外源有机酸对秋华柳镉积累效率的影响

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植物修复效率往往受限于土壤中重金属的生物有效性,添加有机酸活化重金属以提升植物对重金属的抽提效率是一种行之有效的技术措施。秋华柳是柳属多年生木本植物,生物量大,自然分布广泛。已有对秋华柳镉(cadmium,Cd)耐性和积累特性的研究表明,秋华柳具备修复Cd污染土壤的潜力,但如何进一步提升秋华柳对Cd污染土壤的修复效率是其应用推广的关键。本研究以秋华柳实生幼苗为研究对象,对不同Cd浓度(0、2、5、10、20、40 mg·L-1 Cd2+)胁迫下秋华柳根系分泌物中有机酸的特征进行了研究,从中筛选出可能利于提高秋华柳Cd修复效率的有机酸。采用盆栽模拟实验,研究了外源有机酸的添加对秋华柳的生长潜力,植株Cd积累特征以及对土壤重金属形态的影响。其中,Cd浓度设置均为10 mg·kg-1,外源有机酸共三种:草酸、酒石酸和EDTA(作为阳性对照),每种酸设置两个浓度:5 mmol·kg-1,10 mmol·kg-1。主要结果如下:(1)不同Cd浓度胁迫下,秋华柳根系分泌物中共检测出4种有机酸:草酸、酒石酸、琥珀酸和乙酸。其中,草酸是根系分泌物中有机酸的主要成分,含量随Cd处理浓度先升高后降低,在5 mg·L-1 Cd2+处理组达到最大值。酒石酸、琥珀酸含量次之,而乙酸仅在20和40 mg·L-1 Cd2+两个高浓度Cd处理组下有检测到,且含量仅占已测总酸的0.4%-0.9%。(2)外源添加EDTA严重影响秋华柳的生长,植株株高、基茎及各器官生物量均显著低于对照组,光合色素含量减少,光合作用能力下降,致使植株叶片干枯、卷曲,长势矮小。外源添加草酸、酒石酸未对秋华柳的生长造成影响,秋华柳可维持较高的净光合速率,通过提高叶绿素在光合色素中的比例,确保有充足的反应中心色素,维持较高的光合能力,表现出较强的生长适应性。(3)外源添加低浓度EDTA可提升秋华柳根、茎中的Cd含量(分别高出Cd胁迫组116.07%、117.74%),但由于EDTA、EDTA-Cd络合物对秋华柳产生毒性效应,直接影响植物的正常生长,降低植物的生物量。随外源添加浓度的增大,EDTA对秋华柳生长的抑制作用更明显,导致外源添加EDTA后,秋华柳对Cd污染土壤的修复效率不佳。外源添加草酸和酒石酸对植物的生长无抑制作用,而对秋华柳Cd积累特征的影响有所差异,外源添加低浓度酒石酸可显著提升秋华柳各器官的Cd含量及Cd积累量。外源草酸的添加对秋华柳的Cd积累特征无显著性影响。(4)外源有机酸的添加,不同程度的降低了土壤中各处理组的残渣态Cd含量,同时增加了土壤中可交换态Cd含量,EDTA和低浓度酒石酸对重金属Cd有较好的活化能力。而外源草酸的添加未能显著提高土壤中重金属Cd的生物有效性。综上所述,秋华柳具有较高的Cd耐受能力。不同Cd浓度胁迫下,秋华柳根系将分泌以草酸为主,酒石酸、琥珀酸和乙酸为辅的有机酸应对环境的改变。将Cd胁迫下秋华柳根系分泌物中的有机酸(草酸和酒石酸)作为外源酸,进行Cd胁迫下秋华柳的生长、Cd积累特征的研究,并将人工合成螯合剂EDTA的添加结果与天然有机酸作对比。结果表明,外源添加低浓度EDTA可提升秋华柳根和茎中的Cd含量,对土壤中重金属Cd有较好的活化能力,但由于EDTA及EDTA-Cd络合物的毒性,EDTA的添加直接影响秋华柳的正常生长,降低植物的生物量,导致外源添加EDTA后秋华柳对Cd污染土壤的修复效率不佳。外源添加草酸和酒石酸对植物生长无抑制作用,但对秋华柳Cd积累特征的影响存在差异,外源添加草酸未能显著提高土壤中重金属Cd的生物有效性,对秋华柳的Cd积累特征无显著性影响,但低浓度酒石酸的添加对重金属Cd有较好的活化能力,可显著提升秋华柳的Cd积累效率,为单独Cd胁迫组的2.06倍,是一种加快秋华柳修复Cd污染土壤的适宜方法。
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