Crotalaria L.属植物在镍污染土壤中的生长响应与植物修复潜力

《Agriculture》：Growth Responses and Phytoremediation Potential of Species of the Genus Crotalaria L. in Ni-Contaminated Soil Beatriz Silvério dos Santos, Matheus Ribeiro Brambilla, Roberta Possas De Souza, Gabriela da Silva Raqueti, Mariana Bocchi da Silva, Beatriz Gon?alves Pereira Costa, Tiely Sakurai, Jailson Vieira Aguilar and Liliane Santos de Camargos

　　

：镍(Ni)在环境中过量存在时，可通过食物链生物累积，对植物和动物产生毒性。植物修复代表了一种利用植物进行土壤去污染的可持续替代方案。本研究旨在评估四种Crotalaria植物在镍污染土壤中种植时的生长状况和植物修复潜力。该研究在温室中进行，采用随机区组设计和4 × 5因子方案，包含四个物种（C. juncea、C. spectabilis、C. breviflora和C. ochroleuca）和五种镍处理（0、35、70、140和280 mg kg?1）。当镍浓度达到70 mg kg?1时，与对照相比，C. juncea的地上部分干物质减少了约52%，C. ochroleuca减少了53%，C. breviflora减少了81%，C. spectabilis减少了46%。C. juncea、C. ochroleuca和C. breviflora在35 mg kg?1浓度下保持了令人满意的生长，并且对于C. breviflora，此浓度增加了根干物质。所有物种均显示出较高的镍向地上部的转运能力，表明其具有植物提取潜力。观察到的浓度未达到通常用于定义超富集植物的阈值（>1000 mg kg?1干物质）。然而，在C. spectabilis中，最高的镍剂量导致了根部转运的增加和地上部转运的减少。因此，Crotalaria物种显示出镍植物修复的潜力，尽管它们在生长、累积和镍动员策略上存在差异。

1. 研究背景与目的

镍(Ni)是一种微量营养素，直接参与氮代谢和植物生长，在衰老、脲酶活性甚至植物防御相关化合物（植物抗毒素）的合成中扮演重要角色。然而，镍在钢铁和合金生产中被广泛使用，并可通过工业废物、化石燃料燃烧和采矿活动释放到环境中，造成污染。高浓度的镍可在食物链中生物累积，对人类和动物健康构成威胁，导致肺纤维化、肾脏和心血管疾病以及呼吸道癌症等一系列病理效应。根据巴西法规，土壤中镍的预防值为30 mg kg^?1（干重），而农业用地的干预值则大于190 mg kg^?1。有毒水平的镍会改变植物结构，导致叶片坏死、根茎系统缩短，并降低生物量和作物产量。在植物代谢中，高浓度镍可诱导氧化应激，破坏其他营养元素的吸收和积累，抑制光合作用，改变蒸腾作用，甚至导致植物死亡。

尽管植物修复作为一种利用植物进行环境修复的低影响、经济可行的技术受到关注，但关于镍对豆科植物影响的理解仍存在空白，尤其是在物种多样性和分析变量方面。大多数研究集中于少数物种，而豆科植物中的许多属，如Crotalaria，其镍耐受机制、吸收、转运和积累策略仍知之甚少。Crotalaria L.属植物因其在重金属污染土壤中表现出植物提取和植物稳定策略而备受关注。因此，本研究旨在比较四种Crotalaria物种在镍污染土壤中种植时的镍累积效率、转运模式及耐受性差异，评估其植物修复潜力。

2. 主要技术方法

本研究在温室中进行，采用随机完全区组设计（RCBD）和4（物种）× 5（镍浓度）因子方案。四种Crotalaria物种（C. juncea, C. spectabilis, C. breviflora, C. ochroleuca）的种子购自商业公司（BRSEEDS?）。实验土壤为典型的贫瘠红色砖红壤，采自巴西马托格罗索州Selvíria的教学、研究和推广农场，深度0-40厘米。镍以六水合硫酸镍(NiSO₄·6H₂O)形式人工施加，设置五个处理浓度（0、35、70、140和280 mg kg^?1）。植株在生殖阶段前（种植54天后）收获，测定生长参数（地上部和根部干物质、茎长和根长）。通过电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定植物组织（根和地上部）和土壤中的镍浓度。植物修复潜力通过计算镍在地上部和根部的累积量、转运指数、转移因子和耐受指数来评估。数据分析采用方差分析（ANOVA）、Tukey检验和主成分分析（PCA）。

3. 研究结果

3.1. 镍污染土壤中物种的生长情况

镍浓度对四种Crotalaria物种的生长产生了显著影响。具体而言，当镍浓度达到70 mg kg^?1时，与对照相比，所有物种的地上部分干物质（SDM）均显著下降，其中C. breviflora降幅最大（81%）。在35 mg kg^?1浓度下，C. juncea、C. ochroleuca和C. breviflora保持了令人满意的生长，且C. breviflora的根干物质（RDM）有所增加。对于根长，仅在处理浓度效应上观察到差异，T0和T35处理导致更大的根长，而T70和T280处理则降低了根长。

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3.2. 土壤和植物中的镍

土壤中镍的初始量化证实，所有物种均在等效的污染条件下建立。T280处理的土壤镍浓度最高，其次是T140、T70、T35和T0。种植后，土壤中镍的分布趋势保持不变，表明初始浓度直接影响植物-土壤相互作用后的残留镍含量。

3.3. 植物修复利用潜力

在镍累积方面，不同物种和剂量下存在差异。在T35处理下，C. ochroleuca在地上部的镍累积量（NiACS）最高。在T280处理下，C. ochroleuca再次表现出最高的地上部累积，而C. spectabilis则在T70和T140处理下根部累积量（NiACR）较高。关于转运指数，C. ochroleuca在对照和T280处理下均表现出较高的地上部转运指数（TIS）。在T280处理下，C. spectabilis的根部转运指数（TIR）最高，而地上部转运指数最低。耐受指数（TI）分析表明，C. juncea、C. spectabilis和C. ochroleuca在高达T70的浓度下对镍具有耐受性，而C. breviflora仅在T35浓度下表现耐受。在T140和T280处理下，所有物种的耐受指数均低于0.5，表明在这些条件下物种未表现出耐受性。

3.4. PCA（主成分分析）和皮尔逊相关

主成分分析解释了总方差的64.2%，其中Dim1占45%，Dim2占19.2%。分析显示，低剂量（0和35 mg kg^?1）与生长变量（DMS、DMR、TI）相关，聚集在右侧；而高剂量（140和280 mg kg^?1）则与镍累积变量（NiSAC、NiSBC）相关，位于左侧。C. ochroleuca沿Dim2与其他物种区分开，与茎长（SG）相关。C. spectabilis和C. juncea在高剂量下与镍累积变量更密切相关。C. breviflora的响应模式则较为分散。

皮尔逊相关矩阵显示，生长变量（DMR、DMS、TI、TFR、TFS）之间存在强正相关。而土壤镍浓度（NiSBC、NiSAC）与干物质变量（DMR、DMS）及TI、TFR、TFS呈强负相关。根部转运指数（TIR）与地上部转运指数（TIS）呈强负相关。

4. 讨论与结论总结

讨论部分总结：

研究讨论了四种Crotalaria物种对镍的不同响应策略。C. breviflora在35 mg kg^?1浓度下表现出最佳的生物量响应，且在中等污染条件下显示出较高的镍吸收和转运效率，其地上部镍累积量显著高于某些报道的物种。C. juncea在生物量生产方面表现突出，且在35 mg kg^?1浓度下能维持生长，其在70 mg kg^?1下的高地上部累积表明其具有有效的内部镍转运机制。C. ochroleuca在35 mg kg^?1下表现出最优的生长、累积和植物修复指标，其高地上部累积和高转运指数表明其具有高效的镍从土壤到植物及在组织内分配的潜力，可能涉及金属转运蛋白活性差异和Ni-配体复合物的形成。C. spectabilis在70 mg kg^?1下表现出最高的根部累积和转移因子，在最高浓度（280 mg kg^?1）下表现出更高的根部转运和降低的地上部转运，这可能与增强的液泡隔离机制有关，类似于在Noccaea物种中观察到的IREG2转运蛋白表达增加导致的根部镍滞留。

所有物种均显示出将镍优先转运至地上部的趋势，这对基于植物提取的修复策略具有重要意义。然而，本研究中观察到的镍累积浓度仍低于通常定义超富集植物的阈值（>1000 mg kg^?1干物质）。因此，Crotalaria物种应被视为在中等污染水平下具有应用潜力的植物修复候选物种，而非严格的超富集植物。

研究结论翻译：

C. juncea、C. spectabilis和C. ochroleuca在35和70 mg kg^?1的镍浓度下表现出耐受性，而C. breviflora仅在35 mg kg^?1下耐受。然而，这些物种在生长、金属累积和动员方面表现出不同的响应策略。35 mg kg^?1的浓度促进了植物发育和镍累积，而高于70 mg kg^?1的浓度则导致生长参数下降。

C. juncea因其较高的生物量生产能力和在35 mg kg^?1金属暴露下维持生长的能力而表现突出。尽管在70 mg kg^?1下生长受到影响，但该物种表现出最高的地上部镍累积。C. breviflora在35 mg kg^?1下表现出高镍转运能力，表明在该条件下具有植物提取潜力。

在所评估的物种中，C. ochroleuca表现出最高的地上部镍累积，且与剂量无关，这与该器官的高金属转运能力相关。C. spectabilis在280 mg kg^?1下表现出更大的根部滞留，这更符合植物稳定行为特征，尽管它在140 mg kg^?1下也表现出较高的地上部累积。

因此，Crotalaria物种在镍浓度不超过70 mg kg^?1的污染土壤中，显示出用于植物修复策略的潜力。