贺佳　王丹　李黎等

摘要试验采用溶液培养的方法，比较5种杂草植物在不同浓度钴污染液（0、60、120、180、360 mg/kg）中对钴的吸收及富集能力。结果表明，①随处理浓度增加，各植物体内钴含量均增加，野茼蒿地上部钴含量增加量最多，当浓度为360 mg/kg时是对照的433倍；②各植物地上部、根部及单株钴积累量随钴浓度增大呈增大趋势，在浓度为360 mg/kg时，野茼蒿的单株积累量最高，可达13 021.33 μg，具有较强的钴积累能力；③分析5种植物对钴的吸收转运能力、富集特征得出，高钴浓度时野茼蒿的地上富集系数最大（25.95），并且地上部提取率最高（26.24%），龙葵、牛膝菊次之；中低浓度钴处理时牛膝菊转运系数最大可达3.86，其地上部富集系数也较高，野茼蒿和龙葵的转运系数虽次于牛膝菊，但其富集和提取能力均较突出。综上所述，野茼蒿、龙葵、牛膝菊可作为修复钴污染土壤的备选植物。

关键词杂草植物；钴；富集能力

中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2015）07-228-05

Comparison of Cobalt Accumulation Ability by Five Kinds of Weeds under Hydroponic Culture

HE Jia1，2， WANG Dan1，2*， LI Li1，2 et al

（1. Life Science and Engineering College， Southwest University of Science and Technology， Mianyang， Sichuan 621000； 2. State Defense Key Laboratory of the Nuclear Waste and Environmental Security， Southwest University of Science and Technology， Mianyang， Sichuan 621000）

AbstractA hydroponic experiment was conducted to investigate the absorption and accumulation ability of cobalt in five common weeds by imitating different levels of cobalt pollution （0， 60， 120， 180， 360 mg/kg）. The results showed that： ①As cobalt concentration increased， the cobalt content in five plants increased. The cobalt content of the above-ground part of Hawksbeard Velvetplant was increased the most， about 433 times than that in control group when the cobalt concentration was 360 mg/kg. ② The accumulation in every part of plant was enhanced with increased cobalt concentration. When it was 360 mg/kg， the total cobalt accumulated in Hawksbeard Velvetplant reached the maximum value （13 021.33 μg）. Clearly， it had strong ability of cobalt accumulation. ③ Analysis of the absorption， transportation and bioconcentration characteristics of the five kinds of plants showed that： Hawksbeard Velvetplant had the maximum value 25.95 of the above-ground bioconcentration factor and extraction percentage of 26.24% under high cobalt concentration， Nightshade and Smallflower Galinsoga were next to it. Smallflower Galinsoga reached the maximum value 3.86 of the transfer factor under medium cobalt concentration. At the same time its above-ground bioconcentration factor was considerable. Although the transfer factors of Hawksbeard Velvetplant and Nightshade were lower， concentration and extraction ability of these two plants performed well. Above all， these three weeds could be selected as the potential candidates for the phytoremediation soil of Co.

Key words Weed plants； Cobalt； Bioaccumulation ability

我国重金属矿产资源丰富，在大型有色金属矿产的开发利用以及某些地区片面追求经济效益忽略环境效益的同时，产生了严重的土壤重金属污染[1]。其中大量的钴及其化合物进入土壤，会对周边农作物、地下水产生重大影响，进而威胁人类健康[2]。此外，放射性钴作为压水堆核电站的放射性液态流出物以及在医疗卫生、农业育种、食品保鲜等生产生活广泛使用的放射源，对周边环境安全也构成严重的威胁[3-5]。

钴是人体、动物甚至有些高等植物的必需微量元素[6-8]。少量的钴对植物生长有促进作用，但土壤中过量的钴存在就会影响植物的正常生长[9-12]。刘雪华等的研究结果表明， 低浓度的钴对苗期玉米、小麦有促进作用，有利于作物生长， 而高浓度的钴则对它们的生长有明显的抑制作用[13-15]。据报道，当土壤水溶性钴含量为0.1～0.2、1.0 和5.9 mg/kg时，分别会对番茄、亚麻和甜菜产生毒害作用，而当其含量达到10 mg/kg时农作物会死亡[16-17]。

植物修复是治理土壤重金属/放射性核素污染的经济环保方法，但国内外植物修复的研究大多集中在常见的重金属Pb、Cd、Cu、Zn、Ni、As等，放射性核素U、Sr、Cs等，而对于被钴污染土壤修复的报道较少。而且已有的研究多选择作物、蔬菜、花卉等作为植物材料，用路边杂草进行研究的报道较罕见。杂草与作物相比，抗逆境能力强，经过长期的自然进化和人工选择，具有广泛的适应性和顽强的生命力。这些特征可能使杂草对重金属有较强的耐性[18-19]。

水培是一种行之有效的培养方法，在生长期间，虽然植物根部在液体环境下相对于土壤会吸收较多的重金属，但其结果基本能反映植物对重金属的富集能力；而且水培方法培养周期短，能快速得出试验结果；同时，水培环境条件可控性强，可避免复杂的环境因素干扰而造成的试验误差。该试验采用此方法，以野茼蒿、龙葵、牛膝菊、刀叶椒草和毛茛这5种杂草为试验对象，通过研究其对钴的吸收、转运特征，以期探讨不同植物在不同程度的钴污染环境中对钴的富集和提取能力，为钴超富集植物的筛选，同时也为植物修复重金属或放射性核素污染土壤提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1试验材料

供试植物见表1，均采自西南科技大学及西山校区后山。

1.2材料培养与污染处理方法

选择长势一致、健康的幼苗，并将根部冲洗干净，放入装有清水的容器中，每3 d换1次水，缓苗7 d后移栽至不同浓度钴处理（0、60、120、180、360 mg/kg）的Hoagland营养液中，每个处理3个重复，每个重复一盆，每盆3株，每种植物15盆，共计75盆。每盆装入液体量以浸没植物根部为准，记录液体体积，并画水位线，每3 d加1次营养液至标记处，以保证钴的总量不变，自然光照下处理15 d后收获并进行测定。

表1供试植物的学名与科属

名称学名科属

野茼蒿Crassocephalum crepidioides（Benth.） S. Moore菊科野茼蒿属（Asteraceae）

龙葵Solanum nigrum L.茄科茄属（Solanaceae）

牛膝菊Galinsoga parviflora Cav.菊科牛膝菊属（Asteraceae）

刀叶椒草Peperomia ferreyrae胡椒科草胡椒属（Piperaceae）

毛茛Ranunculus japonicus Thunb.毛茛科毛茛属（Ranunculaceae）

1.3植物样品的取样、处理和测定方法

收获的植物用自来水和去离子水先后洗净，沥干水分，将根和地上部分开，于105 ℃下杀青30 min，再在75 ℃烘箱中烘至恒重（约烘48 h），分别称重。然后将烘干样品研细，每个处理样品称取3份，地上部每份0.3 g，根部每份0.1 g，之后加入10 ml硝酸，利用微波消解仪（TNAK）进行消解，采用原子吸收光谱仪（AA700，美国PE公司）测定样品消解液中的钴含量[20]。

1.4富集系数以及转移系数的表示方法

地上富集系数（BCF）=植物地上部Co含量（mg/kg）/营养液中钴的处理浓度（mg/kg）[21]；

转移系数（TF）=植物地上部Co 含量（mg/kg）/植物根部Co含量（mg/kg）[21]。

1.5数据处理

用统计分析软件DPSv7.05对所有测定的指标进行Duncan新复极差法显著性分析，所有数据用平均值表示，并用Microsoft Office Excel 2003作图。

2结果与分析

2.1钴作用下各植物生物量的变化

将植物烘干至恒重，称重所得值为该植物的生物量。从表2可知，5种植物地上部、根部生物量及总生物量的变化基本呈现随着钴浓度升高而降低的趋势。当浓度为60 mg/kg时，各植物总生物量较对照不同程度（17%～29%）地减少。随钴浓度升高，植物受到的抑制作用增大，当浓度为360 mg/kg时，刀叶椒草总生物量比对照减少67%，是减少最多的植物，除野茼蒿以外，龙葵、牛膝菊、毛茛总生物量减少率均在50%以上。表明高浓度钴极易抑制植物生物量的增加，其中，刀叶椒草受到的抑制作用最大。

表2不同浓度的钴对各植物生物量的影响

注：结果为3个重复的平均值；不同小写字母表示P<0.05水平差异显著，不同大写字母表示P<0.01水平差异极显著。

2.25种植物地上部与根部对钴的吸收

单位质量（干重）的植物中所含钴单质的量即为植物的钴含量。从表3可知，随钴浓度增加，各植物地上部、根部钴含量均增加，并达到极显著水平。5种植物地上部钴含量分别与其对照相比，当钴浓度为60 mg/kg时，野茼蒿较对照增加了32倍，是增加量最多的植物，钴浓度为360 mg/kg时，野茼蒿仍然增加最多，是对照的433倍，由此可见野茼蒿地上部对钴的吸收较好；5种植物根部钴含量与其对照相比同样显著增加，并且刀叶椒草的增加量最多，当钴浓度为360 mg/kg时可达对照的129倍，由此可见刀叶椒草的根部吸收钴的能力较好。当钴处理浓度相同时，比较5种植物地上部钴含量得出，毛茛在中低污染浓度时较高，牛膝菊在各污染浓度下均相对较高，野茼蒿和龙葵为中等水平，刀叶椒草地上部对钴的吸收能力较弱；比较5种植物的根部钴含量得出，刀叶椒草在各污染浓度下均较高，毛茛在中低污染浓度下较高，野茼蒿、龙葵较一般，牛膝菊则在各浓度下均相对较低。表明不同植物的根部吸收钴的能力不同，根部钴含量高的植物其地上部钴含量不一定高。

2.35种植物对钴的积累能力

重金属在植物体内的干重质量浓度与植物生物量的乘积即为该植物对该重金属的积累量。图1为各植物体内钴积累量分布的情况，可见随着钴浓度增大，各植物的地上部、根部及单株积累量呈增大趋势，除刀叶椒草外，野茼蒿、龙葵、牛膝菊、毛茛4种植物的地上部积累量均显著高于根部，可见这4种植物从根部向地上部转移钴的能力较强，对刀叶椒草而言，钴主要积累在其根部。5种植物相比，当钴浓度为60 mg/kg时，龙葵的单株和地上部积累量均为最大，野茼蒿次之；由于积累量随钴处理浓度增大而增大，所以当钴浓度为360 mg/kg时，各植物各部位钴积累量均达到最大值，其中野茼蒿的单株积累量和地上部积累量均较其他4种高，分别为13 021.33和11 596.37 μg，而根部积累量最大的是龙葵，为1 597.41 μg。可见野茼蒿和龙葵对钴的积累能力较强。

表35种植物地上部及根部中的钴含量

mg/kg（干重）

植物钴处理∥mg/kg

060120180360

图15种植物各部位钴积累量的分布

安徽农业科学2015年

2.4钴作用下5种植物的转运特性

植物地上部钴含量与该植物根部钴含量的比值即为转运系数，能够反映钴在植物体内的运输与分配情况。从图2可知，随钴处理浓度的增加，野茼蒿、龙葵、牛膝菊、刀叶椒草和毛茛的转运系数均有不同程度的增加，可见此5种植物均有一定的钴转运能力。其中，牛膝菊在所有处理中转运系数均显著>1.5，并且在相同钴浓度下牛膝菊的转运系数均显著高于其他4种，在120 mg/kg时牛膝菊转运系数达到最大值3.86。其余4种植物相比，龙葵在钴浓度为120 mg/kg时转运系数最大且>1，为1.12，毛茛其次，为1.02，野茼蒿在浓度为360 mg/kg时的转运系数是最高的，为1.11。综上所述，5种植物从根部向地上部转运钴的能力：牛膝菊较高，野茼蒿、龙葵、毛茛次之，刀叶椒草较低。

2.5钴作用下5种植物的富集系数比较

富集系数指植物某部位某种重金属元素含量占土壤中该元素含量的百分比，富集系数越高，表明植物对钴的富集能力越强。由表4可知，各植物的富集系数在不同处理下的差异均达到极显著水平，大致表现为根部富集系数大于地上部的富集系数（牛膝菊除外）。就5种植物的地上富集系数而言，随钴处理浓度升高，野茼蒿、龙葵、牛膝菊和毛茛大致呈先上升后

下降的趋势，刀叶椒草的地上富集系数虽然逐渐增大，但其数值仍然较小。在钴浓度为60和120 mg/kg时，毛茛为最高，数值分别是30.62、32.92，牛膝菊次之，

刀叶椒草最低；在钴浓度为180 mg/kg时，牛膝菊最高，其值为28.61，毛茛次之，刀叶椒草最低；在浓度为360 mg/kg时，野茼蒿最高，值为25.95，牛膝菊其次，刀叶椒草仍为最低。可见地上富集能力较好的是牛膝菊和毛茛，野茼蒿、龙葵较一般，刀叶椒草较差。对于5种植物的根部富集系数来说，随钴处理浓度升高，野茼蒿表现为先升高后降低，其余4种则大致呈现下降趋势，当钴浓度相同时，刀叶椒草的根部富集系数较高，野茼蒿和毛茛其次。可见刀叶椒草根部吸收钴的能力较强，而向地上运输的能力较弱。

图2 不同处理下各植物的转运系数比较

表45种植物对钴的富集系数

2.65种植物对钴的提取能力比较

植物对重金属的提取率是指植物中的金属积累量占土壤中该元素总量的百分率，可以用它来表示植物对重金属的提取能力。试验中的地上部提取率即盆中3株植物的地上部钴积累量与溶液中钴总量的比值，单株提取率即3株植物的单株钴积累量与溶液中钴总量的比值。由表5可知，5种植物相比，钴浓度为360 mg/kg时，单株和根部提取率最高的均是龙葵（分别为30.38%和4.44%），地上部提取率最高的是野茼蒿（26.24%）；钴浓度为120和180 mg/kg时，单株、地上部以及根部钴提取率最高的均是野茼蒿，其地上提取率最高可达27.21%；钴浓度为60 mg/kg时，龙葵单株、地上部及根部钴提取率均是最高的，其中地上提取率达到20.61%。由此可见，钴提取能力较高的是野茼蒿和龙葵。

表55种植物提取百分率的比较

3结论与讨论

随着钴浓度升高，各植物的生物量降低，对钴的吸收量和积累量升高，转运系数、富集系数及钴提取率的变化趋势不尽相同，因而各指标间的相关性有待进一步研究。就该试验的5种植物相比得出，野茼蒿具有一定的钴富集能力，可考虑用于中高浓度钴污染土壤的治理，牛膝菊和龙葵次于野茼蒿，用于中低浓度钴污染的治理效果可能较好些。

钴虽是动物、植物的必需元素，但过量必然会影响生物的正常生长。生物量是反映植物在重金属处理下生长情况的一个重要指标，也能间接反映植物对重金属的耐受性。该试验中5种植物的生物量随钴浓度升高而不同程度地减少，且钴浓度越大植物受抑制作用越明显，这点与樊文华等[22]的结论一致。该试验中野茼蒿生物量减少率较其他植物小，体现出一定的耐受性，而刀叶椒草生长较差，可能是因为其根系受到较重伤害影响了水分和养分的吸收，从而影响了地上部分的生长发育[23-24]。

该试验结果显示随钴浓度增加，各植物地上部、根部钴含量均显著增加，与刘素萍等[25]研究的钴在番茄各部位的含量随施钴量的增加而显著增加的结果一致，也与许多学者研究的其他重金属的结论基本相同[14-17，23-24]。5种植物中除了牛膝菊以外，野茼蒿、龙葵、刀叶椒草、毛茛在各处理中大致表现为根部含量高于地上部，这与徐冬平等[26]研究的蚕豆和Garba等[27]研究的牛筋草的根部钴含量大于地上部分一致，另外，吴月燕等[28]研究菖蒲、金叶菖蒲和散尾葵对重金属富集能力的比较也有类似结论。说明在多数植物中，钴一般分布在根部。牛膝菊体内钴的分布比较少见，可能是牛膝菊体内存在良好的运输机制，能把根部吸收的钴较多地运输到地上部，或是牛膝菊根系分泌特殊物质，促进植物对钴的吸收，有待进一步研究。

重金属转移系数用来表征植株向地上部分运转重金属的能力，其值越大表示重金属在植物中的迁移能力越强；植物对重金属的积累是植物体内吸收与分配的结果，通常用富集系数来说明植物对钴的吸收和累积能力，富集系数越大则表明植物吸收重金属的能力越强[21-23]。该试验结果显示，牛膝菊在中度钴处理时转移系数较高，同时其总富集系数也较高，可能是中浓度钴能促进牛膝菊体内的重金属转运机制（有待深入研究），而高浓度处理影响了其正常生长从而减少了向地上部的转运。龙葵的钴吸收量较高，但转运和富集能力较一般，可能是其对钴的耐受性较好。野茼蒿的地上转运能力较差，但根部的富集效果较好，即使在高浓度下仍具有较高的富集能力，原因可能是钴与植物作用时，根系首先接触钴，对其进行吸收，同时根细胞壁中存在大量交换位点，能将钴离子交换吸收或固定，从而阻止其进一步向地上部分运输[23]。刀叶椒草富集能力较差，可能是钴浓度升高抑制了其正常的生长和代谢，从而降低了钴耐受能力和吸收能力。

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