2024年3月7日發(作者:國富民豐)

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簡}廈 第47卷第13期2002年7月鈄學屯蘇 東南景天(Sedum alfredii H) 一種新的鋅超積累植物 楊肖娥①龍新憲①倪吾鐘①傅承新② (①浙江大學環境與資源科學學院農業化學研究所,杭州310029;②浙江大學華家池校區生命科學學院,杭州310029. E-mail:xeyang@zju.edu.cn) 摘要通過野外調查和溫室試驗,發現并鑒定出東南景Y ̄(Sedum alfredii H)是一種新的鋅超積累植物. 調查結果發現,東南景天對土壤中高含量的鋅有很強的忍耐、吸收和積累能力,地上部zn含量為 4134 ̄5000mg/l(g,平均為4515 mg/kg.營養液培養實驗證明,東南景天對生長介質中的Zn有很強的忍 耐能力,當生長介質中Zn濃度高達240 mg/L時,植株仍生長正常,其生物量與對照相比無顯著差異. 地上部zn含量及其積累量均隨生長介質中zn濃度的增加而增加,當生長介質中zn濃度為80 mg/L時, 地上部zn含量和積累量達到最高值,分別為19.674 g/kg,19.83 mg/株.結果表明,東南景天是我國發現 的一種新的zn超積累植物,為今后探明植物超積累zn的機理和zn污染土壤的植物修復提供了一種新 的種質資源. 關鍵詞東南景天鋅超積累 ‘ 14,15]和砷超積累植物——蜈蚣草(Pteris vittata L)【 】, 植物修復(phytoremediation)是近年來國際上興 N)【起的一種治理重金屬污染土壤的新技術.其基本思 路是將自然生長或遺傳培育的超積累植物種植于污 尚未見鋅超積累植物的報道.因此,本文通過對我國 東部古老鉛鋅礦區主要耐性植物的調查,以期鑒別 染土壤上,吸收重金屬,從而降低土壤重金屬含量, 出目前我國原生的鋅超積累生態型植物. 達到治理的目的….該技術具有高效低耗、保持水土、 美化環境等優點,已經成為國際學術界的研究熱點, 1材料與方法 并得到了一些政府和企業的高度重視. (i)礦區概況.調查礦區位于浙江省衢州市,約 植物修復技術是基于超積累植物(hyperaccumula— 東經118。56 ,北緯29。17 ,屬于亞熱帶濕潤氣候,3—17_3℃,年均降雨量為1632.5 mm. tor)的研究而興起的 】.目前已經發現的超積累植物 年均氣溫為16_約400種,廣泛分布于植物界的45個科,但絕大多數 其礦體產于石炭系黃龍灰巖中,從層位光通性上看, 屬于鎳超積累植物(318種),已報道的zn超積累植物 又主要產在白云質灰巖之上部.礦體形態以層狀、似 只有18種【3】,如十字花科遏藍菜屬的遏藍菜(Thlaspi 層狀為主,少數呈脈狀或不規則狀,礦層厚度一般為 caerulescens)等[3 .近年來,各國科學家對開發利用 2—3 m,最厚可達4^4.5 m.礦石的礦物組成以閃鋅礦 遏藍菜修復Zn,Cd污染土壤表現出濃厚的興趣【7 】. 為主,其次為方鉛礦,再次為黃鐵礦.(ii)礦區植物及土壤中鉛鋅含量調查. 根據所 植物修復的效益主要取決于植物地上部金屬含量和 Zn礦的地形及植被分布特點,采集代表性 生物量及植物生長速率.遺憾的是,目前已知的絕大 調查的Pb/深度為0 15 cm)供 多數超積累植物生長慢、生物量小,且大多數為蓮座 植物樣品及對應的表層土壤樣品(生長,很難進行機械收獲作業,因此一些學者對植物 植物分類鑒定和分析測定.該土壤為始成土,含有大 (iii)營養液培養. 采用營養液培養,營養液的 alfredii H),取自古老鉛鋅礦.將植株用自來水沖洗 干凈,把剪成大小一致的枝條于2000年4月9日移 栽,預培養18 d(長出比較旺盛的根系)后進行zn處 理,共設9個處理,zn的濃度分別為0.03(CK),5,10,20, 修復技術提出質疑,認為這些小型超積累植物不適 量未分化的礦渣.宜大面積污染土壤的修復【l 0_¨】.鑒于上述現狀,國內 大的超積累植物尤為關注.我國有關科學家已開展 外對調查、鑒定和發現生長速率相對較快、生物量較 組成參照文獻【17].供試植物為東南景天(Sedum 了重金屬富集植物和植物修復領域的研究[1 ,"】.然 而,迄今為止,關于我國境內的重金屬超積累植物資 源的調查、鑒定和研究報道甚少,已報道的超積累植 物僅有銅超積累植物——海州香薷(Elsholtzia splendens 40,80,160,240和320 mg/L,Zn以ZnSO4·7H2O形 www.scichina.com 1003
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錯孝屯教 第47卷第13期2002年7月 態加入.每個處理設3個重復,每盆7株.每天用pH 計(HI 1270) ̄11定營養液pH,并用0.1 mol/L NaOH或 0.1 mol/L HC1調營養液pH至5.8,保持24 h連續通 氣,每4 d更換一次營養液,處理20 d后收獲.于進 行Zn處理之前和收獲時取樣.樣品根反復用自來水 沖洗干凈,再用20 mmol/L Na—EDTA交換15 min,去 除表面吸附的Zn離子,最后用去離子水沖洗干凈, 簡孝匿 由表1可知,東南景天地上部分Zn,Pb含量分別 為4134 ̄5000和63.27—1 1 82 mg/kg,平均值分別為 4515和414.7 mg/kg;其對應土壤中zn,Pb全量分別 為2269 ̄3858和3525—1 3825 mg/kg,土壤zn,Pb有 效含量分別為105.5—325.4和58.85—1 35 1 mg/kg.以 植物地上部分金屬含量/土壤中對應金屬的全量作為 計算富集系數的依據,發現東南景天對土壤Zn有很 用吸水紙把表面水吸干.將樣品分地上部分和根系 強的富集能力,其富集系數的范圍為1.25—1.94,均 測定株高和各部分鮮重,稱取一定量鮮樣在105℃下 大于1.這些結果表明,東南景天不僅對土壤中過量 保溫30 min,然后在70 ̄C下烘干至恒重,測定其干物 的鋅、鉛有很強的忍耐能力,而且其體內能積累超量 質量,最后用不銹鋼粉碎機磨細,過60目尼龍網篩, 的Zn,可作為鉛/鋅污染土壤的植物修復的優先選擇 供分析測定用. 植物,這對鉛/鋅污染土壤的植物修復、礦山土壤的復 (iv)土壤和植物樣品分析.采自礦區的土壤樣 墾或修復及環境污染凈化研究具有很大的潛力和研 品經自然風干后,用王水消煮和ICP法測定其全Zn 究價值. 和Pb含量¨ .土壤有效Zn和Pb提取采用0.005 mol/L 2.2營養液培養條件下鋅對東南景天生長發育和產 DTPA(pH 7.3)浸提法(水土比為5:1),ICP—AES法測定 量的影響 Zn和Pb含量¨ .植物樣品采用干灰化法消解,ICP. 營養液培養試驗結果表明(表2),當zn濃度小于 AES法測定zn和Pb含量 J. 160 mg/L時,東南景天的生長基本正常,未表現出明 2結果與分析 顯的中毒癥狀;當用320 mg/L Zn處理18 d后,東南 景天的新葉黃化.在zn濃度小于80 mg/L時,地上部 2.1廢礦區東南景天體內鉛鋅的積累情況 在調查的礦區,主要草本植物有東南景天(Sedum 分和根系的干物質重量隨著Zn供應水平的增加而增 L時,其地上部干物質重量約 alfredii H)、蔓莖堇菜(Viola difusa G)、紫花地丁(Viola 加,當zn濃度為80 mg/yedoensis M)、白花夏枯草、燈心草(Juncus eflAsus L) 比對照增加57%.其原因可能是該植物對zn的需求 和苦莢菜(Ixeris sonchifolia),其中在廢礦堆和礦渣上, 量比一般植物要大.但當生長介質中zn濃度大于 以東南景天生長最多(圖1). 160 mg/L時,東南景天的生長開始受到抑制,地上部 和根系的干物質重量隨著zn供應水平的增加而顯著 下降;與對照相比,320 mg/L處理的植株地上部的干 物質重量減少了14%(表2). 2.3東南景天對鋅的吸收 圖2表明,當zn濃度大于80 mg/L時,東南景 天地上部zn含量隨著zn供應水平的增加而增加,各 處理之間差異達顯著或極顯著水平;當zn濃度為8O mg/L時,地上部zn含量達最高值,為19674 mg/kg,而 圖1 生長在古老礦山上的東南景天 植株的生長未受任何影響,地上部分的干物質產 表1 礦區東南景天地上部分及土壤zn,Pb含量 1004 wwwseiehina.com
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界標準為10000 mg/kg(干重),但一些學者對此提出 異議,認為這一標準太嚴格,因為在富含Zn土壤上 生長的大部分植物的地上部zn含量為50—500 mg/kg ∞ ∞ (干重),故提出3000 mg/l(g(干重)的標準更合理【4J,當 锏 N 某植物地上部zn含量達3000 mg/kg時,特別是它同 時能富集其他毒害金屬(如Cd和Pb等),則認為其具 有很強的植物修復能力.野外調查的結果表明(表1), Zn處理/mg.L一 東南景天的地上部zn含量高達5000 mg/kg,因此, 它是一種新的Zn超積累植物.而且,營養液培養試 圖2東南景天地上部和根系Zn含量 量也達最高值.隨著Zn濃度的進一步增加,其地上 驗也證明,東南景天地上部zn含量高達1 9674 mg/kg, 進一步證實東南景天是一種很強的Zn超積累植物. 部Zn含量又有所下降.在本研究中,東南景天地上 部Zn含量始終比根系高,這符合超積累植物積累金 在廢礦堆上或礦山土壤上生長的植株體內Zn含量之 屬的一般特性.但隨著處理水平的增加,地上部Zn 所以比水培條件下低,其原因可能在于廢礦或礦山 含量與根系Zn含量的比值減小,從6.4減小到1.3. 2.4東南景天對Zn的積累和分布 東南景天地上部Zn積累的變化趨勢與其Zn含量 變化的趨勢一致,當zn濃度為80 mg/L時,其地上部 zn積累量達最高值,為19.83 mg/株;隨著zn濃度的 進一步增加,其地上部Zn積累量又急劇下降(表2). 根系Zn積累的變化趨勢與地上部一樣,當Zn濃度小 于80 mg/L時,隨著處理水平的增加,根系積累的zn 迅速增加,各處理之間差異達顯著水平(表2).鋅在 土壤中有效Zn含量低,從而限制了其吸收Zn的最大 潛力的發揮. 到目前為止,已經報道的Zn超積累植物有18種, 主要生長在富含Zn/Pb的土壤,它們主要分布在歐洲 和澳大利亞等H_2剛.東南景天是在我國發現的一種新 的Zn超積累植物,這不僅彌補了我國的空白,也為 進一步在我國尋找新的超積累植物資源提供了可能, 并為深入研究超積累植物吸收、積累重金屬的生理機 制和評價其修復重金屬污染土壤的潛力提供了新的 材料. 如前所述,當溶液中zn濃度達80 mg/L(常用的 中整個植株吸收的Zn有95% ̄99%分布在地上部,說 完全營養液的zn濃度為0.03 mg/L)時,東南景天的 明該植物根系吸收的Zn有很強的向地上部運輸的能 生物量最大,地上部zn含量和積累量最高,分別高 力.隨著處理水平的增加,分布在地上部的比例稍有 達19674和19.83 mg/株.當外界zn濃度為240 mg/L 所下降,但處理間無顯著性差異. 時,東南景天生長基本正常,未表現任何中毒癥狀. 3討論 Brown等人【5】研究發現,當營養液中zn濃度為206 Baker和Brooks【j 最初提出zn超積累植物的臨 www.scich irla.com 東南景天地上部和根系的分布也存在顯著差異,其 mg/L時,遏藍菜(Thlaspi caerulescens)未表現任何zn 1005
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斜撂屯蘇 第47卷第13期2002年7月 簡}廈 中毒癥狀.這說明東南景天比遏藍菜有更強的耐高 ll5l~ll5 7 Zn脅迫能力.遏藍菜為蓮座狀生長,生長速率很慢, 8 Brown S L,Chaney R L,Angle J S,et a1.Zinc and cadmium 生物量小,因此許多學者認為遏藍菜不適宜嚴重Zn uptake by hyperaccumulator Thlaspi caerulescens and metal 污染土壤的修復【9 ”.東南景天無性繁殖(以株芽為 tolerant Silene vulgaris grown on sludge-amended soils.Environ 主)的速率很快,在較短的生長期內即可形成良好的 Sci Techno1.1995.29:l58l一1585 地面覆蓋,其蓋度幾乎可達100%(圖1).另一方面, 9 Robinson B H,Leblanc M,Petit D,et a1.The potential of Thlaspi 東南景天還具有適于刈割的特點,在其他環境條件 caerulescens for phytoremediation of contaminated soils.Plant 較為適宜時,一年內可刈割收獲該植物地上部3或4 and Soil,1998,203:47 ̄56 茬.根據我們的調查結果估計,東南景天的單季干物 Ebbs S D.Kochian L v.Toxicity of zinc to Brassica species: 質產量高達1800 kg/hm .而且,目前已發現的超積 Implication for phytoremediation,J Environ Qual,1997,26: 累植物主要分布在歐洲等地(如法國、英國),適應低 776 ̄781 溫氣候,如果把這些超積累植物直接引入我國,能否 Ebbs S D,Kochian L v-Phytoextraction of zinc by oat vena 適應我國的氣候環境還是一個疑問.因此,東南景天 sativa),barley(HordeumⅥIlgare),and Indian mustard(Brassica 對Zn污染土壤的修復將具有很大的潛力,為我國植 juncea).Environ Sci Technol,1 998,32:802 ̄806 物修復的理論研究和技術實施提供了一種很好的新 楊肖娥,龍新憲,倪吾鐘.超積累植物吸收重金屬的生理及分 材料. 子機制,植物營養與肥料學報,2002,1:8 ̄15 王慶仁,崔巖山,董藝婷.植物修復——重金屬污染土壤整治 致謝 浙江省地質研究所何漢泉先生協助礦區植物調查, 有效途徑.生態學報,2001,2l(2):326—331 在此表示感謝.本工作為國家杰出青年科學基金資助項目 (批準號:39925024). Yang X E,Shi W Y'Fu Q x,et a1.Copper-hyperaccumulators of Chinese native plants:Characteristics and possible use for 參 考 文 獻 phyto·remediation.In:Bassam N E L,ed.Sustainable Agriculture 1 Salt D E,Blaylock M,Kumar N P B A,et a1.Phytoremediation:A ofr Food,Energy and Industry.London:James and James noval strategy for the removal of toxic metals from the Publishers,1 998.484-489 environment using plants.Bio/Technology,1995,13:468-474 Tang S R,Huang C Y'Zhu Z X.Commelina communis L:Copper 2 Conningham S D,Berti W R,Huang J Phytoremediation of hyperaccumulator found in Anhui Province of China.Pedosphere, contaminated soils.Bio/Technology,1995,13:393 ̄397 1997,7(3):207-210 3 Baker A J M,Brooks R R.Terrestrial higher plants which 陳同斌,韋朝陽,黃澤春,等.砷超富集植物蜈蚣草及其對砷的 hyperaccumulate metallic elememts.Biorecovery,1 989,1:8 1 ̄97 富集特性.科學通報,2002,47(3):207 210 4 Reeves R D,Baker A J M.Metal-accumulating plants,In:Raskin l7 Long X X,Yang X E,Ye Z Q,et a1.Study of the differences of H,Ensley B D,eds.Phytoremediation of Toxic Metals:Using uptake and accumulation of zinc in four species of Sedum linn. Plants to Clean up the Environment.New York:John Wiley& Acta Bot Sin,2002,44(2):1 52-1 57 Sons,Ins,2000.1 93~230 袁大偉.土壤中銅、鋅、鉛、鎘、鎳、錳的測定預處理方法比 5 Brown S L,Chaney R L,Angle J S,et a1.Zinc and cadmium 較實驗.農業環境保護,1988,7(1):34 36 uptake by hyperaccumulator Thlaspi caerulescens grown in Lindsay W L,Norvell W A.Development of a DTPA soil test for nutrient solution.Soil Sci Soc Am J,1995,59:125—133 zinc,iron,manganese and copper.Soil Sci Soc Am J,1 978,42: 6 Baker A J M,Reeves R D,Hajar A S M.Heavy metal 42l—428 accumulation and tolerance in British populations of the 20 Baker J M,McGrath S P'Reeves R D.et a1.Metal metallophyte Thlaspi caerulescens J and C Presl(Brassicaceae), hyperaccumu1atior plants:A review of the ecology and physiology New Phyto1.1994.127:61 ̄68 resource for phytoremediation of metal·polluted soilsIn:Terry N, 7 Brown S L,Chaney R L,Angle J Set a1.Phytoremediation Banuelos G eds.Phytoremediation of Contaminated Soil and potential of Thlaspi caerulescens and Bladder campion for zinc Water.Boca Raton:Lewis Publishers,200085~100 and cadmium-contaminated soil.J Environ Qual,1994,23: (2002—0l-07收稿,2002.05.31收修改稿) 1006 Www.scichina.corn
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