时间：2022-07-20 08:05:29
目前，很多学者针对重金属污染修复进行了相关研究［1－3］。黑麦草对稀土、多环芳烃菲、重金属铜、锌、镉均有富集作用，而且根系所分泌的有机酸对修复效果有一定的影响。目前针对黑麦草修复重金属铅的研究相对较少，尤其从根系分泌有机酸等机理角度的研究更少，基于此，尝试采用能直观反映重金属运移的水培试验，以期对重金属铅污染的生物修复机理提供基础。
1 材料与方法
供试作物为黑麦草（泰德，4倍体），播种前种子用2％的乙醇消毒20min，然后用去离子水洗净，在25℃恒温箱里催芽，待种子萌芽时播到培养钵中，直到黑麦草出苗，生长7d后移栽到营养液中，每7天更换1次营养液，营养液采用荷格伦特（Hoagland）配方。每盆中营养液为1．5L，每盆为5个穴，每穴中种植8棵黑麦草，即每盆中种植40棵，盆深度为15cm，直径为30cm，周围刷黑漆。生长第25天进行不同质量浓度Pb2＋处理，以Pb（CH3COO）2•3H2O的形式加入，不同处理即Pb2＋质量浓度为：10、25、50、100、200、400、600、800、1 000mg／L，对照处理的Pb2＋质量浓度为0，每个处理设重复3次。分别在不同Pb2＋水平处理后第7天和第14天全部收获。模拟日光照明的光照时间为10h，光照度为24～32klx，室温为18～30℃。测定项目包括：营养液pH值、含Pb2＋量、有机酸种类及质量浓度、黑麦草株高、植株体干物质量及含Pb2＋量。其中pH值测定采用PHS－3B精密pH计测定。含Pb2＋量采用原子吸收光度法测定。营养液中有机酸种类及质量浓度采用高效液相色谱仪测定，有机酸的确定采用外标法，质量浓度的计算采用峰面积法，测定条件：色谱柱为XDBC18反相柱，用过0．45μm膜、pH为2．7的重蒸水配制的KH2PO4溶液（15mmol／L）作流动相，流速1．0mL／min，柱温30℃，进样量为10μL。试验从2009年2月2日开始，2009年4月10日结束。
2 结果与分析
2．1 不同质量浓度Pb2＋诱导黑麦草分泌有机酸及对营养液pH调节机制
表1为2009年4月3日和4月10日营养液中各有机酸与总有机酸质量浓度随Pb2＋质量浓度的变化。2009年4月3日收获时对照处理的营养液中含草酸3．12g／L，Pb2＋质量浓度在10～200mg／L内，处理间草酸质量浓度差距较小，并随Pb2＋质量浓度的增加有减小的趋势，Pb2＋质量浓度在400～1 000mg／L内，随Pb2＋质量浓度的增加有增加的趋势。2009年4月3日测定有机酸中除含草酸外，还有冰乙酸，其中600、800、1 000mg／L处理中分别含冰乙酸0．55、6．68、14．20g／L，其他质量浓度处理没有检测到冰乙酸。可见，当Pb2＋质量浓度大于600mg／L时黑麦草分泌冰乙酸，且冰乙酸的质量浓度随Pb2＋质量浓度的增加而增大。营养液中Pb2＋质量浓度在10～400mg／L内，各处理总有机酸质量浓度差距较小，大于400mg／L的处理总有机酸质量浓度较大，且随Pb2＋质量浓度的增加总有机酸的质量浓度增加，且增加的幅度较大。草酸的变化规律为，Pb2＋质量浓度小于600mg／L时，各处理间差距较小，Pb2＋质量浓度在800～1 000mg／L内，草酸质量浓度的增加幅度较大。酒石酸质量浓度随Pb2＋质量浓度的增加而增大，大于400mg／L时增加幅度较大。苹果酸在10～100mg／L范围内各处理间差距较小，在200～1 000mg／L范围内增加幅度较大。冰乙酸仅在600～1 000mg／L的质量浓度范围内检测到，柠檬酸仅在Pb2＋质量浓度为1 000mg／L时检测到。总有机酸质量浓度随Pb2＋质量浓度的增加而增大，但小于400mg／L时，增加的幅度较平缓，处理间差距较小，大于400mg／L时，随Pb2＋质量浓度的增加显著增加。图1为总有机酸和pH值的协调变化曲线，由图1可知，所有处理的pH值均较对照处理小，小于400mg／L的范围内，不同Pb2＋质量浓度条件下营养液的pH差距较小；大于400mg／L时，处理间差距较大，且pH值随Pb2＋质量浓度的增加而减小，质量浓度越大减小越多，尤其是600～1 000mg／L显著降低。结合黑麦草分泌有机酸分析可知，pH的变化可能是受根系分泌有机酸的影响。pH值与营养液中Pb2＋质量浓度（C）呈二次曲线。 图2给出了有机酸总量（y）与pH的拟合曲线，拟合方程见式（2），二者符合二次抛物线的关系，在抛物线的递降区间内，即随有机酸总量的增加pH显著降低。常二华［6］认为，根系分泌物中含有H＋和大量的低分子量有机酸，如乳酸、甲酸、苹果酸、草酸、丙酮酸等，它们增加了土壤中H＋的质量浓度，酸化根际土壤，导致了根际土壤pH值的降低。但pH的降低是否受根系分泌有机酸的直接影响还需深入研究。
综上所述，随Pb2＋处理时间的增加，有机酸种类也增加。Pb2＋处理7d后，黑麦草根系分泌有机酸为草酸和冰乙酸2种，Pb2＋处理14d后，黑麦草分泌有机酸为草酸、酒石酸、苹果酸、冰乙酸、柠檬酸。这与卢豪良得出的Cu、Pb、Cd、Zn胁迫下秋茄根系分泌物中检测到甲酸、丁酸、苹果酸、柠檬酸和乳酸有所不同［4］，而李廷强得出Zn胁迫下东南景天根系分泌物中检测到的有机酸为苹果酸、草酸和酒石酸［5］，这可能是由于重金属种类和作物品种不同所导致的差异，可见，重金属种类和作物品种是影响根系分泌有机酸的关键因素。400mg／L为有机酸变化的敏感阈值，小于400mg／L时各处理间的差异较小，大于400mg／L时处理间差距较大，且随Pb2＋质量浓度的增加有机酸质量浓度也增大。有机酸质量浓度成为营养液pH变化的影响因素之一。
2．2 收获后营养液中Pb2＋的变化和黑麦草富集Pb2＋的协调关系
图3为黑麦草生长一段时间后营养液中Pb2＋质量浓度，无论是第一次收获（2009年4月3日）还是第二次收获（2009年4月10日），营养液中Pb2＋都有大幅度的降低，第一次收获黑麦草吸收Pb2＋的量较第二次多，即富集量较大，这是由于随着Pb2＋胁迫时间的增加，黑麦草吸收的Pb2＋趋于饱和，富集量也相应减少。二次不同质量浓度Pb2＋处理在50～400mg／L的区间内差别较大，400～800mg／L二次差别较小，即在这个区域有更大的吸收空间。由处理后营养液中Pb2＋减少量分布图（图4）可知，黑麦草吸收Pb2＋从大于400mg／L开始减少，即吸收Pb2＋明显的阈值范围为大于400mg／L。
2．3 不同质量浓度Pb2＋对黑麦草株高的影响
不同质量浓度Pb2＋处理对黑麦草生育期内株高的影响如图5所示，Pb2＋质量浓度在10～200mg／L内，株高的差异不显著，Pb2＋质量浓度在400～1 000mg／L内，株高显 著 降 低，可 见 不 同 质 量 浓 度Pb2＋处 理，小 于200mg／L对株高的影响不大，Pb2＋质量浓度大于400mg／L时，随质量浓度的增加株高显著减小，对株高的影响增大。可见，黑麦草株高增长阈值为400mg／L，即Pb2＋质量浓度大于400mg／L时，不利于黑麦草株高的增加，且对黑麦草具有毒害作用。质量浓度（x）与株高（y）之间的关系符合指数函数关系，拟合精度较高（图5）。
2．4 不同质量浓度Pb2＋对黑麦草干物质量的影响
不同质量浓度Pb2＋处理对黑麦草生育期内平均每棵地上部分和根系干物质量的影响如图6所示。Pb2＋质量浓度在10～200mg／L内地上部分干物质量的差异不显著，Pb2＋质量浓度在400～1 000mg／L内地上部分干物质量随重金属Pb2＋质量浓度的增加显著降低。可见，不同质量浓度Pb2＋处理，小于200mg／L对地上干物质量的影响不大，大于400mg／L，随质量浓度的增加地上干物质量显著减小，对地上干物质量的影响较大。可见，黑麦草修复Pb2＋水培条件下，其地上干物质量增长阈值为400 mg／L，即大于400mg／L的Pb2＋质量浓度不利于黑麦草地上干物质量的增加。Pb2＋质量浓度在10～200mg／L内随Pb2＋质量浓度的增加根系干质量增大，400～800mg／L范围内差异不显著，1 000mg／L时显著降低。可见，Pb2＋质量浓度在10～200mg／L范围内，增加Pb2＋有利于黑麦草根系的生长，400～800mg／L质量浓度对黑麦草根系的影响不大，但1 000mg／L极不利于根系的生长。2．5 不同质量浓度Pb2＋处理后植株中含Pb2＋量不同质量浓度Pb2＋处理条件下，黑麦草植株地上部分和根系含Pb2＋量如图7所示，黑麦草地上部分含Pb2＋量随质量浓度的增加而增大，但增长梯度随质量浓度的增加而减小，即随营养液Pb2＋质量浓度的增加，地上部分含Pb2＋量增加的幅度减小。黑麦草根系含Pb2＋量随质量浓度的增加而增大，但增长梯度随质量浓度的增加而减小，即随营养液中Pb2＋质量浓度的增加，根系中含Pb2＋量增加的幅度减小。黑麦草根系耐性指数为重金属不同处理的根质量与对照处理根质量的比值，能较好的反应植物对重金属的耐性。耐性指数大于0．5时，表明这种植物对此重金属有较强的耐受性，生长得较好。当耐性指数小于0．5时，则说明金属对这种植物的毒害作用明显，这种植物基本难以或不能生长在这种质量浓度的重金属环境中。表2给出了不同处理条件下根系耐性指数。营养液中Pb2＋质量浓度小于400mg／L时，根系耐性指数随营养液中Pb2＋质量浓度的增加而增大；大于400mg／L时，不同处理间差距较小，不同质量浓度对根系耐性指数的影响较小。不同质量浓度对根系耐性指数影响的敏感阈值为400mg／L。
3 结 论
1）采用水培试验研究黑麦草对Pb2＋的吸收机制得出，随Pb2＋处理时间的增加，黑麦草根系分泌有机酸种类增加。Pb2＋处理7d后，黑麦草根系分泌有机酸仅为草酸和冰乙酸。而Pb2＋处理14d后，黑麦草根系分泌有机酸为草酸、酒石酸、苹果酸、冰乙酸和柠檬酸。营养液中pH值与黑麦草分泌有机酸有较好的拟合关系。2）植株中含Pb2＋量随营养液中Pb2＋质量浓度的增加而增大，但增加的幅度随其质量浓度的增加而减小。Pb2＋质量浓度大于400 mg／L时，不利于黑麦草株高的增加，根质量增长的敏感阈值范围为10～200mg／L，Pb2＋质量浓度大于800mg／L对黑麦草根系有极大的毒害作用。3）营养液浓度400mg／L为pH值、有机酸、株高、干物质量、地上部分和根系含Pb2＋量以及根系耐性指数的敏感阈值。通过水培试验所得结论仅是对黑麦草修复Pb2＋机理的直观揭示，对于黑麦草是否为Pb2＋修复的理想植物，还需在土培试验中深入探索和验证。