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  农业资源与环境学报  2014, Vol. 31 Issue (2): 155-163

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

文章历史

收稿日期:2013-12-02
不同浓度硒处理对彩叶草铅胁迫的EDXS和XRD分析
秦慧媛, 胡绵好     
江西财经大学旅游与城管管理学院资源环境系, 江西 南昌 330032
基金项目:国家自然科学基金(21367013,41001376);国家大学生创新创业训练计划项目(201310421015).
作者简介:秦慧媛(1992-),女,广西桂林人,主要从事环境修复方面的研究。E-mail: qin-hy@foxmail.com
*通信作者:胡绵好 E-mail: yankeu@gmail.com
摘要:以彩叶草(Coleus blumei Benth.)为材料,用营养液培养方法,研究了不同浓度硒(Se)处理对浓度为1.0 mmol·L-1 Pb2+胁迫下彩叶草根、叶的形貌变化及其组分形态等变化,从光谱学角度初步探讨了硒对重金属铅毒害的缓解机制。结果表明:铅胁迫下的彩叶草根系C、K、Ca含量减少,O、Mg、Al、Si、Fe、Pb含量增加,叶片中的C、Mg、Al、Si、K、Ca、Fe含量减少,O、Cl含量增加。铅胁迫下硒处理的彩叶草根元素种类及其元素含量均发生了明显变化;根中晶体情况及其晶相也发生了相应变化。
关键词     铅胁迫     彩叶草     扫描电子显微镜-X射线能谱仪     X-射线衍射    
EDXS and XRD Analyses of Coleus with Different Concentration Selenium Supplements Under Lead Stress
QIN Hui-yuan, HU Mian-hao     
Department of Resource and Environment, School of Tourism and Urban Management, Jiangxi University of Finance & Economics, Nan-chang 330032, China
Abstract:In order to study the changes of the morphologies and element composition in Coleus hlumei Benth(Coleus)roots and leaves under1.0 mmol·L-1 Pb2+ stress with selenium ( Se)treatments, and to preliminarily investigate the relief mechanism of Se level on lead toxicity from the perspective of spectroscopy, Coleus was cultivated in nutrient solutions with different concentrations of Se. The results showed that the content of C, K and Ca elements in roots decreased, while 0, Mg, Al, Si, Fe and Pb elements increased under Pb stress with Se treatments. In addi-tion, the content of C, Mg, Al, Si, K, Ca and Fe elements in leaves decreased, while 0 and Cl elements increased. The element species and its contents in roots were changed obviously under Pb stress with Se treatments, and crystalline solid and crystal phase in roots were correspond-ingly changed.
Key words: selenium     lead stress     Coleus hlumei Benth     scanning electron microscope-energy dispersive spectrometer( SEM一EDXS)     X-ray diffraction(XRD)    

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(NO32 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、 (NH46Mo7O24 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(NO32 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。

图 1 彩叶草根系粉末样品表面的SEM-EDXS 扫描图谱 Figure 1 SEM-EDXS images of C. blumei roots powder

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。

表 1 彩叶草根系粉末样品表面的EDXS成分(%) Table 1 Element content of C. blumei roots(%)

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

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。

图 2 不同处理下彩叶草根系粉末样品XRD 谱图 Figure 2 XRD patterns of C. blumei roots

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。

表 2 不同处理下彩叶草根系粉末样品XRD 数据分析 Table 2 XRD patterns analysis ofC. blumei roots

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-12.2 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。

图 3 彩叶草叶片粉末样品表面的SEM-EDXS 扫描图谱 Figure 3 SEM-EDXS images of C. blumei leaves powder

表 3 彩叶草叶片粉末样品表面的EDXS 成分(%) Table 3 Element content of C. blumei leaves(%)

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

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。

图 4 不同处理下彩叶草叶片粉末样品XRD 谱图 Figure 4 XRD patterns of C. blumei leaves

表 4 不同处理下彩叶草叶片粉末样品XRD数据分析 Table 4 XRD patterns analysis of C. blumei leaves

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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