外源柠檬酸和乳酸对海州香薷吸收和转运镉的影响

外源柠檬酸和乳酸对海州香薷吸收和转运镉的影响 Effects of Exogenous Citric and Lactic Acid on Absorption and Transport of Cadmium by Elsholtzia haichowensis first-author 贾倩闻, 女, 硕士生, 现从事环境生物学研究. E-mail: 42989607@qq.com 贾倩闻, 女, 硕士生, 现从事环境生物学研究. E-mail: 42989607@qq.com 42989607@qq.com corresp E-mail:ztxiong@whu.edu.cn E-mail:ztxiong@whu.edu.cn ztxiong@whu.edu.cn 武汉大学 资源与环境科学学院,湖北 武汉 430072 武汉大学 资源与环境科学学院,湖北 武汉 430072 School of Resources and Environmental Sciences,Wuhan University,Wuhan 430072,Hubei,China School of Resources and Environmental Sciences,Wuhan University,Wuhan 430072,Hubei,China 利用水培法研究了不同浓度镉(Cd)胁迫下,添加柠檬酸或乳酸对海州香薷生物量、抗性,以及吸收和转运镉的影响.结果表明：较低浓度(2 mg·L -1 )的Cd可以促进海州香薷的生长；添加柠檬酸或乳酸均能提高海州香薷对Cd的抗性和吸收量,且添加乳酸20 μmol·L -1 时抗性最强,添加柠檬酸3 mmol·L -1 时吸收能力最强；添加柠檬酸或乳酸均能有效提高海州香薷转运Cd的能力,且添加20 μmol·L -1 的乳酸时海州香薷的转运能力最强. The influence of exogenous citric acid and lactic acid on the Elsholtzia haichowensis ’ biomass, resistance, absorption and transport of cadmium under different concentrations of cadmium was studied by water culture. The results show that, the cadmium with low concentration (2 mg·L -1 ) can promote the growth of Elsholtzia haichowensis ; adding citric acid or lactic acid can improve the resistance of Elsholtzia haichowensis and uptake of cadmium, and Elsholtzia haichowensis shows the strongest resistance in 20 μmol·L -1 lactic acid, and the strongest absorption capacity in 3 mmol·L -1 citric acid; adding citric acid or lactic acid can effectively improve the transport capacity for cadmium, and Elsholtzia haichowensis shows the strongest transport capacity in 20 μmol·L -1 lactic acid. 海州香薷 镉 柠檬酸 乳酸 Elsholtzia haichowensis cadmium citric lactic acid 引 言 1 镉(Cd)作为一种痕量元素在生态环境中自然存在，通常不会危害人类健康.但随着现代化工业的发展，越来越多的镉排放到环境中，据统计，每年有多达68万kg镉进入土壤中，导致约1200万t粮食、全国20%的耕地面积受到污染 [ 1 1 , 2 2 ] .而过量的镉还会严重毒害植物的细胞，打乱植物正常的新陈代谢及生理活动 [ 3 3 , 4 4 ] . 已有研究表明，向培养液中添加有机酸可以促进植物对Cd的吸收和转运.该过程的机理是：首先，培养液中的有机酸能与镉离子形成金属螯合物，将培养液中毒性较强的游离态镉离子转化为毒性较低或无毒的螯合态，不但降低了镉离子对植株的毒性，还可以提高其生物有效性；其次，极性较强的有机酸与细胞膜中的极性基团相互作用后插入或透过膜，有利于重金属透过细胞膜，促进植物对金属离子的吸收 [ 5 5 ] ；最后，螯合态的金属进入凯氏带和根部内皮层，通过植物的蒸腾作用向地上部分运输，从而完成Cd的转运 [ 6 6 , 7 7 ] .据报道，柠檬酸能够促进紫花香薷对重金属元素的吸收，并增强植物体内重金属的转运和积累 [ 8 8 ] ；乳酸能够提高紫花香薷的光合作用强度并促进其生长，而且还能够提高地上部分对Cd的富集能力 [ 9 9 ] . 基于此，本文利用水培法，研究了在不同浓度镉的胁迫下，外源柠檬酸和乳酸对海州香薷生物量、抗性以及吸收和转运镉的影响，以期为实际的植物修复工作提供理论参考. 实验部分 1 材料及试剂 2 海州香薷种子(采自湖北大冶矿区)；CdCl 2 ，柠檬酸，乳酸均为分析纯试剂，Hogaland营养液. 实验方法 2 植物培养 3 海州香薷的种子经NaClO溶液消毒后于65 ℃恒温培养箱进行黑暗萌发，7 d后取生长状况一致的幼苗于Hogaland营养液中温室培养40 d，之后进行CdCl 2 染毒处理并添加柠檬酸或乳酸培养7 d.培养条件为：每天14 h光照，白天和夜晚的温度分别为25 ℃/20 ℃，营养液pH值约5.3，每3 d更换1次营养液. 实验方法 3 本实验主要研究镉胁迫和外源有机酸两个因素对海州香薷的影响，镉浓度分别设置为：0，2，10 mg·L -1 ；柠檬酸的浓度设置为：1，3 mmol·L -1 ；乳酸的浓度设置为：20，60 μmol·L -1 .共设15组(详见 表 1 表 1 )，每个实验组设置3个重复. 平均值±标准差，同列标有相同字母的平均值表示组间差异不显著( p < 0.05) Note: Mean± Standard deviation,Means the same letter in a column are not significantly different at p < 0.05 probability level 外源添加 ρ Cd /mg·L -1 m 地上 /g m 地下 /g m 地上 / m 地下 0 0.293±0.032 b 0.080±0.036 a 3.7 CK 2 0.426±0.093 a 0.105±0.037 a 4.1 10 0.282±0.051 b 0.060±0.024 a 4.7 0 0.213±0.054 b 0.029±0.010 a 7.3 柠檬酸1 mmol·L -1 2 0.398±0.075 a 0.047±0.018 a 8.5 10 0.310±0.044 ab 0.040±0.008 a 7.8 0 0.274±0.052 a 0.044±0.008 a 6.2 柠檬酸3 mmol·L -1 2 0.343±0.114 a 0.073±0.038 a 4.7 10 0.290±0.078 a 0.048±0.016 a 6.0 0 0.321±0.099 a 0.088±0.015 ab 3.6 乳酸20 μmol·L -1 2 0.430±0.033 a 0.105±0.012 a 4.1 10 0.319±0.011 a 0.067±0.009 b 4.8 0 0.426±0.052 a 0.096±0.030 a 4.4 乳酸60 μmol·L -1 2 0.449±0.147 a 0.114±0.044 a 3.9 10 0.330±0.065 a 0.069±0.014 a 4.8 染毒处理后，先用自来水反复冲洗植物根部，再用0.5 mol·L -1 的CaCl 2 溶液浸泡20 min，最后用去离子水冲洗干净.将植物样品分为地上部分和地下部分，分别称量各部分的鲜重，测量根长，于烘箱中105 ℃杀青30 min，于65 ℃烘干至恒重，测量样品的干重. 将植物样品磨碎后加入4 mL 浓HNO 3 和1 mL的HClO 4 进行消解，再用5%稀硝酸定容至50 mL比色管中.配制Cd的标准溶液，并用原子吸收法(JX105796AA-7010型火焰原子吸收分光光度计，北京业之恒科技有限公司)测定标准溶液和植物样品中Cd 2+ 的含量. 抗性指数(TI)按下式 [ 10 10 ] 计算： TI=(Cd处理最长根的平均根长/对照组处理最长根的平均根长)×100% 转运系数按下式 [ 11 11 ] 计算： 转运系数=地上部分重金属含量/地下部分重金属含量 数据统计及处理方法 3 所有数据结果均取3次重复实验的平均值，应用SPSS18.0软件进行处理，并进行差异性显著检验. 结果与讨论 1 对生物量的影响 2 表 1 表 1 为不同Cd浓度下添加柠檬酸或乳酸对海州香薷生物量的影响.对比各处理组的平均株重可以发现，在较低浓度Cd(2 mg/L)的胁迫作用下，植株地上部分的平均鲜重由0.293上升到了0.426，提高了45%，地下部分的鲜重增加了31%；在较高浓度Cd(10 mg/L)的胁迫作用下，海州香薷的生长受到了抑制，地上部分和地下部分的鲜重都在逐渐下降.由此可见，较低浓度(2 mg·L -1 ) 的Cd可以刺激海州香薷的生长，而较高浓度(10 mg·L -1 )的Cd则抑制其生长，这是由于过量的Cd使植物的光合作用受到抑制所致；添加柠檬酸在一定程度上抑制了海州香薷的生长，而添加乳酸则可以很好地促进海州香薷的生长.倪才英等 [ 8 8 ] 的研究结果表明，由于柠檬酸与溶液中的Cd形成螯合物并附着在根部，阻碍了根部的呼吸作用，从而抑制了植物的生长；而乳酸与Cd形成的螯合物则游离在溶液中，相对降低了镉离子对植物的毒害作用，促进了植物的生长. 对海州香薷根长的影响 2 图 1 图 1 为添加柠檬酸或乳酸对海州香薷根长的影响.可以看出，海州香薷在较低Cd浓度(2 mg·L -1 )时比较高Cd浓度(10 mg·L -1 )具有更高的抗性；添加柠檬酸或乳酸均能提高海州香薷对Cd的抗性，且柠檬酸浓度较高时，抗性较强；乳酸浓度较高时，抗性较低，但仍高于对照组.整体看来，添加20 μmol·L -1 乳酸时海州香薷表现出的抗性最强，在Cd浓度为2 mg·L -1 和10 mg·L -1 时，分别达到了77%和60%.这是由于外源柠檬酸和乳酸与植物根际环境中的Cd形成了毒性较低甚至无毒的螯合物，降低了根际环境中毒性较强的自由态Cd离子的浓度，从而在一定程度上提高了植物的抗性. ① CK，② 柠檬酸1 mmol·L -1 ，③ 柠檬酸3 mmol·L -1 ，④ 乳酸20 μmol·L -1 ，⑤ 乳酸60 μmol·L -1 ① CK,② citric acid 1 mmol·L -1 ,③ citric acid 3 mmol·L -1 ,④lactic acid 20 μmol·L -1 ,⑤ lactic acid 60 μmol·L -1 对海州香薷吸收Cd的影响 2 表 2 表 2 为不同Cd浓度下添加柠檬酸或乳酸对海州香薷植株内Cd含量的影响.结果表明，随着培养液中的Cd浓度升高，海州香薷植株内Cd的含量呈现出逐渐上升的趋势，其根部的Cd含量是地上部分Cd含量的13~26倍，这是海州香薷为保护叶片不受损伤而形成的抵御机制，以便维持植物体正常的代谢作用 [ 9 9 ] .随着添加柠檬酸浓度的增加，Cd在植株内的含量也随之上升，地上部分Cd的富集量提升近一倍.而随着添加乳酸浓度的增加，海州香薷植株内Cd的含量也呈现出逐渐上升的趋势，说明添加柠檬酸或乳酸均可以促进海州香薷对Cd的吸收.整体看来，在较低浓度(2 mg·L -1 )Cd的胁迫作用下，添加20 μmol·L -1 的乳酸能够有效促进海州香薷对Cd的吸收，而在较高浓度(10 mg·L -1 )Cd的胁迫作用下，添加3 mmol·L -1 的柠檬酸对海州香薷吸收Cd的促进作用最强. 平均值±标准差，同列标有相同字母的平均值表示组间差异不显著( p < 0.05) Note: Mean± Standard deviation,Means the same letter in a column are not significantly different at p < 0.05 probability level 外源 添加 Cd添加浓度/ mg·L -1 地上部分Cd平均含量/ mg·kg -1 地下部Cd平均含量/ mg·kg -1 3 CK 0 — c — c 2 55.691±11.738 b 1 740.343±152.850 b 10 160.966±26.121 a 4 235.974±384.822 a 3 柠檬酸 1mmol·L -1 0 — b — c 2 69.027±6.382 b 1 862.698±58.871 b 10 311.854±71.683 a 5 291.673±405.814 a 3 柠檬酸 3mmol·L -1 0 — c — c 2 105.702±16.918 b 2 045.878±274.811 b 10 402.766±51.126 a 5 466.667±570.867 a 3 乳酸 20μmol·L -1 0 — b — c 2 183.304±13.087 ab 2 548.095±263.537 b 10 314.890±32.872 a 3 834.728±707.775 a 3 乳酸 0μmol·L -1 0 — b — c 2 92.767±27.339 b 1 756.691±254.194 b 10 266.570±84.116 a 3 476.667±389.475 a 对海州香薷转运Cd的影响 2 图 2 图 2 为添加不同有机酸条件下海州香薷对Cd的转运系数的影响.对比各处理组的转运系数可以看出，海州香薷在较高Cd浓度时的转运系数普遍高于较低Cd浓度时的转运系数.这是由于随着溶液中Cd 2+ 浓度的升高，更多螯合态的Cd进入到凯氏带和根部内皮层，并通过蒸腾作用运输到了地上部分 [ 9 9 ] .添加柠檬酸和乳酸均能提高海州香薷对Cd的转运能力，且柠檬酸浓度越高，转运能力越强；乳酸浓度越高，转运能力略低，但仍高于对照组.整体看来，添加20 μmol·L -1 乳酸时海州香薷的转运能力最强，转运系数在Cd浓度为2 mg·L -1 和10 mg·L -1 时，分别达到了0.073和0.084. ① CK，② 柠檬酸1 mmol·L -1 ，③ 柠檬酸3 mmol·L -1 ，④ 乳酸20 μmol·L -1 ，⑤ 乳酸60 μmol·L -1 ① CK,② citric acid 1 mmol·L -1 ,③ citric acid 3 mmol·L -1 ,④ lactic acid 20 μmol·L -1 ,⑤ lactic acid 60 μmol·L -1 结 论 1 本文研究了不同浓度Cd胁迫下，外源柠檬酸或乳酸对海州香薷生物量、抗性以及对海州香薷吸收和转运Cd的影响，得出如下结论： 1) Cd在浓度较低时(2 mg·L -1 )，能够促进海州香薷的生长，此时添加柠檬酸在一定程度上抑制了海州香薷的生长，添加乳酸促进了海州香薷的生长； 2) 柠檬酸和乳酸均能促进海州香薷根的生长，提高其抗性，且在添加乳酸20 μmol·L -1 时海州香薷对Cd的抗性最强； 3) 柠檬酸和乳酸均能促进海州香薷对Cd的吸收，Cd浓度较低(2 mg·L -1 )时，添加20 μmol·L -1 的乳酸能有效促进海州香薷对Cd的吸收，Cd浓度较高(10 mg·L -1 )时，添加3 mmol·L -1 的柠檬酸对海州香薷吸收Cd的促进作用最强； 4) Cd浓度较高时海州香薷对Cd的转运系数普遍高于低Cd浓度较低时的转运系数；柠檬酸和乳酸均能有效提高海州香薷的转运能力，而添加20 μmol·L -1 的乳酸时海州香薷的转运能力最强. 参考文献 卢豪良,严重玲. 秋茄根系分泌低分子量有机酸及其对重金属生物有效性的影响[J]. 生态学报, 2007, 27 (10):4173-4181. 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