全 文 ：第 44 卷第 12 期
2016 年 6 月
广 州 化 工
Guangzhou Chemical Industry
Vol. 44 No. 12
June. 2016
环境保护
非污染生态型蜈蚣草对砷的吸收和转化*
顾效纲1，2，李亚磊3，张佃敏4，郭一飞2，吴俊峰2，付红梅5
( 1 郑州大学 水利与环境工程学院，河南 郑州 450001;
2 河南城建学院 市政与环境工程学院，河南 平顶山 467036;
3 宝丰县环境保护局，河南 平顶山 467400; 4 中国石油天然气股份有限公司规划总院，
北京 100083; 5 国网河南省电力公司平顶山供电公司，河南 平顶山 467001)
摘 要:分析在野外条件下自然生长的不同生态类型的蜈蚣草植株体内砷的浓度差异，以及不同部位对砷的富集能力，其
地上部与地下部砷浓度变化范围分别为 643. 1 ～ 3009. 03 mg /L、44. 4 ～ 112. 4 mg /L，通过进一步阐述砷在蜈蚣草植株不同部位的形
态分布情况，在此基础上探讨了不同种类野外生态型蜈蚣草对砷的吸收和转化规律，了解其对砷的吸收和转化的机理，以期对蜈
蚣草的直接应用和富集生物量大、适应性强的砷超富集工程植株提供科学指导。
关键词:蜈蚣草;砷污染;吸收转化
中图分类号:X53 文献标志码:A
文章编号:1001 － 9677(2016)012 － 0138 －
03
* 基金项目:河南省科技厅重点资助项目 (NO:142102310244)。
第一作者:顾效纲 (1989 －)，男，在读硕士研究生，研究方向:水污染控制及资源化利用。
通讯作者:郭一飞。
Non － polluting Ecological Centipede Grass on Arsenic
Absorption and Transformation*
GU Xiao － gang1，2，LI Ya － lei3，ZHANG Dian －min4，GUO Yi － fei2，WU Jun － feng2，FU Hong －mei5
(1 College of Water Conservancy and Environmental Engineering，Zhengzhou University，
Henan Zhengzhou 450001;2 College of Municipal and Environmental Engineering，
Henan University of Urban Construction，Henan Pingdingshan 467036;3 The Environmental
Protection Agency of Baofeng County，Henan Pingdingshan 467400;4 China Petroleum
Planning and Engineering Institute and Natural Gas Company，Beijing 100083;5 State Grid
Electric Power Company Pingdingshan in Henan power company，Henan Pingdingshan 467001，China)
Abstract:Arsenic of the concentration difference in field conditions to natural growth of different ecological types of
centipede grass plant body was analyzed，as well as different parts of arsenic enrichment capacity， the arsenic
concentration in aboveground and belowground variation range was 643. 1 ～ 3009. 03 mg /L and 44. 4 ～ 112. 4 mg /L.
Arsenic in the form of centipede grass plants in different parts of the distribution was further illustrated，on this basis，the
effect of different types of centipede grass field ecotype absorption and transformation law of arsenic was discussed，
understanding the mechanism of absorption and conversion of arsenic，provided scientific guidance to direct application of
centipede grass，enrichment large biomass and adaptable arsenic hyperaccumulation engineering plant.
Key words:ciliate desert － grass;arsenic pollution;absorption and transformation
砷是一种公认的致癌物质，近年来，砷污染已成为全球
(尤其东南亚地区)急待解决的环境问题之一［1］。土壤中积累
过量的 As会导致土壤退化，农作物产量和品质下降，对人体
健康有毒害作用。我国砷污染在全球是最严重的国家之一，近
年来砷污染事件在我国偶有所见，例如湖南石门县雄黄
(As4S4)矿区砷中毒事件［2］，仅湖北某处就有 13 万亩农田受
砷严重污染。
以超富集植物为基础的植物修复技术是目前环境科学的研
究热点［3］，蜈蚣草因其具有显著地耐高砷特征而被广泛关注，
其砷转运系数为 1 ～ 7，砷浓度可达普通植物砷浓度的数十万
倍，羽片的砷浓度甚至超过 10000 mg /kg［4］，在修复砷污染土
壤方面应用前景广阔［5］。本文旨在分析砷在野外条件下自然生
长的不同生态型蜈蚣草植株体内浓度差异以及砷在蜈蚣草植株
不同部位的形态分布情况，同时探讨不同生态型蜈蚣草对砷的
吸收和转化规律，以期对蜈蚣草的直接应用和富集生物量大、
适应性强的砷超富集工程植株提供一定的科学指导。
第 44 卷第 12 期 顾效纲，等:非污染生态型蜈蚣草对砷的吸收和转化 139
1 不同种类非污染生态型蜈蚣草植株体内砷
浓度差异
蔡保松［6］研究了生长在我国不同地区的蜈蚣草的生长特
性、富集特性等，结果显示:不同的生态型蜈蚣草对砷富集量
有很大的，供试基因型的地上部与地下部砷浓度变动范围分别
为 643. 1 ～ 3009. 03 mg /kg、44. 4 ～ 112. 4 mg /kg，地上部砷积累
量波动范围为 49. 7 ～ 174. 7 mg /kg，地上部占总砷的 53% ～
90%，平均为 79%，地下部砷积累量在 0. 48 ～ 2. 84 mg /kg内变
化，富集系数在 17 ～ 81. 9 内变化，转运系数在 10. 8 ～ 50. 4 内
变化。该项研究为提高植物修复效率提供了理论依据。
植物修复技术是利用超富集植物吸收并积累环境中的污染
物，从而降低土壤中污染物的浓度［2］。所以，决定植物的修复
效率与地上部砷的积累量有直接关系。同时，蜈蚣草修复的一
个重要指标是蜈蚣草基因型向地上部转运砷的能力。转运比例
大，将根部吸收的砷最大限度转运到地上部，转运速度快，缩
短修复时间，最后通过收割带出土壤，达到植物修复的目的。
研究表明，根吸收固定的砷向根茎转运的转运率平均为 83%;
根茎部吸收的砷向羽叶的转运率是 91% ～ 98%;根吸收的砷向
地上部的转运率为 73% ～87%［6］，广西南宁和湖南宝山蜈蚣草
基因型总转运率最大，达到 87%。
2 砷在蜈蚣草植株不同部位的分布形态
As在蜈蚣草内主要以砷酸盐、亚砷酸盐的形式存在［7］，主
要富集在羽叶中，蜈蚣草内 As 的分布规律:羽叶 ＞叶柄 ＞根
系或羽叶 ＞地下茎 ＞叶柄 ＞根［8］。叶文玲等［7］通过实验表明羽
叶中 As 浓度是叶柄中浓度的 2. 8 倍，是根系浓度的 13. 1 倍;
chen等通过野外调查发现类似结果，蜈蚣草羽叶、叶柄和根系
As浓度分别为 120 ～ 1540，70 ～ 900 和 80 ～ 900 mg /kg。在蜈蚣
草根部 As主要以 As(V)形态存在，在羽叶中主要以 As(III)形
态存在，另外羽叶中还存在与植物络合素(PCs)络合的砷，含
量仅占总砷的 1% ～3%。研究表明，砷从蜈蚣草的根部向羽叶
的转运过程中是 As(V)还原成 As(III)的反应［9］，在低浓度砷
处理条件下，根部累积的砷较少，砷固定在细胞壁上，限制其
向内部转运，As(III)优先于 As(V)被转运至地上，且蜈蚣草中
As(V)的还原反应主要在根部［10］。但是随着砷处理浓度的升
高，根中的 As(V)含量逐渐开始超越根部还原能力的极限，从
而出现 As(V)和 As(III)竞争性的装载转移［10］，无法在根部还
原的部分 As(V)会直接转运至地上部羽叶中，并在羽叶中被还
原。这些研究表明，蜈蚣草根部和羽叶都能将 As(V)还原为
As(III)，但主要发生于根部，砷酸还原酶在这一反应中起着重
要作用。
3 非污染生态型蜈蚣草对砷的吸收和转化规律
3. 1 非污染生态型蜈蚣草对砷的吸收
蜈蚣草具有超强的砷吸收和转运的能力，Huang［11］等通过
用代谢抑制剂探讨蜈蚣草吸收 As 的特性，结果显示，蜈蚣草
主要通过主动运输方式吸收 As(III)，被动运输 As(III)作用非
常有限。因为木质部细胞壁对阳离子具有较强的交换能力，金
属阳离子向上运输受到阻碍，As主要以亚砷酸根阴离子形态存
在，减弱了木质部对 As 的阻碍作用，As 可以随木质部运输到
地上部，所以蜈蚣草富集的砷主要储存在地上部［12］。
3. 2 非污染生态型蜈蚣草对砷的转化
蜈蚣草能在含砷土壤中正常生长的特性源于其具有特殊的
抗氧化能力、液泡及毛状体的区隔化作用以及 As(V)还原成
As(III)的砷酸还原系统作用，也就是说蜈蚣草对砷的解毒机制
与这三者息息相关。有研究结果表明，在高砷处理条件下，非
酶抗氧化剂在解毒机制中则扮演最重要的角色，而在低砷条件
下，酶抗氧化剂起着至关重要的作用［5］。李文学等的研究结果
表明，能够大量富集砷的是羽叶内的毛状体，它避免砷对植株
的危害［13］。Lombi等［14］的研究显示，对砷有区隔化作用的是
蜈蚣草羽叶细胞中的液泡。蜈蚣草根部和羽叶都能将 As(V)还
原为 As(III)，这一砷酸还原反应主要发生于根部，砷酸还原
酶在这一反应中起着重要作用，PvACＲ2 是第一个被发现的蜈
蚣草砷酸还原酶基因［15］。
4 结 论
(1)蜈蚣草对砷的吸收是通过主动运输方式实现，砷是通
过一种特殊的水通道蛋白进入细胞，这种蛋白的具体机制还有
待进一步研究。吸收的大部分砷主要储存在地上部，在低砷环
境下，砷在根部发生砷酸还原反应，迅速由 As(V)还原成
As(III);而在高砷条件下，As并不完全在根部发生还原反应，
达到一定极限，便先通过水通道蛋白转移到地上部羽叶，在羽
叶中发生还原反应。蜈蚣草具有的这种特殊的砷酸还原系统也
是其解毒机制之一，此外，还有毛状体以及液泡的特殊区隔化
作用。
(2)虽然蜈蚣草对砷的富集特征和砷在蜈蚣草中的形态与
转化等方面已取得了重大进展，但还缺乏相关机理方面的深入
研究，蜈蚣草根部所能承受的还原能力极限有待进一步深入探
讨，另外，土壤往往成分复杂，所含重金属不仅局限于砷，对
于复合污染型土壤如何利用蜈蚣草进行修复鲜有报道，单一的
蜈蚣草修复技术可能难以达到预期效果，尝试与物理、化学、
微生物相结合的方式来提高植物修复效率可能是未来的一个发
展方向。
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( 下转第 171 页)
第 44 卷第 12 期 王金水，等:复合型生物床净化车间废气的中试试验 171
图 6 启动后 COD的检测值变化情况
Fig. 6 Change of detection value of COD after start － up
2. 4 中试设备的经济可行性分析
改良生物滴滤塔的经济可行性分析包括设备投资成本和运
行费用两部分组成。生物设备投资费用见表 1，由表 1 可知，
中试设备的投资成本为 43500 元。运行费用包括电费、水费、
药剂费、人工费等，全年累计电费 48000 元 /a，运行费全年累
计 60000 元 /a。
表 1 设备投资费用一览表
Table 1 equipment investment cost list
设备名称 型号规格 数量 费用 /元
生物滴滤塔 1000 × 4500 1 19000
离心泵 BK100 － P，750 W 1 1400
转子流量计 LZB － 50 1 500
水管、阀门及管件 2800
电控系统 1 2000
菌种及填料 4800
运输、吊装、安装 13000
合计 43500
3 结 论
(1)在实际生产工况条件下，混合生物滴滤塔有较强的抗
负荷能力，规律性的停机 40 h后，系统恢复正常运行，4 h后，
去除率达到 50%左右。
(2)在相对稳定的工况条件下，混合生物滴滤塔在稳定运
行时对 VOCs的去除率在 60% ～80%范围内波动，最大去除率有
85. 9% (进气浓度 79 mg /m3)，COD保持在在一定范围内波动。
(3)中试设备的投资成本为 43500 元，运行费用为
60000 元 /年。
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檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵
817 － 823．
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