, 周玉霞1,2, 王引弟1,2, 常国华2,4, 巨天珍1, 杨颖丽1, 张庆2,4 1. 西北师范大学 地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070;
2. 甘肃省矿区污染治理与生态修复工程研究中心，甘肃 兰州 730070;
3. 西安文理学院 生物与环境工程学院，陕西 西安 710065;
4. 兰州城市学院 地理与环境工程学院，甘肃 兰州 730070
收稿日期：2019-12-19；接收日期：2020-02-25
基金项目：国家自然科学基金(Nos. 31860176, 31460162)，陕西省重点研发计划(No. 2020ZDLSF06-06)，甘肃省重点研发计划(No. 144FKCA059)，甘肃省自然科学基金(No. 18JR3RA222)资助
作者简介：高天鹏??博士、教授，陕西师范大学、西北师范大学、兰州交通大学硕士生导师，甘肃省政府参事室特约研究员，西安市决策咨询委员会委员，甘肃省生物工程学会秘书长。曾为兰州城市学院第1–4届学科带头人、科技处处长、甘肃省城市发展研究院副院长、地理与城乡规划学院院长等职，现负责甘肃省矿区污染治理与生态修复工程研究中心工作。主持国家自然科学基金4项，甘肃省重点研发计划4项以及其他地厅级科研项目10多项，主持并获得甘肃省高校科技进步一、二、三等奖，主要从事环境生物技术和矿区生态修复的教学与科研工作，2017年调入西安文理学院生物与环境工程学院.
摘要：为探究重金属复合胁迫对金川镍铜矿区广布植物碱蓬Suaeda salsa (L.) Pall.的影响，根据当地环境条件及预实验结果设置胁迫梯度，测定分析重金属胁迫下碱蓬种子萌发和芽期生理指标，并从野外站台取样研究碱蓬重金属富集能力。结果表明：无论是单一胁迫还是低浓度复合胁迫(Cu20和Ni20复合)，发芽期碱蓬的生长均呈现“低促高抑”的趋势，即低浓度(≤40 mg/L)时促进碱蓬生长，高浓度(≥80 mg/L)时抑制碱蓬生长；高浓度复合胁迫(Cu320和Ni320复合)下均抑制碱蓬的生长。MDA (丙二醛)的含量随胁迫浓度的增加而增加；胁迫组可溶性蛋白和游离脯氨酸含量整体上高于对照组；单一胁迫下POD (过氧化物酶)活性随胁迫浓度增加而增加；复合胁迫下低浓度提高POD活性，高浓度抑制POD活性；碱蓬叶片的平均转移系数(TF)大于茎部，且平均转移系数大于1.00；碱蓬叶片的富集系数(BCF)大于根部大于茎部。碱蓬对Cu和Ni均具有很高的耐受性，但对于Cu的耐性强于Ni；低浓度时Cu、Ni复合胁迫对碱蓬生长的促进作用强于Cu、Ni单一胁迫，高浓度时则相反；碱蓬具有较高的重金属富集和转移能力；在当前矿区土壤环境背景下，碱蓬可以作为矿区生态恢复和重金属污染修复的备选植物。
关键词：碱蓬萌发生长生物修复镍铜复合胁迫富集能力
Seed germination, bud growth and heavy-metal accumulation of Suaeda salsa
Zidong Wan1,2, Tianpeng Gao2,3,4
, Yuxia Zhou1,2, Yindi Wang1,2, Guohua Chang2,4, Tianzhen Ju1, Yingli Yang1, Qing Zhang2,4 1. College of Geography and Environmental Science, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, Gansu, China;
2. The Engineering Research Center of Mining Pollution Treatment and Ecological Restoration of Gansu Province, Lanzhou 730070, Gansu, China;
3. College of Biological and Environmental Engineering, Xi'an University, Xi'an 710065, Shaanxi, China;
4. College of Geography and Environmental Engineering, Lanzhou City University, Lanzhou 730070, Gansu, China
Received: December 19, 2019; Accepted: February 25, 2020
Supported by: National Natural Science Foundation of China (Nos. 31860176, 31460162), Key Research and Development Program of Shanxi Province (No. 2020ZDLSF06-06), Key Research and Development Program of Gansu Province, China (No. 144FKCA059), Natural Science Foundation of Gansu Province, China (No. 18JR3RA222)
Corresponding author: Tianpeng Gao. Tel: +86-931-7601010; E-mail: zkgtp@163.com.
Abstract: Nickel and copper, as high toxic heavy metals (HMs), are the most serious contaminants in Jinchuan mining area, China. In this paper, the influence of combined HMs stress on the growth of widespread plant-S. salsa has been studied. The stress gradient of combined Ni-Cu was set based on the local environment and pre-experiment. Seed germination, growth, physiological characteristics of S. salsa were investigated by the control test, and its heavy metal bioaccumulation capacity was investigated by samples collected from field platform. The growth of S. salsa was promoted at lower concentration (≤40 mg/L) and inhibited at higher concentration (≥80 mg/L) under the single HMs stress and combined HMs stress (Cu20/Ni20). The malondialdehyde (MDA) content was increased with increasing concentration, and the soluble protein and free proline content in stress group were higher than that of in control group. Under single HMs stress, the peroxidase (POD) activity increased with increasing concentration; while under combined HMs stress, the POD activity increased initially and then reduced. Cu320 and Ni320 combined HMs stress inhibited the growth of S. salsa at all concentrations. The average translocation factors (TF) of S. salsa were greater than 1.00, and higher in leaves compared to stems. The results of bio-concentration factors (BCF) of S. salsa show that BCF of leaves were larger than that of roots and stems. At lower concentration, the combined HMs stress promoted the growth of S. salsa in comparison to single HMs stress, however, opposite results were obtained at higher concentration. Overall, S. salsa showed high tolerance to Cu and Ni and stronger capabilities of HMs uptake and translocation, and therefore, it can be used as an alternative plant for the bioremediation of heavy metal pollution in mining area.
Keywords: Suaeda salsagermination and growthbioremediationNi-Cu stressbioaccumulation capacity
重金属污染已成为全球性问题，2014年《全国土壤污染状况调查公报》[1]显示，我国土壤总的超标率为16.1%，污染类型以无机型为主。其中Ni和Cu两种无机污染物点位超标率分别为4.8%和2.1%，分别位于重金属污染物的第2位和第4位。造成土壤重金属污染的原因众多，Ove?ka和Taká?[2]认为除重金属元素土壤背景值高的地区外，其他地区的重金属污染都是由于人类活动造成的。重金属污染会对植物的生长造成严重的危害，并通过植物富集污染食物链。重金属耐受性植物主要通过降低吸收和细胞内固定来降低重金属的危害[2-5]。
Cu和Ni是植物生长和发育所必需的重要微量元素，在低浓度时促进植物的生长发育，高浓度时会对植物产生毒性。前人研究表明植物正常生长所必需Ni的量为在15–20 mg/kg干重，Cu的量为1–20 mg/kg干重[6-8]。Cu和Ni的毒性表现在破坏包括碳固定和新陈代谢在内的许多生理过程[8-11]，高浓度Cu破坏Ca2+和K+的通量[12]，高浓度Ni增加植物体内的Na+、K+和Ca2+的含量[13]。
金昌市是著名的“镍都”，也是全国Cu、Ni重金属土壤污染的主要地区。胡小娜等[14]的研究表明金昌市区土壤中的Cu、Ni含量的平均值为397.54、340.57 mg/kg，远高于当地土壤背景值(Cu：24.1 mg/kg、Ni：35.2 mg/kg)。碱蓬Suaeda salsa (L.) Pall.是金昌矿区比较常见的一种盐生植物，具有极好的耐盐碱性[15-16]和重金属耐受性[17-18]。以往关于重金属对碱蓬的毒理研究主要集中于Pb、Cd和Mn[17-19]，而有关Ni和Cu对广泛分布于金川镍铜矿区荒漠植物碱蓬生长发育影响的研究鲜见报道。为了阐释金川镍铜矿区Cu和Ni对碱蓬的影响以及碱蓬重金属富集能力，在预实验的基础上，参照当地气候条件，设置Cu、Ni单一和复合胁迫，研究不同胁迫梯度下碱蓬种子萌发、芽期生理生化指标变化情况及其在野外条件下重金属富集和转移特征，为矿区重金属污染植物修复和荒漠化治理提供理论依据。
1 材料与方法1.1 试验设计1.1.1 种子萌发试验2018年10月自金川矿区周边荒漠采集试验所用碱蓬S. salsa种子(千粒重0.605 8 g，本实验所用皆为饱满种子)。试验所用试剂主要有CuSO4·5H2O (分析纯)，NiCl2·6H2O (分析纯)。
依据金昌土壤背景值(Cu：24.1 mg/kg、Ni：35.2 mg/kg)设计重金属浓度最小值，金川矿区实测Cu、Ni含量平均值(Cu 397.54 mg/kg、Ni 340.57 mg/kg)设计重金属浓度最大值；以普遍存在于金昌矿区周边的荒漠植物碱蓬作为实验植物；实验所采用的昼夜时长、光照和温度模拟金昌矿区4月份碱蓬上年落地种子自然萌发时的当地平均温度、光照和昼夜时间长度设计。
按照国标《草种子检验规程发芽试验》GB/T 2930.4–2017[20]，采用培养皿纸上法，选取颗粒饱满、消毒完成的碱蓬种子50粒，置于直径90 mm铺有3层滤纸的培养皿中。放置于培养箱培养。培养温度为25 ℃/20 ℃ (昼/夜)，光周期14 h/10 h (昼/夜)，光强5 000 lux。3次重复。试验设计如表 1所示。
表 1 试验处理及试验浓度梯度设置Table 1 Information about the experimental treatment and experimental concentration gradient
| Stress treatment | Concentration gradient (mg/L) | ||||
| Gradient 1 | Gradient 2 | Gradient 3 | Gradient 4 | Gradient 5 | |
| CK | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Cu | 20 | 40 | 80 | 160 | 320 |
| Ni | 20 | 40 | 80 | 160 | 320 |
| Cu20 (Cu+Ni) | 20+20 | 20+40 | 20+80 | 20+160 | 20+320 |
| Cu320 (Cu+Ni) | 320+20 | 320+40 | 320+80 | 320+160 | 320+320 |
| Ni20 (Ni+Cu) | 20+20 | 20+40 | 20+80 | 20+160 | 20+320 |
| Ni320 (Ni+Cu) | 320+20 | 320+40 | 320+80 | 320+160 | 320+320 |
表选项
1.1.2 碱蓬重金属富集和转移能力测定为测定碱蓬的重金属富集与转移能力，2019年5月，在甘肃省矿区污染治理与生态修复工程研究中心金昌实验站的试验田中分别设置5种重金属梯度类型的土壤，分别是：农田土(T1)、原生态土(T2，金昌市周边未受人类活动干扰的下四分荒漠土壤)、原生态土+尾砂(T3，质量比1︰1，尾砂采自尾矿坝)、原生态土+凹凸棒+废渣(T4，质量比1︰1︰1，废渣采自废渣堆)和原生态土+凹凸棒+尾砂(T5，质量比1︰1︰1)。并在上述类型的每个梯度试验田中播种碱蓬，正常田间管理，于2019年10月采集了上述5类土壤中的碱蓬植株与根周围土壤(距地表 5 cm)，并分离出碱蓬的根系、茎和叶。将碱蓬植物样品(根系、茎和叶)在105 ℃烘箱中杀青30 min，再于70 ℃烘至恒重，然后研磨、过筛、装袋，用于Cr、Ni、Cu、Zn和Pb含量测定。将土样风干、研磨、过筛、装袋后，用于测定土壤Cr、Ni、Cu、Zn、Pb含量和土壤pH。pH用pH计(PHS-3E，上海雷磁电子有限公司)检测(水土比5︰1)，金属元素用火焰原子吸收分光光度计(TAS-990F，北京普析通用仪器有限公司)测定。
1.2 指标1.2.1 发芽指标试验中，碱蓬的发芽率按照下式计算：
 |
当碱蓬种子萌发结束时(连续3 d不发芽)，每组随机抽取15株碱蓬，用游标卡尺进行测量碱蓬的根长和芽长(以初生根长度为根长，初生根以上部分为芽长，无法分辨根部的发芽种子测量其发芽长度)。
1.2.2 生理生化指标丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定[21]；过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定[22]；脯氨酸含量的测定采用茚三酮比色法[21]；可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝染色法[22]。每组处理每个生理指标重复测3次。
1.2.3 重金属转移系数与富集系数碱蓬的转移系数(Translocation factor，TF)按照下式计算[23]：
TF=碱蓬地上部分重金属含量/碱蓬地下部分重金属含量。
碱蓬的富集系数(Bioconcentration factors，BCF)按照下式计算：
BCF=碱蓬重金属含量/对应土壤重金属含量。
1.3 数据分析用R 3.4.2软件进行数据处理，用Origin 2018作图，采用单因素方差分析(ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较同一处理不同梯度间差异水平碱蓬生理指标的差异水平(α=0.05)，结果以“x±s”表示。
2 结果与分析2.1 Cu、Ni胁迫对碱蓬种子萌发的影响2.1.1 发芽率Cu、Ni胁迫对碱蓬种子发芽的影响见图 1。6组不同胁迫下，Cu320复合胁迫碱蓬发芽率随着胁迫浓度升高呈下降趋势，在Cu+Ni [(320+320) mg/L]复合胁迫时达到最低发芽率，较对照降低35.6%。其余胁迫水平下，碱蓬种子发芽率均随着胁迫浓度升高呈先升后降趋势。Cu、Ni、Cu20和Ni20胁迫下最大发芽率的胁迫浓度分别为40、80、(20+80)和(20+40) mg/L，较对照分别增加21.9%、12.3%、13.7%和13.7%。Cu单一胁迫促进发芽作用最高，Cu320复合胁迫抑制发芽程度最高。
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| 图 1 Cu、Ni胁迫下碱蓬的发芽率(Cu、Ni20和Ni320处理下横轴浓度表示Cu2+浓度，Ni、Cu20和Cu320处理下横轴浓度表示Ni2+浓度。不同小写字母表示同一处理不同梯度间在P < 0.05水平差异显著) Fig. 1 The germination ratio of S. salsa under Cu and Ni stress. Horizontal axis represents the concentration of Cu2+ under Cu, Ni20 and Ni320 treatment; while under Ni, Cu20 and Cu320 treatment, horizontal axis represents the concentration of Ni2+. Different lowercase letters meant significant difference gradients in the same treatment at 0.05 level. |
| 图选项 |
胁迫浓度为20、40、80、160、320 mg/L时，Cu单一胁迫碱蓬发芽率较Ni单一胁迫分别提高2.6%、8.5%、34.8%、28.8%和11.7%，表明Ni对碱蓬毒性更强。Cu2+浓度为20、320 mg/L时，Ni20复合胁迫碱蓬发芽率较Cu单一胁迫分别高3.8%和6.0%；Ni320复合胁迫碱蓬发芽率均低于Cu单一胁迫和Ni20复合胁迫。Ni2+浓度为20、80、160、320 mg/L时，Cu20复合胁迫碱蓬发芽率较Ni单一胁迫分别提高6.5%、25.8%、6.1%和6.7%；Cu320复合胁迫的发芽率均低于Ni单一胁迫和Cu20复合胁迫。较单一Cu(Ni)胁迫，低浓度Ni(Cu)与Cu(Ni)复合胁迫促进碱蓬发芽，Cu与Ni两种重金属表现为相互拮抗型；高浓度的Ni(Cu)与Cu(Ni)复合胁迫抑制碱蓬发芽，Cu与Ni两种重金属表现为相互协同型。
2.1.2 芽长和根长Cu、Ni胁迫对芽期碱蓬芽长和根长的影响见图 2。6组不同胁迫水平下，碱蓬芽长和根长均随着胁迫浓度的升高而下降。其中CK组中根长达到最大值(4.79 cm)；Cu+Ni ((20+20) mg/L)复合胁迫芽长达到最大值(3.60 cm)，较CK高11.8%；Cu+Ni ((320+320) mg/L)复合胁迫下芽长达到最小值(0.49 cm)。胁迫浓度为40、80、160、320 mg/L，Cu单一胁迫碱蓬芽长较Ni单一胁迫分别高11.2%、7.8%、85.1%和75.3%；Cu胁迫下碱蓬根长均高于Ni胁迫下碱蓬根长，表明碱蓬对于Cu的耐受性高于Ni，Ni对芽期碱蓬毒性较大。在相同的Cu2+ (Ni2+)浓度下，复合胁迫下碱蓬根长和芽长均低于单一胁迫，高浓度复合胁迫对碱蓬生长的抑制作用更强，Cu与Ni两种重金属表现为相互协同型。总体上，低浓度Cu(≤40 mg/L)、Ni (≤20 mg/L)单一胁迫和低浓度Ni+Cu ((20+20) mg/L)复合胁迫均促进碱蓬地上部分生长。
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| 图 2 Cu、Ni胁迫下碱蓬的芽长和根长(Cu、Ni20和Ni320处理下横轴浓度表示Cu2+浓度，Ni、Cu20和Cu320处理下横轴浓度表示Ni2+浓度。不同小写字母表示同一处理不同梯度间在P < 0.05水平差异显著) Fig. 2 The bud and root length of S. salsa during the post-germination stage under Cu and Ni stress. Horizontal axis represents the concentration of Cu2+ under Cu, Ni20 and Ni320 treatment; while under Ni, Cu20 and Cu320 treatment, horizontal axis represents the concentration of Ni2+. Different lowercase letters meant significant difference gradients in the same treatment at 0.05 level. |
| 图选项 |
2.2 Cu、Ni胁迫对芽期碱蓬生理指标的影响2.2.1 MDACu、Ni胁迫对芽期碱蓬MDA含量的影响见图 3。6组不同胁迫下，碱蓬MDA含量整体呈上升趋势。Cu+Ni ((320+320) mg/L)复合胁迫MDA含量最大(0.223 5 μmol/g FW；FW表示鲜重)，Cu+Ni ((20+20) mg/L)复合胁迫MDA含量最小(0.004 1 μmol/g FW)，较CK低31.8%。
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| 图 3 Cu、Ni胁迫下芽期碱蓬MDA含量(Cu、Ni20和Ni320处理下横轴浓度表示Cu2+浓度，Ni、Cu20和Cu320处理下横轴浓度表示Ni2+浓度。不同小写字母表示同一处理不同梯度间在P < 0.05水平差异显著) Fig. 3 The MDA content of S. salsa during the post-germination stage under Cu and Ni stress. Horizontal axis represents the concentration of Cu2+ under Cu, Ni20 and Ni320 treatment; while under Ni, Cu20 and Cu320 treatment, horizontal axis represents the concentration of Ni2+. Different lowercase letters meant significant difference gradients in the same treatment at 0.05 level. |
| 图选项 |
在胁迫浓度为40、80、160、320 mg/L时，Cu单一胁迫碱蓬MDA含量较Ni单一胁迫分别低4.8%、21.6%、57.7%和18.9%；表明在单一胁迫下，Ni对碱蓬的毒性强于Cu。Cu2+浓度为80、160、320 mg/L时，Cu单一胁迫下碱蓬MDA含量较Ni20复合胁迫分别低77.4%、83.5%和49.1%。Cu单一胁迫和Ni20复合胁迫MDA含量均低于Ni320复合胁迫；表明低浓度Ni (20 mg/L)和低浓度Cu (≤40 mg/L)复合胁迫对于碱蓬的毒性较小；高浓度Ni和各个浓度的Cu复合胁迫对于碱蓬毒性较大。
Ni2+浓度为40、80、160 mg/L时，Ni单一胁迫碱蓬MDA含量较Cu20复合胁迫分别低13.9%、79.0%和60.0%。Ni单一胁迫和Cu20复合胁迫碱蓬MDA含量均低于Cu320复合胁迫；表明低浓度Cu (20 mg/L)和Ni (20、320 mg/L)复合胁迫时对碱蓬毒性较小；高浓度Cu和各个浓度的Ni复合胁迫对于碱蓬毒性较大。较单一Cu(Ni)胁迫，低浓度Ni(Cu)与Cu(Ni)复合胁迫碱蓬MDA含量较低，Cu与Ni两种重金属表现为相互拮抗型；高浓度Ni(Cu)与Cu(Ni)复合胁迫碱蓬MDA含量较高，Cu与Ni两种重金属表现为相互协同型。
2.2.2 可溶性蛋白Cu、Ni胁迫对芽期碱蓬可溶性蛋白的影响见图 4。6组不同胁迫下，碱蓬可溶性蛋白含量较CK有显著提高(Cu：1.8%–60.1%；Ni：3.4%–284.9%；Cu20：42.5%–174.3%；Ni20：22.2%–57.6%；Cu320：57.6%–149.0%；Ni320：149.0%–239.4%)。Cu20、Cu320和Ni胁迫，碱蓬可溶性蛋白含量均随着胁迫浓度的升高而呈上升趋势；Ni20和Cu胁迫，碱蓬可溶性蛋白含量随着胁迫浓度的升高呈先降后升的趋势；Ni320胁迫，碱蓬可溶性蛋白含量随着胁迫浓度的升高呈先升后降的趋势。Ni320 mg/L胁迫可溶性蛋白含量最大(8 156.26 μg/g FW)；CK组的最小(2 119.08 μg/g FW)。
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| 图 4 Cu、Ni胁迫下芽期碱蓬可溶性蛋白含量(Cu、Ni20和Ni320处理下横轴浓度表示Cu2+浓度，Ni、Cu20和Cu320处理下横轴浓度表示Ni2+浓度。不同小写字母表示同一处理不同梯度间在P < 0.05水平差异显著) Fig. 4 The soluble protein content of S. salsa during the post-germination stage under Cu and Ni stress. Horizontal axis represents the concentration of Cu2+ under Cu, Ni20 and Ni320 treatment; while under Ni, Cu20 and Cu320 treatment, horizontal axis represents the concentration of Ni2+. Different lowercase letters meant significant difference gradients in the same treatment at 0.05 level. |
| 图选项 |
在胁迫浓度为40、80、160、320 mg/L时，Cu单一胁迫碱蓬可溶性蛋白含量较Ni单一胁迫分别低5.5%、46.3%、41.0%和64.7%。Cu2+浓度为80和320 mg/L时，Cu单一胁迫碱蓬可溶性蛋白含量较Ni20复合胁迫分别低30.8%和13.9%。Ni2+浓度为20、40、80 mg/L时，Ni单一胁迫碱蓬可溶性蛋白含量较Cu20复合胁迫分别低27.5%、5.1%和15.7%，较Cu320复合胁迫分别低34.4%、23.5%和8.4%。
2.2.3 游离脯氨酸Cu、Ni胁迫对芽期碱蓬游离脯氨酸的影响见图 5。6组不同胁迫下，Cu20、Ni20复合胁迫碱蓬的游离脯氨酸含量均随胁迫浓度的升高而上升，Ni320复合胁迫碱蓬游离脯氨酸含量随胁迫浓度升高呈先升后降的趋势，Cu320复合胁迫碱蓬游离脯氨酸含量随胁迫浓度升高呈现先降后升的趋势。Cu、Ni单一胁迫碱蓬游离脯氨酸含量随胁迫浓度升高呈先升后降，最后趋于稳定。Cu (40 mg/L)胁迫碱蓬游离脯氨酸含量最大(92.96 μg/g FW)；Cu+Ni ((20+20) mg/L)复合胁迫碱蓬游离脯氨酸含量最小(34.49 μg/g FW)，较CK低36.9%。
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| 图 5 Cu、Ni胁迫下芽期碱蓬游离脯氨酸含量(Cu、Ni20和Ni320处理下横轴浓度表示Cu2+浓度，Ni、Cu20和Cu320处理下横轴浓度表示Ni2+浓度。不同小写字母表示同一处理不同梯度间在P < 0.05水平差异显著) Fig. 5 The free proline content of S. salsa during the post-germination stage under Cu and Ni stress. Horizontal axis represents the concentration of Cu2+ under Cu, Ni20 and Ni320 treatment; while under Ni, Cu20 and Cu320 treatment, horizontal axis represents the concentration of Ni2+. Different lowercase letters meant significant difference gradients in the same treatment at 0.05 level. |
| 图选项 |
在胁迫浓度为80、160、320 mg/L时，Cu单一胁迫碱蓬游离脯氨酸含量较Ni单一胁迫分别低45.2%、3.2%和8.7%。Cu2+浓度为80、320 mg/L时，Cu单一胁迫碱蓬游离脯氨酸含量较Ni20复合胁迫分别低21.2%和9.8%，较Ni320复合胁迫分别低15.1%和36.4%。Ni2+浓度为160、320 mg/L时，Ni单一胁迫碱蓬游离脯氨酸含量较Cu20复合胁迫分别低20.3%和16.7%。Ni单一胁迫碱蓬游离脯氨酸含量均高于Cu320复合胁迫。
2.2.4 POD活性Cu、Ni胁迫对芽期碱蓬POD活性的影响见图 6。6组不同胁迫下，碱蓬POD活性随胁迫浓度升高均呈上升趋势。Cu20、Ni20复合胁迫碱蓬POD活性随胁迫浓度升高而呈局部先升再降再升再降，整体先升后降的趋势；Cu320、Ni320复合胁迫碱蓬POD活性随胁迫浓度升高呈先降后升，趋于稳定的趋势。Cu浓度320 mg/L胁迫下碱蓬POD活性最大(1 521.65 U/g FW)；CK活性最小(634.09 U/g FW)。
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| 图 6 Cu、Ni胁迫下芽期碱蓬POD活性(Cu、Ni20和Ni320处理下横轴浓度表示Cu2+浓度，Ni、Cu20和Cu320处理下横轴浓度表示Ni2+浓度。不同小写字母表示同一处理不同梯度间在P < 0.05水平差异显著) Fig. 6 The POD activity of S. salsa during the post-germination stage under Cu and Ni stress on. Horizontal axis represents the concentration of Cu2+ under Cu, Ni20 and Ni320 treatment; while under Ni, Cu20 and Cu320 treatment, horizontal axis represents the concentration of Ni2+. Different lowercase letters meant significant difference gradients in the same treatment at 0.05 level. |
| 图选项 |
Cu2+浓度为20、40 mg/L时，Cu单一胁迫碱蓬POD活性较Ni单一胁迫分别低6.3%和25.9%，较Ni20复合胁迫分别低38.4%和36.8%，较Ni320复合胁迫分别低42.1%和21.3%。Ni2+浓度为20、40、80、160 mg/L时Ni单一胁迫碱蓬POD活性较Cu20复合胁迫分别低34.3%、17.6%、5.8%和24.0%。Ni浓度为20、40 mg/L时，Ni单一胁迫碱蓬POD活性较Cu320复合胁迫分别低41.0%和21.5%。较单一Cu(Ni)胁迫，低浓度Ni(Cu)与Cu(Ni)复合胁迫碱蓬POD活性较高，Cu与Ni两种重金属表现为相互拮抗型；高浓度Ni(Cu)与Cu(Ni)复合胁迫碱蓬POD活性较低，Cu与Ni两种重金属表现为相互协同型。
2.3 碱蓬富集和转移重金属能力碱蓬根周围土壤、根、茎和叶片重金属含量见表 2。结果显示，五类土壤均属于碱性土壤(pH值依次为8.43、8.45、8.23、8.12和8.73)。通过内梅罗指数法得五类土壤综合污染指数大小顺序为T2(0.21) < T1(0.38) < T4(0.92) < T5(13.09) < T3(37.77)；表明T1和T2两类土壤未受重金属污染，T4土壤处于临界状态，T3和T5两类土壤处于重污染状态。除T2土壤中碱蓬叶片Zn含量高于根周围土壤外，其余土壤中碱蓬体内重金属含量均低于根周围土壤。碱蓬体内重金属含量顺序整体上呈Zn > Cu > Ni > Pb > Cr的趋势。
表 2 碱蓬根周围土壤、根、茎和叶重金属含量Table 2 Heavy metals content in bulk soil, root, stem and leaf of S. salsa
| Soil | Part | Cr (mg/L) | Ni (mg/L) | Cu (mg/L) | Zn (mg/L) | Pb (mg/L) |
| T1 | Soil | 51.80 | 31.20 | 43.20 | 134.00 | 36.00 |
| Root | 1.23 | 2.91 | 8.08 | 40.30 | 0.72 | |
| Stem | 2.11 | 1.43 | 5.66 | 22.00 | 0.92 | |
| Leaf | 2.51 | 2.77 | 7.68 | 61.20 | 2.70 | |
| T2 | Soil | 45.60 | 24.80 | 25.00 | 46.70 | 18.10 |
| Root | 1.15 | 1.23 | 5.09 | 27.90 | 0.65 | |
| Stem | 0.81 | 0.98 | 4.20 | 14.00 | 0.75 | |
| Leaf | 2.15 | 2.36 | 15.10 | 336.00 | 4.78 | |
| T3 | Soil | 364.00 | 129.00 | 1 483.00 | 15 232.00 | 2 582.00 |
| Root | 2.06 | 1.80 | 18.10 | 97.30 | 7.55 | |
| Stem | 1.39 | 1.43 | 6.99 | 50.90 | 2.88 | |
| Leaf | 2.38 | 2.11 | 5.25 | 45.70 | 1.26 | |
| T4 | Soil | 100.00 | 78.50 | 91.10 | 335.00 | 73.40 |
| Root | 1.64 | 1.96 | 7.34 | 34.20 | 1.63 | |
| Stem | 0.88 | 1.45 | 4.58 | 15.00 | 0.62 | |
| Leaf | 3.70 | 4.68 | 9.01 | 46.50 | 2.60 | |
| T5 | Soil | 238.00 | 132.00 | 957.00 | 5 165.00 | 957.00 |
| Root | 1.71 | 1.71 | 9.52 | 21.90 | 0.94 | |
| Stem | 1.19 | 1.37 | 8.85 | 49.50 | 2.97 | |
| Leaf | 2.36 | 2.37 | 8.30 | 52.00 | 2.18 |
表选项
碱蓬茎和叶的转移系数见表 3。结果显示，碱蓬叶片的转移系数整体上高于碱蓬茎部的转移系数。各重金属的转移系数顺序为：茎，Pb > Cr > Zn > Ni > Cu；叶，Zn > Pb > Cr > Ni > Cu。在T1、T2和T5三类土壤中碱蓬茎部Pb的转移系数最大，T3和T4两类土壤中碱蓬茎部和叶片Ni的转移系数最大，T1中碱蓬叶片Pb的转移系数最大，T2和T5两类土壤中Zn的转移系数最大。五类土壤中碱蓬茎部Pb的平均转移系数大于1，叶片平均转移系数均大于1。
表 3 碱蓬茎和叶转移系数Table 3 The heavy metals translocation factor in the stem and leaf of S. salsa
| Part | Soil | Cr | Ni | Cu | Zn | Pb |
| Stem | T1 | 1.72 | 0.49 | 0.70 | 0.55 | 1.28 |
| T2 | 0.71 | 0.80 | 0.83 | 0.50 | 1.16 | |
| T3 | 0.67 | 0.79 | 0.39 | 0.52 | 0.38 | |
| T4 | 0.53 | 0.74 | 0.62 | 0.44 | 0.38 | |
| T5 | 0.70 | 0.80 | 0.93 | 2.26 | 3.15 | |
| Mean value | 0.87 | 0.72 | 0.69 | 0.85 | 1.27 | |
| Leaf | T1 | 2.04 | 0.95 | 0.95 | 1.52 | 3.73 |
| T2 | 1.87 | 1.92 | 2.97 | 12.04 | 7.39 | |
| T3 | 1.16 | 1.17 | 0.29 | 0.47 | 0.17 | |
| T4 | 2.26 | 2.39 | 1.23 | 1.36 | 1.60 | |
| T5 | 1.38 | 1.39 | 0.87 | 2.37 | 2.31 | |
| Mean value | 1.74 | 1.56 | 1.26 | 3.55 | 3.04 |
表选项
碱蓬根、茎和叶的富集系数见表 4。结果显示，五类土壤中碱蓬不同部位的平均富集系数趋势为：叶 > 根 > 茎。重金属的平均富集系数趋势为：根和茎，Zn > Cu > Ni > Pb > Cr；叶，Zn > Cu > Pb > Ni > Cr。其中，T1、T2和T4三类综合污染指数小于1的土壤中碱蓬体内重金属含量远高于T3和T5两类重污染土壤中碱蓬重金属含量。此外，不同土壤中碱蓬根部Cr，茎部Cr、Cu、Zn、Pb，叶中Ni、Cu、Zn、Pb的趋势同五类土壤的污染指数趋势相反，均为T2 > T1 > T4 > T5 > T3。
表 4 碱蓬根、茎和叶富集系数Table 4 The bioconcentration factors of heavy metals in the root stem and leaf of S. salsa
| Part | Soil | Cr | Ni | Cu | Zn | Pb |
| Root | T1 | 0.024 | 0.093 | 0.187 | 0.301 | 0.020 |
| T2 | 0.025 | 0.050 | 0.204 | 0.597 | 0.036 | |
| T3 | 0.006 | 0.014 | 0.012 | 0.006 | 0.003 | |
| T4 | 0.016 | 0.025 | 0.081 | 0.102 | 0.022 | |
| T5 | 0.007 | 0.013 | 0.010 | 0.004 | 0.001 | |
| Mean value | 0.016 | 0.039 | 0.099 | 0.202 | 0.016 | |
| Stem | T1 | 0.041 | 0.046 | 0.131 | 0.164 | 0.026 |
| T2 | 0.018 | 0.040 | 0.168 | 0.300 | 0.041 | |
| T3 | 0.004 | 0.011 | 0.005 | 0.003 | 0.001 | |
| T4 | 0.009 | 0.018 | 0.050 | 0.045 | 0.008 | |
| T5 | 0.005 | 0.010 | 0.009 | 0.010 | 0.003 | |
| Mean value | 0.015 | 0.025 | 0.073 | 0.104 | 0.016 | |
| Leaf | T1 | 0.048 | 0.089 | 0.178 | 0.457 | 0.075 |
| T2 | 0.047 | 0.095 | 0.604 | 7.195 | 0.264 | |
| T3 | 0.007 | 0.016 | 0.004 | 0.003 | 0.000 | |
| T4 | 0.037 | 0.060 | 0.099 | 0.139 | 0.035 | |
| T5 | 0.010 | 0.018 | 0.009 | 0.010 | 0.002 | |
| Mean value | 0.030 | 0.056 | 0.179 | 1.561 | 0.075 |
表选项
3 讨论3.1 Cu、Ni胁迫对碱蓬种子萌发的影响重金属对植物毒理作用通常表现为抑制植物发芽、生根、幼苗生长和促进植物坏死[9-10, 24]。发芽率是反映种子胁迫耐受性的指标之一；根和茎是植物运输水和养分的重要部位[25]，也是衡量植物生长状况的重要指标。本研究表明，Ni对碱蓬的毒性高于Cu，碱蓬对Cu的耐受性较高，与袁华茂等[26]的研究结论相似，这可能是因为碱蓬对于Cu的需求量高于Ni。低浓度复合胁迫促进碱蓬发芽，Cu、Ni互为拮抗作用；高浓度复合胁迫抑制碱蓬发芽，Cu、Ni互为协同作用，这与杨佳等[18]的研究结果类似。这可能是因为Cu和Ni均为碱蓬生长所必需的元素，低浓度时Cu2+和Ni2+浓度处于碱蓬生长所需求的浓度范围，促进碱蓬生长，高浓度则高于此浓度范围，抑制碱蓬生长[6-8]。所有胁迫组碱蓬根长均低于对照组，与Zhang等[17]的研究结果类似。碱蓬生长受到抑制可能是因为碱蓬暴露于过量的重金属环境下使得重金属离子进入细胞，造成细胞代谢紊乱，影响细胞特别是根尖细胞的有丝分裂，抑制芽期碱蓬的生长[10, 24-25]。在重金属Cu、Ni胁迫下碱蓬生长受到严重抑制，与Liu等[25]和寇士伟等[27]的研究结果一致，芽期碱蓬的根长与芽长均随胁迫浓度的升高而降低，这是因为根系的发育程度决定了其运输水分和无机盐的效率[28-30]，进而影响芽长。同CK相比，胁迫组芽长均大于根长，表明重金属胁迫对根部的抑制作用强于芽长，这是由于芽期碱蓬根部富集较多的重金属(Cu：52.7%，Ni：62.9%)[26]，而重金属的毒性随其含量的增加而增加[31]，最终使得植物根系生长受到更加严重的抑制。总之，低浓度Cu和Ni单一胁迫和复合胁迫促进碱蓬种子萌发，高浓度Cu、Ni单一和复合胁迫抑制种子萌发；低浓度Cu、Ni单一和复合胁迫促进碱蓬芽长的生长，高浓度时抑制芽长的生长，所有Cu和Ni胁迫都抑制碱蓬根部的生长。与对应浓度的单一胁迫相比，复合胁迫下对碱蓬的芽长和根长的抑制作用更强，表明在碱蓬芽长与根长的生长方面，Cu、Ni互为协同作用，这可能也和芽期碱蓬根部富集较多的重金属有关[26]。
3.2 Cu与Ni胁迫对碱蓬芽期生长的影响Cu通过芬顿反应和哈伯–韦斯反应产生活性氧化物(ROS)[11-12, 32-33]；Ni虽不能直接参与生成ROS，但能通过影响植物细胞内抗氧化酶和非酶的抗氧化物的形成而影响ROS含量[10, 24]。ROS会对膜脂质和蛋白质造成氧化损伤，植物通过抗氧化酶(POD、CAT和SOD等)和非酶的抗氧化物质(抗坏血酸、酚类、脯氨酸和谷胱甘肽等)来降低ROS的毒性[2, 10, 24]。MDA是膜脂质过氧化反应产物，它的含量多少反映细胞的损坏程度，是衡量植物逆境生长的重要指标[34]。本实验中芽期碱蓬MDA含量整体上随着重金属胁迫浓度的增加而增加，与以往研究结果一致[26, 35]，说明随着胁迫浓度的增加，Cu、Ni两种重金属对芽期碱蓬的毒性越严重，Cu+Ni ((20+20) mg/L)胁迫对细胞膜损坏最小，Cu+Ni ((320+320) mg/L)胁迫对细胞膜损坏最大；与胁迫下的芽长和根长的生长趋势正好相反，推测植物芽长和根长降低的原因可能是由于重金属胁迫导致植物细胞膜脂质过氧化，细胞膜遭到破坏，进而影响植物的生长发育。
重金属胁迫下，植物体通过增加渗透调节物质的含量来改变渗透压、络合和转运重金属离子等途径来提高自身对重金属的耐受性[24]。可溶性蛋白和游离脯氨酸对于维持细胞的渗透平衡和调节生长发育有着重要的作用。可溶性蛋白是构成生物体酶系统的重要组成部分，与植物的耐逆性密切相关[35]。脯氨酸是植物体内缓解重金属毒性的重要物质，通过螯合重金属清除ROS (主要是羟自由基)，防止细胞过氧化损伤[24, 31-32]。本研究表明，在Cu、Ni不同胁迫水平下，芽期碱蓬可溶性蛋白与脯氨酸的含量变化各异，但整体上胁迫组碱蓬可溶性蛋白含量较CK高1.8%–284.9%；胁迫组脯氨酸含量整体上高于CK，与李晶等[36]的研究结果一致。这表明在重金属胁迫下植物会通过提高可溶性蛋白和脯氨酸的产量来提高自身的耐逆性。
POD是植物抗氧酶化系统的重要组成部分，它通过过氧化氢促进酚类物质的降解，可以有效清除植物在氧化应激下产生的ROS和酚类物质[31]。本试验单一胁迫下，芽期碱蓬POD活性均呈上升趋势，与刘振国等[37]和于方明等[38]的研究结果一致；在4组复合胁迫下，芽期碱蓬POD活性整体上呈先升后降的趋势(临界浓度均为40 mg/L)，与王昊等[39]的研究结果相似。表明POD分解底物有一定的范围，在此范围内，POD活性随底物浓度的增加而增加，超出这个范围POD活性下降。本实验结果表明：相比单一胁迫，低浓度(≤40 mg/L)时，Cu和Ni复合胁迫促进POD的活性；高浓度(≥80 mg/L)时，Cu和Ni复合胁迫会抑制POD活性。
与对应浓度的单一胁迫相比，复合胁迫在低浓度时，MDA含量降低，POD活性升高，促进芽期碱蓬的生长，Cu、Ni互为拮抗作用；高浓度时，MDA含量升高，POD活性降低，抑制芽期碱蓬的生长，Cu、Ni互为协同作用。这与何洁等[40]的研究结果相似。这是由于低浓度时Cu2+和Ni2+浓度处于碱蓬生长所必需的浓度范围，有益于碱蓬生长，Cu、Ni互为拮抗作用；高浓度时则高于此浓度范围，有害于碱蓬生长，Cu、Ni互为协同作用[6-8]。
3.3 碱蓬重金属富集和转移能力植物的转移系数反映重金属在植物体内的迁移与累积情况，TF > 1是重金属超富集植物区别于普通植物的重要特征之一[41]。转移系数越大，越有利于重金属在植物地上部的积累。试验结果显示，五类土壤碱蓬的叶片的平均转移系数均大于1，碱蓬茎部Pb的平均转移系数大于1，表明碱蓬体内的重金属主要累积与样品，而茎部主要累积Pb。富集系数反映植物从土壤中提取重金属的能力。试验结果显示，碱蓬BCF叶 > BCF根 > BCF茎，这一结果和袁华茂等[26]报道碱蓬BCF根 > BCF叶 > BCF茎的结果有所差异，这可能是由于本研究中碱蓬生长于干旱地区，而袁华茂等[26]研究的碱蓬位于湿地。研究中还发现碱蓬对于Zn和Cu的富集能力较强，与张乐添等[42]的研究结果类似。此外，碱蓬茎和叶的大部分重金属的富集系数与土壤污染程度的趋势相反，表明碱蓬对于重金属的富集能力还与土壤污染程度有关。
综上所述，碱蓬在金昌当地土壤Cu、Ni平均浓度下具有较高的发芽率，对Cu和Ni具有较高的耐受性；碱蓬对于Zn、Cu和Ni的富集系数较高，可以富集土壤中Zn、Cu、Ni三种重金属，且碱蓬叶片的转移系数大于1，能够将重金属转移到植物地上部分，便于最终回收处理重金属。因此在当前矿区土壤环境背景下(Cu：397.54 mg/L、Ni：340.57 mg/kg)，碱蓬可以作为矿区生态恢复和重金属污染修复的备选植物。
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