非污染生态型蜈蚣草对砷的吸收和转化*

顾效纲，李亚磊，张佃敏，郭一飞，吴俊峰，付红梅

(1 郑州大学 水利与环境工程学院，河南　郑州　450001；2 河南城建学院 市政与环境工程学院，河南　平顶山　467036；3 宝丰县环境保护局，河南　平顶山　467400；4 中国石油天然气股份有限公司规划总院，北京　100083；5 国网河南省电力公司平顶山供电公司，河南　平顶山　467001)



环境保护

非污染生态型蜈蚣草对砷的吸收和转化*

顾效纲1,2，李亚磊3，张佃敏4，郭一飞2，吴俊峰2，付红梅5

(1 郑州大学 水利与环境工程学院，河南郑州450001；2 河南城建学院 市政与环境工程学院，河南平顶山467036；3 宝丰县环境保护局，河南平顶山467400；4 中国石油天然气股份有限公司规划总院，北京100083；5 国网河南省电力公司平顶山供电公司，河南平顶山467001)

分析在野外条件下自然生长的不同生态类型的蜈蚣草植株体内砷的浓度差异，以及不同部位对砷的富集能力，其地上部与地下部砷浓度变化范围分别为643.1～3009.03 mg/L、44.4～112.4 mg/L，通过进一步阐述砷在蜈蚣草植株不同部位的形态分布情况，在此基础上探讨了不同种类野外生态型蜈蚣草对砷的吸收和转化规律，了解其对砷的吸收和转化的机理，以期对蜈蚣草的直接应用和富集生物量大、适应性强的砷超富集工程植株提供科学指导。

蜈蚣草；砷污染；吸收转化

砷是一种公认的致癌物质，近年来，砷污染已成为全球(尤其东南亚地区)急待解决的环境问题之一[1]。土壤中积累过量的As会导致土壤退化，农作物产量和品质下降，对人体健康有毒害作用。我国砷污染在全球是最严重的国家之一，近年来砷污染事件在我国偶有所见，例如湖南石门县雄黄(As4S4)矿区砷中毒事件[2]，仅湖北某处就有13万亩农田受砷严重污染。

以超富集植物为基础的植物修复技术是目前环境科学的研

究热点[3]，蜈蚣草因其具有显著地耐高砷特征而被广泛关注，其砷转运系数为1～7，砷浓度可达普通植物砷浓度的数十万倍，羽片的砷浓度甚至超过10000 mg/kg[4]，在修复砷污染土壤方面应用前景广阔[5]。本文旨在分析砷在野外条件下自然生长的不同生态型蜈蚣草植株体内浓度差异以及砷在蜈蚣草植株不同部位的形态分布情况，同时探讨不同生态型蜈蚣草对砷的吸收和转化规律，以期对蜈蚣草的直接应用和富集生物量大、适应性强的砷超富集工程植株提供一定的科学指导。

1　不同种类非污染生态型蜈蚣草植株体内砷浓度差异

蔡保松[6]研究了生长在我国不同地区的蜈蚣草的生长特性、富集特性等，结果显示：不同的生态型蜈蚣草对砷富集量有很大的，供试基因型的地上部与地下部砷浓度变动范围分别为643.1～3009.03 mg/kg、44.4～112.4 mg/kg，地上部砷积累量波动范围为49.7～174.7 mg/kg，地上部占总砷的53%～90%，平均为79%，地下部砷积累量在0.48～2.84 mg/kg内变化，富集系数在17～81.9内变化，转运系数在10.8～50.4内变化。该项研究为提高植物修复效率提供了理论依据。

植物修复技术是利用超富集植物吸收并积累环境中的污染物，从而降低土壤中污染物的浓度[2]。所以，决定植物的修复效率与地上部砷的积累量有直接关系。同时，蜈蚣草修复的一个重要指标是蜈蚣草基因型向地上部转运砷的能力。转运比例大，将根部吸收的砷最大限度转运到地上部，转运速度快，缩短修复时间，最后通过收割带出土壤，达到植物修复的目的。研究表明，根吸收固定的砷向根茎转运的转运率平均为83%；根茎部吸收的砷向羽叶的转运率是91%～98%；根吸收的砷向地上部的转运率为73%～87%[6]，广西南宁和湖南宝山蜈蚣草基因型总转运率最大，达到87%。

2　砷在蜈蚣草植株不同部位的分布形态

As在蜈蚣草内主要以砷酸盐、亚砷酸盐的形式存在[7]，主要富集在羽叶中，蜈蚣草内As的分布规律：羽叶>叶柄>根系或羽叶>地下茎>叶柄>根[8]。叶文玲等[7]通过实验表明羽叶中As浓度是叶柄中浓度的2.8倍，是根系浓度的13.1倍；chen等通过野外调查发现类似结果，蜈蚣草羽叶、叶柄和根系As浓度分别为120～1540，70～900和80～900 mg/kg。在蜈蚣草根部As主要以 As(V)形态存在，在羽叶中主要以 As(III)形态存在，另外羽叶中还存在与植物络合素(PCs)络合的砷，含量仅占总砷的1%～3%。研究表明，砷从蜈蚣草的根部向羽叶的转运过程中是As(V)还原成As(III)的反应[9]，在低浓度砷处理条件下，根部累积的砷较少，砷固定在细胞壁上，限制其向内部转运，As(III)优先于As(V)被转运至地上，且蜈蚣草中As(V)的还原反应主要在根部[10]。但是随着砷处理浓度的升高，根中的As(V)含量逐渐开始超越根部还原能力的极限，从而出现As(V)和As(III)竞争性的装载转移[10]，无法在根部还原的部分As(V)会直接转运至地上部羽叶中，并在羽叶中被还原。这些研究表明，蜈蚣草根部和羽叶都能将As(V)还原为As(III)，但主要发生于根部，砷酸还原酶在这一反应中起着重要作用。

3　非污染生态型蜈蚣草对砷的吸收和转化规律

3.1非污染生态型蜈蚣草对砷的吸收

蜈蚣草具有超强的砷吸收和转运的能力，Huang[11]等通过用代谢抑制剂探讨蜈蚣草吸收As的特性，结果显示，蜈蚣草主要通过主动运输方式吸收As(III)，被动运输As(III)作用非常有限。因为木质部细胞壁对阳离子具有较强的交换能力，金属阳离子向上运输受到阻碍，As主要以亚砷酸根阴离子形态存在，减弱了木质部对As的阻碍作用，As可以随木质部运输到地上部，所以蜈蚣草富集的砷主要储存在地上部[12]。

3.2非污染生态型蜈蚣草对砷的转化

蜈蚣草能在含砷土壤中正常生长的特性源于其具有特殊的抗氧化能力、液泡及毛状体的区隔化作用以及As(V)还原成 As(III)的砷酸还原系统作用，也就是说蜈蚣草对砷的解毒机制与这三者息息相关。有研究结果表明，在高砷处理条件下，非酶抗氧化剂在解毒机制中则扮演最重要的角色，而在低砷条件下，酶抗氧化剂起着至关重要的作用[5]。李文学等的研究结果表明，能够大量富集砷的是羽叶内的毛状体，它避免砷对植株的危害[13]。Lombi等[14]的研究显示，对砷有区隔化作用的是蜈蚣草羽叶细胞中的液泡。蜈蚣草根部和羽叶都能将As(V)还原为As(III)，这一砷酸还原反应主要发生于根部，砷酸还原酶在这一反应中起着重要作用，PvACR2是第一个被发现的蜈蚣草砷酸还原酶基因[15]。

4　结　论

(1)蜈蚣草对砷的吸收是通过主动运输方式实现，砷是通过一种特殊的水通道蛋白进入细胞，这种蛋白的具体机制还有待进一步研究。吸收的大部分砷主要储存在地上部，在低砷环境下，砷在根部发生砷酸还原反应，迅速由As(V)还原成 As(III)；而在高砷条件下，As并不完全在根部发生还原反应，达到一定极限，便先通过水通道蛋白转移到地上部羽叶，在羽叶中发生还原反应。蜈蚣草具有的这种特殊的砷酸还原系统也是其解毒机制之一，此外，还有毛状体以及液泡的特殊区隔化作用。

(2)虽然蜈蚣草对砷的富集特征和砷在蜈蚣草中的形态与转化等方面已取得了重大进展，但还缺乏相关机理方面的深入研究，蜈蚣草根部所能承受的还原能力极限有待进一步深入探讨，另外，土壤往往成分复杂，所含重金属不仅局限于砷，对于复合污染型土壤如何利用蜈蚣草进行修复鲜有报道，单一的蜈蚣草修复技术可能难以达到预期效果，尝试与物理、化学、微生物相结合的方式来提高植物修复效率可能是未来的一个发展方向。

[1]段桂兰,王利红,陈玉,等.植物超富集砷机制研究的最新进展[J].环境科学学报,2007,27(05): 714-720.

[2]申红玲,何振艳,麻密.蜈蚣草砷超富集机制及其在砷污染修复中的应用[J].植物生理学报, 2014,50(05):591-598.

[3]刘颖茹,陈同斌,黄泽春,等.野外条件下土壤砷浓度对蜈蚣草砷富集特征的影响[J].环境科学, 2005,26(05):181-186.

[4]肖细元,廖小勇,陈同斌,等.砷超富集植物蜈蚣草中磷和钙的亚细胞分布及其与耐砷毒的关系[J].环境科学学报,2006, 26(06):954-961.

[5]潘志明,邓天龙.砷污染土壤的蜈蚣草修复研究进展[J].土壤,2007,39(03):341-346.

[6]蔡保松.蜈蚣草富集砷能力的基因型差异及其对环境因子的反应[D].杭州:浙江大学,2004.

[7]叶文玲,樊霆,鲁洪娟,等.蜈蚣草的植物修复作用对土壤中砷总量及形态分布的影响研究[J]. 土壤通报,2014,45(04):1004-1007.

[8]肖细元.蜈蚣草的某些营养特性及富砷机理研究[D].长沙:湖南农业大学,2003.

[9]D V,D W,P N, et al.Uptake of As and its speciation, impact of P, role of phytochelatins and S[J]. Environ Pollut,2009, 157(11): 3016-3024.

[10]E B,C C,P C,et al.Two arbuscular mycorrhizal fungi differentially modulate protein expression under arsenic contamination[J]. Proteomics,2010,10(21): 3811-3834.

[11]Wh Z,Y C, Kr D, et al. Arsenic complexes in the arsenic hyperaccumulator Pteris vittata (Chinese brake fern)[J]. Journal of Chromatography A, 2004,1043: 249-254.

[12]陈同斌,黄泽春,黄宇营,等.蜈蚣草羽叶中砷及植物必需营养元素的分布特点[J].中国科学C 辑:生命科学,2004,34(04):304-309.

[13]李文学,陈同斌,陈阳,等.蜈蚣草毛状体对砷的富集作用及其意义[J].中国科学C辑:生命科学, 2004,34(05):402-408.

[14]Xd C,Lq M,C T.Antioxidative responses to arsenic in the arsenic-hyperaccumulator Chinese brake fern (Pteris vittata L.)[J]. Environmental Pollution, 2004,128:317-325.

[15]Dr E,L G,E I,et al.A novel arsenate reductase from the arsenic hyperaccumulating fern Pteris vittata[J]. Plant Physiol,2006, 141(04):1544-1554.

Non-polluting Ecological Centipede Grass on Arsenic Absorption and Transformation*

GUXiao-gang1,2，LIYa-lei3，ZHANGDian-min4，GUOYi-fei2，WUJun-feng2，FUHong-mei5

(1 College of Water Conservancy and Environmental Engineering，Zhengzhou University，Henan Zhengzhou 450001；2 College of Municipal and Environmental Engineering，Henan University of Urban Construction，Henan Pingdingshan 467036；3 The Environmental Protection Agency of Baofeng County，Henan Pingdingshan 467400；4 China Petroleum Planning and Engineering Institute and Natural Gas Company，Beijing 100083；5 State Grid Electric Power Company Pingdingshan in Henan power company，Henan Pingdingshan 467001, China)

Arsenic of the concentration difference in field conditions to natural growth of different ecological types of centipede grass plant body was analyzed, as well as different parts of arsenic enrichment capacity, the arsenic concentration in aboveground and belowground variation range was 643.1～3009.03 mg/L and 44.4～112.4 mg/L. Arsenic in the form of centipede grass plants in different parts of the distribution was further illustrated, on this basis, the effect of different types of centipede grass field ecotype absorption and transformation law of arsenic was discussed, understanding the mechanism of absorption and conversion of arsenic, provided scientific guidance to direct application of centipede grass, enrichment large biomass and adaptable arsenic hyperaccumulation engineering plant.

ciliate desert-grass; arsenic pollution; absorption and transformation

河南省科技厅重点资助项目(NO: 142102310244)。

顾效纲(1989-)，男，在读硕士研究生，研究方向：水污染控制及资源化利用。

郭一飞。

X53

A

1001-9677(2016)012-0138-03