重金属Cd-Cu复合污染对苍耳生长及叶绿素荧光特性的影响

重金属Cd-Cu复合污染对苍耳生长及叶绿素荧光特性的影响 Effects of Heavy Metal Cd-Cu Combined Pollution on the Growth and Fluorescence Characteristics of Xanthium sibiricum Patrin ex Widder 1 2 3 first-author 张栋栋，男，硕士生，主要从事生态水利学研究。E-mail:1109747049@qq.com 张栋栋，男，硕士生，主要从事生态水利学研究。E-mail: 1109747049@qq.com 1109747049@qq.com 1 2 3 1 2 3 2 3 2 3 2 3 1 2 3 corresp 黄应平，E-mail:chem_ctgu@126.com 黄应平，E-mail:chem_ctgu@126.com chem_ctgu@126.com 三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002 三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002 College of Hydraulic and Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China College of Hydraulic and Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China 三峡大学 湖北省农田环境监测工程技术中心，湖北 宜昌 443002 三峡大学 湖北省农田环境监测工程技术中心，湖北 宜昌 443002 Farmland Environment Monitoring Engineering Technology Center in Hubei, China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China Farmland Environment Monitoring Engineering Technology Center in Hubei, China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China 三峡大学 三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002 三峡大学 三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002 Engineering Research Center of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China Engineering Research Center of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China 采用盆栽土培法研究Cd(0~50 mg/kg)单一污染及与Cu(0~500 mg/kg)复合污染对苍耳( Xanthium sibiricum Patrin ex Widder)生长及叶绿素荧光特性的影响。生长特性研究结果表明：Cd( < 30 mg/kg)与Cu( < 50 mg/kg)复合污染时，生长指标(生物量、根系表面积及株高)显著大于单一Cu或Cd污染下的生长指标，且随着Cd与Cu复合浓度的增加而逐渐下降；Cd与Cu复合污染在低浓度下表现为拮抗效应，高浓度下表现为协同作用。生理特性研究结果表明：与单一Cd污染相比，Cd( < 50 mg/kg)与Cu( < 50 mg/kg)复合污染时，最大荧光产量( F m )、光化学效率( F v / F m )及电子传递速率(ETR)明显较大，而初始荧光( F o )明显较小( p < 0.05)，表明Cu能一定程度上缓解Cd对苍耳的毒害作用。苍耳对重金属的富集及转移系数计算结果表明：与单一Cd污染相比，Cd( < 15 mg/kg)与Cu( < 100 mg/kg)复合污染时，苍耳对Cd的富集系数明显较大，表明Cu能有效促进苍耳对Cd的富集；Cd( < 50 mg/kg)与Cu( < 100 mg/kg)复合污染时，苍耳对Cd的转移系数明显较小，表明Cu不能有效促进苍耳把Cd从地下部转移到地上部。苍耳可以考虑作为修复Cd-Cu复合污染的候选植物种之一。 Effect of Cd (0-50 mg/kg) single pollution and Cu (0-500 mg/kg) combined pollution on the growth and fluorescence characteristics of Xanthium sibiricum Patrin ex Widder was studied by potted soil culture method. Study of the growth characteristics shows that when Cd ( < 30 mg/kg) and Cu ( < 50 mg/kg) are combined, the growth indexes (biomass, root surface area and plant height) are significantly greater than that under single Cu or Cd pollution, and the indexes gradually decrease with the increase of the complex concentration of Cd and Cu; the combined pollution of Cd and Cu shows antagonistic effect at low concentration, and synergistic effect at high concentration. The study results of the physiological characteristics show that when Cd ( < 50 mg/kg) and Cu ( < 50 mg/kg) are combined, the maximum fluorescence yield ( F m ), photochemical efficiency ( F v / F m ) and electron transfer rate (ETR) are significantly larger than those of single Cd contamination, and the initial fluorescence ( F o ) is significantly smaller ( p < 0.05), indicating that Cu can alleviate the toxic effects of Cd on Xanthium sibiricum Patrin ex Widder. Compared with single Cd pollution, when Cd ( < 15 mg/kg) and Cu ( < 100 mg/kg) are combined, the enrichment coefficient of Cd is significantly larger, indicating that Cu can effectively promote the enrichment of Cd by Xanthium sibiricum Patrin ex Widder; when Cd ( < 50 mg/kg) and Cu ( < 100 mg/kg) are combined, the transfer coefficient of Cd is significantly smaller, indicating that Cu can not effectively promote the transfer of Cd from the underground to the ground. Xanthium sibiricum Patrin ex Widder can be considered as one of the candidate plant species for repairing Cd-Cu complex pollution. 苍耳 Cd Cu 复合污染 生长指标 叶绿素荧光特性 Xanthium sibiricum Patrin ex Widder Cd Cu combined pollution growth indicators chlorophyll fluorescence characteristics 引言 1 土壤的重金属污染具有累积性、隐蔽性、长期性和不可逆性等特点，不但对土壤生态系统构成潜在的巨大威胁，还可通过食物链进入人体，危害人体健康 [ 1 1 ] 。目前，关于土壤重金属污染的研究主要集中在单一元素上，而土壤的重金属污染通常为某一重金属元素为主、其他多种元素并存的复合污染 [ 2 2 ] 。重金属复合污染的类型多样，污染机理也更加复杂，给土壤重金属污染治理造成了一定的困难。镉(Cd，cadmium)污染是中国最为严重的土壤重金属污染，点位超标率达到7.0% [ 3 3 ] 。同时，多个城市郊区农业土壤的铜(Cu)含量均超出土壤背景值 [ 4 4 ~ 6 6 4~6 ] ，某些重污染地区Cu含量远远高于正常含量 [ 7 7 ] 。此外，在重金属污染中，Cd和Cu常常同时存在 [ 6 6 ~ 8 8 6~8 ] ，形成复合污染。重金属复合污染中重金属元素之间、相应的化合物之间的交互作用对污染物化学行为的影响显著 [ 9 9 ] ，对植物的毒害作用与单一重金属污染的毒害作用有很大区别 [ 10 10 ] 。 武汉大学学报(理学版)第65卷第1期张栋栋等：重金属Cd-Cu复合污染对苍耳生长及叶绿素荧光特性的影响植物修复技术因效率高、安全性好、费用低、易于管理 [ 11 11 ] 等特点而备受关注，在土壤重金属污染修复领域有着广泛的应用 [ 12 12 , 13 13 ] 。苍耳( Xanthium sibiricum Patrin ex Widder)为菊科一年生草本植物，生物量大，具有很强的自散播性和适应性，对Mn、Cu、B、P、Pb等矿物质具有较强的富集能力 [ 14 14 ] ，且能适应Mn、Cr、Cd等重金属元素比较高的土壤环境和贫瘠、养分不均衡、干旱的废弃地土壤环境，可作为生态修复的先锋物种 [ 15 15 ] 。目前，将苍耳应用于Cd-Cu复合污染的研究尚未见报道。 本文以苍耳为研究对象，在Cd、Cu单一及Cd-Cu复合污染条件下通过对苍耳生物量、株高和根系表面积的测量，研究其生长特性；通过对叶绿素荧光特性的分析，研究其生理特性；通过探讨苍耳对Cd、Cu的富集和转移能力，研究苍耳对重金属的吸附特性，以期为重金属Cd-Cu复合污染治理提供实验依据。 实验部分 1 材料与试剂 2 实验土壤取自三峡大学植物园，经风干、粉碎并过5 mm筛后密封保存，其理化性质列于 表 1 表 1 。其中，土壤Cd含量处于土壤三级标准，Cu含量处于土壤二级标准 [ 16 16 ] ，为正常范围，对植物和环境不构成危害和污染，代表三峡库区一般未受污染土壤。实验植物为苍耳幼苗，在三峡大学植物园中挑选种子并育苗，数量为150株，高度为(6±1) cm。实验花盆75个(高25 cm，内径15 cm)，每盆实验土壤5 kg。重金属Cd来自四水硝酸镉(Cd(NO 3 ) 2 ·4H 2 O)，Cu来自五水硫酸铜(CuSO 4 ·5H 2 O)。实验于2017年3月至6月在三峡大学实验温棚中进行。 a：采用碱熔-钼锑抗比色法测定总磷(TP)含量；b：采用半微量凯式法测定总氮(TN)含量 2 pH 5 含量/mg·kg -1 有机质 TP a TN b Cd Cu 7.14 2.37 337 258 0.39 82.63 实验仪器 2 采用AR224CN型电子天平(奥豪斯仪器有限公司)测定苍耳的生物量；采用SPAD-502Plus型叶绿素仪(浙江托普云农科技公司)测定苍耳的叶绿素含量(以2波长光学浓度差的方式测量，精度保持在±1.0 SPAD单位以内)；采用LI-6400XT型便携式光合仪(LI-COR公司)测量苍耳叶片的荧光参数；采用LA-S型植物图像分析仪系统(杭州万深检测科技有限公司)测定根系表面积；采用PinAAcle 900T型原子吸收光谱仪(PerkinElmer公司)测量苍耳的Cd、Cu含量。 实验设计 2 采用随机区组设计，每个处理设置3个平行组，每个平行组种2株苍耳幼苗。Cd的添加量分5个水平，分别为0、5、15、30、50 mg/kg；Cu的施用量分5个水平，分别为0、10、50、100、500 mg/kg。其中，Cd、Cu浓度同时为0 mg/kg的组为对照组，实验组按重金属添加量编号。Cd和Cu加入土壤前配制成相应不同浓度的混合液，先与少量土混合均匀后风干，然后加入剩余土壤混匀。实验过程中除Cd和Cu浓度不同外，其他条件一致，温度保持在20~25 ℃，湿度保持为田间持水量的65%。实验30 d后测定叶绿素含量及叶绿素荧光参数，60 d后测定生物量、株高、根系表面积、苍耳地上、地下部的重金属含量。 实验方法 2 叶绿素含量及荧光测定 3 经过30 d生长，选取长势良好的叶片，采用叶绿素仪对苍耳叶片的叶绿素含量进行测定，每平行组平行测10次。采用光合仪测定相同叶位的叶绿素荧光，每平行组平行测10次。CO 2 浓度控制在400 μmol·mol -1 ，叶室温度保持为25 ℃。实验前，保证苍耳叶片进行充分的暗适应过程。测得初始荧光 F o 、最大荧光 F m 、稳态荧光 F s 、光下最大荧光 F ′ m 、光下最小荧光值 F ′ o 等数据，参考文献方法 [ 17 17 , 18 18 ] 计算光化学效率( F v / F m )、非光化学淬灭系数( q N )、光化学淬灭系数( q P )以及电子传递速率(ETR)等荧光参数。 株高、根系表面积、生物量的测定 3 实验60 d后，完整采集植物，用去离子水冲洗干净，根据土层覆盖的分界线分为植物的地上部和地下部，测量株高，用植物图像分析仪测定根系表面积。然后，在105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干，用电子天平测定苍耳的生物量。 Cd、Cu含量的测定 3 将上述干燥后的地上部、地下部苍耳样品粉碎，各称取0.500 0 g样品于消解罐中，加入混合酸HNO 3 -HClO 4 (体积比为3：1)加热消解，用原子吸收光谱仪测定苍耳各部分Cd、Cu含量，每平行组测3次，计算富集系数(BF)和转移系数(TF) [ 19 19 ] ： BF=植株中重金属质量分数/土壤中重金属质量分数 TF=地上部重金属质量分数/地下部重金属质量分数 数据分析 2 实验数据经过前期处理后，使用SPSS Statistics 20.0软件进行方差分析，采用最小显著差数法(least-significant difference，LSD)进行均值之间的多重比较，差异显著性水平设为 p < 0.05，然后汇总实验数据和计算结果，利用Origin 8.0软件进行数据分析。 结果与分析 1 Cd-Cu复合污染对苍耳生长的影响 2 对生物量(干质量)的影响 3 Cd、Cu单一及复合污染对苍耳生物量的影响如 图 1 图 1 所示。在不加Cu的情况下，随着Cd用量的增加，苍耳生物量逐渐下降，在Cd 50 mg/kg时，实验组生物量仅为对照组生物量的55.2%。在添加Cu的情况下，Cd 0~30 mg/kg范围内随着用量增加苍耳生物量逐渐增加；大于此范围，生物量则逐渐下降。其中，Cd 30 mg/kg、Cu 50 mg/kg时，生物量达到最大值，为对照组生物量的157.5%。Cd用量一定时，随着Cu用量增加，生物量呈先增后降的趋势。可见，苍耳生物量对Cd、Cu用量变化的响应较为明显。较低用量的Cu对苍耳生长有一定的促进作用，较高用量的Cu对苍耳生长有一定的抑制作用，其中Cu用量在50~100 mg/kg范围内，对苍耳的生长促进作用最好。Cd用量小于30 mg/kg时，对苍耳毒害作用较小，且在与Cu相互作用下，对苍耳的生长有一定的促进作用，表现为拮抗效应。 不同大写字母表示同一Cd浓度下处理组间差异显著( p < 0.05)，不同小写字母表示同一Cu浓度下处理间差异显著( p < 0.05)，同时存在两个大写或两个小写字母表示该组的前后两组之间差异显著( p < 0.05).下同 Different capital letters indicate significant differences between treatment groups at the same Cd concentration( p < 0.05), and the different lowercase letters indicate significant differences between treatment groups at the same Cu concentration ( p < 0.05); two uppercase or lowercase letters at the same time indicate significant difference between the two groups before and after the group( p < 0.05). Similarly hereinafter 对株高及根系表面积的影响 3 Cd-Cu复合污染对苍耳株高及根系表面积的影响如 图 2 图 2 所示。不加Cu的情况下，Cd用量小于30 mg/kg时，随着用量增加，株高变化不显著；当Cd用量大于30 mg/kg时，株高显著降低( p < 0.05)，Cd 50 mg/kg时仅为对照组的78.9%。在相同Cd用量时，不加Cu的根系表面积与株高均明显大于Cu 500 mg/kg的根系表面积与株高，Cd 30 mg/kg时差异最显著，后者的根系表面积仅为前者的45.7%，后者的株高仅为前者的89.0%。根系表面积与株高在Cu 50 mg/kg、Cd 30 mg/kg时达到最大值。 苍耳的根系表面积与株高具有相似的变化趋势，呈正相关关系，因此分别用柱状图、折线图来显示各处理组之间株高的差异水平及随Cd浓度增加根系表面积的变化趋势。Cu 500 mg/kg时，苍耳有枯死迹象；Cu用量小于100 mg/kg时，对植物有一定的促进作用；Cd用量小于30 mg/kg时对苍耳毒害较小，大于30 mg/kg时，毒害作用显著增加。在加Cu情况下，当Cd用量小于等于30 mg/kg、Cu用量小于等于100 mg/kg时，随着Cd用量增加，Cd与Cu的相互作用对苍耳的生长促进作用增强，表现为拮抗效应。Cd用量一定时，随着Cu用量增加，Cu与Cd的相互作用对苍耳的生长促进作用先拮抗后协同的效应。 Cd-Cu复合污染对叶绿素总量的影响 2 在植物的光合作用过程中叶绿素发挥着重要作用，其总量能直观反应植物光合作用的状态。从 图 3 图 3 可知，不加Cu时，随着Cd用量增加，叶绿素总量呈下降趋势，Cd用量大于15 mg/kg时，下降显著( p < 0.05)；Cd 50 mg/kg时，实验组叶绿素总量仅为对照组叶绿素总量的54.9%。复合污染时，Cd用量大于30 mg/kg，叶绿素总量下降显著( p < 0.05)。加入Cu时，随着Cd用量增加，叶绿素总量先增后降，也表现为先拮抗后协同的效应。其中，Cd 30 mg/kg、Cu 50 mg/kg对苍耳叶绿素总量的提升最大，为对照组叶绿素总量的112.9%。结果表明，Cd能导致叶绿素总量下降，Cu(小于100 mg/kg)能一定程度上缓解Cd对苍耳光合系统的伤害。 Cd-Cu复合污染对苍耳荧光特性的影响 2 对 F o 、 F m 及 F v / F m 的影响 3 光反应中心PSⅡ经过充分的暗适应后全部开放( q P =1)且非光化学过程处于最小值( q N =0)时的叶绿素荧光产量为初始荧光 F o ，其值与叶绿素浓度有关 [ 20 20 ] 。 图 4A 图 4A 表明，单一Cd污染下， F o 随着Cd浓度增加而增加，Cd浓度大于50 mg/kg时, 较对照组显著增加，为对照组的110.2%；单一Cu污染下， F o 先降后增；Cd-Cu复合污染下，Cu浓度小于50 mg/kg，Cd浓度小于等于30 mg/kg时，随着Cd浓度增加，各组 F o 变化不显著( p > 0.05)；Cu 500 mg/kg、Cd 50 mg/kg时， F o 值显著大于其他Cu浓度的 F o 值( p < 0.05)，为对照组的123.8%。 光反应中心PSⅡ经过充分的暗适应后完全关闭( q P =0)时，叶绿素荧光产量为最大荧光产量 F m [ 20 20 ] 。经过充分暗适应且没有遭受任何胁迫的叶片，其PSⅡ的最大光化学量子效率为光化学效率 F v / F m ，其值大小能够反映植物对光能的捕获效率 [ 20 20 ] 。由 图 4B 图 4B 和 图 4C 图 4C 可知， F m 、 F v / F m 有相似的变化趋势，与 F o 的变化趋势相反，故仅分析 F v / F m 的变化。单一Cd污染时，随着Cd浓度增加， F v / F m 逐渐降低，Cd浓度大于15 mg/kg时显著降低，Cd 50 mg/kg时仅为对照组的85.8%；单一Cu污染下， F v / F m 先增后降；复合污染时，随着Cd浓度增加，不同Cu浓度下的 F v / F m 值均有不同程度的减小，表现为拮抗效应；当Cd浓度一定时，随着Cu浓度增加， F v / F m 值先增后降，表现先拮抗后协同的效应，且最大值小于单一Cu污染下的 F v / F m 最大值。 对 q N 、 q P 及ETR的影响 3 光反应中心PSⅡ吸收的天线色素多余光能以热能形式散失的部分可用非光化学淬灭系数 q N 表示，其值可反映光合机构受胁迫的损伤程度 [ 20 20 ] 。由 图 5A 图 5A 可知，单一Cd污染时，随着Cd浓度增加， q N 逐渐增大，但增加并不显著；单一Cu污染时， q N 先减后增；复合污染下，当Cd浓度小于50 mg/kg时，随着Cu浓度增加， q N 变化不显著，Cd 50 mg/kg、Cu 500 mg/kg时， q N 显著增加，为对照组的117.5%。 光反应中心PSⅡ进行光化学反应的效率可用光化学淬灭系数 q P 表示，其值可表示光反应中心PSⅡ的开放程度 [ 20 20 ] 。从 图 5B 图 5B 可见，单一Cd污染时，随Cd浓度的上升， q P 逐渐降低，最小值仅为对照组的65%；单一Cu污染时，随着Cu浓度增加， q P 值先增后减；复合污染时，随着Cd浓度增加，不同Cu浓度下的 q P 值总体逐渐减小，其中Cd 500 mg/kg、Cu 50 mg/kg时， q P 值最小，仅为对照组的35%。 光反应中心PSⅡ在光适应条件下真实的电子传递速率即为电子传递速率ETR [ 18 18 ] 。从 图 5C 图 5C 可知，单一Cd污染时，随着Cd浓度增加，ETR逐渐减小，Cd 50 mg/kg时仅为对照组的68.1%；单一Cu污染时，随着Cu浓度增加，ETR先增后减；复合污染时，随着Cd浓度增加，不同Cu浓度下的ETR值均逐渐减小，当Cd 500 mg/kg、Cu 50 mg/kg时，ETR最小，仅为对照组的52%；Cd浓度一定时，随着Cu浓度增加，ETR先增后减，且最大值均小于单一Cu污染下的最大值。 结果表明，单一Cd污染时，随着Cd浓度增加，光反应中心PSⅡ中光能通过热能形式散失的比例逐渐增加，光反应中心PSⅡ开放程度逐渐减小，ETR也逐渐减小，且Cd浓度大于15 mg/kg时，光反应中心PSⅡ受到伤害的程度增加；单一Cu污染时， q N 先减后增， q P 和ETR先增后减；复合污染下，Cu浓度小于50 mg/kg时， q N 、 q P 及ETR均表现为拮抗效应，Cu浓度大于50 mg/kg时，则表现为协同作用。 苍耳对Cd、Cu的富集与转移 2 富集系数和转移系数反映植物修复土壤重金属污染的能力。苍耳对Cd的富集和转移如 图 6A 图 6A 、 6B 6B 所示，单一Cd污染下，随着Cd浓度增加，苍耳对Cd的BF和TF均逐渐减小，Cd 50 mg/kg时的BF和TF分别为Cd 5 mg/kg时的25%、61.5%，且BF值均大于1，TF值均小于1；复合污染下，随着Cd浓度增加，不同Cu浓度下的BF和TF均逐渐减小；Cd浓度一定时，随着Cu浓度增加，BF先增后减，TF先减后增，且BF和TF的最大值随Cd浓度增大而减小。 苍耳对Cu的富集和转移如 图 6C 图 6C 、 6D 6D 所示，单一Cu污染时，随着Cu浓度增加，苍耳对Cu的BF和TF均逐渐减小，Cu 500 mg/kg时的BF和TF值分别为Cu 10 mg/kg时的43.1%、27.8%，但苍耳对Cu的BF和TF均大于1；复合污染时，随着Cd浓度增加，不同Cu浓度下BF和TF值逐渐减小；Cd浓度一定时，随着Cu浓度增加，BF和TF值逐渐减小，Cd 15 mg/kg、Cu 500 mg/kg时，降幅最为显著，分别为Cu 10 mg/kg时的22.2%、23.5%。 上述结果表明，Cu能促进苍耳对Cd的富集，Cu 100 mg/kg时促进作用最佳; 当Cd浓度大于15 mg/kg时，Cu对苍耳富集Cd的影响较小，且不能有效促进苍耳把Cd从地下部转移到地上部；Cd能抑制苍耳对Cu的富集，Cd浓度大于15 mg/kg时，抑制作用会随着Cu浓度增加而变得越来越明显。 讨论 1 本文主要从苍耳的生长(生物量、株高和根系表面积)和生理特性(叶绿素总量和荧光参数)两个方面进行研究，其中生理特性更能反映苍耳对Cd和Cu的抗性和耐性。另外，通过研究苍耳对Cd和Cu的富集和转移，共同判断苍耳是否适合用来修复重金属Cd和Cu复合污染的土壤。植物对土壤重金属的吸收和富集，不仅受土壤重金属浓度的影响，还受土壤的理化性质、共存重金属元素及植物种类等多种因素的影响。重金属Cd-Cu复合污染对苍耳的毒性作用与单一Cd、Cu污染有所不同，相互作用机理非常复杂。根据土壤环境质量标准，Cd的三级标准临界值为1 mg/kg，Cu的一级标准临界值为35 mg/kg，二级标准临界值为100 mg/kg，三级标准临界值为400 mg/kg [ 16 16 ] 。本文主要针对Cd污染修复的研究(重金属污染中Cd污染最为严重 [ 3 3 ] )，因此Cd的浓度设置超过三级标准，土壤质量会对植物和环境造成危害和污染。而考虑到Cu是植物生长所必须的元素，故Cu的浓度设计在一级、二级、三级及以上，以便研究苍耳对Cd吸附效果最佳的Cu浓度，以及Cd、Cu相互作用对苍耳生长特性的影响。 植物的生物量(干质量)及株高可以直接反映植物的生长状态和受胁迫的损伤程度 [ 21 21 ] 。张佩华 [ 22 22 ] 发现高浓度的Cd通过抑制苍耳根系生长从而抑制苍耳生长的现象，与本文结论一致。本研究结果还显示，低浓度的Cu对苍耳生长有促进作用，高浓度Cu对苍耳生长表现为胁迫作用。这是因为Cu是植物生长所必需的微量元素，其浓度较低时有利于动植物生长，然而Cu本身也是一种重金属，其浓度达到一定程度也会对植物产生毒害作用。Cu 50 mg/kg时，对苍耳生长促进作用最强，与刘春艳等 [ 10 10 ] 关于油菜的研究结果相似。复合污染时，Cd与Cu(Cd小于30 mg/kg，Cu小于50 mg/kg)的相互作用对苍耳生长的促进作用大于单一Cu对苍耳生长的促进作用，即表现为拮抗效应。 植物生长代谢的基础是光合作用，其探针是叶绿素，叶绿素含量决定了光合作用的效率 [ 23 23 ] 。本研究结果显示低浓度Cd和Cu的交互作用对植物的光合作用有利，高浓度的Cd与Cu的交互作用会抑制植物光合作用，即表现为先拮抗后协同的效应，与冯韶辉等 [ 24 24 ] 有关Cu-Cd复合胁迫影响海草泰来藻光合作用得到的结果一致。此外，还有研究表明Cu会干扰色素的合成过程，进而引发叶绿素的解体 [ 25 25 , 26 26 ] ，可见，高浓度Cd-Cu复合胁迫可能导致叶绿素的分解，从而抑制植物的光合作用。 叶绿体吸收的光能有3种消耗途径：1)推动光化学反应；2)以荧光形式散失；3)以热能形式散失。在胁迫的逆境中通过3种途径消耗光能所占的比例会发生变化。叶绿素荧光与植物的光合作用联系密切，因此，植物应对外界环境变化特别是环境胁迫时的内在光能利用机制可用荧光参数的变化来表示 [ 27 27 , 28 28 ] 。光合机构与光反应中心PSⅡ联系紧密，随着Cd胁迫的进行， F o 上升可能反映出苍耳的PSⅡ受到不可逆的破坏或可逆性损伤 [ 29 29 ] 。原初光能转换效率高低的依据可用 F v / F m 来衡量 [ 30 30 ] 。本研究显示，在单一Cd胁迫下， F v / F m 值在Cd 15 mg/kg时降低显著，说明此时开放的PSⅡ反应中心数量显著减少，关闭的反应中心增多，从而使得苍耳的光合活性下降，植株生长受到抑制。也有研究 [ 31 31 ] 认为这是由于重金属的毒害作用使酶活性降低所导致。随着Cu加入，各种Cd浓度下 F v / F m 值皆呈先增后降趋势，说明低浓度的Cu能抵消Cd对PSⅡ产生的不利影响，甚至与Cd相互作用对PSⅡ产生有利影响，即表现为拮抗效应。 光化学淬灭系数 q P 和非光化学淬灭系数 q N 代表两种不同的叶绿素荧光淬灭，都能消耗叶绿体的能量，ETR可反应苍耳在胁迫作用下的电子传递速率。在Cd胁迫下， q N 随Cd浓度升高而增加，意味着Cd限制了苍耳的电子传递，从而导致还原型辅酶Ⅱ和ATP(adenosine triphosphate)合成的下降 [ 32 32 ] ，天线色素吸收的光能以热能形式散发的比例增加。同时， q P 和ETR随Cd浓度升高而降低，其中， q P 反映了PSⅡ原初电子受体的还原状态， q P 越小，表明苍耳的PSⅡ反应活性也就越低；ETR越小，代表苍耳的光反应速率越低。 q P 和ETR在Cd 15 mg/kg时降低显著，表明此时苍耳的光反应中心部分失活或破坏。光反应中心PSⅡ的电子传递对Cd胁迫敏感，推测是因为苍耳PSⅡ原初醌受体的光化学还原效率被Cd抑制，降低了PSⅡ向PSI的电子传递 [ 33 33 ] ，使得苍耳叶片吸收的光能在到达反应中心之前，主要以热损耗的形式散失，从而增强苍耳自身的光保护能力，避免或减轻了光抑制甚至光氧化对苍耳光合机构的损害，使苍耳能够维持一定的光合作用水平。这与贾中民等 [ 34 34 ] 研究秋华柳对Cd胁迫的荧光响应得到的结论相符。 F o 、 F m 、 F v / F m 以及 q N 、 q P 、ETR均能比较灵敏地反映苍耳受到Cd、Cu单一及复合胁迫后的变化情况。其中， F o 和 q N 变化趋势相似， F m 、 F v / F m 、 q P 以及ETR的变化趋势相似，因此下一步研究可以深入探讨它们之间内在的关联机制，形成完备的指标体系，以便能够更稳定、灵敏、无损伤地反映出苍耳的生理生态变化，更深入地探讨苍耳修复Cd-Cu复合污染的机理。 植物对重金属的富集系数越大，说明植物对该重金属的累积能力越强；转移系数越大，说明植物向地上部转移重金属的能力越强 [ 35 35 ] 。此外，转移系数还能反映重金属在植物各组织的分布情况。目前，关于超富集植物筛选的标准 [ 36 36 ] 主要有： 1) TF＞1； 2) BF＞1； 3) 植物在自然条件下生长，其地上部的重金属含量达到人为确定的临界值(Zn 10 000 mg/kg，Cu、Pb 1 000 mg/kg，Cd 100 mg/kg)； 4) 植物中的重金属含量为普通植物重金属含量的10~500倍，同时还应有生长周期短、生物量大、根系发达、环境适应性强等特点 [ 37 37 ] 。 韩娟等 [ 36 36 ] 的研究表明苍耳是Cu的超富集植物，不是Cd的超富集植物。本研究结果表明，对单一的Cd或Cu而言，苍耳对Cd或Cu的BF值均大于1，但苍耳对Cd的TF小于1，对Cu的TF值大于1，且对照组中苍耳具有较高的地上部Cu含量(37.438 mg/kg)，与文献[ 36 36 ]结论一致；Cu能促进苍耳对Cd的富集，且主要富集在苍耳的根部；Cd能抑制苍耳对Cu的富集，且随着Cd用量增加，抑制作用更明显。综上分析表明，苍耳可以考虑作为修复Cd-Cu复合污染的候选植物之一。 结论 1 本文采用盆栽土培法研究了Cd(0~50 mg/kg)单一污染及与Cu(0~500 mg/kg)复合污染对苍耳生长特性、生理特性以及对重金属富集和转移的影响，实验得到结论如下： 1) Cu(小于100 mg/kg)对苍耳生长有促进作用，大于100 mg/kg时对苍耳有毒害作用；Cd用量大于15 mg/kg时，对苍耳有明显的毒害作用；Cu(小于100 mg/kg)和Cd(小于50 mg/kg)的相互作用对苍耳的生长有一定的促进作用，且大于单一Cu(小于100 mg/kg)对苍耳的促进作用；Cd 30 mg/kg、Cu 50 mg/kg时，对苍耳生长的促进作用最佳。 2) Cu(小于500 mg/kg)能明显促进苍耳对Cd(小于15 mg/kg)的吸收；当Cd浓度大于15 mg/kg时，Cu的加入对苍耳吸收Cd的影响不大。 3) 随着Cd浓度增加，苍耳对Cu的富集能力下降，尤其是当Cd浓度大于15 mg/kg时，下降更为显著。综上所述，苍耳可考虑用来修复重金属Cd-Cu复合污染的土壤。 参考文献 CHEN T B, WONG J W, ZHOU H Y, et al . 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