蕨類植物吸收磷、砷和銻的機理研究

管仁權(quán) 滕 江 鄭榮晶 王 丹

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇句容 212400）

蕨類植物是一種生命力很強的植物，現(xiàn)存的蕨類植物大約有12 000種，普遍散布于世界各地，尤其是在熱帶和亞熱帶地區(qū)的種類最為多樣。我國大約有2 600種蕨類植物，僅在云南省就有1 000多種，因而在國內(nèi)云南省有“蕨類王國”之稱。蕨類植物具有很高的經(jīng)濟價值，如井欄邊草可以用于治療腸炎、腮腺炎、濕疹、便血等；蜈蚣草內(nèi)的多酚物質(zhì)具有很強的抗氧化特性；還有不少蕨類可以食用，常見的有蕨粉等，味道鮮美。

目前，土壤重金屬污染愈來愈嚴重，許多土壤治理方法在應(yīng)用中存在一定問題。植物修復(fù)法成本低、修復(fù)效果好，因而研究植物對重金屬的富集吸收過程與機理有很重要的意義。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，蕨類植物能吸收一些重金屬元素，如現(xiàn)在公眾普遍關(guān)注的毒性大的砷（As）、銻（Sb）等。砷的毒性和致癌、致畸、致突變效應(yīng)使其被美國環(huán)境保護署列為首要有害物質(zhì)[1]；銻是一種對人體和動物具有毒性及致癌性，并導(dǎo)致肝、皮膚、呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)方面疾病的重金屬元素，具有典型的親硫性和親氧性[2]。除銻礦開采所造成的污染外，銻造成的環(huán)境污染也因銻化合物用量的增加而越來越嚴重[3-5]。因此，要加強關(guān)于這方面的基礎(chǔ)研究。蕨類植物對重金屬污染具有修復(fù)作用，因而筆者希望通過研究蕨類植物對于重金屬的吸收機制來實現(xiàn)用蕨類植物對重金屬污染土壤的修復(fù)作用。植物體內(nèi)的磷作為細胞原生質(zhì)的組分存在，對細胞的生長和增殖有重要作用；磷肥還能夠促進植物苗期根系的生長，使植物提早成熟。過量施用磷肥會導(dǎo)致環(huán)境污染。植物體內(nèi)的磷含量通常與植物品質(zhì)有一定關(guān)聯(lián)，通過植物中的含磷量可以推算出植物對土壤中磷的消耗量，以此作為治理磷污染的參考指標(biāo)。

本文通過試驗來研究井欄邊草等幾種蕨類植物對重金屬污染物的吸收機理，有助于更好地利用蕨類植物修復(fù)重金屬土壤污染。

1 材料與方法

1.1 植物中磷、砷、銻的來源及危害

1.1.1 來源。植物中的砷、銻大多來自土壤，植物從土壤中吸收養(yǎng)分及其他一些元素。砷在世界土壤中的含量是0.1～58.0 mg/kg，中位值是6.0 mg/kg；銻在土壤中的背景濃度范圍為0.05～4.00 mg/kg，通常<1.0 mg/kg[6]。中國是最大的銻生產(chǎn)大國，砷、銻污染現(xiàn)狀不容樂觀[7]：除了礦山開采和冶煉、礦區(qū)尾礦的風(fēng)化和淋濾以外，污染大氣的沉降、污水的排放等也是造成土壤砷、銻污染的原因。

近年來，受人類活動等影響，土壤中的砷、銻污染日益嚴重。傳統(tǒng)的污染治理一般采用基于機械物理或物理化學(xué)原理等的工程措施，比如電化學(xué)法等。雖然這些傳統(tǒng)方法快捷、高效，但是設(shè)備成本高、實現(xiàn)困難，并不適宜大面積的土壤污染防治，還可能導(dǎo)致土壤生物活性下降和土壤肥力退化，只能減緩污染，而不能從根本上解決重金屬污染問題?，F(xiàn)在很多學(xué)者研究生物修復(fù)技術(shù)，利用生物體對土壤和水中污染物的吸收、降解、轉(zhuǎn)化，使污染物濃度下降到正?；蛘攮h(huán)境可以接受的水平，減少或防止重金屬向周圍擴散。生物修復(fù)技術(shù)具有能耗低、成本低、對環(huán)境擾動少和技術(shù)操作簡單等優(yōu)點[8]。生物修復(fù)包括土壤動物修復(fù)、微生物修復(fù)、植物修復(fù)，而蕨類植物正是植物修復(fù)中的“佼佼者”。

土壤中磷可以分為兩大類，即有機態(tài)磷和無機態(tài)磷[9]。有機態(tài)磷來源于有機肥和生物殘體，需要經(jīng)過土壤微生物分解后才能被作物吸收利用。無機態(tài)磷以磷酸鹽形式存在，其含量與土壤母質(zhì)成比例。在土壤無機態(tài)磷和有機態(tài)磷中，有少部分能直接被作物吸收利用，這部分磷稱為土壤速效磷，其含量與土壤熟化程度、有機肥施用量等條件有關(guān)。

1.1.2 磷、砷、銻元素過多造成的危害。磷作為一種營養(yǎng)元素存在于土壤中，能促進植物根系發(fā)育，對植物品質(zhì)的提高有重要作用。但是，磷含量過高會造成富營養(yǎng)化等污染，即在人類活動的影響下，氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進入湖泊等緩流水體，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，導(dǎo)致水體溶解氧持續(xù)下降、水質(zhì)惡化發(fā)臭、水生生物大量死亡[10]。研究表明，適量的砷有助于血紅蛋白的合成，能夠促進動物的生長發(fā)育；過量的砷、銻對人體和環(huán)境生物具有毒性作用，在動植物中累積會有致癌性。

1.2 試驗材料

1.2.1 供試植物。本試驗所用井欄邊草、鳥巢蕨和波士頓蕨來源于江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院內(nèi)，以這3種蕨類植物為試驗材料（表1），并分別對其根、莖、葉進行磷、砷和銻含量的測定，同時設(shè)空白對照（CK），以了解蕨類植物對重金屬元素的吸收機理，為污染土壤的生物修復(fù)提供依據(jù)。

表1 各處理試驗材料

1.2.2 主要試驗儀器。儀器包括7320G可見分光光度計、電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS，7900）、pH 儀。

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液。磷標(biāo)準(zhǔn)溶液：稱取分析純KH2PO40.219 5 g溶解于燒杯中后，加入濃硫酸5 mL攪拌散熱，移液至1 L容量瓶中，將燒杯中剩余液體也洗入容量瓶并定容至1 L，即為50 mg/L磷標(biāo)準(zhǔn)溶液；再吸取50 mg/L標(biāo)準(zhǔn)液25 mL，加水稀釋至250 mL，即為5 mg/L磷標(biāo)準(zhǔn)溶液（不宜久存）。砷標(biāo)準(zhǔn)溶液：準(zhǔn)確稱取0.132 0 g高純?nèi)趸橹糜?00 mL燒杯中，加入20 g/L氫氧化鈉溶液8 mL，并攪拌使其溶解，用硫酸（1+1）中和至微酸性，移入100 mL容量瓶中，加入鹽酸10 mL，用水稀釋至刻度線，搖勻，即1 mg/mL砷標(biāo)準(zhǔn)溶液。銻標(biāo)準(zhǔn)溶液：稱取1.197 1 g光譜純?nèi)趸R溶于100 mL鹽酸中，用水稀釋到1 000 mL，搖勻，即為1 mg/mL銻標(biāo)準(zhǔn)溶液。所有試劑均為優(yōu)級分析純，分析用水為高純水。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品消解。將采集的植物樣品置于干凈整潔的室內(nèi)通風(fēng)處，然后用自來水將植物樣品清洗干凈，去除土壤等雜質(zhì)后再用蒸餾水清洗，將根、莖、葉分開放置。放入烘箱中設(shè)置105℃殺青30 min后將溫度降至80℃，烘干到恒重，再用洗凈烘干的研缽研磨粉碎，裝袋保存。稱取0.400 0 g研磨的植物樣品放置于清洗干凈的消解管中，加入65%濃硝酸10 mL，加40%高氯酸3 mL，將消解管置于消解儀器上加熱消解：于105℃加熱2 h，于150℃加熱3 h，當(dāng)消解管內(nèi)溶液由紅棕色變?yōu)闊o色時，升高溫度繼續(xù)加熱消化，使溶液產(chǎn)生大量濃白煙霧（揮發(fā)大部分高氯酸），濃白煙霧趕盡后停止加熱。將消化管取下，冷卻至室溫，轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中定容。

1.3.2 植物中磷的測定。采用鉬銻抗比色法測定蕨類植物根、莖、葉中磷的含量。吸取待測液3 mL于50 mL比色管中，加水至約30 mL，然后加鉬銻抗顯色劑5 mL，用蒸餾水定容至50 mL，搖勻。30 min后，于700 nm波長下進行比色，以空白液的吸光度為0，讀出測定液的數(shù)值。

1.3.3 植物中砷、銻的測定。用電感耦合等離子體-質(zhì)譜法測定蕨類植物根、莖、葉中砷和銻的含量。將待測液放入儀器中，在儀器優(yōu)化條件下進行檢測并記錄數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 蕨類植物吸收磷的機理

通過試驗得出蕨類植物中的磷元素含量（表2）。井欄邊草葉中磷的含量最高，其次是根，莖中的磷含量最少。這些井欄邊草大多較茂盛高大，說明生長情況很好。根的磷含量高，說明土地肥沃；莖可能僅起到養(yǎng)分輸送的作用，故磷含量不高；葉中磷含量最高是慢慢累積的結(jié)果。井欄邊草吸收磷的機理是根從肥沃的土壤中吸收磷后，迅速通過莖傳遞給葉片，并在葉片中慢慢累積下來，因而井欄邊草的葉片磷含量最高，其次是根，最后作為養(yǎng)分輸送器官的莖磷含量最低。波士頓蕨和鳥巢蕨的葉中磷含量最高，其次是莖，根中磷含量最少，即地上部含磷量高于地下部，表明蕨類植物吸收磷的機理是從根部吸收磷通過莖輸送到葉片，并在葉片中累積。

表2 蕨類植物磷元素含量

2.2 蕨類植物吸收砷的機理

植物中適宜的磷含量也會提高植物對砷的耐受性[11-13]。從表2、3可以看出，以井欄邊草為例，磷含量高的部位砷含量也高，地上部砷元素含量大于地下部。由此可知，該植物能夠富集吸收砷元素。但是，波士頓蕨和鳥巢蕨均表現(xiàn)為磷含量高的部位砷含量低，磷含量最低的部位反而砷含量最高。推測不同的植物表現(xiàn)可能不同，鳥巢蕨和波士頓蕨的地上部含磷量均高于地下部，但地上部砷含量較地下部低，其可能對砷元素不具有富集吸收作用。

表3 蕨類植物砷元素含量

2.3 蕨類植物吸收銻的機理

土壤中銻含量很少，而試驗中蕨類植物的銻含量較多，說明蕨類植物對銻具有生物富集作用（表4）。本試驗中，鳥巢蕨的地上部銻含量高于地下部，表明鳥巢蕨對重金屬銻有富集作用。鳥巢蕨葉中銻的含量最高，其次是根，莖中的銻含量最少?？梢钥闯?，鳥巢蕨吸收銻的機理是根從肥沃的土壤中吸收銻后，迅速通過莖傳遞給葉片并慢慢累積下來，因而在鳥巢蕨中葉的銻含量最高，其次是根，最后作為養(yǎng)分輸送作用器官的莖銻含量最低。波士頓蕨和井欄邊草均以根中銻的含量最高，其次是葉，莖中銻的含量最低，這可能是因為這2種蕨類植物對銻有另外一種吸收機制，有待進一步研究。

表4 蕨類植物銻元素含量

3 結(jié)論與討論

測定蕨類植物體內(nèi)磷、砷和銻含量，結(jié)果表明，蕨類植物吸收磷的機理是根從肥沃的土壤中吸收磷后，迅速通過莖傳遞給葉片并在葉片中慢慢累積下來。因此，植物葉片中的磷含量最高，其次是根，作為養(yǎng)分輸送器官的莖磷含量最低。比較而言，井欄邊草更加具有富集磷的作用，可以作為磷的超富集植物來進行深入研究。

植物中適宜的磷含量會提高植物對砷的耐受性。井欄邊草磷含量高的部位砷含量也高，而波士頓蕨和鳥巢蕨均表現(xiàn)為磷含量低的部位砷含量高，可能是因為不同蕨類植物的特性和表現(xiàn)存在差異。井欄邊草吸收銻的機理是從根部吸收銻，通過莖輸送到葉，并在葉中累積；波士頓蕨和鳥巢蕨均以根中銻的含量最高，其次是葉，莖中銻含量最低，可能因為這2種蕨類對銻有另外一種吸收機制，有待進一步研究。