重金属胁迫下乙二胺二琥珀酸对植物生长的影响

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　　 摘要：许多研究表明，植物联合化学修复重金属污染土壤能有效提高修复速率，但在联合修复对植物生长的影响方面关注甚少。为探究联合修复时植物的生长情况，以高羊茅（Festuca arunclinacea）和黑麦草（Lolium perenne）为材料，分别于添加200 mg/kg 铅、50 mg/kg镉模拟的污染土壤中进行盆栽试验，施加相同浓度梯度乙二胺二琥珀酸（EDDS），测定植物幼苗株高、含水量、叶绿素含量、可溶性蛋白（SP）含量、丙二醛（MDA）含量、过氧化物酶（POD）活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性等生理特征，得出最佳EDDS施用浓度，以改善修复过程中植物的健康状况，进而提高植物对重金属污染土壤的修复效率。结果表明，在单一铅、镉胁迫下，施加3 mmol/kg EDDS对植物的生长影响最小，可保证植物长期稳定的修复效果，提高修复效率。
　　 关键词：乙二胺二琥珀酸（EDDS）;重金属污染;联合修复;生理指标;高羊茅;黑麦草
　　 中图分类号： X53 文献标志码： A
　　 文章编号：1002-1302（2020）07-0260-04
　　 全球土壤重金屬污染日趋严重，而我国南方地区的重金属污染情况相比北方更加严重[1-5]。其中铅、镉对人类健康的风险较为严重;我国在解决重金属污染问题方面已经投入了大量财力、物力、人力[6-7]。在常见的重金属污染修复方式中，生物修复作为“绿色”手段得到广泛应用[8-9]，部分植物因其高效的重金属富集能力而受到推广，其中黑麦草与高羊茅因其超强的环境适应力以及高浓度重金属耐受力而倍受关注[10-14]。
　　乙二胺二琥珀酸（EDDS）是常见的生物螯合剂，对不同重金属的去除能力不同，对因重金属污染导致的植物生物量低、叶片黄及生斑点等问题具有缓解作用[15-17]。适量施用外源EDDS不但可以节约经济成本，还可以提高修复效率。但目前国内外对于EDDS和黑麦草、高羊茅在联合修复重金属污染土壤中的研究仍有不足，且大多研究EDDS协助植物对重金属的富集能力，而在植物体生长影响方面的研究较少。本研究通过盆栽试验，在单铅（Pb）200 mg/kg、单镉（Cd）50 mg/kg胁迫下对多年生高羊茅、黑麦草施加EDDS，测定植物幼苗株高、含水量、叶绿素含量、可溶性蛋白（SP）含量、丙二醛（MDA）含量、过氧化物酶（POD）活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性等生理特征，以表征单Pb、单Cd胁迫下施加外源EDDS对黑麦草、高羊茅的生长影响，确定外源EDDS最佳施用浓度范围。
　　1 材料与方法
　　试验于2018年9—12月在齐齐哈尔大学生命科学与农林学院环境修复研究室进行。黑麦草和高羊茅种子采购于北京盛世鹏林生态科技有限公司，盆栽试验用土购于齐齐哈尔市花卉农贸市场。设置1个对照组、2个试验组，重金属处理分别为0、200 mg/kg Pb、50 mg/kg Cd，土壤中添加重金属后室温下平衡60 d。将平衡好的土壤分装到规格为160 mm×140 mm×100 mm（上口径×高×下口径）的塑料花盆中，每盆400 g干土。
　　选取大小一致、籽粒饱满的植物种子，用去离子水浸泡30 min后，用2%次氯酸钠表面消毒30 min，然后用去离子水反复冲洗种子。将处理好的植物种子播种到上述试验土中，14 d后，在植株长势正常时，分别向各组花盆中按浓度0、1、2、3、4、5 mmol/kg 加入EDDS，30 d后，参照《植物生理学实验指导》[18]测定新鲜植物幼苗的株高、含水量、叶绿素含量（分光光度计法）、SP含量（考马斯亮蓝法）、MDA含量（硫代巴比妥酸法）、POD活性（愈创木酚法）、SOD活性（氮蓝四唑法）等生理指标。每个处理设置3个重复，分别测定后取平均值。
　　数据使用Excel 2016、SPSS 19.0、Origin 2017软件进行整理分析和作图。
　　2 结果与分析
　　2.1 EDDS对重金属胁迫下黑麦草、高羊茅幼苗株高及含水量的影响
　　图1显示，健康土壤中，EDDS的添加对2种植物幼苗的株高无明显影响;Pb胁迫下的高羊茅幼苗在施加3 mmol/kg EDDS时株高达到最大值;Cd胁迫下黑麦草幼苗在施加1 mmol/kg EDDS时株高达到最大值。健康土壤中，施加的EDDS浓度达到3 mmol/kg 时，2种植物含水量最大。不同重金属单一胁迫下，高羊茅幼苗含水量在施加3 mmol/kg EDDS时达到最大值;Pb胁迫下，EDDS施加浓度对黑麦草幼苗含水量无明显影响;Cd胁迫下，EDDS施加浓度为4 mmol/kg时黑麦草含水量最大，且各处理组之间差异较小。
　　2.2 EDDS对重金属胁迫下黑麦草、高羊茅幼苗叶绿素含量的影响
　　图2显示，健康土壤中，2种植物幼苗叶绿素对外源EDDS响应不明显;不同单一重金属胁迫下，高羊茅幼苗在EDDS施加浓度为3 mmol/kg时叶绿素含量达到最大值;Cd胁迫下黑麦草幼苗在4 mmol/kg EDDS处理组中叶绿素含量达到最大值，Pb胁迫下3 mmol/kg EDDS处理组中的黑麦草幼苗叶绿素含量达到最大值。
　　2.3 EDDS对重金属胁迫下黑麦草、高羊茅幼苗SP、MDA含量的影响
　　图3显示，健康土壤中，随着EDDS施加浓度的增加，高羊茅和黑麦草幼苗中SP含量变化不明显，EDDS对其基本没有影响;不同单一重金属胁迫下，高羊茅和黑麦草幼苗中SP的含量均在EDDS施加浓度为3 mmol/kg 时达到最大值。健康土壤中，高羊茅和黑麦草幼苗中MDA含量对EDDS浓度变化的响应不明显;Pb、Cd单一胁迫下的高羊茅幼苗中MDA含量在EDDS施加浓度为3 mmol/kg时最低;Cd胁迫下的黑麦草幼苗中MDA含量受EDDS浓度变化的影响不大，Pb胁迫下施加3 mmol/kg EDDS时黑麦草幼苗中MDA含量最低。 　　2.4 EDDS对重金属胁迫下黑麦草、高羊茅幼苗POD、SOD活性的影响
　　图4显示，健康土壤中，EDDS施加浓度对幼苗POD、SOD活性没有明显的影响;在单一重金属污染土壤中，Cd胁迫下高羊茅幼苗的POD活性在添加3 mmol/kg EDDS时达到最大值，SOD活性在添加2 mmol/kg ESSD时达到最大值。黑麦草幼苗POD活性在Cd胁迫下不受EDDS添加浓度变化影响，SOD 活性在添加2 mmol/kg EDDS时达到最大值;Pb胁迫下在添加3 mmol/kg EDDS时黑麦草POD活性最大，添加2 mmol/kg EDDS时SOD活性最大。
　　3 讨论
　　不同剂量螯合剂对植物体的影响不同，低浓度会促进植物生长，高浓度则会产生毒害作用，具体表现为使植物叶片发黄、植株矮小且易萎蔫[19]。本试验中主要的毒害特征表现为植株生长缓慢，由于暴露时间较短而未产生其他明显的响应表现。生物螯合剂EDDS与非生物螯合剂乙二胺四乙酸（EDTA）相比，对Pb的活化效果较弱，对Cd的活化效果较强[20]。本试验中随着外源EDDS浓度的变化，单一Pb、Cd胁迫下植物幼苗生理特征變化有所差异。
　　3.1 EDDS对重金属胁迫下黑麦草、高羊茅幼苗株高及含水量的影响
　　外源EDDS的添加对重金属胁迫下黑麦草、高羊茅幼苗的株高以及含水量虽影响较小，但在一定程度上可以促进植株的生长，表现为低浓度EDDS促进重金属胁迫下植物生长，高浓度EDDS抑制植物生长，甚至对植物产生毒害作用。杨波等研究发现，低浓度的EDDS会促进三叶鬼针草幼苗的生长，高浓度EDDS则会显著抑制其生长[21];但熊国焕等研究表明，随着外源EDDS浓度的增加，植株幼苗株高和生物量降低或无显著变化[22-23]。产生该种差异结果可能是由试验过程中EDDS的施加方式、时间和不同种类植物以及试验操作手段的差异所造成。
　　3.2 EDDS对重金属胁迫下黑麦草、高羊茅幼苗叶绿素含量的影响
　　叶绿素是植物进行光合作用的主要物质，受到逆境胁迫时会发生明显变化。在单一Pb、Cd胁迫下，对高羊茅和黑麦草幼苗施加适量外源EDDS，会缓解重金属对叶绿素结构的破坏作用，但高浓度的EDDS会对植株造成二次胁迫，进而影响叶绿素含量。这与刘慧芹等对其他不同植物在外源污染物胁迫下叶绿素含量变化的研究结果[24-25]一致。
　　3.3 EDDS对重金属胁迫下黑麦草、高羊茅幼苗SP、MDA含量的影响
　　SP可以提高植物细胞的保水能力，对植物细胞内的生命物质以及生物膜起到保护作用。高羊茅和黑麦草幼苗受到单一Pb、Cd胁迫后SP含量降低。施加外源EDDS时，低浓度EDDS缓解了重金属对幼苗的胁迫作用，使SP含量升高;高浓度EDDS使SP含量降低。MDA是植株幼苗对逆境的应激产物，其含量变化趋势与SP相反。这与罗艳等对其他不同植物受胁迫后SP、MDA含量变化情况的研究结果[26-27]一致。
　　3.4 EDDS对重金属胁迫下黑麦草、高羊茅幼苗抗氧化酶活性的影响
　　SOD和POD为植物体内标志性抗氧化酶类，低浓度的Pb和Cd胁迫会使其活性升高，高浓度会抑制其活性。施加外源EDDS时，适宜浓度EDDS可以提高SOD、POD活性，当EDDS浓度过高时会破坏植物体内抗氧化酶系统，使植株幼苗表现出萎蔫甚至死亡的现象。这与曾超等对不同植物在外源胁迫下抗氧化酶系统变化情况的研究结果[28-30]一致。
　　4 结论
　　试验结果表明，单一Pb、Cd胁迫下，施加3 mmol/kg EDDS可缓解植物受到重金属胁迫的毒害影响，且效果最佳;增加EDDS浓度，反而会减弱这种缓解作用，甚至使植物幼苗受到损伤。在实际土壤修复过程中，通过添加适量EDDS可以促进植物对重金属污染土壤的修复作用，而浓度过高会对修复植物产生危害，浓度过低则导致联合修复效果不明显。
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