全 文 ：科 学 连 叙 第 7 4卷 第 15 期 2 0 0 2年 s月 简 手及
磷对超富集植物娱蛤草吸收砷的影响及其科学意义
陈同斌 范稚莲 雷 梅 黄泽春 韦朝 阳
(中国科学院地理科学与资源研究所环境修复室 , 北京 l o l0 1 . E 一m ial : hc en ht @i g sn r 沮“ · cn )
摘要 通过盆栽实验发现 , 添加低浓度的磷 (40 0 m g瓜g 以下 )对砷超富集植物娱蛤草地上部和地下部的
含砷浓度及砷的生物富集系数 、 地上部总含砷量均没有明显影响 , 但添加大量磷 (4 0 0 m g瓜 g 以上 )则会
使娱蚁草地上部和地下部的含砷浓度及砷的生物富集系数 、 地上部总含砷量明显升高 . 在娱蛤草中, 磷
与砷之间并不存在拮抗效应 , 在高浓度时甚至表现 出明显的协同效应 . 研究结果既可以为提高超富集
植物的修复效率提供科学依据 , 同时也为研究植物中磷和砷的相互作用机理提供良好的线索 , 在理论
和技术上均具有重要价值 .
关键词 娱蚁草 超 , 集植物 砷 磷 吸收
植物修复技术和超富集植物是 目前普遍关注的
国际热点和前沿领域 . 提高植物对污染物修复效果
的途径通常分为 3大类 : ( 1 ) 筛选对污染物具有很强
富集能力的超 富集植物 (h y p e r a e e u m u l a t o r ) ; ( 11 ) 通
过添加特殊制剂等措施提高植物对污染物的吸收富
集能力 ; ( il )通过转基因技术提高超富集植物的生物
量或者提高重金属耐性植物对重金属 的富集能力 .
虽然 目前 已经发现一些重金属超富集植物 , 但是真
正可以用于植物修复的物种数量仍非常有限 ; 通过
转基因技术进行超富集植物的遗传改 良 , 在近期内
也还面临许多有待解决的技术难题 . 相比之下 , 如果
通过添加特殊制剂等措施提高凤尾旅属 l ’ ,2] 等现有超
富集植物对污染物的吸收 、 富集能力 , 则不失为一种
简单 、 易行的解决方案 , 是一条有望在近期 内取得进
展的新途径 . 但是 , 对于如何提高砷超富集植物对土
壤中砷的富集能力至今仍缺乏研究 .
砷和磷在元素周期表 中同属第 V 族 , 由于它们
的化学性质相似 , 在土壤一植物系统中的行为有颇多
相似之处 . 但是 , 它们在植物体中的生理行为却截然
不同 : 磷是植物生长必需的大量营养元素 , 而砷却是
植物生长不需要的有毒痕量元素 . 以往 的研究表明 ,
在砷污染条件下 , 植物对磷与砷 的吸收表现为拮抗
作用 l3] , 施磷往往减少植物对砷的吸收阵 7 ] . 因此 , 在
考虑土壤砷污染 的植物修复技术时 , 有必要系统地
研究磷对超富集植物吸收砷的影响 .
本文 旨在研究施磷对娱蛤草沪 t e r is v i rr a ta L )砷
吸收能力的影 响 , 同时探讨施磷提高娱蛤草对砷 的
富集能力的可行性 , 为提高植物修复效果和揭示超
富集植物对磷和砷的吸收机理提供理论依据 .
1 材料与方法
供试土壤取自北京 昌平区 . 土壤类型为褐土 , 含
砷量为 1 0 m g瓜 g , 全磷含量为 55 0 m g /k g , 有效磷
(O l
s e n 一 P )为 19 . 0 m g瓜g , p H ( H Zo 浸提 )为 5 . 0 7 , e E C 为
14
.
2 e m o l /k g
, 豁粒 (小于 0 . 0 0 2 m m )含量为 2 6% . 每
盆装供试土壤 0 . 7 k g , 施尿素 0 . 42 9 和氯化钾 0 . 34 9 .
实验设 5 个处理 : 各处理加砷 (N a H Z A s 0 4 , 分析纯 )
4 0 0 m g / (k g 土 ) , 添加磷 (N a H Zp O 、 )浓度分别为 。 , 2 0 0 ,
4 0 0
,
6 0 0 和 50 0 m g z(k g 土 ) , 各处理重复 4 次 . 平衡 2
周 , 移栽 1株娱蚁草幼苗 , 4 个月后收获 . 生长期间内
定期浇无离子水 . 收获后将植物样品进行清洗 、 杀
青 、 烘干 , 粉碎后备用 .
植物样品用硝酸 一硫酸法消煮 , 砷含量用二乙基
二硫代氨基甲酸银分光光度法测定 l8] , 磷含量用磷钥
蓝比色法测定 9[] . 在样 品测定中 , 磷对砷测定的干扰
和砷对磷测定的干扰分别用相 应的标准曲线法进行
校正 .
2 结果
从图 l 可以看出 , 在含砷量为 4 10 m g / k g( 添加砷
4 0 0 m g lk g )的土壤中 , 添加磷浓度为 。 , 2 0 0 和 4 0 0
m g l k g 时 , 植物地上部含砷量分别为 15 6 3 , 15 9 9 和
17 6 1 m g瓜 g , 地下部含砷量分别为 14 5 6 , 14 0 6 和 14 3 7
m眺9 . 方差分析结果表明 , 3个处理之间的地下部含砷
量没有明显差异 . 因此 , 添加磷浓度为 0 一 4 0 m g瓜g
1 1 5 6 WW W
.
S C IC h in 日 . 0 0 m
简 宁及 第 7 4卷 第 15 期 2 0 0 2年 a 月 拼 考 氏 叙
时 , 磷对植物地上部和地下部含砷量没有 明显影响 .
但是 , 添加磷浓度超过 4 0 m g瓜 g 时 , 随着添加磷浓
度 的升高 , 娱蚁草地上部和地下部砷含量显著增加 .
在不添加磷的处理 中 , 娱蚁草地上部和地下部的砷
含量分别为 15 6 3 和 14 8 6 m g /k g ; 在添加 8 0 0 m g /k g
磷的处理中 , 相应的砷含量为 4 3 8 4 和 4 0 2 2 m g zk g ,
分别是对照处理的 2 . 8和 2 . 7倍 . 在不同处理中 , 娱蛤
草地上部和地下部含砷量与添加磷浓度之间均可以
用抛物线方程拟合 (R “为 0 . 9 80 和 0 . 98 9) .
添加磷对提高娱蛤草 吸收砷的效果更加显著 . 本研
究结果表明 , 在砷污染土壤中 , 添加大量磷并没有使
娱蛤草的地上部生物量明显降低 (图 4) . 这说明增加
磷并没有提高砷对娱蛤草的毒性 . 相反 , 添加磷却使
地上部吸收砷的总量增加 , 尤其是添加磷浓度大 于
60 0 m g/ k g 时 , 添加磷对于娱蛤草富集砷具有明显的
促进作用 (图 3) . 因此 , 在利用娱蛤草修复砷污染环
境时 , 添加磷可以显著提高砷的去除效率 .
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- 去 .一 地上部· …令… 地下部
- - 今- - 地上部
一 」习. 一 地下部
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2 0 0 4 0 0 6 0 0
添加磷浓度加 g · k g一 `
2 0 0 4 0 0 6 0 0
添加磷浓度 /m g · k g 一 l 图 2 添加磷浓度对娱蛤草中砷的生物富集系数的影响
添加不同浓度磷对娱蛤草含砷量的影响
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一毖·助日z酬思伽瓣翻瞥
从图 2 可以看 出 , 添加磷对娱蛤草地上部和地下
部砷的生物富集系数有 明显的影响 . 添加磷不超过
40 0 m g/ kg 时 , 娱蛤草地上部和地下部对砷的富集系
数分别在 3 . 8礴 5 和 3 . 4 一3 6 之间 ; 添加磷超过 4 0
m g瓜g 时 , 其富集系数显著升高 ; 当添加磷达 80
m g瓜g 时 , 相应的富集系数分别为 10 . 7 和 9 . 8 , 分别
是不添加磷对照处理的 2 . 8和 2 . 7倍 . 由此可见 , 大量
添加磷可以显著促进娱蛤草对砷的富集 .
在植物修复 中 , 植物地上部对污染物 的吸收总
量是一项关键指标 . 从图 3可以看出 , 在不添加磷的对
照处理中 , 娱蛤草地上部吸收砷的总量为 7 . 78 m g /盆 ;
在添加 5 0 0 m g瓜 g 磷的处理中则高达 2 2 m g /盆 , 为前
者的 3 倍 . 随着添加磷浓度的升高 , 娱蛤草地上部吸
收砷的总量增加 (尤其是添加磷大于 60 m g / k g 时 ) ,
相 2 0
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2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0
添加磷浓度 /m g · k g `
图 3 添加不同浓度磷对娱蛤草地上部总吸砷量的影响
W WW
.
S C IC h i n 日 . C O m 115 7
科 考 氏 叙 第 4 7卷 第 1 5期 2 0 0 2 年 s月 简 宁及
通过分析娱蛤草植株体内 (地上部和地下部 )的
磷和砷含量之间的相互关系 (图 5)发现 , 当植物地上
部含磷浓度小于 4 9 0 m g瓜g( 拐点 )时 , 其含砷浓度不
随含磷浓度的增加而明显改变 ; 当地上部含磷浓度
超过这一范 围时 , 随着含磷浓度的增加则地上部含
砷浓度呈垂直直线形式迅速增加 . 同样 , 地下部也存
在类似的现象 . 所不同的是 , 当地下部含磷浓度超过
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2 0 0 4 0 0 6 0 0
添加磷浓度 m/ g · k g一 ,
图 4 添加不同浓度磷对娱蛤草地上部生物量的影响
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3 0 00 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0
含磷浓度 m/ g
`
kg
一 ,
70 00
图 5 娱蛤草体内磷和砷含量之间的相关关系
拐点 (4 7 0 0 m g/ kg )之后 , 其含砷浓度几乎 以平行于 Y
轴的斜率迅速增加 . 因此 , 对娱蛤草而言 , 无论是在
地上部还是在地下部 , 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 .
3 讨论
砷污染在 国内外都是一个非常突出的环境问题 .
近年来 , 孟加拉国和印度的砷污染 l ’ 0] 问题导致几千
万人受到危害 ’ ;) 2 00 年初 , 湖南郴州市苏仙区和永
兴县连续 2 次发生砷污染事故 , 导致 2 20 多人住院治
疗 2 ) 、 40 h m Z农田抛荒 ; 2 0 01 年 , 广西河池五好矿发
生严重的砷污染问题 , 导致 1巧 人急性中毒 3 ) . 因此 ,
近年来学术界对砷污染的治理和修复问题尤其关注 .
娱蚁草在砷污染土壤的植物修复方面具有极大的应
用潜力 , 可以为修复砷污染环境提供一条廉价 、 安
全 、 高效的 “ 绿色修复 ” 途径 [ ’川 . 从植物修复角度
考虑 , 根据添加磷能够提高娱蛤草对砷的富集能力
这一特点 , 可 以通过施磷来大 幅度提高娱蛤草对砷
的吸收和去除效率 .
目前研究认为 , 植物对磷和砷的吸收是在同一
系统进行的 [ ’ “ 一 ’ 4] , 在植物系统中磷会限制植物对砷
的吸收和积累 l4] , 磷对砷的快速吸收过程和慢速吸收
过程均有抑制作用【’ 5 ] . 在高磷浓度下 , 植物 中 P o 4 3 -
与 A s o 4 3一竞争膜转运蛋白 , 两者之间表现为拮抗作
用 [ , ] . 因此 , 在水稻 [ , ] 、 大麦 [” ] 、 蔬菜 [’ “ ]等普通植物
和砷耐性植物绒毛草 14, 6,7 , ’ 2 ]中 , 磷对砷的吸收均表现
为竞争作用 , 提高磷浓度可降低水稻根系 、 茎叶和籽
粒中的砷浓度 15] . K h at t ak 等人 L’ 7 1发现 , 添加磷会降低
首楷地上部的砷浓度 , 而且磷和砷之间具有加合效
应 . 但是本研究发现 , 在高磷浓度时磷与砷并不是表
现为拮抗作用而是协同 (促进 )作用 , 施磷反而有助于
植物对砷的吸收和累积 . 由此可见 , 在娱蛤草中 , 磷
与砷 的吸收和累积并不是通过同一 系统进行的 , 至
少不是完全通过 同一系统进行的 . 这一现象的发现
无疑可以为植物 中磷和砷吸收行为的 比较研究及其
机理探索提供新的启示 , 对相关的理论研究具有重
要学术价值 .
l) 井水遭砷污染 孟加拉七千万人受到严重威胁 . 《华声报 》, 20 0 年 5 月 28 日
2) 国务院和湖南省领导重视砷污染事故 . 《中国青年报 》, 20 0 0 年 3 月 2 4 日
3) 河池五好矿饮用水发生砷污染 . 《南 国早报 》 , 20 01 年 1 月 17 日
1 15 8 WWW
.
8 0 iC h in 日 . C O m
简 今及 第 47 卷 第 1 5 期 2 0 0 2年 s月 拼 考 五 叙
致谢 本 工 作为 国 家高技 术研 究发展 计 划 (批 准 号 :
2 00 lA A 645 01 0)
、 国家 自然科学基金 (批准号 : 4 007 1 7 05 ) 、
中国科学院知识创新工程 (批准号 :cK z x Z一 41 0一1 0)和北京
市 自然科学基金 (批准号 :9 9 6 0 0 0) 2资助项 目 .
参 考 文 献
陈同斌 , 韦朝 阳 , 黄泽春 , 等 . 砷超富集植物娱蛤草及其对砷的
富集特征 . 科学通报 , 2 0 0 2 , 4 7 ( 3 ) : 2 0 7一 2 10
M a L Q
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K e n n e t h M K
,
T u C
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N a t u r e
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20 0 1
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M
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,
C h a m b e r s S M
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E n v i r o n hT
x i e C h e m
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19 99
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18 ( 8 )
: 1 84 8 ~ 18 5 5
K o s e k i K
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S u P P r e s s i o n o f a r s e n i e i nj u r y o f r i e e Pl a n t s b y t h e a P
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P l i e a t io n o f h i gh e r Ph o s P h a t e e o n e e n t r a t i o n in e u l t u r e s o l u t i o n
S e i e n t i if e R e P o r t s o f t h e M i y
a g i A g r i e u l t u r a l C o l l e g e
,
19 8 8
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( 3 6 )
:
15 ~ 2 1
M
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,
M a e N a i r M R
.
A n a l t e r e d P h o s P h a t e u P t a k e s y s t e m
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一 t o l e r a n t H o l e u s l a 儿 a t u s L
.
N e w P h y t o l
,
19 9 0
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1 16 ( ] )
:
2 9 ~ 3 5
M e h a gr A A
,
B a i l e y J
,
B r e a d m o r e K
,
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B i o m a s s a l l o e a t i o n
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P h o s P h o r u s n u t r i t i o n a n d v e s ie u l a r
一
a r b u s e u l a r m y e o r h i z a l in fe e
-
t i o n i n e lo n e s o f oY
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,
H o l e u s aI n a t u s L ( P o a e e a e ) th a t
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r i n th e i r P h o s P h a t e u Pt a k e k in e t i e s a n d t o l e r a n e e t o a r s e n a t e
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M
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M
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M a e N a i r M R
.
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t o le r a n t a n d n o n t o l e r a n t Ph e n o t y P e s o f v e l v e t g r a s s
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J E n
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19 9 4
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: 2 3 4 一 2 3 8
B u o l o E G u ij a r o l
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C ar b o n e l l
一
B a r ac h i
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,
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C he m
,
19 9 9
,
4 7 ( 3 )
: 12 4 7 ~ 1 25 3
S h a印 Ie s J M , M e h ar g A A , C h a m b e r s S M , e t a l . E v o l u t i o n : S y m -
b i o t i e s o lu t i o n t o a r s e n i e e o n t a m i n a t i o n
.
N a t u r e
,
2 0 0()
,
4 04
: 9 5 1 ~
9 5 2
A s h e r C J
,
R e a y P F
.
A r s e n i e u P t a k e b y b a r l e y s e e d l in g s
.
A u s t J
P l a n t P h y s i o l
,
19 7 9
,
6 ( 4 )
: 4 5 9 一 4 6 6
L i n H C
.
P r o b l e m s o f 5 0 11 a r s e n i e : A s t u d y b a s e d o n 5 0 11
一
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一 n u t r i t i o n a l a s P e e t s
.
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,
T a iw a n U n i v e r s i t y
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19 7 7
,
1 1( 2 )
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K h a t t a k R A
,
P a g e A L
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P a r k e r D R
,
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.
A e e u m u l a t i o n a n d i n
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t e r a e t i o n s o f a r s e n i e
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m o l yb d e n u m a n d P h o s P h o ur s J
E n v i r o n Q u a l
,
19 9 1
,
2 0 ( 1)
: 16 5 一 16 8
(2 0 0 2
一
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一
24 收稿 , 2 0 0 2一 0 6 一 12 收修改稿 )
动 态
全国有机肥料产业化研讨会在厦门召开
为了推动有机肥料产业化和无公害农业发展 , 农业部
全国农业技术推广服务中心于 6 月 2 2 ~ 24 日在福建省厦
门市组织开展了 “全国有机肥料产业化研讨会 ” . 全国土壤
肥料推广系统 、 中国科学院、 中国农业科学院 、 中国农业
大学等 75 个单位 、 14 0 多位代表出席会议 , 并就有机肥料
产业化的发展现状 、 问题 、 趋势与对策进行了深入研讨 .
中国农业科学院葛诚研究员 、 中国科学院地理科学与资源
研究所陈同斌研究员分别应邀就生物肥料和堆肥技术做
主题报告 .
19 8 8 年 , 国务院在《关于重视和加强有机肥料工作的
指示 》 中指出 , 要把有机肥料产业化作为今后的发展方向 .
经过 10 多年的努力 , 全国共有有机肥料和微生物肥料生
产企业 5 0 多家 , 生产能力达到 50 万吨 , 农民自积 、 自
用 “ 农家肥 ” 的传统正在开始改变 . 但是 , 近年来耕地有
机质下降 , 农田有机肥用量减少 , 同时城市污泥 、 畜禽粪
便 、 作物秸秆等有机废弃物污染问题非常突出 , 其所含的
有机质和养分未能得到充分利用 , 因此有机肥料产业化是
今后农业和环境领域中的一项工作重点和重要发展方向 .
与会代表一致认为 , 我国的有机肥料应该向工厂化 、 产业
化方向发展 , 以克服传统有机肥体积大 、 养分低 、 施用不
便等缺点 ; 应加强基础研究 , 重视解决产业化过程中所面
临的技术难题 ; 严格执行有机肥料产品质量和技术标准 ;
加强行业内外的合作 , 建议成立 “ 中国有机肥料产业化协
会 ” .
WWW
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S C i o h l n a
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C 0 m
(陈守伦 )
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