文章信息
- 秦慧媛, 胡绵好
- QIN Hui-yuan, HU Mian-hao
- 不同浓度硒处理对彩叶草铅胁迫的EDXS和XRD分析
- EDXS and XRD Analyses of Coleus with Different Concentration Selenium Supplements Under Lead Stress
- 农业资源与环境学报, 2014, 31(2): 155-163
- Journal of Agricultural Resources and Environment, 2014, 31(6): 513-520
- http://dx.doi.org/10.13254/j.jare.2013.0230
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文章历史
- 收稿日期:2013-12-02
随着现代工农业和社会经济的快速发展,重金属 污染问题日趋严重。铅(Pb)是环境中对动植物以及人 类毒性最强的重金属元素之一,其进入土壤后极易与 有机物结合,且大多数存于土壤表面,难溶解,几乎不 向下移动。我国铅锌矿产资源丰富,矿业开发所造成 的土壤铅污染量大面广,已成为国内外环境保护与治 理中不可忽视的问题。有关铅污染环境的修复已引起 了全世界学者的高度关注。国外对改良、治理铅污染 土壤采用的较先进的方法主要有固定法、提取法、生 物降解法、电动修复法、热解吸法等等,而国内现阶段 采用较多的方法有施用化学改良剂、生物处理法、增 施有机肥等[1],尽管这些方法都具有一定的修复改良 效果,但都存在一定的局限性,难以大规模推广应用。 植物修复是利用植物去除环境中污染物质的技术,由 于其原位修复、成本低、不造成二次污染等多种优势 而成为国际范围的研究热点。
硒(Se)是人和动物必需的微量元素,是动物和人 体谷胱甘肽氧化酶的组成成分,是一种重要的免疫功 能增强剂;硒也是植物生长所需的一种有益元素,具有 刺激植物生长发育、提高作物产量与品质、促进植物 新陈代谢、增强植物抗氧化和抵抗环境胁迫的作用[2]。 同时,硒对镉、铅等重金属具有拮抗作用,在一定程度 上能够缓解重金属对植物的毒害作用[3]。当硒浓度处 于一个较低水平时,硒溶液能够减缓重金属(Pb、Cd、As、Hg 等)对动植物的胁迫作用,硒与重金属呈现拮 抗作用;当硒浓度超过一定浓度水平时,硒溶液加重 了这些重金属的胁迫作用,硒与铅呈现协同作用[4, 5, 6, 7, 8]。 硒可通过降低膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)含量, 提高超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性 和脯氨酸(Pro)含量来保护细胞膜的完整性;降低重 金属离子含量,有效抑制植物对重金属镉和铅的吸 收[9, 10]。吴华莲等[11]从光谱学角度证实硒能有效减轻 由H2O2胁迫下引起钝顶螺旋藻(Spirulina Platensis)的 氧化损伤。然而,这些研究主要集中在代谢活性位点 和抗氧化系统对自由基清除等方面,而对于外源Se 处理后重金属胁迫下植物组织形貌变化、元素成分变 化及其非晶体或晶体等变化还缺乏深入的研究和直 接证据。 与非观赏性植物相比,利用花卉植物进行铅污染 环境的修复,不仅能降低环境中铅的含量,同时还能 达到美化环境的目的[12],将成为未来铅污染环境修复 的首选植物。彩叶草(Coleus blumei Benth)是多年生 草本观叶类花卉植物,耐热、耐寒,对日照有较强的忍 耐力,在一定程度上可通过改变渗透调节物质种类或 积累量适应渗透胁迫[13]。彩叶草具有较高的观赏价值, 在园林和城市绿化美化、植物景观营造等方面受到园 艺和园林工作者的推崇。近年的研究还发现[14, 15],彩叶 草对铅胁迫表现出较强的耐性且富集铅的能力较强, 其在铅污染植物修复中显示出极强的优越性和巨大 的潜力[15],但其对铅耐性和积累能力的机理方面等研 究还亟待深入探讨[16]。因此,本试验以彩叶草为材料, 通过室内营养液培养方法,研究不同浓度硒处理对铅 胁迫下彩叶草各器官的形貌变化及其组分形态等变 化,以期从光谱学角度探讨硒对重金属铅毒害的缓解 机制,为铅污染土壤的原位化学修复治理提供直接的 光谱学证据,也为利用花卉植物进行铅污染土壤的修 复、净化和美化环境以及保障人类健康提供理论依 据。 1 材料与方法 1.1 试验材料与试验设计
试验材料为市场上购买的高度(≥15 cm)基本一 致、生长健壮、无病虫害、叶片颜色一致的彩叶草扦插 幼苗。从土壤中拔出彩叶草幼苗,用自来水把根系上 的土壤冲洗干净(尽量少伤根系)后用自来水培养10 d 左右,在1/4~1/2 的Hoagland 营养液中培养14 d, 使其长出新根,更好地适应生长环境。按照赵兰枝 等[17]的配方配制基础完全营养液,其组成成分如下: Ca(NO3)2 3.0、KNO3 4.0、KH2PO4 1.0、MgSO4 1.0、MnCl2 3.6×10-3、H2BO3 4.5×10-2、CuCl2 8×10-4、ZnCl2 1.5×10-3、 (NH4)6Mo7O24 1.4×10-5、Fe-EDTANa2 9.0×10-2 mmol·L-1。 对彩叶草进行7 d基础完全营养液培养后,于2011年 10月20日—11月12日进行实验处理。设2 组对照组, 第一组铅、硒浓度均为0,即未添加铅和硒,用Pb0Se0 表示;第二组铅浓度为1 mmol·L-1,硒浓度为0,用 Pb1Se0 表示。再设5 组铅均为1.0 mmol·L-1,硒浓度 分别为0.1、0.5、1.0、2.5 mg·L-1 和5.0 mg·L-1 的实验 组,分别用Pb1Se0.1、Pb1Se0.5、Pb1Se1、Pb1Se2.5、Pb1Se5 表 示。铅以Pb(NO3)2 形式加入,硒以Na2SeO3形式加 入。每个处理4 次重复,随机排列,在自然温度、光照 等条件下进行试验。每隔7 d换1次营养液,处理同 时进行连续曝气。处理3 个星期后一次性收获彩叶 草,将根、茎、叶分离后称其鲜重,装入信封中置于 70~75 ℃烘箱中烘干,磨细后备用。 1.2 扫描电子显微镜(SEM)-X 射线能谱仪(EDXS)分析和X-射线衍射(XRD)分析
烘干后的彩叶草根、叶样品在玛瑙研钵中研磨, 经压片和喷金后,利用SU1510 型扫描电子显微镜 (日本日立公司)和250X-Max50 型能谱仪(英国牛津 INCA 公司)观察其表面微观结构,并对表面元素进 行测定分析。具体扫描分析参考文献[18]的方法。能谱 仪技术指标:电压为20 kV,电子束6.0,工作距离 10.0 mm。
采用D8AdvanceX射线衍射仪(德国Bruker-AXS 公司)进行XRD 分析,参数设置为:Cu 靶,测试电压 40 kV,测试电流40 mA,发射狭缝1.0 mm,防散射狭 缝1.0 mm,索拉狭缝2°,采用Ni 片滤掉Kβ峰,接收 狭缝0.2 mm,闪烁计数器计数,连续扫描方式。为了 提高扫描分辨率,扫描速度为1°·min-1,步长0.02°,角 度测试范围5°~80°。 1.3 数据分析
采用Microsoft Excel 2007 和Origin 8.5 软件对数 据进行统计分析和制图。所有数据均取平均值(n=4)。 2 结果与讨论 2.1 彩叶草根系的EDXS 和XRD 分析 2.1.1 根系的EDXS 分析
SEM 与EDXS 联用为材料的元素分析提供了方 便,对原子序数高的元素,可以做到定性和半定量分 析;对轻元素分析,如碳,多数为定性分析[19]。分别对经不同硒处理的彩叶草根系粉末样品表面形貌进行 SEM-EDXS 表征(图 1),结果表明不同处理下彩叶草 根系样品表面颗粒形貌差距比较大。Pb0Se0处理的彩 叶草根系粉末样品表面颗粒轮廓清晰。Pb1Se0.5、 Pb1Se1、Pb1Se2.5、Pb1Se5 处理后则处于高度聚集状态, 颗粒有明显膨胀感,以Pb1Se0.5、Pb1Se5最为明显。对照 组一(Pb0Se0)的彩叶草根系粉末样品表面含有C、O、 Al、Si、K、Ca、Fe等元素。对照组二(Pb1Se0)主要有C、 O、Mg、Al、Si、K、Fe、Pb 等元素。实验组主要有C、O、 Mg、Al、Si、K、Ca、Fe、Pb 等元素,Pb1Se1 处理还出现少 量S、Ti,Pb1Se2.5 处理出现Cl、Ti,Pb1Se5处理出现Na、 Cl。
由表 1 可知,氧的含量较高,由于单独的金属元 素不可能单独形成阴离子,因此各元素多是以含氧化 合物的形式存在。对照组二与对照组一相比较,O、 Mg、Al、Si、Ca、Pb 含量增加,C、K、Fe 含量减少。这可 能是铅胁迫对植物体产生毒害,影响了彩叶草根系的 抗氧化系统而使O 增多,导致植物对矿质营养元素的吸收和转运能力变化;也可能是由于铅离子会与K、 Ca 等竞争载体上的位点结合[20, 21],从而对K、Ca 等的 吸收和转运起到抑制作用[22]。相关研究表明,镉能降 低植物根中K、Ca、Mg、P、Cu、Zn、Mn、Fe 的积累[23, 24]; 陈跃均等[25]研究表明镉胁迫对保持系水稻(Oryza sativa)根系Cu、Fe、Zn 的吸收积累表现为“低促高 抑”;而翁燕南等[20]认为,Cu-Cd 复合胁迫显著地促进 了小麦幼苗对Fe 等矿质元素的吸收。这说明不同浓 度重金属胁迫对不同植物元素吸收的影响存在差异。
与对照组二Pb1Se0处理相比,实验组Mg、Ca、Pb 的含量都增加,其中Ca 的增加量更为明显。这说明硒 对铅胁迫下彩叶草吸收Ca元素具有促进作用,这可能 是Se 和Pb或者更多元素之间形成络合物[22, 26]。根中 的Mg 在硒处理后略有上升,但与硒浓度间没有明显 的正负相关性。刘碧英等[27]研究结果表明,低浓度的 铅胁迫使藿香蓟(A geratum conyzoides)根茎叶中N、 P、K、Mg含量增加,高浓度铅胁迫降低了根茎叶中P、 K 含量和积累量。Pb1Se0.5处理在所有处理中,C 含量 达最小值28.61%,O 含量达最大值41.96%,Al、Si、K 元素含量分别达最大值;随着硒浓度增加一直到0.5 mg·L-1,彩叶草根系中的铅浓度逐渐升高,Pb1Se1处理 的铅含量小于Pb1Se0.5处理,Pb1Se2.5处理铅浓度值达 最高,添加高浓度硒Pb1Se5处理后铅浓度下降,但实 验组所有处理均比对照组二所含铅的量高。 2.1.2 根系的XRD分析
由图 2可知,不同处理下彩叶草根系样品的XRD 衍射峰多落在2θ为20°~37°之间。总体来看,不同处 理下不同角度衍射角度对应峰的走势基本一致。实验 组和对照组二分别与对照组一比较,25°和45°附近的 峰均明显增强。这可能是由于铅胁迫使植物体本身产 生了对抗其毒性的物质,也可能是植物吸收铅后产生 的对其有毒害作用的物质[28]。其他衍射角度下对应峰 的强度、峰高等有明显变化。
选取如表 2 中所列的2 处衍射角度,两对照组衍 射峰的位置、强度、峰高、面积、半高宽均随着硒处理 浓度变化而变化。对照组二与对照组一相比,位于 20.90°和26.70°的两处峰均向右移动,峰强、峰面积、 半高宽减小,20.90°的峰高减小,26.70°的增大。这说 明在铅浓度为1.0 mmol·L-1胁迫下,形成彩叶草根系 XRD 衍射角度为20.90°和26.70°对应的两处峰的晶 体结晶度降低、晶相含量降低、晶粒度增大。
对比对照组二21.32°所对应的峰,实验组的峰强 度、峰高和峰面积均增大,Pb1Se0.5 处理面积达最大值 88.76,Pb1Se1处理峰强达最大值105.23,且其峰强、峰 高、峰面积最接近对照组一;半高宽都比对照组二的 0.70 小(Pb1Se5 处理除外);这说明在铅胁迫下,添加 硒处理可以使21.32°对应晶体结晶度增大,晶相含量 增多,晶粒度增大;硒浓度为1 mg·L-1 的处理能使结 晶度、晶相含量与未受铅胁迫时在量上接近。对比对 照组二27.06°所对应的峰,Pb1Se0.5和Pb1Se1处理的强 度、面积、峰高均增加,其余减小;浓度为0.1 mg·L-1 的硒处理使半高宽减小,1 mg·L-1 和5 mg·L-1处理的 上升,0.5 mg·L-1 和2.5 mg·L-1 处理的不变,0.1~2.5 mg·L-1处理的变化不超过0.01,5 mg·L-1 处理的上升 幅度较大。这说明0.5 mg·L-1和1 mg·L-1浓度的硒处 理能使铅胁迫下的结晶度、晶相含量增加。结合元素 变化分析判断,20.90°和26.70°两处峰所对应的物质 在彩叶草根系中的含量随硒处理的浓度变化不一致, 硒处理可以使这2种物质向没有铅胁迫的状态恢复, 说明硒在一定程度上是通过晶体结晶度和晶相含量 变化来减缓铅对彩叶草的毒害作用,且使其恢复的硒 浓度大致为0.5~1.0 mg·L-1。 2.2 彩叶草叶片的EDXS 和XRD 分析 2.2.1 叶片的EDXS 分析
分别对不同处理下彩叶草叶片粉末样品表面形 貌进行SEM-EDXS表征(如图 3)。对照组一(Pb0Se0)的 彩叶草叶片粉末样品表面颗粒排布比较均匀;对照组 二(Pb1Se0)的彩叶草叶片粉末样品表面出现扁片状颗 粒,同一个颗粒上出现同向褶皱;试验组样品表面颗 粒随硒浓度增加逐渐处于聚集状态,颗粒有膨胀感, Pb1Se1、Pb1Se2.5、Pb1Se5处理尤为明显。2 组对照和实验 组叶片样品主要含有C、O、Mg、Al、Si、Cl、K、Ca、Fe 等 元素(表 3)。对照组二与对照组一相比,根中出现Mg元 素,并且含量增加,而在叶中则表现为减少,这可能是 Pb 促进根系对Mg 的吸收,Mg 再与Pb 结合将部分 Pb固定在根系中,也可能与植物自身对重金属胁迫产 生的抗性有关[29]。Ca 元素含量在根系及叶中均减少, 这可能是由于Pb 能抑制植物根细胞原生质膜上Ca 离子通道[30],使得Ca 很难在根部积累,从而使根系及 叶中的Ca含量减少。
对照组二与对照组一相比较(表 3),元素O、Cl的 含量增加,C、Mg、Al、Si、K、Ca、Fe 的含量减少。Pb1Se0.1 处理在铅胁迫下的所有处理中,C 含量达最大值 64.78%,O 含量为最小值29.74%;Pb1Se5处理C 含量 达最小值58.22%,O 含量达最大值34.85%。Pb1Se0.5处理的Al、Si 含量在实验组中为最大值,介于对照组 一和对照组二的值之间。在实验组中,Cl、K元素含量 随硒浓度上升逐渐升高,但都小于对照组二的值; Pb1Se1处理的Ca 含量为所有处理中的最小值;Fe 元 素含量除Pb1Se0.1处理介于对照组一和二之间,其余 实验组的值均低于2 个对照组。 2.2.2 叶片的XRD分析
如图 4所示,铅胁迫下硒处理的彩叶草叶片粉末 样品XRD 谱图中的峰多落在2θ为15°~28°之间。结 合表 4 分析,对照组二与对照组一在21.90°和27.04° 处所成的峰相比,均往左偏移,峰强、峰面积、半高宽 均增大,对应21.90°的峰高增大,对应26.70毅的峰高 减小。这说明铅胁迫下,彩叶草叶片的结晶度、晶相含 量增大,晶粒度减小。
与对照组二21.72°所成的峰相比,实验组中 Pb1Se0.1处理的峰往左偏移,其他处理的峰往右偏移; 强度、峰高均减小;除Pb1Se5处理外其他处理的峰面 积、半高宽均减小。与对照组二26.88°所成的峰相比, Pb1Se0.1、Pb1Se5 处理的峰往左偏移,Pb1Se0.5、Pb1Se1、 Pb1Se2.5处理的峰往右偏移;实验组中除Pb1Se0.1处理 外其他处理的峰强度、峰高均减小;峰面积、半高宽增 大。这说明实验组中硒浓度范围为0.5~2.5 mg·L-1的 处理可以使叶片中21.72°处所成的峰结晶度增加,晶 相含量减小,晶粒度增加;使叶片中26.88°处所成的 峰结晶度减小,晶相含量增加,晶粒度减小。0.5~2.5 mg·L-1 的硒处理可以改变该植物体内某些物质的结晶度、晶相含量、晶粒度等,使低角度峰的位置、强度、 峰面积、半高宽和高角度峰的位置、强度朝未受铅胁 迫的状态恢复,而外源硒处理对铅胁迫下彩叶草各器 官中何种晶体或者物质发生变化以及如何变化仍需 进一步分析确定。 3 结论
(1)不同浓度硒处理对铅胁迫下彩叶草根、叶粉 末颗粒聚集程度、形貌影响较大,表面颗粒有膨胀感, 根系中元素种类以及根、叶中各元素含量有明显变 化;而且根系和叶片中的晶体情况及其晶相也发生了 相应变化。
(2)铅胁迫抑制彩叶草根系对Ca 的吸收。硒处理 可以减缓铅对彩叶草根系吸收Ca 的抑制作用;铅胁 迫下硒浓度为0.1~1 mg·L-1 处理的彩叶草叶片中Ca 含量减少,随着硒处理浓度值提高(2.5 mg·L-1),叶片 中Ca 含量增加。铅胁迫抑制彩叶草根系对Ca 的吸 收,根系中Ca 对Pb 有固着作用,从而阻止其运输到其他器官,减小对植物体的毒害。
(3)0.5~1.0 mg·L-1的硒浓度可以缓解铅对彩叶 草的胁迫作用。
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