多重金属富集植物李氏禾体内铜的化学形态研究*

梁亮　林华,2　田静　陈俊,2　叶兵洪

(1.桂林理工大学环境科学与工程学院　广西桂林 541004;

2.桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心　广西桂林 541004)



多重金属富集植物李氏禾体内铜的化学形态研究*

梁亮1林华1,2田静1陈俊1,2叶兵洪1

(1.桂林理工大学环境科学与工程学院广西桂林 541004;

2.桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心广西桂林 541004)

摘要为了探明李氏禾对铜的吸收和解毒两个关键过程机理，采取逐级提取法对李氏禾中的铜的赋存形态以及其不同组织部位中的总铜进行了分析测定，研究结果表明：李氏禾对铜以根系吸收为主，其滞留率平均为91.47%。李氏禾根细胞组分中，乙醇提取态(F1)和醋酸提取态(F4)中的铜含量占大多数，占总量的60%～80%；李氏禾叶片中，乙醇提取态的Cu作为主要存在形态，所占比例最低的为水溶态铜含量(F2)。此外，与李氏禾富集Cr相比，由于Cr的低生物利用导致李氏禾根细胞中Cr的赋存形态不同，其高浓度的Cr存在于李氏禾根残留态(F6)当中。因此，李氏禾对铜虽不具备超富集能力，但其具备把铜大量吸附和积累到李氏禾根系的能力，搭配上其生长迅速，分布广泛的特点，使其在重金属修复上有着广阔的应用前景。

关键词植物修复李氏禾铜逐步提取法赋存形态

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

铜作为营养元素之一，是生物生长和发育所必需的[1]，人和动植物在生长发育过程中所吸收的铜必须适量，一旦超过负荷，便会危及生物的正常生长和发育[2]。环境中的铜多数以化合物存在，目前含铜农业化学物质和有机肥的施用使得农田土壤含铜量与原始土壤的含铜量相比多出几十倍[3]。在铜污染长期存在且得不到有效治理的环境中，迫使很多植物进行选择性进化且在进化过程中形成了有效的耐铜机制[4]。为了更好地认识植物对铜的耐性以及开展铜污染区的植物修复，研究植物体内重金属铜的赋存形态具有重要意义。

通过已有的研究发现，李氏禾对多种重金属(其中包括Cu等)也表现出了较强的富集能力[5]。作为当前环境科学领域的研究热点之一，植物中Cu的不同赋存形态对环境的危害各不相同[6]。对植物体内重金属的赋存形态进行分析研究，能更好地揭示植物对重金属的耐受机制和富集机理。

本研究采用化学试剂逐步提取法对水培试验的李氏禾不同组织部位中的铜的含量进行了分析测定，可为铜胁迫下植物耐性机理研究以及铜污染土壤的植物修复技术应用提供理论依据。

1材料和方法

1.1植物培养

本实验中所用的李氏禾采自非污染区的桂林市雁山区雁山镇。将采集的李氏禾用超纯水洗净后，加入1/2的Hoagland营养液(营养液配方见表1)并放在人工气候箱中培养，每天蒸发掉的培养液用超纯水补足，每4 d更换一次营养液，每次更换的营养液pH均维持在5.5左右，预培养14 d。

表1　霍格兰氏营养液配方

1.2铜处理浓度

选择一致的李氏禾幼苗进行铜处理(CuSO4·5H2O)。铜的处理浓度分别为0，0.1，0.2和0.3 mmol/L，每个处理3个重复，每个重复20～30株。每天加超纯水保持培养液的体积恒定，每4 d更换一次营养液(含Cu2+)，并用0.1 mmol/L NaOH或0.1 mol/L HCl调节pH至5.5左右，45 d后取样分析。

1.3铜的化学形态分析试验

采用化学试剂逐步提取法分析铜的化学形态，提取完毕各组分通过HNO3-HClO4-HF湿法消解后，用原子吸收光谱仪(A700)测定铜的含量。

2结果和分析

2.1室内水培条件下李氏禾对Cu吸收和积累

李氏禾不同器官Cu的含量测定结果见表2，分析可得在人工气候箱水培条件下，3个Cu处理组李氏禾根部和叶片的平均Cu含量均明显高于对照组，分别是对照组的91.91倍和8.50倍。铜胁迫下李氏禾不同器官对Cu的吸收与积累能力具有显著差异，其中Cu在3个处理组根部的平均积累量明显高于叶部，是叶片平均铜含量的12.36倍，其滞留率平均可达91.47%。采用Excel对数据进行分析处理，结果表明，李氏禾根部Cu含量与营养液中Cu浓度呈现出极显著的正相关(R=0.99，P<0.01)。以上结果表明李氏禾根部对营养液中的铜具有极强的吸收和积累能力。

表2　李氏禾不同器官Cu的含量

随着Cu处理浓度的增加，李氏禾根部中各结合态的铜表现出不同程度的变化，如表3所示。其中组分F4的铜含量随着Cu处理浓度的增加而显著升高，组份F1的铜含量在Cu处理浓度为0.2 mmol/L时达到峰值134.16 mg/kg，组分F2，F3，F5和F6的铜含量在Cu处理过程中均无明显变化。

李氏禾根部各组分中Cu含量占总量的百分比如表3所示。在不同的Cu处理浓度中均以组分F4中Cu含量最高，随着Cu处理浓度的增加其所占百分比有增加趋势，组份F4约占到总组分的40%～50%；F1组分次之，约占到总组分的18%～32%，两者之和约占总组分的60%～80%；F2，F5和F6组分铜含量所占比例均较小，在Cu处理过程中，三者所占百分比皆无明显变化趋势。

2.2Cu在李氏禾体内的化学形态

由表3可知，在不同浓度的Cu胁迫下，根部和叶部中残留态的铜含量都处于较低水平。在李氏禾根部，Cu以醋酸提取态为主，分别占其总量的39.43%,41.18%和54.90%；乙醇提取态次之，两者之和约占其总量的60%～80%。在叶片中，Cu以乙醇和NaCl提取态为主，乙醇提取态分别占其总量的36.55%,33.94%和20.41%，NaCl提取态分别占其总量的35.79%,32.82%和24.99%。

表3　李氏禾体内不同化学形态的Cu含量　mg/kg

注：①F1为乙醇主要提取醇溶性蛋白质、氨基酸盐等为主的物质；F2为去离子水主要提取水溶性有机酸盐等；F3为氯化钠主要提取果胶酸盐、与蛋白质结合态的铜；F4为醋酸主要提取难溶于水的重金属磷酸盐；F5为盐酸主要提取草酸态等；F6为最后残留态。②括号内数值为百分比(%)。

3结果分析与讨论

无论是铜矿的开采，冶炼需求的增加，还是人口压力下导致农作物施肥成为一种常态，无一不使重金属污染的情况日益加剧，在重金属污染的胁迫下植物为了生存所进行的选择性进化使其获得了被淘汰的植物体内所不具有的耐性，而植物从外界环境中吸收的重金属在体内不同的化学形态又决定了应用其作为植物修复重金属工具的价值。不管是修复土壤中的重金属，还是水体中的重金属，绝大部分植物首先都是通过根系将吸收的重金属运往植物体内各个部分，但植物体内各个部分的细胞中，若出现大量的游离态重金属元素都会影响植物体的正常发育。之前的研究表明，从根系吸收的重金属在一般植物体内的分布大概有两种情形，一是在根部形成难溶性、低活性的盐做大量积累，另一种则是把从根系中吸收的重金属运送到地上部[7]。在本研究中，由表2可知根系滞留是李氏禾积累铜的主要方式。一般植物体内的铜含量水平普遍为5～20 mg/kg[7]。在铜胁迫下李氏禾对铜的积累量远远超出了这一水平。

重金属对植物造成的毒害程度与重金属在植物体内的化学形态有关[8]。由表3可知，占总组分40%～50%的Cu(F4组分)以难溶于水的重金属磷酸盐沉淀在李氏禾的根系中，占总组分20%～30%的Cu(F1组分)与某些蛋白质结合或被吸附着，降低了Cu离子的毒性，在沉淀和吸附的作用下，大量的Cu滞留于根系中，从而保证李氏禾生长发育所需要的光和作用、呼吸作用等得以正常运行。这一结果与张学洪等[9]的研究结果相比有所不同，在李氏禾富集Cr的实验中，Cr以其所特有的低生物利用性质大量存在于李氏禾根残留态(F6)中。

由表3可知，在不同Cu处理浓度下，与李氏禾根部铜的含量相比较，叶片中铜的含量显著少于地下部。结合铜在李氏禾根部存在的化学形态，既有难溶于水的重金属磷酸盐，又有与蛋白质结合而降低了活性的铜离子，都极大地限制了向地上部运输Cu的能力。由表3可知，李氏禾叶片中乙醇提取态和NaCl提取态的Cu在对照组和处理组中占较大比重。乙醇作为主要提取醇溶性蛋白质或氨基酸盐为主的提取剂，NaCl作为主要提取果胶酸盐或与蛋白质结合的铜的提取剂，反映出李氏禾叶片中的Cu主要以蛋白质结合态存在。Cu与蛋白质结合成稳定的金属有机络合物，有效减少了叶片中游离态的Cu，降低了因重金属Cu造成氧自由基大量形成的风险，避免了氧自由基对细胞造成的损害。李氏禾叶片中的Cu与蛋白质相结合或吸附所形成的有机络合物可能是李氏禾对Cu的重要解毒机制。

4结论

(1)与对照组相比，李氏禾对Cu具有一定的积累和富集作用。李氏禾主要通过根系从营养液中吸收Cu，且对Cu的吸收能力极强。

(2)从赋存形态上看，3个Cu处理组中根部的Cu主要为醋酸提取态和乙醇提取态，叶片中的Cu主要为乙醇提取态和NaCl提取态。

参考文献

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[2]倪才英,陈英旭,骆永明.土壤-植物系统铜污染与修复的研究进展[J].浙江大学学报(农业与生命科学版)，2003,29(3):237-243.

[3]BRUN L A, MAILLET J, HINSINGER P, et al. Evaluation of copper availability to plants in copper contaminated vineyard soils[J]. Environmental Pollution, 2001,111(2):293-302.[4]HYANG，ZMYANG，LXZHOU,etal.Abilityofagrogyronelongatumtoaccumulatethesinglemetalofcadmium,copper,nickelandleadandrootexudationoforganicacids[J].JournalofEnvironmentalSciences,2001,13(3):368-375.

[5]张学洪,陈俊,李海翔,等.铬超富集植物李氏禾对铜的富集特征研究[J].农业环境科学学报，2008,27(2):521-524.

[6]曹向东. 强化塘-人工湿地复合生态系统中氮磷的去除规律[J].环境科学研究,2000,13(2):5-19.

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[8]HE Z L, ZHOU Q X, XIE Z M, et al. Soil chemical balance of contamination and useful elements[M]. Beijing: China environmental Science Press，1998.

[9]张学洪,刘杰,朱义年. 重金属污染土壤的植物修复技术研究——李氏禾对铬的超富集特征、机制及修复潜力研究[M]. 北京:科学出版社,2011,47-48.

林华，男，1984年生，博士研究生，主要研究方向为重金属污染及恢复生态学。

职业安全与健康

(收稿日期：2015-03-31)

作者简介梁亮，男，1988年生，硕士研究生，主要研究方向为重金属污染及恢复生态学。

*基金项目：国家自然科学基金(41361085)，“八桂学者”建设工程专项经费资助，广西危险废物处置产业化人才小高地基金资助，广西环境污染控制理论与技术重点实验室主任基金(桂科能1401Z002)。