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不同种群蜈蚣草中砷形态的X射线吸收光谱研究



全 文 :第3 5卷,第8期             光 谱 学 与 光 谱 分 析 Vol.35,No.8,pp2329-2332
2 0 1 5年8月             Spectroscopy and Spectral Analysis  August,2015  
不同种群蜈蚣草中砷形态的X射线吸收光谱研究
万小铭,刘颖茹,雷 梅*,黄泽春,陈同斌
中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心,北京 100101
摘 要 研究选择了分布于我国安徽、重庆、湖南、台湾、福建、广西、广东等7个省、市、自治区中10个
不同地理区域的13个蜈蚣草种群,通过同步辐射X射线吸收光谱研究不同种群蜈蚣草中的砷形态差异,为
揭示其富集机理奠定基础。蜈蚣草根部的砷主要以与O结合的方式存在,各种群的蜈蚣草根部还存在As—
S配位的砷,但含量较少。蜈蚣草根部中的砷以 As(Ⅴ)为主,As(Ⅴ)的比例为59.6%±0.6%~83.8%±
3.8%。不同种群的根部砷形态具有较大差异,HN5种群具有明显高于其他种群的 As(Ⅲ)比例,FJ种群具
有明显低于其他种群的As(Ⅲ)比例,而来自湖南和广西的几种种群具有较高的As-GSH比例。As(Ⅴ)比例
由低到高的顺序为:HN5<GX2<HN1<CQ<GX1<GD<HN3<HN4<GX3<HN2<TW<AH<FJ。与
根部相似,蜈蚣草羽片中的砷主要以和O结合的形式存在,存在As—S配位,但比例较低。与根部不同,羽
片中的砷以As(Ⅲ)为主,基本不存在 As(Ⅴ)形式。羽片砷主要由 As(Ⅲ)和 As-GSH两种组分组成。As-
GSH组分比例为2.4%~12.9%,GX1种群中 As-GSH 比例最低,而 GD种群中 As-GSH 比例最高。As-
GSH比例由高到低的顺序为GD>HN3>HN1>TW>CQ>AH>FJ>HN5>HN2>GX2>GX3>HN4>
GX1。对蜈蚣草中砷形态的种群差异揭示有利于对蜈蚣草砷富集能力的种群差异来源机制进行深入研究。
关键词 砷形态;种群;蜈蚣草;X射线吸收光谱
中图分类号:O657.3  文献标识码:A   DOI:10.3964/j.issn.1000-0593(2015)08-2329-04
 收稿日期:2014-05-12,修订日期:2014-08-21
 基金项目:国家自然科学基金项目(41301547)资助
 作者简介:万小铭,女,1986年生,中国科学院地理科学与资源研究所助理研究员  e-mail:wanxm.06s@igsnrr.ac.cn
*通讯联系人  e-mail:leim_@igsnrr.ac.cn
引 言
  蜈蚣草具有生物量大,砷(As)富集系数高,耐性强,分
布广泛等优点,是一种较为理想的 As超富集植物[1]。蜈蚣
草具有很强的As耐性和将As向地上部转运的能力,而植物
体内As的毒性和迁移能力都与其形态有关[2,3]。超富集植
物蜈蚣草地上部贮存的As大都以无机砷形态为主[4],Pick-
ering等对As耐性植物Indian Mustard的研究结果认为,As
与GSH结合可以抑制As向木质部转运[5]。不同种群的蜈蚣
草中砷形态存在什么样的差异?As形态的分析方法多种多
样。As形态分析的传统方法主要是采用离子色谱、气相色
谱、高效液相色谱、液相色谱和离子交换柱等分离手段与元
素特征检测器(火焰或石墨炉原子吸收、ICP发射光谱或质
谱、氢化物发生原子荧光等)联用,对As形态进行分离和测
定[6,7]。但是这些色谱方法需要对样品进行复杂的提取和分
离等预处理,而这些处理过程可能导致 As的化学形态发生
变化,影响分析结果的可信度[8,9]。X射线吸收光谱(Xray
absorption spectroscopy;XAS)是伴随同步辐射(synchrotron
radiation;SR)技术发展而形成的一种形态分析方法。XAS
方法不需要预分离或化学预处理过程,不会破坏其化学形
态,可以直接对复杂的植物活体样品进行无损分析[10],而且
可以得到元素的氧化态、近边原子和配位数等化学形态信
息[11],可以实现形态分析和结构鉴定的同步进行。本文采用
XAS方法研究不同种群蜈蚣草中砷形态的差异,了解不同种
群蜈蚣草对砷形态的转化能力。
1 实验部分
1.1 植物培养与样品准备
供试蜈蚣草种群分别取自安徽、重庆、湖南、台湾、福
建、广西及广东等省、市、自治区的10个区域。将不同地点
采集的成熟孢子洒在装满土壤的塑料盆中,保持土壤湿润。
待孢子苗长至3cm时,移入1/4Hoagland营养液中。预培
养一个月,每个种群挑选8株高度约为5cm、长势较一致的
幼苗进行试验,每盆2株,各4次重复。试验共设置2个处
理:对照处理,即不加 As的1/4培养液;加 As处理,即1
mg·L-1 As+1/4营养液。每3天更换一次培养液,共培养
30天。
1.2 方法
植物收获时、用去离子水淋洗后,从4个重复中随机挑
选3个植物样品的根和羽片。经过真空冷冻干燥、粉碎、压
片后,密封保存在-30℃冰箱中,用于 X射线吸收光谱测
定。As的K边吸收谱在北京正负电子对撞机同步辐射实验
室(BSRF)1W1B光束线的EXAFS站进行测定。EXAFS站
收集到的As的K边吸收光谱,经过边前背景扣除、数据归
一化、μ0 拟合、k空 间转换及加权、快速傅里叶变换获得
EXAFS图谱。数据的预处理和傅里叶变换通过 NSRL
XAFS软件(国家同步辐射实验室,中国合肥)进行。获得的
X射线吸收谱,经过边前背景扣除和归一化处理后,选取能
量为11 840~11 940 eV的近边谱进行样品主要组分线性组
成分析。XANES 组成分析采用LSfitXAFS 1.0 软件进
行[12]。
2 结果与讨论
2.1 蜈蚣草根部As形态的种群差异
蜈蚣草根部的砷主要以与O结合的方式存在(图1)。大
部分种群根部As—O的键长都与 As(Ⅴ)—O相近,表明这
些种群中根部的砷价态主要以5价为主。HN5种群根部砷
的As—O键长比其他种群长,更接近As(Ⅲ)—O,表明这一
种群中砷的价态主要以3价为主。EXAFS分析结果还显示,
各种种群的蜈蚣草根部还存在 As—S配位的砷,但含量较
少。
Fig.1 Fourier transform (phase shift uncorrected)of As
K-edge EXAFS for Pteris vittata roots and As model
compounds
A:As(Ⅴ)—O;B:As(Ⅲ)—O;C:As(Ⅲ)—S
  由经过归一化处理的近边吸收谱(图2),可以看出在蜈
蚣草根部砷的近边吸收峰都是呈双峰状或在主峰附近存在1
~2个肩。这表明,在大部分蜈蚣草根部As都不是以单一化
学形态存在,基本上是由亚砷酸盐(As(Ⅲ))、砷酸盐 As
(Ⅴ)和与谷胱苷肽结合的砷(As-GSH)这三种形态组合而成
的。在不同种群的蜈蚣草根部中,其 As的 K边近边峰形状
存在很大差异,显示了根部砷形态的种群差异。蜈蚣草 As
(Ⅴ)还原能力在不同的种群之间差异很大。其中,在 HN5
种群根部中As(Ⅴ)的比例仅为35.8%±14.1%,明显小于
其他种群,表明这一种群的还原能力最强;其余种群根部As
(Ⅴ)的比例差异不显著(p>0.05)。As-GSH的相对比例在
不同种群之间也存在很大差异,表明不同种群蜈蚣草合成
GSH的能力不同。其中,FJ种群根部 As-GSH的比例仅为
3.9%±3.1%,明显小于其他种群;而 HN3种群根部 As-
GSH的比例高达16.3%±0.6%,明显高于其他种群。
Fig.2 Arsenic near-edge spectra of Pteris vittata
roots and As model compounds
A:As-GSH;B:NaAsO2;C:Na2HAsO4.The lines with error bars
show the experimental data while the solid lines represent the best fit
2.2 蜈蚣草羽片中As形态的种群差异
  蜈蚣草羽片中的砷也主要与O结合(图3)。所有种群蜈
蚣草羽片中砷的As—O键长都与 As(Ⅲ)—O相近,表明羽
片中的As以3价为主。与根部相似,蜈蚣草羽片中的砷也
存在As—S配位(图3虚线C所示),而这一配位峰的峰高较
低。结果表明,各种种群蜈蚣草的根部和羽片中砷都是主要
以无机态存在,而与GSH结合的形态较少。
  从近边吸收谱上看(图4),蜈蚣草羽片砷的近边吸收峰
基本都呈简单的单峰状,仅在虚线A处存在很小的肩,而在
虚线C处没有明显的近边吸收峰。这表明在蜈蚣草羽片中基
本上不存在5价的砷,这与根部中砷以5价形态存在的现象
截然不同。不同种群蜈蚣草羽片合成GSH的能力存在很大
的差异。其中,As-GSH 组分比例最小的是 GX1种群,As-
GSH比例仅为羽片总砷的2.4%;而 HN3种群和 GD种群
0332 光谱学与光谱分析                    第35卷
蜈蚣草的羽叶中 As-GSH 比例较高,分别为 10.9% 和
12.9%;其余种群蜈蚣草羽片中 As-GSH的比例为3.0%~
7.3%。
Fig.3 Fourier transform (phase shift uncorrected)of As K-
edge EXAFS for Pteris vittata shoots and As model
compounds
A:As(Ⅴ)—O;B:As(Ⅲ)—O;C:As(Ⅲ)—S
  研究表明,虽然蜈蚣草根部和羽片中都是以无机 As
(Ⅲ)和As(Ⅴ)为主,但所有种群中均存在不同比例的 As-
GSH。其中根部As-GSH的比例最高可达16.3%(HN3),羽
片中As-GSH的比例最高可达12.9%(GD)。这表明,超富
集植物蜈蚣草中存在部分与非蛋白巯基结合的砷。而目前大
部分采用色谱方法分析蜈蚣草体内砷形态的研究都没有发现
这一形态[13,14],其主要原因可能与采用HPLC-ICP-MS方法
分析植物中 As的形态需要萃取过程有关。Schmger等认
为,As-PC的形态只有在液泡中的酸性条件下才能稳定存
在[9]。因此,萃取过程中不可避免地导致植物细胞破碎,使
得As贮存的生理环境和化学条件发生改变,很容易导致这
种结合形态发生分解[13]。Zhang等采用SEC-HG-AFS方法
均发现,蜈蚣草体内除了无机As(Ⅴ)和As(Ⅲ)还存在少量
未 知形态的砷[15],这部分未知形态的砷可能就是与非蛋白
类巯基结合的砷在萃取和分离过程中转化形成的。另外,还
有一些研究显示,施加砷能够促进蜈蚣草体内GSH和酸溶
性巯基的增加[16,17]。这些结果表明蜈蚣草具有合成GSH的
能力,而采用色谱方法没有能够观察到As-GSH很可能与萃
取过程中的干扰有关。Webb等[18]采用 XAS方法测定蜈蚣
草中砷的形态,均发现少量 As-S这一形态,也进一步说明
了这一问题。
Fig.4 Arsenic near-edge spectra of Pteris vittata
shoots and As model compounds
A:As-GSH;B:NaAsO2;C:Na2HAsO4.The lines with error bars
show the experimental data while the solid lines represent the best fit
3 结 论
  在添加As(Ⅴ)的条件下,本文所研究的所有种群蜈蚣
草羽片中 As都是以3价形态存在,而根部也存在大量的3
价砷,表明本文所研究的所有种群蜈蚣草都具有还原 As
(Ⅴ)的能力。其中,湖南石门种群(HN5)的还原能力最强,
根部As(Ⅴ)的比例仅为35.8%;其余种群根部As(Ⅴ)的比
例为59.6%~83.8%。所有种群蜈蚣草根部和羽片中还存在
部分与谷胱苷肽结合的砷,说明蜈蚣草体内可以合成GSH,
并与无机砷As(Ⅲ)结合。
 
References
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A Comparison of Arsenic Speciation in 13 Pteris Vittata L.Populations
WAN Xiao-ming,LIU Ying-ru,LEI Mei*,HUANG Ze-chun,CHEN Tong-bin
Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China
Abstract Synchrotron radiation X-ray absorption near edge structure was employed to study the arsenic(As)speciation in 13
Pteris vittata L.populations colected from 7provinces,cities,and autonomous regions in China.As in roots of P.vittata was
mainly combined with oxygen(O),with a smal amount of As combined with glutathione(GSH).Populations from Hunan and
Guangxi provinces showed higher percentages of As-GSH in soots.As in roots of P.vittata was predominated with As(Ⅴ),
with the percentage of As(Ⅴ)to the total As being 59.6±0.6%~83.8±3.8%.The As(Ⅴ)percentage was in the order of
HN5<GX2<HN1<CQ<GX1<GD<HN3<HN4<GX3<HN2<TW<AH<FJ.Similar with that in roots,As in shoots
was also mainly combined with O,with few combined with GSH.The percentage of As-GSH to the total As was in the order of
GD>HN3>HN1>TW>CQ>AH>FJ>HN5>HN2>GX2>GX3>HN4>GX1,within the range of 2.4%~12.9%.Dif-
ferent from that in roots,As in shoots was predominated with As(Ⅲ),with no As(Ⅴ)detected.The disclosure of As specia-
tion in the roots and shoots of P.vittatacontributes to the future research on As accumulation mechanism.
Keywords Arsenic speciation;Ecotype;Pteris vittata L.,;Synchrotron radiation X-ray absorption near edge structure
(Received May 12,2014;accepted Aug.21,2014)  
*Corresponding author
2332 光谱学与光谱分析                    第35卷