2024年3月7日发(作者:国富民丰)
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简}厦 第47卷第13期2002年7月钭学屯苏 东南景天(Sedum alfredii H) 一种新的锌超积累植物 杨肖娥①龙新宪①倪吾钟①傅承新② (①浙江大学环境与资源科学学院农业化学研究所,杭州310029;②浙江大学华家池校区生命科学学院,杭州310029. E-mail:xeyang@zju.edu.cn) 摘要通过野外调查和温室试验,发现并鉴定出东南景Y ̄(Sedum alfredii H)是一种新的锌超积累植物. 调查结果发现,东南景天对土壤中高含量的锌有很强的忍耐、吸收和积累能力,地上部zn含量为 4134 ̄5000mg/l(g,平均为4515 mg/kg.营养液培养实验证明,东南景天对生长介质中的Zn有很强的忍 耐能力,当生长介质中Zn浓度高达240 mg/L时,植株仍生长正常,其生物量与对照相比无显著差异. 地上部zn含量及其积累量均随生长介质中zn浓度的增加而增加,当生长介质中zn浓度为80 mg/L时, 地上部zn含量和积累量达到最高值,分别为19.674 g/kg,19.83 mg/株.结果表明,东南景天是我国发现 的一种新的zn超积累植物,为今后探明植物超积累zn的机理和zn污染土壤的植物修复提供了一种新 的种质资源. 关键词东南景天锌超积累 ‘ 14,15]和砷超积累植物——蜈蚣草(Pteris vittata L)【 】, 植物修复(phytoremediation)是近年来国际上兴 N)【起的一种治理重金属污染土壤的新技术.其基本思 路是将自然生长或遗传培育的超积累植物种植于污 尚未见锌超积累植物的报道.因此,本文通过对我国 东部古老铅锌矿区主要耐性植物的调查,以期鉴别 染土壤上,吸收重金属,从而降低土壤重金属含量, 出目前我国原生的锌超积累生态型植物. 达到治理的目的….该技术具有高效低耗、保持水土、 美化环境等优点,已经成为国际学术界的研究热点, 1材料与方法 并得到了一些政府和企业的高度重视. (i)矿区概况.调查矿区位于浙江省衢州市,约 植物修复技术是基于超积累植物(hyperaccumula— 东经118。56 ,北纬29。17 ,属于亚热带湿润气候,3—17_3℃,年均降雨量为1632.5 mm. tor)的研究而兴起的 】.目前已经发现的超积累植物 年均气温为16_约400种,广泛分布于植物界的45个科,但绝大多数 其矿体产于石炭系黄龙灰岩中,从层位光通性上看, 属于镍超积累植物(318种),已报道的zn超积累植物 又主要产在白云质灰岩之上部.矿体形态以层状、似 只有18种【3】,如十字花科遏蓝菜属的遏蓝菜(Thlaspi 层状为主,少数呈脉状或不规则状,矿层厚度一般为 caerulescens)等[3 .近年来,各国科学家对开发利用 2—3 m,最厚可达4^4.5 m.矿石的矿物组成以闪锌矿 遏蓝菜修复Zn,Cd污染土壤表现出浓厚的兴趣【7 】. 为主,其次为方铅矿,再次为黄铁矿.(ii)矿区植物及土壤中铅锌含量调查. 根据所 植物修复的效益主要取决于植物地上部金属含量和 Zn矿的地形及植被分布特点,采集代表性 生物量及植物生长速率.遗憾的是,目前已知的绝大 调查的Pb/深度为0 15 cm)供 多数超积累植物生长慢、生物量小,且大多数为莲座 植物样品及对应的表层土壤样品(生长,很难进行机械收获作业,因此一些学者对植物 植物分类鉴定和分析测定.该土壤为始成土,含有大 (iii)营养液培养. 采用营养液培养,营养液的 alfredii H),取自古老铅锌矿.将植株用自来水冲洗 干净,把剪成大小一致的枝条于2000年4月9日移 栽,预培养18 d(长出比较旺盛的根系)后进行zn处 理,共设9个处理,zn的浓度分别为0.03(CK),5,10,20, 修复技术提出质疑,认为这些小型超积累植物不适 量未分化的矿渣.宜大面积污染土壤的修复【l 0_¨】.鉴于上述现状,国内 大的超积累植物尤为关注.我国有关科学家已开展 外对调查、鉴定和发现生长速率相对较快、生物量较 组成参照文献【17].供试植物为东南景天(Sedum 了重金属富集植物和植物修复领域的研究[1 ,"】.然 而,迄今为止,关于我国境内的重金属超积累植物资 源的调查、鉴定和研究报道甚少,已报道的超积累植 物仅有铜超积累植物——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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错孝屯教 第47卷第13期2002年7月 态加入.每个处理设3个重复,每盆7株.每天用pH 计(HI 1270) ̄11定营养液pH,并用0.1 mol/L NaOH或 0.1 mol/L HC1调营养液pH至5.8,保持24 h连续通 气,每4 d更换一次营养液,处理20 d后收获.于进 行Zn处理之前和收获时取样.样品根反复用自来水 冲洗干净,再用20 mmol/L Na—EDTA交换15 min,去 除表面吸附的Zn离子,最后用去离子水冲洗干净, 简孝匿 由表1可知,东南景天地上部分Zn,Pb含量分别 为4134 ̄5000和63.27—1 1 82 mg/kg,平均值分别为 4515和414.7 mg/kg;其对应土壤中zn,Pb全量分别 为2269 ̄3858和3525—1 3825 mg/kg,土壤zn,Pb有 效含量分别为105.5—325.4和58.85—1 35 1 mg/kg.以 植物地上部分金属含量/土壤中对应金属的全量作为 计算富集系数的依据,发现东南景天对土壤Zn有很 用吸水纸把表面水吸干.将样品分地上部分和根系 强的富集能力,其富集系数的范围为1.25—1.94,均 测定株高和各部分鲜重,称取一定量鲜样在105℃下 大于1.这些结果表明,东南景天不仅对土壤中过量 保温30 min,然后在70 ̄C下烘干至恒重,测定其干物 的锌、铅有很强的忍耐能力,而且其体内能积累超量 质量,最后用不锈钢粉碎机磨细,过60目尼龙网筛, 的Zn,可作为铅/锌污染土壤的植物修复的优先选择 供分析测定用. 植物,这对铅/锌污染土壤的植物修复、矿山土壤的复 (iv)土壤和植物样品分析.采自矿区的土壤样 垦或修复及环境污染净化研究具有很大的潜力和研 品经自然风干后,用王水消煮和ICP法测定其全Zn 究价值. 和Pb含量¨ .土壤有效Zn和Pb提取采用0.005 mol/L 2.2营养液培养条件下锌对东南景天生长发育和产 DTPA(pH 7.3)浸提法(水土比为5:1),ICP—AES法测定 量的影响 Zn和Pb含量¨ .植物样品采用干灰化法消解,ICP. 营养液培养试验结果表明(表2),当zn浓度小于 AES法测定zn和Pb含量 J. 160 mg/L时,东南景天的生长基本正常,未表现出明 2结果与分析 显的中毒症状;当用320 mg/L Zn处理18 d后,东南 景天的新叶黄化.在zn浓度小于80 mg/L时,地上部 2.1废矿区东南景天体内铅锌的积累情况 在调查的矿区,主要草本植物有东南景天(Sedum 分和根系的干物质重量随着Zn供应水平的增加而增 L时,其地上部干物质重量约 alfredii H)、蔓茎堇菜(Viola difusa G)、紫花地丁(Viola 加,当zn浓度为80 mg/yedoensis M)、白花夏枯草、灯心草(Juncus eflAsus L) 比对照增加57%.其原因可能是该植物对zn的需求 和苦荚菜(Ixeris sonchifolia),其中在废矿堆和矿渣上, 量比一般植物要大.但当生长介质中zn浓度大于 以东南景天生长最多(图1). 160 mg/L时,东南景天的生长开始受到抑制,地上部 和根系的干物质重量随着zn供应水平的增加而显著 下降;与对照相比,320 mg/L处理的植株地上部的干 物质重量减少了14%(表2). 2.3东南景天对锌的吸收 图2表明,当zn浓度大于80 mg/L时,东南景 天地上部zn含量随着zn供应水平的增加而增加,各 处理之间差异达显著或极显著水平;当zn浓度为8O mg/L时,地上部zn含量达最高值,为19674 mg/kg,而 图1 生长在古老矿山上的东南景天 植株的生长未受任何影响,地上部分的干物质产 表1 矿区东南景天地上部分及土壤zn,Pb含量 1004 wwwseiehina.com
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界标准为10000 mg/kg(干重),但一些学者对此提出 异议,认为这一标准太严格,因为在富含Zn土壤上 生长的大部分植物的地上部zn含量为50—500 mg/kg ∞ ∞ (干重),故提出3000 mg/l(g(干重)的标准更合理【4J,当 锏 N 某植物地上部zn含量达3000 mg/kg时,特别是它同 时能富集其他毒害金属(如Cd和Pb等),则认为其具 有很强的植物修复能力.野外调查的结果表明(表1), Zn处理/mg.L一 东南景天的地上部zn含量高达5000 mg/kg,因此, 它是一种新的Zn超积累植物.而且,营养液培养试 图2东南景天地上部和根系Zn含量 量也达最高值.随着Zn浓度的进一步增加,其地上 验也证明,东南景天地上部zn含量高达1 9674 mg/kg, 进一步证实东南景天是一种很强的Zn超积累植物. 部Zn含量又有所下降.在本研究中,东南景天地上 部Zn含量始终比根系高,这符合超积累植物积累金 在废矿堆上或矿山土壤上生长的植株体内Zn含量之 属的一般特性.但随着处理水平的增加,地上部Zn 所以比水培条件下低,其原因可能在于废矿或矿山 含量与根系Zn含量的比值减小,从6.4减小到1.3. 2.4东南景天对Zn的积累和分布 东南景天地上部Zn积累的变化趋势与其Zn含量 变化的趋势一致,当zn浓度为80 mg/L时,其地上部 zn积累量达最高值,为19.83 mg/株;随着zn浓度的 进一步增加,其地上部Zn积累量又急剧下降(表2). 根系Zn积累的变化趋势与地上部一样,当Zn浓度小 于80 mg/L时,随着处理水平的增加,根系积累的zn 迅速增加,各处理之间差异达显著水平(表2).锌在 土壤中有效Zn含量低,从而限制了其吸收Zn的最大 潜力的发挥. 到目前为止,已经报道的Zn超积累植物有18种, 主要生长在富含Zn/Pb的土壤,它们主要分布在欧洲 和澳大利亚等H_2刚.东南景天是在我国发现的一种新 的Zn超积累植物,这不仅弥补了我国的空白,也为 进一步在我国寻找新的超积累植物资源提供了可能, 并为深入研究超积累植物吸收、积累重金属的生理机 制和评价其修复重金属污染土壤的潜力提供了新的 材料. 如前所述,当溶液中zn浓度达80 mg/L(常用的 中整个植株吸收的Zn有95% ̄99%分布在地上部,说 完全营养液的zn浓度为0.03 mg/L)时,东南景天的 明该植物根系吸收的Zn有很强的向地上部运输的能 生物量最大,地上部zn含量和积累量最高,分别高 力.随着处理水平的增加,分布在地上部的比例稍有 达19674和19.83 mg/株.当外界zn浓度为240 mg/L 所下降,但处理间无显著性差异. 时,东南景天生长基本正常,未表现任何中毒症状. 3讨论 Brown等人【5】研究发现,当营养液中zn浓度为206 Baker和Brooks【j 最初提出zn超积累植物的临 www.scich irla.com 东南景天地上部和根系的分布也存在显著差异,其 mg/L时,遏蓝菜(Thlaspi caerulescens)未表现任何zn 1005
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斜撂屯苏 第47卷第13期2002年7月 简}厦 中毒症状.这说明东南景天比遏蓝菜有更强的耐高 ll5l~ll5 7 Zn胁迫能力.遏蓝菜为莲座状生长,生长速率很慢, 8 Brown S L,Chaney R L,Angle J S,et a1.Zinc and cadmium 生物量小,因此许多学者认为遏蓝菜不适宜严重Zn uptake by hyperaccumulator Thlaspi caerulescens and metal 污染土壤的修复【9 ”.东南景天无性繁殖(以株芽为 tolerant Silene vulgaris grown on sludge-amended soils.Environ 主)的速率很快,在较短的生长期内即可形成良好的 Sci Techno1.1995.29:l58l一1585 地面覆盖,其盖度几乎可达100%(图1).另一方面, 9 Robinson B H,Leblanc M,Petit D,et a1.The potential of Thlaspi 东南景天还具有适于刈割的特点,在其他环境条件 caerulescens for phytoremediation of contaminated soils.Plant 较为适宜时,一年内可刈割收获该植物地上部3或4 and Soil,1998,203:47 ̄56 茬.根据我们的调查结果估计,东南景天的单季干物 Ebbs S D.Kochian L v.Toxicity of zinc to Brassica species: 质产量高达1800 kg/hm .而且,目前已发现的超积 Implication for phytoremediation,J Environ Qual,1997,26: 累植物主要分布在欧洲等地(如法国、英国),适应低 776 ̄781 温气候,如果把这些超积累植物直接引入我国,能否 Ebbs S D,Kochian L v-Phytoextraction of zinc by oat vena 适应我国的气候环境还是一个疑问.因此,东南景天 sativa),barley(HordeumⅥIlgare),and Indian mustard(Brassica 对Zn污染土壤的修复将具有很大的潜力,为我国植 juncea).Environ Sci Technol,1 998,32:802 ̄806 物修复的理论研究和技术实施提供了一种很好的新 杨肖娥,龙新宪,倪吾钟.超积累植物吸收重金属的生理及分 材料. 子机制,植物营养与肥料学报,2002,1:8 ̄15 王庆仁,崔岩山,董艺婷.植物修复——重金属污染土壤整治 致谢 浙江省地质研究所何汉泉先生协助矿区植物调查, 有效途径.生态学报,2001,2l(2):326—331 在此表示感谢.本工作为国家杰出青年科学基金资助项目 (批准号:39925024). Yang X E,Shi W Y'Fu Q x,et a1.Copper-hyperaccumulators of Chinese native plants:Characteristics and possible use for 参 考 文 献 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 陈同斌,韦朝阳,黄泽春,等.砷超富集植物蜈蚣草及其对砷的 hyperaccumulate metallic elememts.Biorecovery,1 989,1:8 1 ̄97 富集特性.科学通报,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 袁大伟.土壤中铜、锌、铅、镉、镍、锰的测定预处理方法比 5 Brown S L,Chaney R L,Angle J S,et a1.Zinc and cadmium 较实验.农业环境保护,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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