多重金屬富集植物李氏禾體內(nèi)銅的化學(xué)形態(tài)研究*

梁亮　林華,2　田靜　陳俊,2　葉兵洪

(1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院　廣西桂林 541004;

2.桂林理工大學(xué)廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心　廣西桂林 541004)

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多重金屬富集植物李氏禾體內(nèi)銅的化學(xué)形態(tài)研究*

梁亮1林華1,2田靜1陳俊1,2葉兵洪1

(1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院廣西桂林 541004;

2.桂林理工大學(xué)廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心廣西桂林 541004)

摘要為了探明李氏禾對(duì)銅的吸收和解毒兩個(gè)關(guān)鍵過(guò)程機(jī)理，采取逐級(jí)提取法對(duì)李氏禾中的銅的賦存形態(tài)以及其不同組織部位中的總銅進(jìn)行了分析測(cè)定，研究結(jié)果表明：李氏禾對(duì)銅以根系吸收為主，其滯留率平均為91.47%。李氏禾根細(xì)胞組分中，乙醇提取態(tài)(F1)和醋酸提取態(tài)(F4)中的銅含量占大多數(shù)，占總量的60%～80%；李氏禾葉片中，乙醇提取態(tài)的Cu作為主要存在形態(tài)，所占比例最低的為水溶態(tài)銅含量(F2)。此外，與李氏禾富集Cr相比，由于Cr的低生物利用導(dǎo)致李氏禾根細(xì)胞中Cr的賦存形態(tài)不同，其高濃度的Cr存在于李氏禾根殘留態(tài)(F6)當(dāng)中。因此，李氏禾對(duì)銅雖不具備超富集能力，但其具備把銅大量吸附和積累到李氏禾根系的能力，搭配上其生長(zhǎng)迅速，分布廣泛的特點(diǎn)，使其在重金屬修復(fù)上有著廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞植物修復(fù)李氏禾銅逐步提取法賦存形態(tài)

Chemical Forms of Cu in Co-accumulator Leersia Hexandra Swartz

LIANG Liang1LIN Hua1,2TIAN Jing1CHEN Jun1,2YE Binghong1

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,GuilinUniversityofTechnologyGuilin，Guangxi541004)

AbstractIn order to explore the two key processes, the adsorption and detoxification of the Leersia Hexandra Swartz on Cu, the sequential chemical extraction process is applied to analyze and measure the occurrence form of copper in the Leersia Hexandra Swartz, as well as the total Cu in different parts and the results show that most of Cu in Leersia Hexandra Swartz is deposited in the root with the average retention rate of 91.47%. Moreover, the content of Cu extracted by ethanol(F1) and acetic acid(F4) in the root is largest, accounting 60%～80% of the total; meanwhile, the content of Cu extracted by ethanol in the leaf is dominant and that extracted by water is the lowest in the leaf relatively. Compared to Cr accumulation in the Leersia Hexandra Swartz, the occurrence form of Cr in the root is different because of its low bioavailability and the high concentration of Cr exists in root residue (F6). Therefore, Leersia Hexandra Swartz is not the Cu hyperaccumulator, but it has the ability to absorb and accumulate the large amount Cu to Leersia Hexandra Swartz root, with the advantages of growing rapidly and widely distributing, so it can be widely applied in heavy metals contamination remediation.

Key WordsphytoremediationLeersia Hexandra SwartzCusequential chemical extractionspeciation

0引言

銅作為營(yíng)養(yǎng)元素之一，是生物生長(zhǎng)和發(fā)育所必需的[1]，人和動(dòng)植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中所吸收的銅必須適量，一旦超過(guò)負(fù)荷，便會(huì)危及生物的正常生長(zhǎng)和發(fā)育[2]。環(huán)境中的銅多數(shù)以化合物存在，目前含銅農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)和有機(jī)肥的施用使得農(nóng)田土壤含銅量與原始土壤的含銅量相比多出幾十倍[3]。在銅污染長(zhǎng)期存在且得不到有效治理的環(huán)境中，迫使很多植物進(jìn)行選擇性進(jìn)化且在進(jìn)化過(guò)程中形成了有效的耐銅機(jī)制[4]。為了更好地認(rèn)識(shí)植物對(duì)銅的耐性以及開(kāi)展銅污染區(qū)的植物修復(fù)，研究植物體內(nèi)重金屬銅的賦存形態(tài)具有重要意義。

通過(guò)已有的研究發(fā)現(xiàn)，李氏禾對(duì)多種重金屬(其中包括Cu等)也表現(xiàn)出了較強(qiáng)的富集能力[5]。作為當(dāng)前環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，植物中Cu的不同賦存形態(tài)對(duì)環(huán)境的危害各不相同[6]。對(duì)植物體內(nèi)重金屬的賦存形態(tài)進(jìn)行分析研究，能更好地揭示植物對(duì)重金屬的耐受機(jī)制和富集機(jī)理。

本研究采用化學(xué)試劑逐步提取法對(duì)水培試驗(yàn)的李氏禾不同組織部位中的銅的含量進(jìn)行了分析測(cè)定，可為銅脅迫下植物耐性機(jī)理研究以及銅污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1材料和方法

1.1植物培養(yǎng)

本實(shí)驗(yàn)中所用的李氏禾采自非污染區(qū)的桂林市雁山區(qū)雁山鎮(zhèn)。將采集的李氏禾用超純水洗凈后，加入1/2的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液(營(yíng)養(yǎng)液配方見(jiàn)表1)并放在人工氣候箱中培養(yǎng)，每天蒸發(fā)掉的培養(yǎng)液用超純水補(bǔ)足，每4 d更換一次營(yíng)養(yǎng)液，每次更換的營(yíng)養(yǎng)液pH均維持在5.5左右，預(yù)培養(yǎng)14 d。

表1　霍格蘭氏營(yíng)養(yǎng)液配方

1.2銅處理濃度

選擇一致的李氏禾幼苗進(jìn)行銅處理(CuSO4·5H2O)。銅的處理濃度分別為0，0.1，0.2和0.3 mmol/L，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)20～30株。每天加超純水保持培養(yǎng)液的體積恒定，每4 d更換一次營(yíng)養(yǎng)液(含Cu2+)，并用0.1 mmol/L NaOH或0.1 mol/L HCl調(diào)節(jié)pH至5.5左右，45 d后取樣分析。

1.3銅的化學(xué)形態(tài)分析試驗(yàn)

采用化學(xué)試劑逐步提取法分析銅的化學(xué)形態(tài)，提取完畢各組分通過(guò)HNO3-HClO4-HF濕法消解后，用原子吸收光譜儀(A700)測(cè)定銅的含量。

2結(jié)果和分析

2.1室內(nèi)水培條件下李氏禾對(duì)Cu吸收和積累

李氏禾不同器官Cu的含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2，分析可得在人工氣候箱水培條件下，3個(gè)Cu處理組李氏禾根部和葉片的平均Cu含量均明顯高于對(duì)照組，分別是對(duì)照組的91.91倍和8.50倍。銅脅迫下李氏禾不同器官對(duì)Cu的吸收與積累能力具有顯著差異，其中Cu在3個(gè)處理組根部的平均積累量明顯高于葉部，是葉片平均銅含量的12.36倍，其滯留率平均可達(dá)91.47%。采用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，結(jié)果表明，李氏禾根部Cu含量與營(yíng)養(yǎng)液中Cu濃度呈現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)(R=0.99，P<0.01)。以上結(jié)果表明李氏禾根部對(duì)營(yíng)養(yǎng)液中的銅具有極強(qiáng)的吸收和積累能力。

表2　李氏禾不同器官Cu的含量

隨著Cu處理濃度的增加，李氏禾根部中各結(jié)合態(tài)的銅表現(xiàn)出不同程度的變化，如表3所示。其中組分F4的銅含量隨著Cu處理濃度的增加而顯著升高，組份F1的銅含量在Cu處理濃度為0.2 mmol/L時(shí)達(dá)到峰值134.16 mg/kg，組分F2，F(xiàn)3，F(xiàn)5和F6的銅含量在Cu處理過(guò)程中均無(wú)明顯變化。

李氏禾根部各組分中Cu含量占總量的百分比如表3所示。在不同的Cu處理濃度中均以組分F4中Cu含量最高，隨著Cu處理濃度的增加其所占百分比有增加趨勢(shì)，組份F4約占到總組分的40%～50%；F1組分次之，約占到總組分的18%～32%，兩者之和約占總組分的60%～80%；F2，F(xiàn)5和F6組分銅含量所占比例均較小，在Cu處理過(guò)程中，三者所占百分比皆無(wú)明顯變化趨勢(shì)。

2.2Cu在李氏禾體內(nèi)的化學(xué)形態(tài)

由表3可知，在不同濃度的Cu脅迫下，根部和葉部中殘留態(tài)的銅含量都處于較低水平。在李氏禾根部，Cu以醋酸提取態(tài)為主，分別占其總量的39.43%,41.18%和54.90%；乙醇提取態(tài)次之，兩者之和約占其總量的60%～80%。在葉片中，Cu以乙醇和NaCl提取態(tài)為主，乙醇提取態(tài)分別占其總量的36.55%,33.94%和20.41%，NaCl提取態(tài)分別占其總量的35.79%,32.82%和24.99%。

表3　李氏禾體內(nèi)不同化學(xué)形態(tài)的Cu含量　mg/kg

注：①F1為乙醇主要提取醇溶性蛋白質(zhì)、氨基酸鹽等為主的物質(zhì)；F2為去離子水主要提取水溶性有機(jī)酸鹽等；F3為氯化鈉主要提取果膠酸鹽、與蛋白質(zhì)結(jié)合態(tài)的銅；F4為醋酸主要提取難溶于水的重金屬磷酸鹽；F5為鹽酸主要提取草酸態(tài)等；F6為最后殘留態(tài)。②括號(hào)內(nèi)數(shù)值為百分比(%)。

3結(jié)果分析與討論

無(wú)論是銅礦的開(kāi)采，冶煉需求的增加，還是人口壓力下導(dǎo)致農(nóng)作物施肥成為一種常態(tài)，無(wú)一不使重金屬污染的情況日益加劇，在重金屬污染的脅迫下植物為了生存所進(jìn)行的選擇性進(jìn)化使其獲得了被淘汰的植物體內(nèi)所不具有的耐性，而植物從外界環(huán)境中吸收的重金屬在體內(nèi)不同的化學(xué)形態(tài)又決定了應(yīng)用其作為植物修復(fù)重金屬工具的價(jià)值。不管是修復(fù)土壤中的重金屬，還是水體中的重金屬，絕大部分植物首先都是通過(guò)根系將吸收的重金屬運(yùn)往植物體內(nèi)各個(gè)部分，但植物體內(nèi)各個(gè)部分的細(xì)胞中，若出現(xiàn)大量的游離態(tài)重金屬元素都會(huì)影響植物體的正常發(fā)育。之前的研究表明，從根系吸收的重金屬在一般植物體內(nèi)的分布大概有兩種情形，一是在根部形成難溶性、低活性的鹽做大量積累，另一種則是把從根系中吸收的重金屬運(yùn)送到地上部[7]。在本研究中，由表2可知根系滯留是李氏禾積累銅的主要方式。一般植物體內(nèi)的銅含量水平普遍為5～20 mg/kg[7]。在銅脅迫下李氏禾對(duì)銅的積累量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這一水平。

重金屬對(duì)植物造成的毒害程度與重金屬在植物體內(nèi)的化學(xué)形態(tài)有關(guān)[8]。由表3可知，占總組分40%～50%的Cu(F4組分)以難溶于水的重金屬磷酸鹽沉淀在李氏禾的根系中，占總組分20%～30%的Cu(F1組分)與某些蛋白質(zhì)結(jié)合或被吸附著，降低了Cu離子的毒性，在沉淀和吸附的作用下，大量的Cu滯留于根系中，從而保證李氏禾生長(zhǎng)發(fā)育所需要的光和作用、呼吸作用等得以正常運(yùn)行。這一結(jié)果與張學(xué)洪等[9]的研究結(jié)果相比有所不同，在李氏禾富集Cr的實(shí)驗(yàn)中，Cr以其所特有的低生物利用性質(zhì)大量存在于李氏禾根殘留態(tài)(F6)中。

由表3可知，在不同Cu處理濃度下，與李氏禾根部銅的含量相比較，葉片中銅的含量顯著少于地下部。結(jié)合銅在李氏禾根部存在的化學(xué)形態(tài)，既有難溶于水的重金屬磷酸鹽，又有與蛋白質(zhì)結(jié)合而降低了活性的銅離子，都極大地限制了向地上部運(yùn)輸Cu的能力。由表3可知，李氏禾葉片中乙醇提取態(tài)和NaCl提取態(tài)的Cu在對(duì)照組和處理組中占較大比重。乙醇作為主要提取醇溶性蛋白質(zhì)或氨基酸鹽為主的提取劑，NaCl作為主要提取果膠酸鹽或與蛋白質(zhì)結(jié)合的銅的提取劑，反映出李氏禾葉片中的Cu主要以蛋白質(zhì)結(jié)合態(tài)存在。Cu與蛋白質(zhì)結(jié)合成穩(wěn)定的金屬有機(jī)絡(luò)合物，有效減少了葉片中游離態(tài)的Cu，降低了因重金屬Cu造成氧自由基大量形成的風(fēng)險(xiǎn)，避免了氧自由基對(duì)細(xì)胞造成的損害。李氏禾葉片中的Cu與蛋白質(zhì)相結(jié)合或吸附所形成的有機(jī)絡(luò)合物可能是李氏禾對(duì)Cu的重要解毒機(jī)制。

4結(jié)論

(1)與對(duì)照組相比，李氏禾對(duì)Cu具有一定的積累和富集作用。李氏禾主要通過(guò)根系從營(yíng)養(yǎng)液中吸收Cu，且對(duì)Cu的吸收能力極強(qiáng)。

(2)從賦存形態(tài)上看，3個(gè)Cu處理組中根部的Cu主要為醋酸提取態(tài)和乙醇提取態(tài)，葉片中的Cu主要為乙醇提取態(tài)和NaCl提取態(tài)。

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林華，男，1984年生，博士研究生，主要研究方向?yàn)橹亟饘傥廴炯盎謴?fù)生態(tài)學(xué)。

職業(yè)安全與健康

(收稿日期：2015-03-31)

作者簡(jiǎn)介梁亮，男，1988年生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹亟饘傥廴炯盎謴?fù)生態(tài)學(xué)。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(41361085)，“八桂學(xué)者”建設(shè)工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助，廣西危險(xiǎn)廢物處置產(chǎn)業(yè)化人才小高地基金資助，廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任基金(桂科能1401Z002)。