3、圖4，可以發現，不論所加入的營養元素是N還是C，美人蕉根對Cd的吸收量遠遠高于葉對Cd的吸收量，約5～10倍以上。因為Cd對植物葉的毒害作用遠大于對根的毒害作用，植物基于自我保護而把大量的Cd固定在根部，只有少部分Cd被輸送到葉處，有效地降低了Cd對植物的毒害作用在水培實驗末期，還有少部分美人蕉開花了，這也證明了植物的自我保護有效地控制了Cd在植物體內的分布，即便高濃度重金屬Cd的環境下，植物仍能使光合作用，開花甚至繁殖后代不受其影響，保持生物多樣性。
4 結論
植物美人蕉對重金屬鎘具有一定的富集能力，且N、C營養元素對其吸收鎘的能力具有一定的影響，N的影響要明顯大于C的影響。
(1)N營養元素對美人蕉鎘富集量的影響是非常錯綜復雜的。N的施用可以緩解重金屬對植物脅迫毒害作用，但有的時候也可能加劇重金屬的脅迫作用，促進植物對鎘的吸收。
(2)C對植物的影響不如N明顯。但C同樣能在一定程度上緩沖重金屬對植物的毒害作用，減少進入植物體內的鎘含量。往往高濃度的C還會稍微促進植物對鎘的吸收。
(3)由于植物本身的自我保護作用，植物對鎘的吸收量隨鎘濃度的增加而下降，且植物吸收的鎘大部分儲存于根部，葉中鎘含量很少，以保證植
物的正常生長發育。
影響植物吸收重金屬的因素多種多樣，如植物形態差異、pH值、氧化還原電位、根際微生物作用等等。鑒于時間、條件及技術水平的限制，我們只對N、C兩種營養元素對美人蕉富集鎘的能力做了一些比較研究，以期望能為人類利用植物修復技術治理重金屬污染提供一定的實踐基礎。
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