ALA协同PASP强化伴矿景天提取土壤重金属Cd的研究

2024-03-11蔡光容蔡汶素龚燕川董雪李志芳

安徽农业科学 2024年3期

蔡光容蔡汶素龚燕川董雪李志芳

摘要［目的］探究5-氨基酮戊酸（ALA）協同螯合剂聚天冬氨酸（PASP）增强伴矿景天提取土壤Cd的最佳条件。［方法］通过盆栽试验，伴矿景天种植于Cd污染土壤（总Cd 0.68 mg/kg）中，且在移栽45 d后开始浇灌不同添加浓度的PASP（3、6、12 g/kg，分别等分为3次使用，2～3次使用的间隔时间分别为15、30 d）；ALA（25 mmol/L）于PASP处理后第3天灌施，按不同的施用次数（0、1、2、3）处理，间隔时间同PASP处理。分析伴矿景茎长、地上部生物量、Cd含量和Cd提取量，建立各指标之间的相关性并拟合生物量和Cd提取量与PASP施用量、ALA使用次数的预测模型。［结果］ALA协同中等剂量（6 g/kg）PASP连续3次的施用能显著提高伴矿景天茎长、地上部生物量、地上部分Cd含量和Cd提取量；线性回归显示PASP施用量和ALA施用次数是地上部分生物量和Cd提取量的关键影响因子；地上部分Cd提取量在PASP施用量为6 g/kg协同ALA 3次连续使用时达到最大，为1.09 g/盆，是CK提取量的2.79倍；地上部分生物量、茎长与ALA施用次数呈显著正相关，而与PASP施用量呈显著负相关。［结论］研究结果揭示了ALA协同PASP在强化伴矿景天提取土壤Cd具有重要意义，且需选择合适的配比和施用次数。

关键词重金属；5-氨基戊酮酸；聚天门冬氨酸；伴矿景天；Cd

中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2024）03-0047-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.03.012

Study on Polyaspartic Acid（PASP） and 5-Aminovaleric Acid （ALA） to Enhance Extraction of Heavy Metal Cd from Soil by Sedum plumbizincicola

Abstract ［Objective］To explore the optimal conditions for enhancing the extraction of soil Cd from S. plumbizincicola by synergistic chelating agent polyaspartic acid （PASP） with 5-aminopyruvic acid （ALA）.［Method］ A pot experiment was conducted to plant S. plumbizincicola in Cd contaminated soil （total Cd 0.68 mg/kg）. After 45 d of transplanting， PASP was applied in different doses within 45 days： total application mounts of 3，6 and 12 g/kg （base on a dry soil） were equally divided into 1-3 applications， respectively， and the time intervals of 2-3 applications were 15， 30 days. ALA （25 mmol/L） was applied on the third day after each PASP treatment， and treated according to different application times （0，1，2，3）. The interval time was the same as that of PASP. The stem length， biomass， Cd content and amount of Cd extracted from aboveground part of S. plumbizincicola were analyzed， in addition to the correlation between the indexes was established，and fitted the prediction model of biomass and Cd extraction amount on PASP application rate and ALA use times.［Result］ALA combined with medium dose （6 g/kg） of PASP for three consecutive times could significantly increase the stem length， aboveground biomass， Cd content and extraction amount of S. plumbizincicola.Linear regression showed that PASP application rate and ALA application times were the key influencing factors of aboveground biomass and Cd extraction amount.The highest value of Cd extracted from aboveground part was 1.09 g/por when applying PASP in 6 mg/kg，which was 2.79 times higher than CK when it was used 3 times in combination with ALA.The aboveground biomass and stem length were significantly positively correlated with the application times of ALA， but negatively correlated with the application amount of PASP.［Conclusion］The results reveal that ALA assisted PASP had important significance in enhancing the extraction of soil cadmium by S. plumbizincicola， and it was necessary to choose the appropriate combination mode.

Key words Heavy metals;5-aminol-vulinic acid（ALA）;Polyaspartic acid （PASP）;Sedum plumbizincicola;Cd

随着“石油”农业的兴起和工业化步伐加快导致我国土壤重金属污染日趋严重，土壤治理技术备受关注。植物修复技术是采用重金属超富集植物富集、回收土壤中的重金属，具有成本低、绿色、环保等优势，该技术已得到广泛的认可和应用［1］。伴矿景天（Sedum plumbizincicola），一种景天科植物，具有修复不同程度 Zn、Cd 污染土壤的功效，其富集能力强、生长周期短、适于刈割等特性［2-3］。单一种植超富集植物修复重金属污染土壤一般因效率低则需要更长的时间，众多的研究显示重金属富集植物与螯合剂配合使用可大大增加植物对重金属的富集效率［4-5］，其中螯合剂的施用量是影响富集效率的重要因素，过量的螯合剂不仅不能增效反而对植物是一种环境胁迫［6-8］，因此如何平衡金属富集植物与螯合剂之间的矛盾对植物-化学联合技术在修复土壤重金属污染中显得至关重要。

一些植物生长调节剂通过改变植物生理生化过程从而达到调控植物生长发育的目的，尤其在逆境脅迫条件下能继续保持植物生长发育是非常有必要的［9］。马旭东等［10］研究认为聚天冬氨酸锰（Ⅱ）可增强干旱胁迫下小叶苦苣抗氧化能力，从而维持小叶苦苣正常生长发育；袁江等［11］研究表明可生物降解螯合剂谷氨酸N，N-二乙酸（GLDA）和植物激素可增强植物修复重金属污染土壤的能力。张熹等［12］研究发现赤霉素（GA3）和乙二胺四乙酸（EDTA）可协同促进黑麦草对Cd的提取和富集，同时GA3可在一定程度上缓解EDTA和Cd对黑麦草的伤害。5-氨基酮戊酸（ALA）是一种环境友好的植物生长促进剂，通过改善植物光合作用、增加抗逆性，强化碳氮积累和生物量。孙阳等［13］揭示叶面喷施适宜浓度的ALA可以缓解低温胁迫对玉米幼苗的损伤；吕婷婷等［14］研究表明ALA能够有效缓解盐胁迫对菘蓝种子萌发及幼苗生长的伤害，提高植株的抗盐性。农业上聚天冬氨酸（PASP）可作为植物生长调节剂、土壤改良剂和金属螯合剂，增强重金属从土壤向植物转移，提高土壤修复效率［15］。张鑫等［16］在盆栽模拟试验中发现，适宜浓度的PASP对玉米修复重金属污染土壤有明显的强化作用，过量使用PASP对玉米产生毒害。适量的ALA不仅促进植物生长、增加生物量，还能增加作物的抗逆性，PASP可改变土壤重金属Cd的形态从而强化植物对重金属的吸收，伴矿景天对金属Cd的富集能力较好，然而ALA-PASP协同伴矿景天的精准技术还未建立。该试验拟利用 PASP 强化伴矿景天对Cd的提取，同时用ALA促进生长，从而尽可能保障伴矿景天的最大Cd提取量，为此设计不同PASP施用量和ALA使用次数作为因变量，考察伴矿景天茎长、地上部分生物量、地上部分Cd提取量等参数，并拟合生物量和Cd提取量与PASP施用量和ALA使用次数的预测模型，以期为Cd污染土壤的修复提供方法参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

聚天冬氨酸（PASP，98%，分子量4 000 D，分析纯）、5-氨基酮戊酸（ALA，98%，分析纯）购置于阿拉丁生化科技股份有限公司。

供试重金属污染土壤采自四川达州郊区一钢铁厂污染区周边闲置土，土壤pH为6.18，有机质含量为20.6 g/kg，全氮、全磷、全钾、全镉含量分别为1.91、0.51、14.30、0.68 g/kg。将采集表层0 ～15 cm的土壤样品置于自然通风处晾干过2 mm筛，每盆装土4.5 kg，基肥使用量（以土干重计算）N 200 mg/kg、P2O5 100 mg/kg和K2O 100 mg/kg，施用方式按照比例将CO（NH2）2、（NH4）2HPO4、K2SO4与土充分混合，室温内放置7 d备用。

供试伴矿景天采用扦插分枝育苗，种苗采自四川省达州市郊区一铁矿矿区，于特色植物开发研究四川省高校重点实验室植物生长室培养，温度 25 ℃（光照）/18 ℃（黑暗），相对湿度60%～70%，光照时间16 h，光强为1.5×104 lx。育苗培养基采用蛭石-草炭土混合物（蛭石∶草炭土=1∶2），每隔7 d浇1次Hoagland 营养液，待分枝苗长出 3～4片叶后选择大小一致、长势良好的幼苗移栽入盆。

1.2 试验设计与实施

盆栽试验于 2020年 3 月至 2021年 7月在特色植物开发研究四川省高校重点实验室盆栽场进行。试验采取完全设计，共13个处理（表1），分别是CK（空白对照组）；45 d 内将PASP分3次浇灌到土壤中，PASP低施用量3 g/kg（土壤干基计算），配合ALA使用0～3次，分别为L0～L3；PASP中施用量6 g/kg，配合ALA使用0～3次，分别为M0～M3；PASP高施用量 12 g/kg，配合ALA使用0～3次，分别为H0～H3；所有试验调节剂的浓度均为25 mmol/L，每个处理重复3次，随机组排列。2020年3月16日移植伴矿景天，每盆种3株，采用三角点布局。

每天浇2次水，早晚各1次，保持土壤持水量为最大持水量的60%～70%，苗移栽后30 d（2020年4月16日）追加一次肥，施用量为基肥的1/3，移栽后45 d左右（2020年5月1日）开始试验3次处理：PSAP 配成溶液冲施，每次使用PSAP总量的1/3，随后第3天浇灌ALA，第1次处理后15 d进行处理第2次，第2次处理30 d以后进行处理第3次，每次每盆浇灌500 mL溶液，第3次浇灌后15 d 测量茎长，采集样品。

1.3 采样与分析

收获时用刀沿植株基部割地上部分，同时挖出其根部。地上部分分别用自来水、去离子水各洗涤2～3次，吸干水分，称量鲜重，随后将叶和茎分离；根部用超声波清洗除去表面的泥土、20 mmol/L EDTA 溶液萃取15 min 除去根表面的离子、随后用去离子水漂洗2～3次，最后用吸水纸将根表面的水吸干。然后将根、茎、叶置于烘箱内 105 ℃，保持30 min 后75 ℃ 烘干至恒重，然后用粉碎机磨碎、过 70 目筛，HNO3-HClO4消化，原子吸收分光光度法测定Cd浓度。

1.4 数据分析与统计

该研究所涉及的相关参数计算公式如下：

BCF=Cds /Ct（1）

TI=Cds/Bg（2）

Ecd=Cds×Bds×10-3（3）

式中：BCF 为富集系数，表示地上部富集土壤 Cd 的能力；TI 是转移系数，表示将 Cd 从根部转移到地上部的能力；Ecd为Cd提取量（g/盆），表示每盆伴矿景天地上部从土壤中提取 Cd 的量；Cds为地上部 Cd含量（mg/kg）；Ct为土壤中总Cd含量（mg/kg）；Bg为根部Cd含量（mg/kg）；Bds为每盆地上部的干重（kg）。

采用 SPSS 23.0 软件进行相关数据统计，用最小显著性差异法（LSD）进行差异显著性分析（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 ALA协同PASP施用对伴矿景天茎长的影响

自然生长条件下，伴矿景天植株相对较矮小，影响其修复土壤的效率，作为Cd超富集植物，通过增加生物量来增加Cd的提取量是一种收集Cd的有效方法，伴矿景天地上部分主要由叶和茎组成，叶序之间的距离相对固定，因此，伴矿景天茎的长度可作為反映其对土壤重金属提取能力的重要指标。PASP作为重金属螯合剂，合理施用有利于增强植物对重金属的吸收，但大剂量施用也会抑制植物生长发育，如图1所示。低剂量（L0，3 g/kg）的PASP对伴矿景天的茎长影响很小，而随着剂量的继续增加伴矿景天茎长受到抑制，中等剂量（M0，6 g/kg）处理伴矿景天的茎长缩短7.01%，与空白对照比较未达到显著水平，而高剂量（H0，12 g/kg）处理显著抑制了伴矿景天的伸长生长，茎长仅为对照处理的61%，说明PASP在中、低剂量条件下施用是合适的。ALA可促进植物伸长生长，尤其是在胁迫条件下可缓解逆境带来的负面影响。如图1所示，低剂量的PSAP处理，ALA施用（1～3次）时显著增加了伴矿景天茎长；中剂量PSAP处理对伴矿景天茎长有一定的抑制效应，ALA使用1或2次并不能缓解这种抑制，ALA持续使用3次时，PASP的这种抑制作用得到完全恢复并进一步促进生长，说明ALA连续3次使用协同中等剂量的PASP可以保障伴矿景天茎的生长；同等条件下高剂量PASP处理引起的抑制效应则得不到完全恢复。总体来看，ALA协同处理条件下，PASP在低剂量和中剂量之间差异并不显著，低剂量与高剂量、中剂量与高剂量之间差异较显著。由此可见，为了使伴矿景天Cd吸收能力、生物量均提高，PASP中等剂量与ALA连续3次使用是最理想的搭配。

2.2 ALA协同PASP施用对伴矿景天生物量的影响

生物量是反映重金属超富集植物土壤重金属提取能力的重要指标［13］。该试验各处理伴矿景天地上部分生物量如图2 所示。CK生物量为11.6 g/盆，L3和M3的生物量较CK显著提高（P＜0.05），其中L3的生物量最高，为15.4 g/盆，较CK 提高了32.8%。从CK、L0、M0到H0，PASP用量逐渐增加生物量呈先增加后减少的趋势。低、中剂量PASP有利于伴矿景天生长，中剂量略促进，与CK相比较，未达到显著水平；高剂量PASP有一定的抑制作用，较CK生物量减少29.5%。与阳性对照（L0、M0、H0）相比，ALA对所有处理生物量均具有强化作用，尤其是在使用次数达到3次时促进作用达到同等条件的最大值；高剂量PSAP的处理条件下（H0），ALA 连续3次使用后生物量可以部分恢复。这些试验结果说明ALA配合中等用量的PSAP施用可以保障生物量不减少的同时最大限度地使用螯合剂PASP。

2.3 ALA协同PASP施用对伴矿景天富集和转移Cd的影响

伴矿景天各部位Cd含量体现不同器官对Cd富集能力的差异，Cd在植物不同器官之间的富集和转移系数则反映植物整个系统富集和转移分布特征［16］。由表2可知，低、中剂量的PASP显著促进了伴矿景天根、茎、叶对Cd的吸收。尤其是低剂量处理（L0），根、茎、叶分别是对照（CK）的1.66倍、1.89倍和1.71倍。高剂量PASP（H0）对伴矿景天各部分Cd水平均有抑制趋势，可能是因为高剂量的PASP对伴矿景天根有一定的毒害，根部木质化比较严重，影响了物质的吸收，导致根、茎和叶分别较CK降低了42.9%、16.2%、25.0%。ALA对低、中剂量的PASP处理的伴矿景天各器官Cd水平影响较小；对高剂量PASP处理有一定的促进Cd吸收的作用，且与ALA使用的次数呈正相关，当ALA连续使用3次（H3）时，与H0相比，根、茎、叶中的Cd提高了 18.8%、12.9%和27.8%。L0、M0的BCF值均显著高于CK，说明PASP低、中剂量施用能提高地上部分对Cd的富集能力，ALA在PASP低、中、高剂量条件下均能提高Cd的富集能力。CK的TI为0.48，L0、M0、H0分别为0.56、0.72、0.84，均显著高于CK，说明施用PASP能促进根部Cd向地上部转移；ALA处理，L1～L3、M1～M3、H1～H3的TI平均值分别为0.53、0.72和0.81，与对应的阳性对照L0、M0、H0相当；可见ALA配合PASP使用对TI的影响是积极的。

2.4 ALA协同PASP施用对伴矿景天地上部分Cd提取量的影响

伴矿景天的根较地上部分茎纤细、量少，不便于收获，因此人们利用它对Cd的富集主要集中到地上部分。由图3可知，CK的Cd提取量为0.39 mg/盆，L0、M0、H0处理的提取量分别为0.68、0.81、0.19 mg/盆，低、中剂量PASP显著增强了伴矿景天地上部分Cd提取量，当PASP在高剂量时显著抑制了伴矿景天地上部分Cd提取量，抑制率为48.7%。说明适量施用PASP有利于伴矿景天对Cd的富集，过量施用PASP适得其反。L0～L3、M0～M3、H0～H3处理的Cd提取量分别为0.68～0.88、0.81～1.09、0.19～0.28 mg/盆，3组处理均呈依次递增的趋势，且在PASP施用量为6 g/kg协同ALA 3次连续使用（M3）时地上部分Cd提取量达到最大，为1.09 mg/盆，是CK提取量的2.79倍。这些结果说明调节剂ALA在强化伴矿景天Cd提取量方面发挥重要作用。

2.5 影响伴矿景天茎长、地上部分生物量、Cd 含量和 Cd 提取量的因素

为了探究影响伴矿景天茎长、地上部分生物量、Cd含量和Cd 提取量的因素，将其与PASP施用量和ALA使用次數进行相关性分析，结果如表3所示。从表3可以看出，伴矿景天地上部分Cd提取量与茎长、生物量、Cd 含量存在极显著正相关关系（P＜0.01），相关系数分别为0.870、0.830、0.877，三者相当。说明用ALA协同PASP强化伴矿景天提取土壤Cd时，茎长、Cd含量和生物量提高都是关键因子。这与植株较大的象草提取Cd的影响因子Cd含量大于生物量的结果存在一定的差异［16］，可能是因为这2种作物Cd提取量限制因子不同所导致，象草植株相对较高大，株高（对应伴矿景天茎长）、生物量不是象草作为Cd提取量的主要限制因素，提高Cd提取量主要取决于Cd含量的高低；对于植物矮小、生物量相对较低的伴矿景天限制Cd提取量除了Cd含量，生物量、茎长也是关键的限制因素。

Cd含量与PASP施用量存在极显著负相关关系（P＜0.01），相关系数为-0.725，结合表2可知，低、中剂量的PASP能强化伴矿景天对Cd富集，但是过量的PASP可能对伴矿景天生长产生胁迫，致使对Cd的富集能力减弱，这与张鑫等［16］和许伟伟等［17］的研究结果一致。因此，控制好PASP施用量对提高伴矿景天地上部分Cd含量是非常必要的。

生物量与ALA施用次数存在极显著正相关关系（P＜0.01），相关系数为0.831，结合图2可知ALA是增加伴矿景天生物量的关键影响因素。低剂量（3 g/kg）、中剂量（6 g/kg）的PASP本身对伴矿景天的生物量有一定的提高，这与前人研究的结果是一致的［18］。有研究显示，适量的PASP能通过提高植物叶绿素的含量从而提高植物的光合能力，最终增加干物质的积累［19］。高剂量（12 g/kg）的PASP本身对伴矿景天的生长有一定的抑制作用，此时配合3次ALA连续使用，既能强化Cd的吸收，又能部分缓解PASP带来的胁迫。这与袁江等［11］的试验结果相似，在 Cd 污染土壤中施加过量的金属螯合剂 GLDA（6 mmol/kg）不利于龙葵（Solanum nigrum L.）生长，产生胁迫作用，如同时协同植物生长促进剂IAA使用可缓解部分胁迫，显著提高龙葵生物量和土壤 Cd 的提取能力。因此，推测低、中剂量的PASP提高了伴矿景天营养吸收、增强了植株光合能力的提高；高剂量的PASP抑制伴矿景天生物量的积累可能是因为PASP抑制了叶绿素合成以及大量元素吸收相关的酶的活性。同时该研究也观察到高剂量的PASP处理伴矿景天根系颜色更深、木质化较严重，这些因素都可能影响了伴矿景天对土壤中物质的吸收，最终生物量降低，Cd的吸收也受到一定的影响。

茎长与ALA施用次数、地上部分生物量和地上部分Cd含量呈极显著正相关，而与PASP施用量呈极显著负相关，其相关系数分别为0.702、0.574、0.705和-0.834。结合图1和图2可见，茎长与生物量具有相似的变化趋势。ALA连续使用促进了伴矿景天茎长的同时也提高了生物量，即使在高剂量的PASP处理条件下，这种趋势依然存在，因此ALA提高生物量部分原因可能是因为促进茎长所致。

由此可见，在施加PSAP强化伴矿景天提取土壤Cd时需选择中、低剂量比较合适，当存在抑制作用时可配合ALA使用来缓解PSAP带来的负面调节，从而强化PSAP的效果。

2.6 伴矿景天地上部分生物量和地上部分Cd提取量的预测模型

建立预测模型为今后利用PASP和ALA辅助伴矿景天修复Cd污染土壤提供理论依据。伴矿景天地上部分Cd提取量是由其生物量和Cd含量所决定，地上部分生物量又与PASP施用量和ALA施用次数相关。该研究对地上部分生物量和Cd提取量分别拟合其与PASP施用量（a）和ALA施用次数（b）的线性回归方程，结果如表4所示。地上部分生物量和地上部分Cd提取量的回归模型的决定系数（R2）分别为0.790、0.785，解释百分比相对较高；2个模型的德宾-沃森值（DW）分别为1.406和1.078，均接近于1，表明残差项之间为较弱的正相关；F值均小于0.05，说明所建模型有效；方差膨胀因子（VIF）均接近1，说明PASP施加量和ALA使用次数之间共线性极弱。由此可见，PASP施加量和ALA使用次数很好地拟合了伴矿景天地上部分生物量和Cd提取量。

3 结论

（1）PASP施用量为3和6 g/kg时可明显提高伴矿景天各器官中Cd 含量，同时也不会影响生物量的积累，PASP促进了Cd 吸收从而提高伴矿景天的 Cd 提取量；高剂量（12 g/kg）PASP 对伴矿景天生物量、Cd 吸收均呈现出不同程度抑制作用，最终降低了 Cd 提取量。

（2）25 mmol/L的ALA灌施可正向调控伴矿景天茎长、生物量，从而保障Cd提取量。尤其是在PASP 使用量为6 g/kg，ALA连续3次使用对伴矿景天Cd提取量的提高起到关键性的作用。

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