蜈蚣草中砷与磷/钾/钙等营养元素的交互作用

　　3蜈蚣草中砷与钙的交互作用
　　钙是植物(包括蜈蚣草)必需的重要营养元素,同时又与砷在环境中的行为紧密相关。据研究表明,蜈蚣草中砷的累积量同时受介质中砷水平和钙水平的限制[11]。随着对土壤中砷添加量的增大,蜈蚣草累积砷量显著增加。研究不同钙水平(分别为0.03、2.50、5.00 mmol/L,以下简称为低钙、中钙和高钙处理)对蜈蚣草吸收积累砷的影响,在添加中钙和高钙处理的地上部砷累积量分别为5 336、1 811 mg/pot,为低钙处理的79.2%和27.0%。在低钙处理时,羽片中砷累积量占总砷累积量的79.3%,其次为高钙处理(78.6%)和中钙处理(78.0%)。蜈蚣草低钙处理砷累积总量最高(7 562 mg/pot),其次为中钙处理(6 019 mg/pot),高钙处理最低(2 014 mg/pot)[12]。介质钙和砷水平对蜈蚣草羽片中砷累积量和植株总砷累积量均有显著的交互作用,其中钙为负交互效应,而砷为正交互效应[13]。添加钙可促进植物累积砷,这个规律不适合蜈蚣草,通过以上数据显示提高介质中钙水平会减少其对砷的富集。因此,在植物修复或生态恢复过程中,为改良土壤pH值和肥力时,添加石灰或含钙肥料是必需的。然而在应用蜈蚣草进行砷污染土壤修复的过程中,盲目施用钙可能会降低植物累积砷量,导致其修复效率显著降低。
　　4蜈蚣草中砷与镁的交互作用
　　镁是叶绿素的重要组成成分,是催化磷酸化过程酶的关键辅助因子之一,在磷酸盐的代谢过程中起着重要的作用。蜈蚣草中,镁主要分布在蜈蚣草的羽叶中,在叶柄中的镁浓度最低,呈现出羽叶>根>叶柄的规律[14]。研究表明,在提高介质中的砷浓度时,蜈蚣草根部的镁浓度逐渐降低,但对叶柄和羽叶中的镁浓度无显著影响,即羽叶、根的转运系数随砷浓度升高而增加[15]。砷对蜈蚣草中地上部的镁浓度无明显影响,表明在高砷浓度处理下,砷的超富集植物蜈蚣草的叶绿素含量可能不受影响。在钙处理浓度达到2.5 mmol/L以上(营养液中钙镁浓度之和大于2.75 mmol/L)[14],即Ca/Mg≥10时,提高营养液中钙浓度可以使蜈蚣草中的镁浓度大幅度降低。而在高钙处理下的蜈蚣草,羽叶中的镁浓度几乎为对照处理的一半[14-15]。以上数据显示,蜈蚣草对于钙镁浓度比率的反应与其他蕨类植物相似,相对于一般农作物更加敏感。因此,将蜈蚣草用于修复土壤中砷污染时,应考虑适宜蜈蚣草生长的Ca/Mg的浓度比值,从而维持其良好生长,这样会有利于用蜈蚣草对砷污染的植物修复。
　　5蜈蚣草中砷与其他金属营养元素的交互作用
　　铁是植物体一些酶的组成成分,在氧化还原过程中起着重要的电子传递作用。通过研究表明,与对照相比在提高介质中砷浓度时会显著减少蜈蚣草地上部的铁浓度[14]。这些研究表明,砷处理的叶柄中的铁浓度远远低于对照。但Wallace等发现,提高水溶液中砷浓度能促进矮菜豆(bush bean)吸收铁、铜,砷显著降低铁在蜈蚣草中从根部向叶柄的转运能力[14],但明显促进其从叶柄向羽叶中的运转。
　　微量元素铜和锌营养与植物蒸腾作用有关,同时铜、锌浓度也会影响植物的枯萎过程。锌还参与植物生长素的形成,促进光合作用和蛋白质合成。从一些研究中可看出,0.2 mmol/L砷处理能降低蜈蚣草根部的锌浓度,其影响达极显著水平[14]。在对番茄的研究中有同样类似现象,表明砷和锌之间可能存在拮抗效应[6]。但是从蜈蚣草的试验结果看,砷处理都有利于蜈蚣草中的锌向地上部转运,其转运系数随砷浓度的提高而呈上升趋势[16]。在野外调查中发现,在一定范围内随着土壤中砷浓度的升高,羽叶中的锌浓度逐渐增大[17]。而试验室内盆栽表明,蜈蚣草有较强的耐锌能力,植物体内锌浓度随着土壤中锌浓度增加而升高,但大部分锌富集在根部[9]。除了铁和锌以外,其他金属元素在蜈蚣草羽片中的浓度受砷处理的影响不显著[18],这也表明在蜈蚣草生理功能正常的情况下,其体内的必需金属营养状况受砷的影响并不明显。因此,将蜈蚣草用于修复土壤中的砷污染时,应考虑适宜蜈蚣草生长的微量金属元素的含量,从而保持蜈蚣草良好生长,提高蜈蚣草对砷污染的生物修复能力。
　　6结论与展望
　　蜈蚣草体内磷的浓度会随着培养液中砷浓度的增加而增加,两者并不存在拮抗关系,使得蜈蚣草在含砷土壤中对磷依然具有较高的吸收能力。
　　蜈蚣草羽叶表皮细胞中砷和钾浓度呈显著正相关,但有些试验结果则显示砷对钾在蜈蚣草各部位的影响似乎没有很明显的规律。
　　蜈蚣草中砷的累积量会同时受介质中砷水平和钙水平的限制。在用蜈蚣草进行砷污染土壤的修复时,石灰或含钙添加剂需慎用,否则会减少砷累积,降低植物修复效率,所以要根据不同的情况进行调整。
　　在提高介质中的砷浓度时,蜈蚣草根部的镁浓度逐渐降低,但对叶柄和羽叶中的镁浓度无显著影响。在将蜈蚣草用于修复土壤中的砷污染时,应考虑适宜蜈蚣草生长的Ca/Mg的浓度比值,从而提高蜈蚣草对砷的生物修复能力。
　　提高介质中砷浓度可以显著减少蜈蚣草地上部的铁浓度。而蜈蚣草却有较强的耐锌能力,植物体内锌浓度随着土壤中锌浓度增加而升高,但大部分锌富集在根部。所以在蜈蚣草修复土壤中砷污染时,也要考虑植物体内的其他金属元素的含量。
　　今后在各元素与砷的交互作用方面,应深入研究蜈蚣草中砷与氮、钾等营养元素之间的交互作用;进一步加强砷与铜、锌等重金属有毒元素之间的交互作用研究。同时,应加强其他砷超积累植物砷与其他营养元素以及与重金属元素之间相互作用的研究;加强砷超积累植物有机肥料对植物修复效率的影响以及影响机理研究,以为砷污染土壤和砷污染水植物修复的科学施肥提供依据。
　　
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