美人蕉对水体中重金属Cd的富集能力研究
摘要：通过溶液培养，研究了美人蕉在不同营养务件下，不同Cd浓度的吸收情况。研究结果表明：美人蕉在营养元素N的作用下对于Cd的吸收是一个交互作用的生理效应；美人蕉在营养元素C的作用下对于cd的吸收没有很大影响，只有C浓度增大到一定程度才有促进作用；美人蕉根对Cd的吸收量远远高于叶对Cd的吸收量且随Cd浓度的增加而降低。
关键词：Cd胁迫；根系分泌物；营养元素；美人蕉
O 引言
2l世纪世界各国的工业飞速发展，人们的生活水平不断提高，许多国家在发展的过程中却忽视了对环境的保护。伴随工业“三废”而排放出来的重金属对水体的污染越来越严重。而镉作为“五毒”重金属元素之一，在生物圈中易转移，毒性大，并通过植物吸收累积由食物链影响人类的健康。重金属污染水体的植物修复是指通过植物系统及其根系移去、挥发或稳定水体环境中的重金属污染物，或降低污染物中的重金属毒性，以期达到清除污染、修复或治理水体为目的的一种技术。目前按其机理可分为植物挥发、植物吸收和植物吸附Ⅱ]o该技术具有成本低、不破坏河流生态环境、不引起二次污染等优点。自20世纪90年代以来，植物修复已经成为环境污染治理研究领域的一个前沿性课题。重金属Cd易于被植物从污染介质中吸收。成为植物体内代谢较强的胁迫因子，并抑制植物吸收营养元素。同时，营养元素的施用也可缓解Cd对植物的胁迫毒害作用。本文通过研究N、C两种营养元素对美人蕉吸收Cd影响，为重金属污染水体修复进行初步的探讨。
1 实验材料与方法
1．1 供试植物
采用美人蕉作为修复植物，美人蕉具有生长快，根部发达，易于在水中生长等特性，是一种适合于植物修复技术的植物。于中山大学园林中挑选红花美人蕉幼株，高度约为15锄，根部脱泥洗净。
1．2材料培养及处理
本研究采用溶液培养的方法进行。营养液选择霍格兰式营养液。培养液组成如下(单位均为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；采用容积为2L的透明塑料杯培育植物，每个容器定植1株，经过挑选长势一致的植株在营养液中培养15 d后，放入一定浓度的培养液进行培养。培养液中的Cd、c、N元素分别由一定浓度的Cd(NO，)2、葡萄糖和NaNO，组成。
Cd处理实验中cd元素的浓度分别为0 mg／L(空白对照)、5 mg／L、10mg／L和20mg／L。控制因素C元素的浓度采用0m g／L、40mg/L、120mg/L。控制因素N元素的浓度采用7mgL、14m g／ L、28mg／ L。一定浓度的Cd元素分别与不同浓度的C、N两种元素组成培养液，进行正交实验。各处理均做2次平行实验，取平均值。营养液和培养液均是每3 d更换1次。整个实验最后选用88株美人蕉进行镉吸收实验。
植物放置于实验室内窗户旁边(保证光照)，广州5月份的自然环境下培育。经Cd处理实验15d后将所得的植物经自来水和蒸馏水反复冲洗后．于烘箱120℃杀青15min，80℃烘干至恒重，粉碎，备用。
1．3样品分析方法
粉碎后的样品经高氯酸一硝酸消解体系消解后，采用火焰原子吸收分光度法测定样品中Cd含量。
2结果与讨论
2．1 营养元素N的浓度变化对美人蕉根吸收Cd的影响
不同cd浓度隋况下，美人蕉根对Cd吸收量随N浓度的变化情况见图l所示。
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从图1中可以看出随着N浓度的增加，对美人蕉根对镉的吸收均有一定的促进作用。但在高镉浓度情况下，N浓度的增加对植物吸收镉的促进作用的提高尤为明显。根据国内外相关文献的报告，N具有缓冲Cd对植物的毒害能力，它通过改变植物根系Cd的有效浓度，植物根系分泌物的种类和数量以及植物的生长状况和抗逆性来影响植物对Cd的吸收量¨51。上述多种因素之间的交互作用，使得在不同浓度的N投加下，植物对Cd的吸收量产生变化。
N浓度较低时，N可以促进根系分泌物产生有机酸等物质，降低溶液pH值，使得Cd的生物有效性提高，利于植物吸收。随着N浓度的提高，进一步促进根系分泌物产生一些螯合物与Cd形成稳定的金属螯合物复合体，而植物对NO，一N的吸收增多也会促进植物分泌OH一，缓解部分pH的下降，二者共同作用降低了Cd的生物活性。同时，根系分泌物吸附、包埋Cd，使其在根外沉淀下来，从而降低Cd对植物的胁迫。我们在实验过程中也发现当N浓度较高时，容器底和壁附着较多的黏滑状褐色沉淀，推测其为根系分泌物包裹的Cd沉淀。同时高的N浓度可以促进植物细胞合成Cd结合蛋白，即Cd—Bp和Cd多肽络合物的植物络合素这些物质可以和吸人体内的Cd结合，有效地降低其毒性，使其固定于根部，增强了植物的抗逆性，因此植物对Cd的吸收量大幅提升。
2．2 营养元素C的浓度变化对美人蕉根吸收Cd的影响
不同Cd浓度情况下，美人蕉根对Cd吸收量随C浓度的变化情况见图2所示。
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从图2中可以看出，在低镉浓度情况下，随着C浓度的变化，美人蕉根对镉的吸收变化不大，但在高的镉浓度情况下，随着C浓度的增加，对美人蕉根吸收镉具有一定的促进作用。镉影响植物体内叶绿素含量，抑制光化学系统电子转运，从而使植物光合作用下降，植物体内合成的糖量减少由于植物对水中C的依赖程度不大，因此在c浓度较低的情况下，美人蕉根对镉的吸收量并没有随着C浓度的增加而增加，甚至出现反复的情况。这主要是由于C养分与Cd存在竞争被吸收的关系，镉胁迫下，植物对糖类的C养分还是有一定需求，因此植物更倾向于吸收葡萄糖形式的C养分，因此在一定程度上抑制了镉的吸收；同时，随着C养分的增加，可能刺激植物产生更多根际分泌物以抵制Cd对植物的侵害，又在一定程度上使得美人蕉对镉的抗性增强，促进植物生长发育，也促进了美人蕉对养分和镉的吸收。当C浓度的进一步增加，其对植物的抗镉性有了更好的促进作用，使得植物能够更好地生长，这在高浓度的镉溶液中体现得尤为明显，当葡萄糖浓度达到120 lllg／L后，根部镉含量有较大程度的上升。
C养分对植物吸收镉影响不如N养分明显，可能由于植物本身具有光合作用，能合成糖类等有机物，因此对额外添加的C养分需求不大。
2．3 有毒重金属Cd的浓度变化对美人蕉根吸收Cd的影响
由图l和图2看来，不论是投加了额外的N养分还是C养分，随着镉浓度的增加，植物根部镉含量呈减少的趋势，尤其是当镉浓度增加到20ppm时，植物根部吸收量明显少于镉浓度为5 ppm和lO ppm的情况。由于5 ppm的镉浓度相对较低，对植物危害不大，植物自我保护作用不是很强，对镉并不是很排斥，因此镉吸收量相对于10ppm和20 ppm要大一些；而随着镉浓度的增加，镉对植物的危害加剧，相应地植物采取多方面的策略来抵抗或减弱Cd胁迫的程度，如固定化、区域化及合成植物螯合肽、金属硫蛋白、应激蛋白、应激乙烯等，从而在一定范围和程度上阻止有害物质进入植物体内，尤其是当镉浓度增到20ppm，这种抵制作用更加明显，因此植物对镉的吸收量最低。根据我们实验观察，当cd浓度越高时，容器底和壁附着的黏滑状褐色沉淀越多。这是植物在对重金属Cd胁迫下的一种自我保护机制，通过根系分泌物螯合、吸附以及包裹Cd，使其在根外沉淀下来，有效地降低了Cd对植物的毒害作用。
3．3 美人蕉叶对Cd吸收的分析
不同Cd浓度情况下，美人蕉叶对Cd吸收量随C和N浓度的变化情况见图3和图4所示。
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如图3、图4所示，植物叶对Cd吸收量比较小，植物叶的吸收量变化波动大，无论C、N的变化对Cd的吸收都无明显规律，这主要是由于植物本身个体的差异性等造成。植物的叶的吸收涉及很多方面的因素，植物的迁移机理，光和作用，蒸腾作用，叶片组织等一系列的理论，仍需作进一步研究。
对比图1、图2和图3、图4，可以发现，不论所加入的营养元素是N还是C，美人蕉根对Cd的吸收量远远高于叶对Cd的吸收量，约5～10倍以上。因为Cd对植物叶的毒害作用远大于对根的毒害作用，植物基于自我保护而把大量的Cd固定在根部，只有少部分Cd被输送到叶处，有效地降低了Cd对植物的毒害作用在水培实验末期，还有少部分美人蕉开花了，这也证明了植物的自我保护有效地控制了Cd在植物体内的分布，即便高浓度重金属Cd的环境下，植物仍能使光合作用，开花甚至繁殖后代不受其影响，保持生物多样性。
4 结论
植物美人蕉对重金属镉具有一定的富集能力，且N、C营养元素对其吸收镉的能力具有一定的影响，N的影响要明显大于C的影响。
(1)N营养元素对美人蕉镉富集量的影响是非常错综复杂的。N的施用可以缓解重金属对植物胁迫毒害作用，但有的时候也可能加剧重金属的胁迫作用，促进植物对镉的吸收。
(2)C对植物的影响不如N明显。但C同样能在一定程度上缓冲重金属对植物的毒害作用，减少进入植物体内的镉含量。往往高浓度的C还会稍微促进植物对镉的吸收。
(3)由于植物本身的自我保护作用，植物对镉的吸收量随镉浓度的增加而下降，且植物吸收的镉大部分储存于根部，叶中镉含量很少，以保证植
物的正常生长发育。
影响植物吸收重金属的因素多种多样，如植物形态差异、pH值、氧化还原电位、根际微生物作用等等。鉴于时间、条件及技术水平的限制，我们只对N、C两种营养元素对美人蕉富集镉的能力做了一些比较研究，以期望能为人类利用植物修复技术治理重金属污染提供一定的实践基础。
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