LED3A强化紫花苜蓿修复Cd污染土壤的效果研究.pdf

第6 0卷2 0 2 4年第1期 西 北 师 范 大 学 学 报(自然科学版)V o l.6 0 2 0 2 4 N o.1 J o u r n a l o f N o r t h w e s t N o r m a l U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e)D O I:1 0.1 6 7 8 3/j.c n k i.n w n u z.2 0 2 4.0 1.0 1 0收稿日期:2 0 2 3 0 7 2 0;修改稿收到日期:2 0 2 3 1 0 0 8基金项目:国家自然科学基金资助项目(4 1 2 6 1 0 7 7);甘肃省高等学校创新基金项目(2 0 2 1 B-1 0 2)作者简介:刁静茹(1 9 7 7),女,山东平原人,副教授,博士.主要研究方向为污染控制化学及土壤修复.E m a i l:d i a o j r q q.c o mL E D 3 A强化紫花苜蓿修复C d污染土壤的效果研究刁静茹,肖奇赞,张淋淋,闫利甜,赵保卫(兰州交通大学 环境与市政工程学院,甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0)摘要:研究可生物降解螯合剂N-十二酰基乙二胺三乙酸盐(L E D 3 A)诱导强化紫花苜蓿修复C d污染土壤的效果,采用盆栽方法,考察L E D 3 A对紫花苜蓿生理指标、C d亚细胞分布和化学形态以及增效提取土壤中C d的影响.结果表明,C d胁迫显著抑制紫花苜蓿的生长及光合作用,增加丙二醛(MD A)的积累.而在土培体系中施用 L E D 3 A,可以提高植株生物量、光合色素含量、过氧化物酶(P O D)和超氧化物歧化酶(S O D)活性,缓解细胞膜脂过氧化损伤和C d诱导产生的氧化应激.L E D 3 A的螯合强化作用能够增大紫花苜蓿细胞质中C d的分布比例,促使植株中的C d由高活性形态向低活性形态转化,通过细胞壁固持和液泡区隔化提高耐C d性能,进而减轻毒害.与不添加L E D 3 A组相比,最佳L E D 3 A添加量(3 2 1.3 m gk g-1)组紫花苜蓿植株中的总C d含量和积累量分别提高了2 9.4%和6 9.1%,地下/地上富集系数及转运系数分别增加了2 8.6%,3 6.4%和1 0.5%.说明添加适量L E D 3 A可有效提高紫花苜蓿对C d的耐受性与修复C d污染土壤的效果.关键词:L E D 3 A;紫花苜蓿;C d污染土壤;植物修复;化学强化中图分类号:X 1 7 1.5 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 1-9 8 8(2 0 2 4)0 1-0 0 6 1-0 9E f f e c t o f L E D 3 A e n h a n c e d p h y t o r e m e d i a t i o n o fc a d m i u m c o n t a m i n a t e d s o i l b y a l f a l f aD I AO J i n g-r u,X I AO Q i-z a n,Z HANG L i n-l i n,YAN L i-t i a n,Z HAO B a o-w e i(S c h o o l o f E n v i r o n m e n t a l a n d M u n i c i p a l E n g i n e e r i n g,L a n z h o u J i a o t o n g U n i v e r s i t y,L a n z h o u 7 3 0 0 7 0,G a n s u,C h i n a)A b s t r a c t:A b i o d e g r a d a b l e c h e l a t i n g a g e n t n a m e d N-l a u r o y l e t h y l e n e d i a m i n e t r i a c e t a t e(L E D 3 A)w a s a p p l i e d t o t h e i n d u c t i o n-e n h a n c e d p h y t o r e m e d i a t i o n o f C d c o n t a m i n a t e d s o i l b y a l f a l f a.T h e p o t e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d t o i n v e s t i g a t e t h e e f f e c t o f L E D 3 A o n t h e p h y s i o l o g i c a l i n d e x e s o f a l f a l f a,t h e v a r i a t i o n s i n s u b c e l l u l a r d i s t r i b u t i o n a n d c h e m i c a l f o r m s o f C d i n p l a n t s,a s w e l l a s t h e p e r f o r m a n c e o f L E D 3 A i n a s s i s t i n g p h y t o e x t r a c t i o n o f C d f r o m s o i l.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t C d s t r e s s s i g n i f i c a n t l y i n h i b i t s t h e p l a n t g r o w t h a n d p h o t o s y n t h e s i s,a n d i n c r e a s e s m a l o n d i a l d e h y d e(MD A)a c c u m u l a t i o n.A f t e r a p p l i c a t i o n o f L E D 3 A i n t o s o i l-c u l t i v a t e d s y s t e m,t h e b i o m a s s,p h o t o s y n t h e t i c p i g m e n t s c o n t e n t,p e r o x i d a s e(P O D)a n d s u p e r o x i d e d i s m u t a s e(S O D)a c t i v i t i e s o f a l f a l f a a l l i n c r e a s e.C h a n g e s i n t h e s e i n d e x e s c a n a l l e v i a t e c e l l u l a r m e m b r a n e l i p i d p e r o x i d a t i o n d a m a g e a n d o x i d a t i v e s t r e s s c a u s e d b y C d.L E D 3 A s c h e l a t i n g e n h a n c e m e n t e f f e c t r e s u l t s i n a h i g h e r p r o p o r t i o n o f C d i n t h e c y t o p l a s m o f a l f a l f a c e l l s,f a c i l i t a t e s t h e t r a n s f o r m a t i o n o f C d f r o m h i g h l y a c t i v e f o r m s t o l e s s a c t i v e f o r m s w i t h i n t h e p l a n t,i m p r o v e s C d r e s i s t a n c e a n d r e d u c e s t o x i c i t y t h r o u g h c e l l w a l l i mm o b i l i z a t i o n a n d v a c u o l e c o m p a r t m e n t a l i z a t i o n.C o m p a r e d w i t h t h e t r e a t m e n t w i t h o u t L E D 3 A,t h e t o t a l C d c o n t e n t a n d a c c u m u l a t i o n i n a l f a l f a a t o p t i m a l L E D 3 A d o s a g e(3 2 1.3 m gk g-1)a r e i n c r e a s e d b y 2 9.4%a n d 6 9.1%.T h e b i o c o n c e n t r a t i o n f a c t o r(B C F)a n d t r a n s l o c a t i o n f a c t o r(T F)o f C d i n a l f a l f a r o o t a n d s h o o t i n c r e a s e 16西 北 师 范 大 学 学 报(自然科学版)第6 0卷 J o u r n a l o f N o r t h w e s t N o r m a l U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e)V o l.6 0 c o r r e s p o n d i n g l y b y 2 8.6%,3 6.4%a n d 1 0.5%,r e s p e c t i v e l y.I n c o n c l u s i o n,t h e a p p l i c a t i o n o f s i t u a b l e a m o u n t o f L E D 3 A c a n i m p r o v e t h e C d t o l e r a n c e o f a l f a l f a a n d e n h a n c e t h e e f f i c i e n c y o f p h y t o r e m e d i a t i o n f o r C d c o n t a m i n a t e d s o i l.K e y w o r d s:L E D 3 A;a l f a l f a;C d c o n t a m i n a t e d s o i l;p h y t o r e m e d i a t i o n;c h e m i c a l e n h a n c e m e n t 全国土壤污染状况调查公报显示,我国土壤C d污染危害严重,污染点位超标率达7.0%,远高于其他重金属污染物1.因此,C d污染土壤的治理修复和农业安全问题备受关注.常见的重金属污染土壤修复技术主要包括物理、化学、生物及其联合修复方法,植物提取技术因具有成本低、环境扰动少和可持续等优点,得到了广泛的研究和发展2,选取合适的修复植物是该技术应用的前提和关键.近年来,将高生物量经济植物作为修复主体受到众多研究者的青睐3.豆科牧草紫花苜蓿(M e d i c a g o s a t i v a L.)具有生长快、产草量高的特点,其发达的根系与根瘤菌的共生固氮作用能够改善土壤物理性状和养分状况4.紫花苜蓿在重金属污染土壤的植物修复方面表现出良好的潜力5,但是由于土壤中重金属的生物有效性较低,植物根系吸收并向上迁移重金属的能力有限,导致植物提取修复效率低下6.螯合诱导植物修复技术是解决植物修复低效瓶颈的有效措施7,该技术是基于螯合剂对土壤中重金属的活化作用,通过与重金属形成稳定可溶的螯合物提高其生物可利用性,进而增强植物对重金属的提取修复效果8.如乙二胺四乙酸(E D T A)能够将土壤吸附的重金属螯合解吸至土壤液相,显著提高生物有效态重金属含量,使其向根部扩散促进植 物 吸 收 提 取,并 向 地 上 部 分 转 运9-1 0.L i等2研究表明施加E D T A显著提高了土壤中酸溶态C u,Z n,N i,C d和P b的浓度,增加了黑麦草对重金属的吸收,但因E D T A存在不易降解及浸出风险等问题,其在联合植物修复方面的应用受到限制1 1.氨 三 乙 酸(NT A)和 乙 二 胺 二 琥 珀 酸(E D D S)等强化剂对环境的危害小,对土壤重金属同样具有较强的螯合作用,可改善植物对金属的吸取性能,M e h r a b等1 2和W a n g等1 3发现NT A和E D D S的存在能够显著提升C d在玉米和龙葵中的积累,但两种螯合剂在土壤中降解过快1 4,需多次施加才能得到理想的强化修复效果1 5.因此,探寻新的生态安全的化学强化试剂,对重金属污染土壤植物修复技术的发展具有重要意义.N-十二酰基乙 二 胺 三 乙 酸 盐(L E D 3 A)是 在E D T A分子中引入疏水基团而得到的螯合型表面活性剂,具 有 水 溶 性 好、毒 性 小 和 易 降 解 的 特点1 6,O E C D封闭瓶实验表明,3 0 d L E D 3 A的生物降解率为7 0.5%1 7.本研究小组已有的研究发现,L E D 3 A的亲水氨羧配位基团能够有效螯合解吸土壤中的重金属,形成稳定的可溶性L E D 3 A-金属配合物1 8,其疏水碳链可以通过溶解膜脂使植物细胞的渗透性增加1 9,而表面活性亦能够辅助改善土壤重金属的生物有效性2 0,上述作用均有利于植物对重金属的吸收、积累和转运1 9,2 1.因此,L E D 3 A有望对土壤中的重金属起到有效的活化作用,通过螯合诱导途径强化植物修复重金属污染土壤,并避免引起二次污染风险.目前,有关L E D 3 A联合豆科牧草修复重金属污染土壤的相关研究报道较少.基于此,文中以模拟C d污染土壤为基质,以紫花苜蓿为供试植物,L E D 3 A为强化试剂,进行盆栽实验.通过测定紫花苜蓿的生物量和生理指标、土壤及紫花苜蓿中C d的含量、植株中C d的形态和亚细胞分布情况,研究L E D 3 A强化紫花苜蓿修复C d污染土壤的效果,探讨L E D 3 A强化植物修复C d污染土壤的效能及作用机制,为螯合型表面活性剂诱导植物修复C d污染土壤提供一定的理论依据和技术参考.1 材料与方法1.1 实验材料1.1.1 试剂与仪器 L E D 3 A(4 8 2 gm o l-1)购自杭州生物科技有限公司;C d C l22.5 H2O,HNO3,HC l和H F等均为分析纯,购自国药集团化学试剂有限公司.T D 6冷冻离心机,UV-1 8 0 0紫外可见分光光度计,V a r i a n 2 2 0 F S火焰原子吸 收分光光度 计,GH-X 0 9微波消解仪等.1.1.2 植物及土壤 紫花苜蓿品种为“金黄后”,购自甘肃省农业科学院;土样制备:土壤采自兰州交通大学后山表层土(0 2 0 c m),基本理化性质为:26 2 0 2 4年第1期 刁静茹等:L E D 3 A强化紫花苜蓿修复C d污染土壤的效果研究 2 0 2 4 N o.1E f f e c t o f L E D 3 A e n h a n c e d p h y t o r e m e d i a t i o n o f c a d m i u m c o n t a m i n a t e d s o i l b y a l f a l f ap H=7.8,有机质含量2.8 gk g-1,阳离子交换容量(C E C)4.9 c m o lk g-1,铵态氮1.2 m gk g-1,有效磷9.3 m gk g-1,速效钾4 8.9 m gk g-1,土壤未受到C d污染.将采集的土壤自然风干,剔除杂物后研磨过筛(2 mm).然后在土壤中均匀混入C d C l2溶液,使土壤中C d的浓度为1 5 m gk g-1.1.2 实验设计1.2.1 盆载实验 塑料盆(直径1 4 c m,高度1 7 c m)中装土1.5 k g,盆下带托盘,温室平衡(保持6 0%田间持水量)2 0 d后种植紫花苜蓿.实验共设5个处理,以未污染原土作空白(C K)对照,其他处理均为C d污染土壤,采用不同浓度的L E D 3 A(0(LN),1 6 0.7(LL),3 2 1.3(LM)和6 4 2.7(LH)m gk g-1)进行强化增效,每个处理设置3个重复.各处理在种植前施入4 0 0 m gk g-1 磷酸二氢钾和4 0 0 m gk g-1尿素作为基肥,以保证紫花苜蓿生长.紫花苜蓿种子经0.1%KM n O4消毒及浸种处理后,每盆播种1 0 0粒,发芽后间苗至6 0株,室温培养(日温2 25,夜温1 55),每2 d浇一次水.植物种植9 0 d后,依据各处理设置浓度分别施入1 0 0 m L的L E D 3 A溶液(p H值为7.8),强化作用7 d后收割紫花苜蓿.将植株分为地下和地上部分,测量并记录长度和鲜重,置于液氮中保存待测;收集土壤样品,风干研磨后密封保存待测.1.2.2 测定指标与方法 植物生理指标测定2 2:对植物鲜样,分别测定其地上部分光合色素含量、地下/地上部分丙二醛(MD A)含量、过氧化物酶(P O D)及超氧化物歧化酶(S O D)活性.植物/土壤中C d的测定:取烘干(1 0 5 杀青1 5 m i n,5 0 烘干)植物样品采用HNO3-HC l微波消解后测定植物中C d含量;取土壤样品采用HNO3-HC l-H F微波消解后测定土壤中C d含量.植物中C d的形态和亚细胞分布测定:通过连续浸提法2 3提取并测定鲜样中C d的不同化学形态,包括乙醇提取态(FE)、蒸 馏 水 提 取 态(FW)、氯 化 钠 提 取 态(FN a C l)、醋酸提取态(FHA C)、盐酸提取态(FHC l)和残渣态(Fr);利用差速离心法2 3测定C d在细胞壁(G1)、细胞质(G2)和细胞器(G3)中的亚细胞分布情况.1.3 数据处理及分析以富集系数(FB C)、转运系数(FT)和积累量(UA)为指标评价紫花苜蓿对土壤中C d的提取能力:FB C=CCs o i l,(1)FT=Cs h o o tCr o o t,(2)UA=CM,(3)其中,C为紫花苜蓿地下部分(Cr o o t)或地上部分(Cs h o o t)中C d的浓度,单位为m gk g-1DW;Cs o i l为土壤中C d的浓度,单位为m gk g-1DW;M为紫花 苜 蓿 地 上 或 地 下 部 分 的 生 物 量,单 位 为gp o t-1 DW.采用E x c e l 2 0 1 6和O r i g i n 2 0 1 8进行数据处理和绘图,S P S S 2 2进行单因素方差分析和显著性差异检验(P0.0 5).图表中数据为平均值标准偏差;不同字母表示不同处理组之间存在显著性差异(P0.0 5).2 结果与讨论2.1 L E D 3 A对C d胁迫下紫花苜蓿生长及光合色素含量的影响从表1可以看出,C d显著抑制了紫花苜蓿的生长(P0.0 5),与C K相比,LN处理的根长和株高分别降低了2 3.2%和1 7.8%,根与茎的鲜重分别降低了2 6.6%和3 5.5%.C d的毒性效应在多种植物中存在2 4,不仅抑制植物的光合和呼吸作用,减少水分和养分的吸收,而且通过诱导和抑制酶,促进脂质过氧化以及扰乱代谢等途径影响植物生长6.可见,LN中植物生长指标降低是由C d胁迫所致.施加不同浓度L E D 3 A的各处理中,紫花苜蓿的长度和鲜重较LN处理均有所增加,如表1所示.LL,LM和LH的植株长度(4 1.3 04 3.6 5 c m)高于LN(3 7.4 2 c m),鲜重(0.8 3 00.9 2 4 gp l a n t-1)也 大 于LN(0.6 8 1 gp l a n t-1).H a b i b a等2 5也报道了类似的研究结果,与C u胁迫相比,E D T A和C u共存能显著提高甘蓝型油菜(B r a s s i c a n a p u s L.)的生物量,E D T A与C u2+形成的螯合物减轻C u的毒性作用.在本研究中施加L E D 3 A对紫花苜蓿生长状况的改善,可能是由于L E D 3 A促进了植物对养分的吸收2 6,或L E D 3 A-C d螯合物的形成缓解了C d对植物的毒性.36西 北 师 范 大 学 学 报(自然科学版)第6 0卷 J o u r n a l o f N o r t h w e s t N o r m a l U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e)V o l.6 0 表1 L E D 3 A对C d胁迫下紫花苜蓿生长及地上部分光合色素含量的影响T a b 1 E f f e c t o f L E D 3 A o n a l f a l f a g r o w t h a n d t h e p h o t o s y n t h e t i c p i g m e n t c o n t e n t i n s h o o t s o f a l f a l f a u n d e r C d s t r e s s处理长度/c m地下部分地上部分鲜重/g地下部分地上部分光合色素含量/(m gg-1 FW)叶绿素a叶绿素b类胡萝卜素C K 1 3.1 71.9 8a3 3.2 32.9 7a0.1 8 40.0 1 4a0.8 4 70.0 4 0a2.7 80.0 8a 1.0 50.0 1a0.4 90.0 1aLN1 0.1 21.1 1b2 7.3 02.2 4b0.1 3 50.0 1 8b0.5 4 60.0 6 1c2.1 80.0 7c0.8 60.0 7b0.4 00.0 2bLL1 2.7 20.9a3 0.9 32.5 3a b0.1 7 10.0 2 1a0.7 5 30.0 5 0a b2.3 30.1 2b0.9 20.1 4a b0.4 20.0 2bLM1 1.3 51.1 5a b3 0.6 02.1 7a b0.1 6 60.0 1 6a b0.6 9 60.0 6 1b2.3 90.0 7b0.8 90.0 3b0.4 10.0 2bLH1 1.2 90.9a b3 0.0 12.1 8a b0.1 6 10.0 2 0a b0.6 6 90.0 9 8b2.4 60.0 2b0.9 30.0 7a b0.4 30.0 1b 叶绿素和类胡萝卜素是植物的两种主要光合色素,可以反映环境因子对植物生长状态的影响2 7.表1各处理中紫花苜蓿光合色素含量的变化情况与其生长参数的改变相似.LN处理组数据显示,C d胁迫使得叶绿素a,b和类胡萝卜素含量分别较C K组降 低 了2 1.6%,1 8.1%和1 8.4%,而 添 加 了L E D 3 A的各处理中,光合色素含量较无添加处理LN有所回升,尤以叶绿素a的提高最为明显,叶绿素b和类胡萝卜素含量与LN之间差异不显著.LL,LM和LH的叶绿素a含量较LN分别增加了6.9%,9.6%和1 2.8%(P0.0 5).这是由于C d2+可以取代叶绿素结合位上的M g2+导致叶绿素分子降解,或者通过抑制参与叶绿素生物合成的酶活性来降低叶绿素浓度2 8,而螯合剂的应用可能增加植物地上部分F e的浓度,影响叶绿素的结构,减轻C d对光合色素的破坏作用2 9.结果表明,C d显著抑制了紫花苜蓿的光合作用,L E D 3 A的添加使光合色素含量升高,抑制程度有所缓解,在高浓度时(6 4 2.7 m gk g-1)表现更为明显.2.2 L E D 3 A对紫花苜蓿P O D,S O D活性和M D A含量的影响重金属等环境胁迫可诱导植物细胞产生过量的活性氧(R O S),R O S通过攻击胞内核酸、蛋白质和色素等,导致膜脂过氧化反应生成MD A3 0.同时,植物体内也会产生对氧化胁迫的应激反应,即增强抗氧化防御系统酶活性(如P O D和S O D)以清除过多的R O S,维持自身的稳定状态3 1.由图1(a)和(b)可知,有/无L E D 3 A添加的处理中,紫花苜蓿地下/地上部分P O D和S O D活性均高于无污染的C K组,与无添加处理LN相比,L E D 3 A对地下P O D活性无显著影响,可促使地上P O D活性提高2 3.9%3 4.8%.S O D对氧化胁迫的响应比P O D更为敏感,活性变化幅度更宽.随L E D 3 A浓度增加,地下和地上部分S O D均呈现快速上升后趋于稳定的状况,较LN处理分别提高了1 9.0%5 4.2%和5 5.4%9 3.3%,其中以LM处理的增幅最大.植物中抗氧化酶的激活是具有重金属高累积能力的植物生存的有力工具2 5,C d的存在促使紫花苜蓿提高抗氧化酶活性以耐受图1 L E D 3 A对紫花苜蓿体内P O D(a),S O D(b)活性和MD A(c)含量的影响F i g 1 E f f e c t s o f L E D 3 A o n P O D(a)a n d S O D(b)a c t i v i t i e sa n d MD A(c)c o n t e n t s u n d e r C d s t r e s s46 2 0 2 4年第1期 刁静茹等:L E D 3 A强化紫花苜蓿修复C d污染土壤的效果研究 2 0 2 4 N o.1E f f e c t o f L E D 3 A e n h a n c e d p h y t o r e m e d i a t i o n o f c a d m i u m c o n t a m i n a t e d s o i l b y a l f a l f a胁迫,L E D 3 A与C d共存亦会激发植物的抗氧化保护作用,通过不断调节酶活性来增强抗性.有研究报道,C u胁迫情况下E D T A的存在会提高甘蓝型油菜幼苗体内S O D,P O D和C AT等抗氧化酶活性,进而缓解氧化胁迫2 5.通常当环境胁迫诱导产生的R O S超过酶的清除能力时,二者之间的动态平衡会被打破,酶活性会迅速下降,植物细胞将受到损害.文中各处理的P O D和S O D始终保持着较高的活性,表明在C d和L E D 3 A存在下,紫花苜蓿细胞仍处于稳定状态,植物生长状况良好.图1(c)中,LN处理植物地下/地上部分MD A含量较C K分别增加了2 1.0%和2 0.3%,表明紫花苜蓿根部和茎叶细胞内膜系统受到的氧化损害程度相近,MD A对C d的胁迫响应较为明显.添加L E D 3 A的各处理中,MD A含量较无添加处理LN有不同 程 度 的 降 低,其 中LL的 地 下/地 上 部 分MD A最低,分别为8.4 2和5.4 6 n m o lg-1.X u等3 2的 研 究 指 出,与C d污 染 处 理 相 比,添 加E D T A和 有 机 酸 后,水 稻(O r y z a s a t i v a L.)中MD A含量降低.柠檬酸强化植物修复C r污染土壤的研究同样发现,“柠檬酸+C r”可降低甘蓝型油菜的MD A含量和电解质渗漏3 3.L E D 3 A可以缓解C d诱导引起的植物氧化应激,一方面是由于抗氧化酶活性的增加清除了过多的R O S,使膜脂过氧化水平有所恢复,MD A含量随之下降;另一方面是L E D 3 A-C d络合物被直接吸收,使植株内C d含量明显提升,并以植物螯合肽的形式存在,从而降低了高活性C d的形态占比,减轻了其毒性效应1 9.低、中L E D 3 A施加量下(LL,LM)紫花苜蓿体内MD A含量降低较多,细胞膜脂过氧化伤害相应减弱,与植物抗氧化酶保护和络合态重金属的吸收均有一定关系,应该为两种作用的综合体现.而高施加量处理(LH)中地下/地上部分MD A积累再度增多,细胞膜脂过氧化程度有所加重,应该与L E D 3 A浓度对细胞膜渗透性的提高有关,但其值仍低于LN处理.2.3 L E D 3 A对紫花苜蓿中C d的亚细胞分布及化学形态影响重金属在植物中的亚细胞分布和化学形态可以反映重金属的迁移能力及其植物毒性3 4.结合图2(a)和(b)可以看出,无L E D 3 A添加情况下(LN),植株地下和地上部分的C d主要(5 0.0%和4 5.9%)分布在细胞壁G1中,其次是细胞质G2(4 4.1%和3 9.3%),细 胞 器G3的 占 比 很 低(5.9%和1 4.8%).这是由于植物细胞壁有许多负电荷位点可以与C d2+结合,细胞壁的离子交换位点饱和后,金属被转运 到细胞质并 储存在液泡中3 5.施加L E D 3 A的各处理中,C d(地下和地上)在G1,G2和G3各亚细胞组分中的含量较LN处理均有显著提高(P0.0 5).L E D 3 A添加量为3 2 1.3 m gk g-1(LM)时,对C d在亚细胞组分间转移的诱导效应最为明显,促使了更多的C d由细胞壁向细胞内转移.对比LM与LN中C d的亚细胞分布变化发现:首先,添加L E D 3 A后,细胞壁和细胞质仍为C d的主要分布场所,地下部分G1和G2中的C d含量分别提高了2 5.9%和4 3.3%,地上部分则分别提高了4 5.4%和6 8.8%(图2(a),说明紫花苜蓿细胞壁的固持作用和液泡区隔化对其耐C d行为均发挥了功效;其次,L E D 3 A促使C d由G1向G2发生转移,LM中地下/地上部分的C d在G1,G2中的含量及占比图2 不同浓度L E D 3 A处理下紫花苜蓿地上和地下部分C d的亚细胞分布浓度(a)和比例(b)F i g 2 C o n c e n t r a t i o n o f C d s u b c e l l u l a r d i s t r i b u t i o n(a)a n d p r o p o r t i o n s o f C d s u b c e l l u l a r d i s t r i b u t i o n(b)i n s h o o t s a n d r o o t s o f a l f a l f a u n d e r d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s o f L E D 3 A t r e a t m e n t56西 北 师 范 大 学 学 报(自然科学版)第6 0卷 J o u r n a l o f N o r t h w e s t N o r m a l U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e)V o l.6 0 几乎相等,与LN中以G1分布为主有所不同.液泡为细胞质的动态组成部分,约占细胞总体积的9 0%,植物液泡多被认为是C d的强富集位点3 5,可以推测L E D 3 A与C d共存时,液泡区隔成为紫花苜蓿耐受的主要机制.此外,由于LM处理的根部C d浓度较大,地下部分G3中C d的占比也提高了1 4 1.6%(图2(a),(b),这与M e h r a b等1 2发现施用NT A后,C d在玉米(Z e a m a y s L.)叶片细胞器中的分布增加结果相似.图3(a)显示了不同处理下紫花苜蓿体内C d的6种化学形态含量,施加L E D 3 A的情况下,氯化钠、醋酸、盐酸提取态和残渣态(FN a C l,FHC l,FHA c和Fr)C d的含量,在地下/地上部分均有不同程度的增加,水提取态(FW)C d含量变化不明显,仅在根中乙醇提取态(FE)C d含量有所下降,这是由于FE形态C d在植物体内迁移活性最强3 4,使其由地下转移至地上造成.图3(b)为不同处理下C d的图3 不同浓度L E D 3 A处理下紫花苜蓿地上和地下C d的化学形态含量(a)和化学形态比例(b)F i g 3 C o n c e n t r a t i o n o f C d c h e m i c a l f o r m s(a)a n dp r o p o r t i o n s o f C d c h e m i c a l f o r m s(b)i n s h o o t sa n d r o o t s o f a l f a l f a u n d e r d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n so f L E D 3 A t r e a t m e n t各形态占比情况,可以看出,添加L E D 3 A提高了植株地下/地上部C d的FHA c,FH C l和Fr 3种形态的累计占比,相应地FE,Fw和FN a C l 3种形态占比下降.LL,LM和LH处理中,紫花苜蓿地下部分C d的(FH C l+FHA c+Fr)形态比例较LN处理提高了1 1.7%1 3.5%,而(FE+Fw+FN a C l)形态比例降低了1 5.2%1 7.3%.据文献报道,FN a C l形态为果胶/蛋白质螯合C d,可表征细胞壁(G1)中果胶和蛋白质对C d的固持作用;FHA c,FHC l和Fr可分别代表不溶的C d-磷酸盐、草酸C d及残渣C d,与细胞质(G2)液泡中有机酸的络合作用密切相关3 6.有关 紫 花 苜 蓿C d的 亚 细 胞 分 布 讨 论 中 提 出,L E D 3 A可以促进C d由G1向G2转移,而植物体内(FE+Fw+FN a C l)形态组分向(FH C l+FHA c+Fr)形态组分的转化也会随之发生.由于FHA c,FHC l和Fr形态的C d活性较弱3 4,意味着发生转化后C d对植物细胞和组织的伤害可能减小.综上讨论表明,L E D 3 A降低了紫花苜蓿地下和地上部分高活性C d形态的占比,减轻了C d的植物毒性.2.4 L E D 3 A对紫花苜蓿吸收和积累C d的影响表2列出了不同浓度L E D 3 A处理下,紫花苜蓿植株内C d的含量与积累量.可以看出,施用L E D 3 A可显著促进紫花苜蓿对C d的吸收和累积(P0.0 5).相较于LN处理,LL,LM和LH处理中地下/地上部C d浓度和积累量均随L E D 3 A浓度增大呈现先增大后减小的趋势.三个浓度L E D 3 A强化作用下,紫花苜蓿体内C d含量分别提高了(地下+地上)2 1.5%,2 9.4%和2 3.9%,总C d累积量分别提高了5 9.1%,6 9.1%和4 4.4%.LM处理效果最佳,其地下/地上部C d含量分别为8 0.3 5和3 4.3 3 m gk g-1,是LN处理的1.2 6和1.3 7倍;而地下、地上和总C d积累量达到3 1 1.2,2 9 5.6和6 0 6.8 gp o t-1,是相应LN处理的1.6 5,1.7 3和1.6 9倍.L E D 3 A增强植物修复的作用机制分析如下:其一,L E D 3 A增加了土壤中有效态重金属含量,使其向根部扩散并被直接吸收,增强植物提取效果2 1;其二,L E D 3 A的表面活性可以调节细胞膜渗透性,协同促进根系对C d的吸收积累,并通过植物蒸腾向地上转运储存1 9;其三,螯合剂激活植物细胞质膜上的AT P酶,引起重金属转运的离子通道发生变化,从而促进根系吸收,增加重金属在植物地上部的积累3 7.高浓度LH处理下,L E D 3 A强化效果较中浓度LM处理有所降低,可66 2 0 2 4年第1期