（应用化学专业论文）砷汞铅镉复合污染土壤的肾蕨植物修复技术研究.pdf

摘要 砷汞铅镉复合污染土壤的肾蕨植物修复技术研究 硕士生：潘志明指导教师：邓天龙教授廖梦霞副教授 摘要 本论文采用正交试验法对肾蕨进行盆栽实验，a l a n 肾蕨根、茎、叶系列样品中砷、 汞、铅、镉含量测定并结合极差分析、方差分析，发现： ( 1 ) 肾蕨对砷、铅具有一定的富集作用 中砷、汞、铅、镉含量的分布规律依次为 茎 球茎 叶、茎 叶 根 球茎。 对镉、汞有较好的富集作用；l 肾蕨不同部位 根 叶 球茎 茎、茎 叶 根 球茎、根 ( 2 ) 揭示了肾蕨不同部位对重金属砷、铅、镉、汞的含量与土壤中各重金属含量的相 关性：肾蕨叶中砷含量与土壤砷含量呈正相关，而茎、根砷含量与土壤砷含量无显著 相关性；土壤镉显著促进砷在肾蕨茎中富集；土壤低浓度铅促进肾蕨茎对砷的富集，高 浓度铅抑制肾蕨茎对砷的富集；土壤低浓度汞抑制肾蕨茎对砷的吸收，高浓度汞促进茎 对砷的富集。肾蕨茎、根汞含量均与土壤汞含量呈正相关，而叶汞含量与土壤汞含量 无显著相关性；土壤砷促进。肾蕨叶对汞的吸收，低浓度镉促进肾蕨叶对汞的吸收，高浓 度镉抑制叶对汞的吸收。肾蕨根铅含量与土壤铅含量呈正相关，叶铅含量随土壤铅含 量增加先增加后减少，茎铅含量与土壤铅含量无显著相关性：土壤砷显著抑制肾蕨叶对 铅的富集，土壤镉促进叶对铅的富集。肾蕨根镉含量与土壤镉含量呈正相关，茎镉含 量随土壤镉含量增加先减少后增加，叶镉含量与土壤镉含量无显著相关性；土壤汞促进 肾蕨叶对镉的富集，土壤砷、汞均抑制肾蕨茎对镉的富集。 本文进一步研究了土壤p h 、e d t a 和腐殖酸对肾蕨富集砷、汞的影响，发现：( 1 ) 在微酸性条件下肾蕨叶、茎砷、汞含量最高，酸性或碱性土壤抑制肾蕨对汞的富集；( 2 ) 腐殖酸抑制肾蕨地上部对砷的富集，e d t a 促进肾蕨地上部对砷的富集；( 3 ) n n n e d t a 均促进肾蕨地上部对汞的吸收，从地上部对汞的富集效果来看，腐殖酸的作用优 于e d t a 。 关键词：正交试验，污染土壤，重金属，肾蕨，植物修复 成都理工大学硕士学位论文 s t u d i e so np h y t o r e m e d i a t i o no fn e p h r o l e p i s a u r i c u l a t a ( l ) f o ra r s e n i c ，m e r c u r y , l e a da n dc a d m i u m i nt h em u l t i p l ec o n t a m i n a t e ds o i l s g r a d u a t e ：z h i m i n gp a ns u p e r v i s o r ：t i a n l o n gd e n gm e n g x i al i a o a b s t r a c t i nt h et h e s i s ，t h ec o n c e n t r a t i o n so fa r s e n i c ，m e r c u r y , l e a da n dc a d m i u mi nt h es e r i e s s a m p l e sc o r r e s p o n d i n gt or o o t s ，s t e m s ，l e a v e so fn e p h r o l e p i sa u r i c u l a t a ( l ) n e p h r o l e p i s a u r i c u i a t a ( l ) ，w h i c hh a db e e nt r a i n i n gi nl a bw i t has e r i e so fp o t t e di n c u b a t i o ne x p e r i m e n t s t h r o u g ht h eo r t h o g o n a lt e s tw e r ea n a l y z e d b a s e d0 1 1t h er e s u l t s ，m e t h o d so ft h er a n g e a n a l y s i sa n dt h ev a r i a n c ea n a l y s i sw e r eu s e d ，a n dt h e nd e m o n s t r a t e dt h a t ： ( 1 ) t h ep l a n to fn e p h r o l e p i sa u r i c u l a t a ( l ) h a saf u n c t i o nt ob e n e f i c i a t eh e a v ym e t a l so f a r s e n i ca n dl e a d ，a n dh a sw e l lc o n c e n t r a t e so fc a d m i u ma n dm e r c u r yf r o ms o i l s t h e d i s t r i b u t i v eb e h a v i o r so fa r s e n i c ，m e r c u r y , l e a da n dc a d m i u mi n s a u r i c u l a t a ( l ) a r e c o r r e s p o n d i n gt oi no r d e r ：r o o t s l e a v e s c o r m s s t e m s ，s t e m s l e a v e s r o o t s c 0 r n 3 s ， r o o t s s t e m s c o r m s l e a v e s s t e m s l e a v e s r o o t s c o r m s ( 2 ) t h ec o r r e l a t i o n so ft h ec o n c e n t r a t i o n so na r s e n i c ，l e a d ，c a d m i u ma n dm e r c u r yi n d i f f e r e n tt i s s e so f n e p h r o l e p i sa u r i e u l a t a ( l ) a n ds o i l sw e r ec a r r i e d o u t ：q t h ea r s e n i cc o n t e n t i nl e a v e so f n e p h r o l e p i sa u r i c u l a t a ( l ) a n di ns o i la r ep o s i t i v ec o r r e l a t i o n ，w h e r e a sa r s e n i ci n t h e 】e a v e sa n dr o o t sd o a sn o th a v er e m a r k a b l er e l e v a n c e t h ec a d m i u mc o n t e n ti n s o i l p r o m o t e st h es t e m so fn e p h r o l e p i sa u r i c u l a t a ( l ) a c c u m u l a t i n ga r s e n i cr e m a r k a b l y l o w c o n c e n t r a t i o nl e a di ns o i la c c e l e r a t et h es t e mo f n e p h r o l e p i sa u r i c u l a t a ( l ) a b s o r b i n ga r s e n i c ， b u th i g h l yc o n c e n t r a t i o nl e a dr e s t r a i ns t e m so f n e p h r o l e p i sa u r i c u l a t a ( l ) a b s o r b i n ga r s e n i c l o wc o n c e n t r a t i o no fm e r c u r yi ns o i l ss u p p r e s s e ds t e m so fn e p h r o i e p i sa u r i c u l a t a ( l ) t o a c c u m u l a t ea r s e n i c ，b u th i g h e rc o n c e n t r a t i o no fm e r c u r yp r o m o t e dt h es t e m st oc o n c e n t r a t e a r s e n i c m e r c u r yc o n t e n ti nt h es t e m sa n dr o o t ss h o w e dap o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t ht h e c o n c e n t r a t i o no fm e r c u r yi ns o i l s ，b u tt h em e r c u r yc o n t e n ti nl e a v e sd i dn o ts h o wa r e m a r k a b l er e l e v a n c ew i t ht h em e r c u r yc o n t e n ti ns o i l s ；a r s e n i ci ns o i l sp r o m o t e dm e r c u r yt o e n r i c hi nl e a v e s ；l o wc o n c e n t r a t i o no fc a d m i u mi ns o i l sp r o m o t e dt h ea c c u m u l a t i o no f m e r c u r y i nl e a v e so fn e p h r o t e p i sa u r i c u l a t a ( l ) ，b u tt h eh i g h l yc o n c e n t r a t i o ns u p p r e s s e dt h e l e a v e st oa b s o r bm e r c u r y l e a dc o n t e n ti nr o o t so fn e p h r o l e p i sa u r i c u l a t a ( l ) h a sa i i 摘要 p o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t ht h a ti ns o i l s 、l c a dc o n t e n ti nl e a v e si n c r e a s e di nt h ef i r s ta n dt h e n d e c r e a s ew h i l el c a dc o n t e n ti n c r e a s e di ns o i l s l e a dc o n t e n ti nt h es t e ma n dt h a ti ns o i ld o e s n o th a v et 1 1 er e m a r k a b l er e l e v a n c e a r s e n i cc o n t e n ti ns o i l sr e m a r k a b l es u p p r e s s e dl c a d a c c u m u l a t e di nl e a v e so fn e p h r o l e p i sa u r i c u l a t a ( l ) ，a n do t h e r w i s ec a d m i u mc o n t e n ti ns o i l s p r o m o t e dl e a d c o n c e n t r a t e di n l e a v e s c a d m i u mc o n t e n ti nr o o t so fn e p h r o l e p i s a u r i c u l a t a ( l ) w a sp o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t ht h a ti ns o i l s ，c a d m i u mc o n t e n ti i 1 也es t e m i n c r e a s e df i r s t l ya n dt h e nr e d u c e ds l i g h t l yw i t hi n c r e a s i n go fc a d m i u mc o n t e n ti ns o i l s ，a n d c a d m i u mc o n t e n ti nl e a v e sd i dn o th a v er e m a r k a b l er e l e v a n c ew i t hw h i c hi ns o i l s m e r c u r y c o n t e n ti ns o i l sa l s op r o m o t e dc a d m i u ma b s o r p t i o ni nl e a v e s ，h o w e v e rc o n t e n t so fa r s e n i ca n d m e r c u r yi ns o i l ss u p p r e s s e ds t e m st oc o n c e n t r a t ec a d m i u m t h e n ，t h ee f f e c t so fp hv a l u e ，c o n t e n t so fe d t aa n dh u m i ca c i di 1 1s o i l st oa r s e n i ca n d m e r c u r ya c c u m u l a t e db yn e p h r o l e p i sa u r i c u l a t a ( l ) w e r ef i a r t h e rs t u d i e d ，a n di sw a s d i s c o v e r e dt h a t ：( 1 ) u n d e rt h ec o n d i t i o n so fs l i g h ta c i d i t y , t h ec o n c e n t r a t i o n so fa r s e n i ca n d m e r c u r yi nl e a v e sa n ds t e m so f n e p h r o l e p i sa u r i c u i a t a ( l ) w e r eh i g h e s t h o w e v e r , t h ea c i d i t y o ra l k a l i i ns o i l ss u p p r e s s e dm e r c u r ya c c u m u l a t e di nn e p h r o l e p i sa u r i c u l a t a ( l 1 ( 2 ) h u m i c a c i dc a nd e p r e s sa r s e n i cc o n c e n t r a t ei nt h ea e r i a lg r o w t ho fn e p h r o l e p i sa u r i c u l a t a ( l ) ， w h e r e a se d t ac a l l p r o m o t ea r s e n i cc o n c e n t r a t e d ( 3 ) b o t hh u m i ca c i da n de d t ac a n p r o m o t et h ea b s o r b i n go fm e r c u r yi nt h ea e r i a lg r o w t ho fn e p h r o l e p i sa u r i c u l a t a ( l ) o n b a s e so fa c c u m u l a t e de f f e c t0 nm e r c u r yi nt h ea e r i a lg r o w t ho fn e p h r o l e p i sa u r i c u l a t a ( l ) ， t h em e r i to f h u m i ca c i dw a sb e t t e rt h a l le d t aa d d e d k e yw o r d ：o r t h o g o n a ie x p e r i m e n t ，c o n t a m i n a t e ds o i l s ，h e a v y m e t a l ，n e p h r o l e p i s a u r i c u l a t a ( l ) ，p h y t o r e m e d i a t i o n i i i 第1 章前言 第1 章前言 肾蕨( n e p h r o l e p i sa u r i c u l a t a ( l ) t r i m a n ) ，属肾蕨科l 肾蕨属植物，又称篦子草、石 黄皮、圆羊齿等，喜疏松透气的中性或微酸性土壤，是目前国内外广泛应用的观赏蕨类。 它栽培容易，繁殖能力强，生长健壮且生物量大，广泛分布于福建、台湾、广东、广西、 云南、四川、湖南南部和浙江等地。其块茎含淀粉，入药治感冒咳嗽、肠炎腹泻，全草 治五淋白浊、崩带等症 1 】。 1 1 论文研究意义 1 1 1 土壤重金属污染现状及其危害 重金属污染是指比重大于5 或4 ( 主要包括c u 、z n 、c d 、p b 、h g 、c r 、a s 、n i 、c o ) 的金属或其化合物在土壤环境中所造成的污染。尽管砷是非金属，但它的毒性及某些性 质与重金属相似，也被列入重金属污染物范围。土壤作为环境的主要载体之一，受重金 属污染日益严重。目前，全世界平均每年排放h g 约1 5 万吨，c u 3 4 0 万吨，p b 5 0 0 万吨， m n l 5 0 吨，n i l 0 0 万吨【2 j ，仅西欧约1 4 0 万个污染土壤位点中，重金属污染便占有绝大多 数口j ，而我国受镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积近2 0 0 0 万公顷，约占总耕地 面积的1 5 1 4 1 ；据我国农业部进行的全国污灌区调查；在约1 4 0 万公顷的污水灌区中，遭 受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的6 4 8 ，其中轻度污染的占4 6 7 ，中度污 染的占9 7 ，严重污染的占8 4 5 。 土壤中的有害金属污染，不仅退化土壤肥力，降低作物产量与品质，而且恶化水环 境，并通过食物链危及人类的生命和健康。土壤、水资源中微痕量元素砷、汞、铅、镉 等污染引起的中毒事件在世界许多地区均有发生，特别是在亚洲、欧洲、和美洲的低纬 度地区。由于砷、汞、镉等重金属元素易于在动植物体内蓄积，其生物半衰期长达l o 2 0 年，这种慢性中毒可导致皮肤、膀胱、肾、肺和肝脏癌变 6 。近年，发生在孟加拉国 和印度西部的砷中毒事件严重威胁着千万人的生命和健康，成为世界上最大的由于砷污 染引起的健康灾难，己引起全球的关注 ”。近年在我国湖南省苏仙区、广西壮族自治区 河池市五圩镇、河南省衡阳县等地，也发生了砷、汞中毒的重大事故。2 0 0 0 年欧共体检 测四川盆地道地中药材川芎、白芷、半夏，提出砷含量超标而未能出口【8 。每年出产重 金属污染的粮食约12 0 0 万吨【9 】。可见修复重金属污染土壤己显得非常迫切。 1 1 2 植物修复土壤重金属的意义 土壤重金属污染是国内外普遍关注的环境问题之一，是全球性的棘手问题，它不但 影响植物产量与品质，而且也影响大气和水环境质量；并且污染物在环境中的滞留时间 成都理工大学硕士学位论文 长，植物或微生物不能降解，重金属可通过食物链传递给人或动物，对人类健康带来严 重危害，更为严重的是这种污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点【l 。因此对修 复重金属污染的土壤进行深入的研究有着重要的意义。 土壤重金属的污染与治理一直是国际上的难点与热点研究课题。目前常采用的淋滤 法、客土法、热处理法、吸附固定法等物理方法以及生物还原法、络合浸提法等化学方 法，不仅昂贵，难以大规模改良，而且易导致地下水的“二次污染”、土壤结构破坏、土 壤抗结和土壤肥力的下降等，降低土地的使用功能和应用价值。与传统的理化方法相比， 植物修复技术具有：使用成本低；在修复土壤的同时也净化、绿化了周围的环境， 对环境扰动少，不易带来二次污染；通过对植物地上部分的集中进行收集焚烧等处理 还可达到回收环境中的某些贵重金属的目的；比较适合大面积的污染治理，效果明显 等独特的优点，是一项很有发展前途的修复技术 1 。 1 _ 2 国内外土壤砷、汞、铅、镉植物修复研究概况 1 2 1 植物修复的基本概念 植物修复技术( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 是一种利用自然生长植物或者遗传工程培育植物 修复污染土壤特别是金属污染土壤的环境技术总称。它通过植物系统及其根际微生物来 吸收、移去、挥发或稳定土壤环境污染物。它主要包括：( 1 ) 植物提取( p h y t o e x t r a c t i o n ) 也称为植物积累。是指利用专性植物把土壤中的金属元素吸收到根部并易位到地表部位 积累，在通过收获地上部分而减少污染物。( 2 ) 根系过滤( r h i z o f i t r a t i o n ) ：是指植物根系 范围内呈溶解态的金属元素被植物的根系吸收或在植物根系的影响下沉淀在根系外表 面。根系的过滤与植物提取的概念相近，很容易混淆。但根系过滤主要是用于处理污染 地下水而非污染土。( 3 ) 植物的稳定作用( p h y t o s t a b i l i z a t i o n ) ：是指利用植物根系把污染土 壤中有害金属元素转变成无毒或毒性较小的形态，但并为真正能够去除它。( 4 ) 植物挥 发作用( p h y t o v o l a t i o n ) ，即通过植物使土壤中的某些重金属转化成气态而挥发出来，如 有些植物的根系能够吸收环境中的有害元素硒和汞，并将其转化为挥发态的二甲基化硒 和汞蒸气。这样就形成植物挥发法去除金属元素。有些植物具有非凡的积累金属元素的 能力，被称为“超量累积植物( h y p e r a c c u m u l a t o r s ) ”或“超富集植物”，与一般植物相比它 们能从土壤中吸附大量有毒金属元素。 1 2 2 土壤砷污染的植物修复研究进展 自2 0 0 1 年m a 等 1 4 1 和陈同斌等【1 5 分别在美国佛罗里达州中部、中国湖南发现了首 例砷的超富集植物蜈蚣草p 把r 括v i t t a t a ( l ) 后，又相继发现了p i t y r o g r a m m a c a l a m e l a n o s ( 粉叶蕨) ，p t e r i sc r e t i c a ( 大叶口井边草) ，p t e r i sl o n g i f o l i a ( j 长叶甘草蕨) ，p 据，捃 第1 章前言 u m b r o s a 等砷的超富集植物。并以超富集植物蜈蚣草觑，捃v i t t a t a ( l ) 吸附砷的研究最为 深入。 蜈蚣草p t e r i sv i t t a t a ( l ) ，属凤尾蕨科风尾蕨属植物，是一种钙质土或石灰岩的指示 植物，不生长在酸性土壤上【lj 。目前，国内外针对蜈蚣草修复土壤重金属砷污染的研究 十分活跃。归纳起来，主要集中在( 1 ) 蜈蚣草对砷的富集特征；( 2 ) 砷在蜈蚣草中的 存在形态及其转化；( 3 ) 磷、钙、钾等元素对蜈蚣草吸收、转运砷的影响；( 4 ) 蜈蚣草 对砷的耐性机制等方面。 1 2 2 1 土壤中砷的赋存形态及其对蜈蚣草生长、吸收的影响 在土壤中，砷的存在形态决定其生物有效性和毒性1 1 6 】，而土壤中水溶性砷浓度与 植物有效性的相关性极高，而与总砷的含量似无相关性1 7 1 8 ，土壤有效砷的含量可显著 影响蜈蚣草对砷的富集。研究表明：土壤中的砷主要以无机形态和少量的有机形态存在 1 9 啦 ，其有机形态的砷主要以单甲基) j 申( m o n o m e t h y la r s e n i c ，m m a ) 、二甲基胂酸 ( d i m e t h y la r s e n i ca c i d ，d m a ) 等形态存在；无机形态的砷有：( 1 ) 难溶性砷酸盐，如砷酸 铁、砷酸钙、砷酸铝等；( 2 ) 包蔽在其他金属难溶盐的沉淀中；( 3 ) 吸附在土壤粘粒和其 它金属难溶盐的沉淀界面中；( 4 ) 存在于土壤颗粒的晶体结构中；( 5 ) 溶解在土壤溶液中。 土壤中的无机砷，主要以a s ( v ) 形态存在 2 ”，且其存在形态主要与土壤中a l 、f e 、c a 的含量有关，而与有机质和硅的含量关系不大【23 1 。土壤对砷的吸附能力并着土壤粘粒 含量的减少而减弱【2 4 】。在土壤中，砷主要通过质体流途径到达根表面【2 5 1 ，主要由植物 根部通过共质体进入体内 2 6 o 植物木质部细胞壁的阳离子交换能量高，能够严重阻碍 金属离子向上运输 2 ”，但在蜈蚣草中，砷主要以亚砷酸根离子形态存在，使得蜈蚣草 木质部对砷的阻碍作用较弱，大部分砷随木质部质流向地上部转运。 土壤中有效态砷的含量受土壤p h ，e h ，f e 、a l 含量【1 8 2 8 q o 埽根际环境等影响。在 较低p h 范围内，h 2 a s 0 4 。、h a s 0 4 2 - 等被带正电荷的氢氧化铁等迅速吸附，随着p h 增 加，土壤对砷的吸附能力减弱，土壤溶液中三价态砷和五价态砷增高 2 4 , 3 0 】。在e h 较低 条件下，a s ( v ) 可被还原成a s ( i i i ) ，随着三价铁还原为亚铁，含铁氢氧化物的溶解度随 之增加，导致原来被吸附的砷释放出来，溶解砷的浓度增加 3 0 13 1 1 。升高p h 或降低e h 都将增大可溶态砷的浓度 3 2 。砷与f e 、a l 、c a 结合的强度为：f e 型砷 a l 型砷 c a 型 砷，其中铁、铝氢氧化物吸附砷起突出作用，土壤含无定型铁、铝氧化物越多，吸附能 力越强，增强专一性吸附或共沉淀【3 3 1 。在试验土壤中，根际砷各形态都比非根际高， 砷在根际呈富集状【3 4 。 1 2 2 2 蜈蚣草对砷的富集特征 成都理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 蜈蚣草对砷的富集特点 在自然条件下，蜈蚣草一般生长在含砷5 0 40 3 0m g & g 的土壤中，甚至能在含砷 量高达2 34 0 0m 眺g 的矿渣中正常生长旧；在实验室盆栽条件下，能在含15 0 0 m g & g 砷酸钠土壤中正常生长 1 4 。可见，蜈蚣草对砷的耐性极强。 m a 等h 研究发现，蜈蚣草在含可溶性砷酸盐5 0 15 0 0 m g 瓜g 的土壤中生长2 周， 其羽叶砷含量随土壤砷含量的增加而增加，最高达1 58 6 1 m g & g ；生长6 周，其羽叶中 最高砷含量高达2 2 6 3 0 m g & g ；其生物富集系数在1 5 1 1 0 2 6 ；其根部砷含量 叶柄 根系或羽叶 地下茎 叶柄 根，并且羽叶中砷含量显著高 于其它部位 ”, 3 5 3 6 , 4 0 。李文学等( 4 l 】利用配各e d x 的扫描电子显微镜研究了蜈蚣草羽叶 的微形态及砷在羽叶中的微区分布，发现羽叶中的砷主要集中在羽叶毛状体，其次是表 皮细胞。 1 2 2 3 砷在蜈蚣草中的存在形态及其转化 ( 1 ) 砷在蜈蚣草中的存在形态 蜈蚣草中的砷主要以无机形态的砷酸赫、亚砷酸盐存在。m a 等【1 4 j 采用】：1 的甲醇 水萃取蜈蚣草中的砷后，利用h p l c 。i c p m s 分离，测定了砷的形态，结果表明：该植 物中的砷主要以无机态砷酸盐和亚砷酸盐存在，还存在少量的f e a s 0 4 、a 1 a s 0 4 、 c a 3 ( a s 0 4 ) 2 等化合物。t u 等刚也证实蜈蚣草能存在c a 3 ( a s 0 4 ) 2 等不同形态砷酸盐。z h a n g 等 4 2 】采用l ：1 的甲醇水柬萃取植物组织中砷的复合物，通过i c p m s 、h p l c h g a f s 和h p l c i c p m s 测定了蜈蚣草中的砷及其形态，亦认为蜈蚣草中的砷是以无机形态存 第1 章前音 在。c h e n 等叫和t u 等唧的研究也得以进一步证实。 除了砷酸盐、亚砷酸盐及少量其它无机化合物外，蜈蚣草中还存在m m a 、d m a 等有机物。z h a n g 等【4 4 j 采用阴离子交换色谱一氢化物发生原子荧光光谱法 ( a e c h g a f s ) 和体积排阻色谱氢化物发生原子荧光光谱法( s e c h g a f s ) 测定 了蜈蚣草羽叶中砷的形态，发现除了有a s ( m ) 平na s ( v ) # b ，还存在一种并非a s “1 一p c 2 的未知名称的有机砷复合物。c h e n 等口目研究表明，蜈蚣草也能吸收m m a 、d m a 。 h u a n g 等【4 5 j 采用同步辐射扩展x 射线吸收精细结构( s r e x a f s ) 技术研究了蜈 蚣草中砷的化学形态及其在转运过程中的变化，其结果表明：蜈蚣草中的砷主要以a s ( i i l l 与o 配位的形态存在，在根部和部分时柄中也存在少量与a s g s h 相似的a s s 结合方 式，但这种结合方式在砷含量最高的羽叶中未发现。砷在蜈蚣草中的这种结合方式，在 蜈蚣草同属的另一种超富集植物一大叶井口边草也得到证实【4 6 j 。 ( 2 ) 砷在蜈蚣草中的转化 砷在蜈蚣草根部主要以a s ( v ) 形态存在，在羽叶主要以a s ( i i i ) 形态存在，但a s ( v ) 还原成a s ( 1 l i ) 是发生在根部或气生根部位，还是发生在向上转运的过程中的植物体内， 还存在一些分歧。z h a n g 等【4 2 】的研究结果表明，砷在根部主要以a s ( v ) 存在，而a s ( i i i ) 很少，仅占8 3 i 在植物地上部，主要以a s ( i i i ) 存在；a s ( v ) 向a s ( i i i ) 的转化主要发 生在向地上部转运的过程中。c h e n 等【3 8 、m a 等 1 4 】都得到与此一致的结论。但h u a n g 等【32 j 的研究结果却表明，a s ( v ) 被蜈蚣草吸收后，很快转化为a s 0 i i ) ，其转化过程主要 发生在根部；a s ( i i i ) 向地上部转运的过程中价态基本不变。t u 等【43 j 研究发现，砷在蜈 蚣草的气生根部迅速发生砷还原反应。 在蜈蚣草中，m m a 可甲基化成d m a 。c h e n 等口8 】对蜈蚣草根际分泌物、木质部汁 液用离子对反相高效液相色谱、电感祸合等离子体一质谱进行了分离、测定，结果表明： 若用10 m g k g 或5 0 m g k g 的m m a 处理蜈蚣草根部，无论是在根部还是在植物体木质 部，尽管砷还是主要以m m a 存在，但还均存在少量的d m a 、a s ( v ) 、a s ( i i i ) ；若用 1 0 m g k g 或5 0 m g k g 的d m a 处理，则在根部和木质部主要以d m a 存在，还有少量的 a s ( v ) 、a s ( i i i ) ，而没有m m a 。说明在蜈蚣草体中，m m a 可甲基化成d m a ；尽管没 有发现d m a 转化成m m a 的去甲基化作用，但d m a 或m m a 可以转化成a s ( i n ) 、 a s ( v ) ，目前这种转化机制尚不清楚。 值得指出的是，目前还未见蜈蚣草中a s ( i i i ) 氧化成a s ( v ) 研究的报道。 1 2 2 4 钾、磷、钙及其它元素对蜈蚣草吸收、转运砷的影响 成都理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 钾在蜈蚣草中的作用 陈同斌等【44 7 】采用同步辐射x 射线荧光( s i b x r f ) 分析了蜈蚣草羽叶中砷以及植物 必需营养元素的分布特点，发现钾在羽叶中的分布与砷极为相似；并且聚类分析显示， 钾和砷的聚类距离最近，而且钾和砷在羽叶中的分布呈极显著的正相关关系。在另一种 砷的超富集植物大叶井口边草中，也存在着钾和砷在羽叶中分布呈极显著正相关关系 4 ”。l o m b i 等 4 9 研究也表明，钾和砷在蜈蚣草中的分布模式相似。另一方面，也有研 究表明【5 0 ，施加砷可以提高蜈蚣草地上部钾的含量。钾是植物体内大量存在的阳离子， 而砷在蜈蚣草中主要以阴离子形态大量存在。陈同斌等 4 8 】、l o m b i 等【4 9 1 和t u 等【5 0 】 推测，钾很可能对超富集植物蜈蚣草体内大量存在的亚砷酸根离子起到离子和电荷平衡 的作用。 但李文学等【4 1 研究结果表明，蜈蚣草羽叶毛状体中砷含量高于羽叶细胞，而钾的 含量却显著低于表皮细胞和叶肉细胞；毛状体冒细胞中砷含量显著低于其节细胞和基细 胞，而钾在冒细胞中的相对含量要远远高于节细胞和基细胞。当土壤砷浓度在0 2 0 0 m g k g 范围内，蜈蚣草根部和幼嫩植物体中钾的浓度并没有受到显著影响【5 。这说 明，在砷含量最高的蜈蚣草羽叶中，钾和砷在细胞水平上的分布并不存在相似性，钾在 细胞水平上可能并没有对亚砷酸根离子起到离子和电荷平衡作用。 ( 2 ) 磷对蜈蚣草富集砷的作用 由于磷和砷在元素周期表中都属于第v 族，化学性质相似，在土壤中两者都以阴离 子存在，化学行为类似，国内外的学者对磷、砷交互作用进行了较为深入的研究。 有些学者认为，与其它植物一样，蜈蚣草是通过磷酸盐转运系统吸收砷，磷抑制蜈 蚣草对砷的吸收，磷与砷之间存在着拮抗作用。w a n g 等口2 j 在水培条件下研究了磷砷的 相互作用，发现增加磷的供给会显著减少蜈蚣草对砷的吸收，增加砷酸盐的供给会降低 根部磷的浓度，其结果表明，砷酸盐是通过磷酸盐转运系统被吸收的。t u 等【4 3 】在水培 条件下的研究结果也表明，磷降低了蜈蚣草对a s ( v ) 的吸收，但促进对a s ( i i i ) 的吸收， 这说明蜈蚣草对砷酸盐与磷酸盐的吸收呈拮抗关系。t u 等口3 在水培条件下研究了p h 、 砷酸盐、磷酸盐对蜈蚣草吸收砷、磷及其生长的相互影响，发现磷抑制蜈蚣草对砷的吸 收，而砷在低于2 5 m g k g 时有利于对磷的吸收。p o y n t o n 等【5 4 】用含7 3 a s 的砷酸盐进行放 射性同位素示踪，研究了砷在根部短期内的单向流入和转运，发现根部砷的流入量很大， 可用m i c h a e l i s m e n t e n 动力学来描述，其动力学参数k 。较小，转运蛋白对砷酸盐的亲 和性很高。经进一步定量分析k 。，发现磷酸盐由于直接竞争而抑制砷酸盐的吸收，表 明砷酸盐是通过磷酸盐转运蛋白进入蜈蚣草根部的。 第1 章前言 但也有学者认为，磷与砷之间并不存在拮抗作用，而是表现为协同效应，即磷促进 蜈蚣草对砷的吸收。陈同斌等口5 通过盆栽实验，研究磷对蜈蚣草吸收砷的影响，发现 添加低浓度磷( 4 0 0 m g k g 以下) 对超富集植物蜈蚣草地上部和地下部总砷含量没有明 显影响；但当磷的浓度大于4 0 0 m g k g 时，蜈蚣草地上部和地下部含砷浓度、地上部含 砷总量明显升高，尤其是磷浓度大于6 0 0 m g k g 时，添加磷对蜈蚣草富集砷有明显的促 进作用，因而他们认为，无论是在蜈蚣草地上部分还是地下部分，磷与砷之间并不存在 竞争关系，而是表现为一种协同( 促进) 作用，并推断砷的超富集植物对砷、磷的累积 可能并不是通过同一系统进行的。廖晓勇等 s 6 l n 过田间试验研究施用磷肥对蜈蚣草生 长和砷污染土壤修复效率的影响。结果表明，随着施磷量的增加，蜈蚣草地上部的砷累 积量先增加后减少，在施磷2 0 0 k g h m 2 处达最大。对于过多施用磷肥导致蜈蚣草地上部 砷含量的下降，他们推测可能磷酸盐与砷酸盐在根部竞争吸附位，抑制砷酸盐的吸收， 或根部积累过高的磷酸盐可能会抑制砷由根部向地上部转运。李文学等0 6 】研究结果认 为，无论是在组织水平上还是在细胞水平上，磷与砷都存在类似的分布趋势，两者之间 不呈拮抗作用。c a o 等 5 7 也证实，无论是在受镉铜砷污染的土壤上还是在施砷处理的土 壤上，磷都显著促进蜈蚣草对砷的吸收。并且，在土壤中，磷和砷可相互竞争土壤胶体 上的吸附位点【58 ”】，提高土壤磷酸盐浓度，可解吸部分被土壤吸附的砷，提高土壤溶液 中有效态砷的浓度，利于蜈蚣草对其吸收。同时，也有研究认为磷对蜈蚣草富集砷没有 明显影响 6 0 。 总之，目前关于磷是否抑制蜈蚣草对砷的吸收，还存在着分歧，有待深入研究。 ( 3 ) 钙对蜈蚣草及其吸收、转运砷的影响 蜈蚣草是一种钙质土壤的指示植物 6 ”，钙是植物必需的营养元素，并且有研究表 明，添加钙可促进植物累积砷 6 2 。n c l ，钙对蜈蚣草吸收、转运砷的影响也成为一个 研究重点。 t u 等o ”在土培条件下研究了蜈蚣草对c a 3 ( a s 0 4 ) 2 、a 1 a s 0 4 、f e a s 0 4 、n a 2 h a s 0 4 和k 2 h a s 0 4 等不同形态砷酸盐的吸收和转运，结果表明：添加砷酸钙时蜈蚣草羽叶中 砷浓度最高，但各处理间生物量差异不明显。c a i l l e 等 6 0 也发现，添加钙会降低土壤孔 隙水中的砷含量，但对蜈蚣草富集砷没有明显影响。但廖晓勇等的研究结果表明， 在一定范围内，钙明显抑制砷向植物体地上部转运；介质中钙浓度过高还会抑制蜈蚣草 的生长，显著降低其对砷的吸收能力；介质中添加砷，植物体内部钙浓度升高，可能起 缓解砷毒的作用。 这似乎说明，低浓度钙对蜈蚣草对砷的吸收和转运没有明显影响，而高浓度钙则明 成都理工大学硕士学位论文 显抑制对砷的富集。到目前为止，关于钙如何影响蜈蚣草中砷的转运尚不清楚。 另外，光照和温度可通过影响植物的生长代谢，从而影响砷的吸收和运输。 1 2 2 5 蜈蚣草对砷的解毒机制 ( 1 ) 酶、植物螯合素p c s 植物螯合素( p c s ) 由植物体内一系列低分子量、能够结合金属离子的多肽组成。 c a o 等1 5 0 1 硼：究表明，蜈蚣草中过氧化氢酶、超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶、愈 创木酚过氧化物酶等抗氧化酶的活性在低砷浓度下增加，但在土壤砷浓度大于2 0 m g k g 时，这些酶的活性降低或保持不变；蜈蚣草中的谷胱甘肽等非酶抗氧化剂尽管在土壤低 砷条件下没有观察到明显变化，但是在高砷条件下含量显著增加。他们推测，低砷处理 时酶抗氧化剂是重要的解毒机制；高砷处理时，非酶抗氧化剂在解毒机制中扮演更重要 的角色。s r i v a s t a v a 等 3 6 研究也表明，蜈蚣草中的c a t 、s o d 、a p x 的活性与砷的解毒 机制有关。z h a n g 等【6 4 研究发现，在蜈蚣草中，p c s 扮演着解毒作用，但酸溶硫醇与砷 的比率很小，仅仅只有一小部分a s ( i i i ) 与p c s 螫合，并推测砷主要贮藏液泡中，且液 泡中的砷不与p c 2 螯合。后来，z h a n g 等【6 5 证实，蜈蚣草吸收砷后，仅在羽叶诱导产生 少量的硫醇。细胞质中的p h 偏碱性，a s “1 一p c 复合物在微酸性条件下更稳定，液泡中 没有a s p c s 。z h a o 等 6 6 】也证实p c s 不是蜈蚣草对砷的主要解毒机制。可见，p c s 与砷 螯合并不是蜈蚣草主要的解毒机制。 ( 2 ) 区室化 尽管最近的研究表明，区室化作用与超富集植物富集重金属离子的能力密切相关， 但关于蜈蚣草中砷区室化方面的研究还很少。李文学等 4 1 研究发现，羽叶中的毛状体 具有大量富集砷的特殊能力，并且蜈蚣草能将吸收的砷转移和贮存到毛状体中，使其不 对植株产生毒害，从而起到区隔化作用。l o m b i 等 4 9 1 的研究n i 裂n n ，蜈蚣草羽叶细胞 中的液泡对砷也有贮藏作用。 另外，m a 掣1 卅认为a s ( v ) 还原成a s ( i i i ) 是蜈蚣草解毒机制之一。磷在蜈蚣草中对 砷可能也具有一定的解毒作用 5 0 l o 尽管蜈蚣草对砷的富集特征及其影响因素，砷在蜈蚣草中的形态及转化等方面己取 得了重大进展，但砷污染土壤的植物修复只是刚刚起步，仍然还存在一些问题和挑战。 目前，砷的超富集植物的品种还很少；而且，许多关于蜈蚣草的研究只是从砷在植物体 中的分布、转化，植物螯合素、硫醇以及磷等不同侧面去了解蜈蚣草的解毒机制，直接 研究其解毒机制还缺乏有效的研究手段。同时，也未见从基因水平上研究蜈蚣草解毒机 第1 章前言 制的报道。因此，应进一步加强砷的超富集砷植物的筛选，研究其富集机理及解毒机制， 并进行土壤砷污染的植物修复试验与示范。 1 2 3 土壤汞污染的植物修复研究进展 目前，还没有汞超富集植