常見植物對重金屬鉈吸收特征研究

張福祎，姚 焱，張 平，劉文峰，耿新華，黎秀苑，劉 芳

（1.廣州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣東 廣州 510006）

鉈（Tl）是一種毒害重金屬元素，主要存在于鉀、硫化物的礦物中，其作為污染物進(jìn)入環(huán)境主要是來自燃煤和金屬冶煉。土壤中鉈離子活躍，比砷（As）、汞（Hg）等重金屬更容易被農(nóng)作物吸收和積累［1］，進(jìn)而通過食物鏈進(jìn)入人體并發(fā)生累集，對人體健康造成危害［2］。鑒于鉈的毒害性，美國、歐盟及我國均已將其列為重點(diǎn)防控的重金屬污染物之一。

鉈具有一價(jià)和三價(jià)兩種價(jià)態(tài)。研究普遍認(rèn)為Tl+比T13+更穩(wěn)定，是環(huán)境中的主要存在形式而得到更多關(guān)注，T13+的研究相對較少［3］。但是T13+毒性是T1+的數(shù)千倍［4］，對生物影響更大。目前階段有關(guān)鉈的環(huán)境生物研究主要是以總量鉈的生物效應(yīng)為主［5］，沒有區(qū)分Tl+和T13+對生物的影響。然而，在冶煉工業(yè)中，鉈是Tl+和Tl3+混合的釋放源，意大利廢棄礦區(qū)溪流中T13+含量占總鉈量的40%［6］。針對環(huán)境中Tl+和Tl3+共存的現(xiàn)狀，研究植物對Tl+與Tl3+吸收積累的特征，對進(jìn)一步明確植物吸收鉈的機(jī)制，用于植物環(huán)境修復(fù)和保障農(nóng)作物食品安全有重要意義。

鉈是鉀的化學(xué)類似物，Tl+與K+有相近的離子半徑［7］，Tl+吸收入植物根系的形式可能與K+類似［8］。在淡水浮游生物小球藻的毒性試驗(yàn)中，Tl+與K+之間存在競爭作用，K+摩爾濃度為Tl+的40～160倍，可以有效抑制植物對鉈的吸收［9］。K+與T13+共存是否也會存在競爭而影響植物對T13+的吸收未見相關(guān)報(bào)道。

蕨類植物普遍對重金屬具有較強(qiáng)的富集或耐受性［10］；十字花科植物也具有較強(qiáng)的鉈富集能力［11］。本研究選取4種華南地區(qū)常見植物腎蕨（Nephrolepis auriculataL.）、十字花科植物菜心（Brassica campestrisL.）和甘藍(lán)（Brassica oleraceaL.）以及水生植物狐尾藻（Myriophyllum verticillatumL.）為材料，利用水培培養(yǎng)方法，開展這4種植物對Tl+和Tl3+的吸收速率、富集量，植物體內(nèi)鉈價(jià)態(tài)存在形式及K+是否影響植物對Tl+和Tl3+吸收的研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采集蕨類植物（腎蕨）、水生植物（狐尾藻）和十字花科植物（菜心、甘藍(lán)），每種植物選擇健狀、生長量一致的植株，將根部沖洗干凈后放入清水中培養(yǎng)2 d后，用于實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用容器為250 mL燒杯或100 mL玻璃瓶，瓶口用保鮮膜密封。植物培養(yǎng)均在恒溫光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行，試驗(yàn)期間保持植物根部以下浸沒在水培溶液中。

1.2 4種植物對Tl+和Tl3+吸收的比較實(shí)驗(yàn)

用TlNO3和去離子水配制鉈母液，使用時取適量鉈母液加入去離子水稀釋配置出不同濃度的Tl+溶液。Tl3+實(shí)驗(yàn)組用過量3%溴水將溶液中的Tl+氧化為Tl3+，80℃水浴加熱去除剩余溴后獲得。調(diào)節(jié)Tl+和Tl3+水培溶液pH值為6.0，以適應(yīng)植物水培實(shí)驗(yàn)。將選取的供試植物分別放入Tl+和Tl3+培養(yǎng)液中，每實(shí)驗(yàn)組重復(fù)3次，同時以去離子水作空白對照，置于恒溫光照培養(yǎng)箱，溫度為22（±1）℃ ，每天光照12 h培養(yǎng)。每隔24 h對Tl+和Tl3+水培溶液的鉈濃度進(jìn)行測量。將植物在105℃下烘干4 h后測其干重，計(jì)算植物對Tl吸收量。

1.3 K+ 影響Tl+和Tl3+吸收的比較實(shí)驗(yàn)

在植物放入培養(yǎng)液之前，Tl+和Tl3+溶液中按比例添加KNO3，使Tl+或Tl3+與K+比例分別為 1∶1、1∶25，以不添加 K+的 Tl+和 Tl3+溶液作對照，每個價(jià)態(tài)設(shè)3個處理（Tl，Tl∶K=1∶1，Tl∶K=1∶25），每個處理3次重復(fù)，置于恒溫光照培養(yǎng)箱，溫度為22（±1）℃ ，每天光照12 h培養(yǎng)，相同水培時間內(nèi)測定植物鉈含量，比較植物對2種價(jià)態(tài)鉈的吸收能力。

1.4 植物鉈價(jià)態(tài)及含量測定方法

植物樣品中鉈價(jià)態(tài)的分析及含量測定參照文獻(xiàn)［12-13］。待測植物根部樣品處理：將植物地上部分和地下部分分開，吸干根部表面水分，測定各樣本鮮重，再對根部進(jìn)行稀酸浸泡處理15 h后過濾浸泡液。將過濾后的植物樣品待測液3 mL、1 mol/L鹽酸0.5 mL、2.0 g/L羅丹明B溶液0.5 mL及乙醚2 mL加入到10 ×100 mm的平口玻璃管中。充分振蕩后靜置反應(yīng)30 min至分成清晰的醚、水兩相，用膠頭滴管吸取分開兩相。在乙醚相中加入10 g/L亞硫酸鈉1 mL與1滴1∶1硫酸后放置4 h，使乙醚揮發(fā)，后加水至4 mL。經(jīng)0.45 μm濾膜過濾2次后，用火焰原子吸收法（iCE 3500火焰原子吸收分光光度計(jì)，Thermo Electron Corporation）測定水相與乙醚相中的Tl含量（水相中為Tl+含量，乙醚相中為Tl3+含量）。

培養(yǎng)液中鉈含量測定方法：定期取植物水培溶液，利用相同方法及條件進(jìn)行鉈含量檢測。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel和SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中方差分析用One-way ANOVA法。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉈處理液濃度的確定

試驗(yàn)比較了2種鉈濃度（以Tl+為測試液，10 μmol/L和25 μmol/L）下菜心和狐尾藻對Tl的吸收能力，為后續(xù)試驗(yàn)確定適宜的鉈溶液濃度。試驗(yàn)結(jié)果見圖1，2種鉈濃度處理狐尾藻與菜心均隨處理時間的延長，溶液中Tl濃度逐漸下降，但2種植物對鉈吸收的速率不同：狐尾藻在處理0～24 h，鉈溶液濃度快速下降，處理24～72 h吸收放緩；而菜心在處理0～72 h，鉈溶液濃度平緩下降，沒有明顯的快速下降階段，處理24 h菜心對鉈的吸收速率明顯低于狐尾藻。同時，以10、25 μmol/L Tl溶液處理的2種植物，均表現(xiàn)出濃度越高，植物的吸收速率越大。由此可見，2種植物在同一鉈濃度處理的吸收速率不同，狐尾藻高于菜心；25 μmol/L鉈濃度處理的2種植物對鉈的吸收效果更明顯，更便于檢測。據(jù)此，將后續(xù)實(shí)驗(yàn)Tl測試濃度確定為25 μmol/L較為合適。

圖1 狐尾藻與菜心2種鉈濃度處理的吸收差異

2.2 4種植物對Tl+和Tl3+吸收速率比較

在Tl+和Tl3+兩種鉈濃度下對4種植物分別處理24 h的結(jié)果顯示，在不同植物中兩種價(jià)態(tài)鉈的吸收情況表現(xiàn)不同。從圖2可以看出，在單位時間下每單位鮮重根對鉈的吸收速率表現(xiàn)為：腎蕨、狐尾藻、菜心對Tl3+的吸收速率較Tl+快，而甘藍(lán)對于Tl+的吸收速率則較Tl3+稍快。其中，腎蕨對Tl3+的吸收速率最大；同時，腎蕨與甘藍(lán)對Tl+的吸收速率均高于狐尾藻和菜心?？梢?，在4種植物中，腎蕨均表現(xiàn)出對Tl+和Tl3+的較大吸收速率。

圖2 4種植物對兩種價(jià)態(tài)鉈的吸收速率比較

2.3 Tl+和Tl3+在植物中富集比較

2.3.1 Tl+和Tl3+在植物總富集量比較 因取用多種植物作為試驗(yàn)材料，不同植物種類間含水量存在較大差異，為減少試驗(yàn)樣品個體對實(shí)驗(yàn)的誤差影響，均采取植物總干重（DW，地上和地下部分總和）計(jì)算不同植物對鉈的總富集量。由表1可知，2種價(jià)態(tài)鉈處理對植物鉈富集量影響不同，不同植物對Tl+和Tl3+富集量也有差異：Tl+處理的狐尾藻的鉈富集量最低；Tl3+處理甘藍(lán)的鉈富集量顯著低于其他植物；Tl3+處理的腎蕨、狐尾藻、菜心的鉈富集量較Tl+處理高，而Tl+處理的甘藍(lán)的鉈富集量則高于Tl3+處理。菜心在兩種價(jià)態(tài)鉈處理下都表現(xiàn)出較高的鉈富集。

表1 兩種價(jià)態(tài)鉈處理4種植物的鉈總富集量 （mg/kg，DW）

2.3.2 Tl+和Tl3+在植物根部富集量比較 圖3顯示，Tl+或Tl3+處理下4種植物根部的鉈富集量分別占植物總富集量的50%～70%左右，表明2種價(jià)態(tài)鉈短期處理下，植物對鉈的吸收富集都主要集中在根部。

圖3 兩種價(jià)態(tài)鉈處理4種植物根部鉈富集量占比

由表2可知，Tl+或Tl3+處理4種植物根部干重的鉈富集量差異情況與總鉈富集量的表現(xiàn)大體一致：Tl+處理狐尾藻根部鉈富集量最低；Tl3+處理甘藍(lán)根鉈富集量顯著低于其他植物；Tl3+處理腎蕨、狐尾藻、菜心根部鉈富集量較Tl+處理高，而Tl+處理甘藍(lán)根部鉈富集量則高于Tl3+處理。菜心較其他植物在兩種價(jià)態(tài)鉈處理下根部都表現(xiàn)出較高的鉈富集。

表2 兩種價(jià)態(tài)鉈處理4種植物根部鉈富集量 （mg/kg，DW）

2.4 植物根部鉈的價(jià)態(tài)特征

由圖4可知，Tl3+處理的4種植物根部都檢測到Tl+和Tl3+存在，而且Tl+的含量較Tl3+高很多，均達(dá)到70%以上。表明植物體內(nèi)Tl的價(jià)態(tài)主要以Tl+形式存在。

2.5 K+影響Tl+和Tl3+在甘藍(lán)中的富集

從表3可以看出，兩種價(jià)態(tài)鉈處理添加鉀比例為Tl∶K=1∶1時，甘藍(lán)不同部位的鉈含量與對照相近；當(dāng)Tl∶K=1∶25時，兩種價(jià)態(tài)鉈處理的甘藍(lán)地上部及地下部對鉈的富集量均比對照有所降低。這反映了K+抑制甘藍(lán)對Tl+和Tl3+的吸收，需要K在較高比例下實(shí)現(xiàn)。在添加K+后，根系對兩種價(jià)態(tài)鉈的富集量均顯著下降。表明K+對Tl+和Tl3+均具有拮抗抑制作用，可以影響甘藍(lán)對Tl+和Tl3+的鉈富集。

圖4 Tl3+處理4種植物根部兩種價(jià)態(tài)鉈含量占比

表3 鉀添加對兩種價(jià)態(tài)鉈處理甘藍(lán)不同部位鉈含量的影響 （mg/kg，DW）

3 結(jié)論與討論

3.1 不同植物對Tl+和Tl3+吸收特性

相關(guān)研究表明，鉈在植物中的含量與植物種類、土壤中鉈的結(jié)合形態(tài)和土壤中鉈的含量有關(guān)。本試驗(yàn)中，隨著鉈水培液初始濃度由10 μmol/L增加至25 μmol/L，可促進(jìn)腎蕨、狐尾藻、菜心、甘藍(lán)等4種植物對鉈的吸收效果，在較高鉈濃度下植物對鉈的吸收能力有所提高。鉈的形態(tài)分析顯示Tl3+在酸性溶液中更具穩(wěn)定性，而田間樣品分析表明，僅酸化環(huán)境不足以維持Tl+和Tl3+的原始分布狀況［14］。對于一種鉈的高累積植物白芥（Sinapis alba），其對Tl+具有高度耐受性，能夠?qū)⒋罅康腡l+積累并運(yùn)送到植物地上部。除對Tl+的優(yōu)勢吸收外，在尾礦沉積物存在下的植物提取物中也發(fā)現(xiàn)了可觀量的Tl3+（占總鉈含量約 10%）［15］。

本試驗(yàn)中，腎蕨、狐尾藻、菜心對Tl3+的吸收速率較Tl+快，而甘藍(lán)對于Tl+的吸收速率則比Tl3+稍快。4種植物中，腎蕨均表現(xiàn)出對Tl+和Tl3+的較大吸收速率，分別為0.004、0.007 mg/g·h。本研究結(jié)果還表明，植物對兩種價(jià)態(tài)鉈的吸收富集都主要集中在根部（約占植物總鉈富集量的50%～70%左右），Tl+或Tl3+處理的4種植物在植物總鉈富集量和根部鉈富集量的表現(xiàn)大體一致。甘藍(lán)在Tl3+處理下的鉈富集量為255.22 mg/kg（DW），顯著低于其他植物，但其在Tl+處理下的鉈富集量高于Tl3+處理?？傮w上，Tl3+處理狐尾藻的鉈富集量最大，為681.97 mg/kg（DW）；Tl+處理甘藍(lán)的鉈富集量最大，為473.30 mg/kg（DW），Tl+和Tl3+處理菜心都具有較高的鉈富集。

植物根部的鉈價(jià)態(tài)分析表明，無論Tl+或Tl3+處理，不同植物品種根部富集鉈大部分都以Tl+形式存在。特別是Tl3+處理，最終植物體內(nèi)檢測到的Tl+可以達(dá)到70%以上，這可能是植物根系吸收Tl3+進(jìn)入植物體還原為Tl+，隨后以Tl+為主導(dǎo)在植物體內(nèi)鉈富集。因Tl+的毒性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Tl3+，通過價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化在植物體內(nèi)的鉈被還原成Tl+，這可能是植物解鉈毒害的機(jī)理之一。

Villaverde等［16］曾提出一個潛在的損害生物細(xì)胞膜的機(jī)理，即Tl+與磷酸酯膜相互作用，并且增加了膜的滲透性。Tl3+的毒性是Tl+的5 000倍，但Tl+和Tl3+都有增強(qiáng)細(xì)胞活性氧產(chǎn)量、降低線粒體的功能［17］。這些生理上的變化可能是引起不同植物對Tl+和Tl3+吸收差異的原因。

3.2 K+對Tl+和Tl3+在植物中富集的影響

在受到鉈污染種植土壤的周邊農(nóng)作物中，Tl在番薯、生菜、茄子、毛豆、芋頭、油麥菜6種農(nóng)作物中的含量變化范圍為20.69～176.7 mg/kg，表現(xiàn)出明顯的生物富集效應(yīng)［18］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，Tl+處理甘藍(lán)地上部和地下部的鉈含量均高于Tl3+處理，其中地下部的鉈含量更是遠(yuǎn)大于Tl3+處理地下部的鉈含量，表明甘藍(lán)對Tl+的吸收富集能力較Tl3+強(qiáng)。

類似磷與砷的相互關(guān)系中，有研究表明營養(yǎng)液中增加磷含量能減少植物對砷的吸收，增強(qiáng)植物對砷的耐受能力。不同砷濃度處理下地上部磷與砷含量存在顯著相關(guān)性，說明對磷吸收能力強(qiáng)的植物對砷的吸收能力也強(qiáng)。這可能與磷砷共用一個轉(zhuǎn)運(yùn)通道及其吸收受同一個基因控制有關(guān)［19］。大豆通過調(diào)節(jié)各部位氮、磷、鉀含量來適應(yīng)砷污染環(huán)境，高砷毒害的實(shí)質(zhì)是通過抑制大豆根系和莖葉中的氮、磷、鉀養(yǎng)分向地上部分和大豆籽粒轉(zhuǎn)移從而抑制地上部分的生長和大豆籽粒的形成［20］。由于Tl+和K+的離子半徑相近，Tl+往細(xì)胞中的傳輸很有可能是通過Na+/K+聯(lián)合傳輸機(jī)制實(shí)現(xiàn)，研究還表明植物組織中Tl的形態(tài)主要是Tl+［21］，因相較Tl3+難與別的配位基團(tuán)形成絡(luò)合物。這也是在植物吸收系統(tǒng)中Tl+和Tl3+與鉀競爭關(guān)系的重要原因。在K+影響Tl+和Tl3+吸收的比較實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果表明Tl∶K=1∶1時K+對Tl+和Tl3+在植物中富集的影響不明顯，在Tl與K比例為1∶25時，兩種價(jià)態(tài)鉈處理下甘藍(lán)地下部的鉈含量出現(xiàn)明顯減少。K+對Tl+和Tl3+均具有拮抗抑制作用，可影響植物對Tl+和Tl3+的富集。在有大量K+存在下的鉈水培溶液中，能起到減弱植物對Tl+和Tl3+吸收富集的效用。

還有研究表明，Tl在甘藍(lán)、披針葉屈曲花等十字花科植物體中的富集，與植物體對土壤中Ca和Mg的吸收具有明顯的正相關(guān)性，可能是Ca和Mg起到了促進(jìn)植物抗毒性的作用。本試驗(yàn)對于Tl+和Tl3+與鉀的相互影響僅選取甘藍(lán)一種植物，需增加植物種類進(jìn)一步驗(yàn)證K+對Tl+和Tl3+的拮抗抑制作用，為K+與Tl+和Tl3+的相互關(guān)系研究提供理論數(shù)據(jù)。

綜上所述，植物對Tl+和Tl3+的吸收速率與鉈富集量在不同植物中表現(xiàn)有所不同。腎蕨對Tl3+具有更快的吸收速率，甘藍(lán)對Tl+和Tl3+吸收速率表現(xiàn)相近。狐尾藻對Tl3+有較大的鉈富集量，甘藍(lán)對Tl+有較大的鉈富集量?？傮w上，腎蕨表現(xiàn)出對Tl+和Tl3+的較大吸收速率，菜心對Tl+和Tl3+都具有較高的鉈富集量。植物根部的鉈價(jià)態(tài)分析表明，無論試驗(yàn)中所用鉈源是一價(jià)鉈或三價(jià)鉈，通過根系吸收進(jìn)入植物體內(nèi)的鉈存在形式都以一價(jià)鉈為主導(dǎo)。K+不僅對Tl+具有拮抗抑制作用，并且也會降低植物對Tl3+的鉈富集量。水培實(shí)驗(yàn)下植物對Tl+的鉈富集量比Tl3+更高，植物對兩種價(jià)態(tài)鉈的吸收富集明顯集中在根部。

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