全 文 ：第 30 卷 第 8 期
2011 年 8 月
环 境 化 学
ENVIRONMENTAL CHEMISTRY
Vol． 30，No． 8
August 2011
2010 年 10 月 30 日收稿．
* 通讯联系人，Tel:13533145544;E-mail:986900862@ qq． com
蜈蚣草根部对 As(Ⅲ)的吸收特性
宋卫锋 严 明* 林梓河 罗丽丽 张坤峰 邓 琪
(广东工业大学环境科学与工程学院，广州，510006)
摘 要 采用水培实验对蜈蚣草吸收 As(Ⅲ)的吸收特性进行了研究，结果表明在各个处理浓度范围内，培养
液中 As(Ⅲ)的吸收效率随着时间递增． 当处理浓度为 10 mg·L －1时，24 h 后蜈蚣草对 As(Ⅲ)的吸收高达
97. 57%，而在处理浓度为 500 mg·L －1和 1000 mg·L －1时，蜈蚣草对 As(Ⅲ)的吸收比例明显降低，吸收百分比
分别仅有 16． 5% 和 3． 43% ． 根据改良的 Michaelis-Menten 方程，通过作图法求出了 As(Ⅲ)初始浓度为
10 mg·L －1时，蜈蚣草吸收动力学参数 vmax值为(0． 183 ± 0． 006)mg·h
－1·g －1，Km值(2． 590 ± 0． 080)mg·L
－1 ．
关键词 蜈蚣草，As(Ⅲ) ，吸收特性，吸收速率常数．
植物修复是利用植物提取、分解、转化或固定土壤、沉积物、污泥或地表、地下水中有毒有害污染物
的技术．砷是人和动物的必需元素，同时砷及其化合物也是致癌、致畸变的物质，当人体摄入超过一定剂
量的砷就会引起急性或慢性中毒．砷已被国内外列为优先控制污染物，在我国污灌引起的土壤污染中，
砷居第 5 位［1］．砷的异常地球化学行为和人类的生产活动所释放到环境中的砷已严重威胁到人类，土壤
的砷污染和防治一直是国际上的研究难点和热点领域．
自蜈蚣草对砷的超富集特性被发现以来，对其吸收、转运及对 As 超富集机理等方面的研究引起学
术界的广泛兴趣．一般认为［2］，非耐砷植物对五价砷(As(Ⅴ) )的吸收是通过磷酸盐运输通道吸收的，而
对三价砷(As(Ⅲ) )的吸收机制目前尚未有定论，同样的发现也体现在蜈蚣草富集砷的现象中． Kertulis
等人［3］通过对蜈蚣草木质部植物汁液中砷浓度的研究，得出蜈蚣草对 As(Ⅴ)的吸收速度比 As(Ⅲ)快．
Poynton等人［4］研究凤尾蕨属的超富集砷机制时发现，在溶液培养过程中，短期内进入蜈蚣草根部的
As(Ⅲ)通量明显大于非砷超富集植物 Nephrolepis exaltata 的 As(Ⅲ)通量．另外，Wang 等人［5］发现在水
培条件下，蜈蚣草吸收亚砷酸盐的速率很慢，大概是吸收砷酸盐速度的十分之一．前人已经对蜈蚣草吸
收 As(Ⅴ)的特性有所研究，对蜈蚣草各生理部位吸收砷的量进行了探讨，关于蜈蚣草的吸收机理也提
出了各种学说，国内外专家在这方面做了大量工作，为进一步研究蜈蚣草对砷的吸收提供了理论指导．
而超富集植物富集能力与其根部的吸收能力、吸收速度有关［6—11］． 这说明蜈蚣草对砷有良好的吸收效
果，是极其有发展前途的砷土壤污染修复发展方向．进一步对蜈蚣草吸收速率、吸收能力进行研究，明确
蜈蚣草吸收砷能力、吸收容量和动力学规律，能更好地指导蜈蚣草修复砷污染土壤研究工作的进行．
本研究通过对蜈蚣草室内水培实验，对蜈蚣草对 As(Ⅲ)的吸收速率和吸收百分比等方面的特性进
行研究，实验添加 NaAsO2作为三价砷源，利用二乙基二硫代氨基甲酸银比色法测定水培溶液中砷的含
量，得出蜈蚣草吸收砷速率和各时段百分比，利用干燥、消解蜈蚣草根部切样，采用离子体发射光谱法对
蜈蚣草根部砷含量进行测定，进一步说明其根部对砷吸收的影响特性，并在此基础上得到其动力学吸收
速率常数，为蜈蚣草吸收砷特性提供理论支持，并明确了蜈蚣草吸收砷的部分动力学参数．
1 材料与方法
1． 1 实验材料
蜈蚣草(Pteris vittata)取自广州大学城，且其生长形态指标如下:株高(30—35 cm)、生物量、羽叶数
等均相差不大，经有关机构鉴定为凤尾蕨属蜈蚣草．带回实验室后，进行水培实验．
8 期 宋卫锋等:蜈蚣草根部对 As(Ⅲ)的吸收特性 1423
1． 2 实验预处理
把采集的蜈蚣草去土洗泥，移入敞口烧杯中．先用自来水培养 3 d，再用自配的营养液预培养．营养
液配方为(浓度 /mmol·L －1) :MgSO4 0． 2，K2HPO4 2，NH4NO3 2，KNO3 2，NaCl 2，CuSO4·5H2O 16 × 10
－5，
ZnSO4·5H2O 4 × 10
－4 ．为了尽量模拟蜈蚣草植物的野外生长条件，水培营养液接近中性(溶液pH 7. 86) ，
水培植物容器为 70 cm ×20 cm ×20 cm的塑料池，预培养时间总共一个月，每天光照时间约10 h，光照强
度 5000—10000 Lx，空气相对湿度 55%左右，气温 15—20 ℃，预培养 30 d后进行实验．实验添加的砷源
为 NaAsO2，加砷预处理实验前，先用去离子水将蜈蚣草的根部清洗，再将其转移浸泡到100 mL的去离子
水中，24 h后开始实验．
1． 3 实验方法
水培实验操作简单，实验抗干扰能力强，便于分析，为了研究在室内栽培生长条件下蜈蚣草对砷的
吸收和富集特点，采用含有指定浓度的砷溶液进行水培实验．水培溶液中砷采用二乙基二硫代氨基甲酸
银比色法测定，取待测溶液加入浓盐酸，用甲苯萃取，得到有机相和水相，有机相中主要含量为 As(Ⅲ) ，
水相主要为 As(Ⅴ)．有机相和水相分别经处理后用 0． 001 mol·L －1碘标准溶液滴定溶液呈蓝色为止．碘
溶液所消耗的物质的量即为对应的 As(Ⅲ)的物质的量．
蜈蚣草根部的砷含量采用等离子体发射光谱法(ICP-AES)法测定，将蜈蚣草根部分开，杀青、烘干、
粉碎后备用，采用微波消解法进行消解，操作步骤如下:准确称取 0． 3000 g 样品于消解罐的内衬杯中，
加入 10 mL HNO3，静置过夜，消解条件是在 3． 5 min内由室温加热到 130 ℃，接着在 5 min 内由 130 ℃
加热到 180 ℃，并保持 9． 5 min．冷却后转入到 50 mL容量瓶，加入超纯水定容，用 ICP-AES 仪测定砷含
量，分析中所用试剂均为优级纯，而且采用标准参比物质(BW-07603)进行植物分析的质量控制，分析误
差均控制在允许的误差范围内．
实验采用溶液培养方法，选取 12 组长势一致、年龄、生长形态指标相差不大的蜈蚣草进行实验．实
验用的 As(Ⅲ)试剂以 NaAsO2的形式添加． 处理时间为 24 h，As(Ⅲ)的添加浓度分别为 0、10、20、30、
40、50、80、100、150、200、500 和 1000 mg·L －1，12 个浓度．为了研究蜈蚣草在没有收到砷污染的正常条件
下对砷的富集作用，设置空白组进行实验，作为实验的空白参考对照组．加砷后分别于 0、1、2、4、6、8、10
和 24 h，测定溶液中 As(Ⅲ)的浓度．每隔 1 h加入去离子水，用来补充因吸收、蒸腾等作用失去的水分，
以保持溶液总体积不变．同时，在抽取检测溶液样品前，用去离子水冲洗蜈蚣草根部以释放吸附的砷．在
上述实验基础上，测定溶液中 As(Ⅲ)的浓度，并通过计算，得出蜈蚣草对 As(Ⅲ)的净吸收百分比．
1． 4 数据分析
为了保证实验数据的可靠性，实验过程中尽可能消除外部因素的影响，在相同实验条件下做 5 次重
复实验，实验结果为 5 次实验数据的平均值，并用方差分析的方法验证其可靠性，对单因素影响显著程
度进行评估．本实验中蜈蚣草对 As(Ⅲ)的净吸收百分比为指定反应时间段内 As(Ⅲ)的净吸收浓度与
溶液中 As(Ⅲ)的初始浓度的比值．
2 结果与讨论
2． 1 不同处理浓度 As(Ⅲ)培养液的浓度变化
在 24 h内的 As(Ⅲ)水培实验中，添加不同浓度的 As(Ⅲ) ，培养液中 As(Ⅲ)的吸收速率有显著的
不同．由图 1 可知，As(Ⅲ)在相对较低浓度时(10—50 mg·L －1)时，培养液中 As(Ⅲ)的消耗速度较快．
在 0—10 h内，所有处理浓度的曲线几乎与时间呈线性递减关系;10 h 后，As(Ⅲ)浓度递减速度开始有
所减缓． As(Ⅲ)浓度为 10 mg·L －1的培养液在 24 h处理后，溶液中 As(Ⅲ)浓度降低到约 0． 24 mg·L －1;
而其它浓度同时也降低到 10 mg·L －1以下． 表明蜈蚣草适应水培生长环境，并表现出良好的砷吸收作
用，蜈蚣草在自身生长过程中吸收水分和营养，进行植物生长及蒸腾作用等植物正常生理过程的同时，
对溶液中的砷也起到了一定的吸收作用，低浓度时，并未出现植物中毒现象，相反表现出良好生长状态．
蜈蚣草对低浓度砷培养液中砷有良好的吸收作用，吸收速率较快，较短时间内就达到较高的吸收效率．
当 As(Ⅲ)浓度较高时(80—1000 mg·L －1) ，其浓度变化曲线趋势与较低浓度的没有明显不同，但
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As(Ⅲ)消耗的绝对量差异很大，消耗最大值出现在 500 mg·L －1，24 h后消耗约 94． 18 mg;消耗得最少的
是 1000 mg·L －1，24 h后消耗约 46． 36 mg．表明在较高浓度的含砷培养溶液中，蜈蚣草仍表现出了一定
的吸收效果，但是当砷浓度达到一定程度时，吸收效率明显下降．这可能是随着砷浓度的增大，植物逐渐
到达了自身所能容纳的污染物的限度，吸收到一定程度后，吸收效率下降．通过对蜈蚣草外形观察，1000
mg·L －1高浓度砷培养液中生长的蜈蚣草羽叶有轻微褪绿现象，表现出轻微的砷中毒现象，逐步接近蜈
蚣草容纳砷的最大容量．
图 1 10—1000 mg·L －1浓度溶液中 As(Ⅲ)的浓度变化
Fig． 1 The concentration changes of As(Ⅲ)when the initial As (Ⅲ)concentration for Pteris vittata
absorption was 10 to 1000 mg·L －1
2． 2 蜈蚣草根部对不同处理浓度 As(Ⅲ)的吸收百分比
在溶液培养的环境下，蜈蚣草根部对 As(Ⅲ)的吸收百分比计算结果如图 2 所示． 由图 2 可知，
As(Ⅲ)浓度为 0—50 mg·L －1时，蜈蚣草根部对 As(Ⅲ)的吸收特性没有显著的差别．在处理 10 h 内，各
浓度的吸收曲线均随着时间线性递增．在处理 10 h后，各处理浓度递增趋势逐渐减缓，10 h 时测得处理
浓度为 10 mg·L －1的 As(Ⅲ)吸收量为 54． 69%，24 h时测得 As(Ⅲ)吸收量为 97． 57% ．所有处理浓度的
吸收量在处理 10 h后，在 45%到 55%之间;在 24 h内，所有处理浓度的吸收量都达到 80%以上．
图 2 中 80—1000 mg·L －1的 As(Ⅲ)吸收百分比曲线表明，各浓度的吸收曲线在整个吸收过程中
(24 h) ，都随着时间线性递增． 在处理 10 h 以内，所有浓度的的吸收量均在 40%以下;而处理浓度为
500 mg·L －1和 1000 mg·L －1的吸收量更在 10%以下．在处理 24 h内，除了 80 mg·L －1和 100 mg·L －1处理
浓度的吸收量接近 70%外，其余浓度的吸收量均在 50%以下;500 mg·L －1的处理浓度吸收比例只有
16. 5%，吸收最低值出现在 1000 mg·L －1的处理浓度，只有 3． 43% ． 但是 As(Ⅲ)吸收绝对值仍较大，
200 mg·L －1As(Ⅲ)的吸收绝对值达到 87． 17 mg，1000 mg·L －1As(Ⅲ)吸附绝对值达到 34． 28 mg．
图 2 当初始砷浓度为 10—1000 mg·L －1时蜈蚣草吸收 As(Ⅲ)的百分比
Fig． 2 Percentages of As (Ⅲ)absorbed by Pteris vittata when initial As (Ⅲ)concentration was 10 to 1000 mg·L －1
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表 1 是一个实验周期(24h)完成后，将蜈蚣草根部分开，测得根部 As(Ⅲ)的含量．表 1 中生物富集
系数是蜈松草根部砷含量与水培溶液砷含量之比．由于实验过程中仅对蜈蚣草根部的 As(Ⅲ)含量进行
研究，不能完整地体现蜈蚣草各个生理部位的 As(Ⅲ)分布情况，但是肯定的一点是，As(Ⅲ)被蜈蚣草
吸收后首先在根部储存，然后逐步向茎部和羽叶转移，低浓度 As(Ⅲ)条件下根部富集量百分比更多，随
着富集量的增加，根部 As(Ⅲ)向其它部位转移．说明在低浓度条件下，蜈蚣草根部对 As(Ⅲ)的吸收富
集能力比高浓度时强，随着处理浓度的升高，蜈蚣草根部富集砷的效率下降．
表 1 不同处理浓度时蜈蚣草根部 As(Ⅲ)的含量
Table 1 As(Ⅲ)content in root segment of Pteris vittata exposed to different initial concentration of As (Ⅲ)
溶液 As(Ⅲ)浓度 /(mg·L －1) 蜈蚣草根部 As(Ⅲ)含量 /(mg·kg －1) 根部生物富集系数
10 110 11
20 115 5． 75
30 153 5． 1
40 158 3． 95
50 165 3． 3
60 173 2． 88
80 185 2． 3
100 116 1． 16
150 145 0． 97
200 170 0． 85
500 250 0． 5
1000 375 0． 375
表 2 是对重复实验的数据进行方差分析的结果，表明在不同处理浓度实验的条件下，蜈蚣草根部对
As(Ⅲ)吸收的差异达到 1%显著水平，表明在本实验中，培养液 As(Ⅲ)的浓度变化使蜈蚣草对砷吸收
量有显著变化，即蜈蚣草吸收 As(Ⅲ)的量的变化主要是由培养液中 As(Ⅲ)的浓度不同引起的．
表 2 不同处理浓度时蜈蚣草根部 As(Ⅲ)含量方差分析表
Table 2 The variance analysis results of As(Ⅲ)content in root segment of
Pteris vittata when initial As (Ⅲ)was different
差异来源 离差平方和 自由度 方差 F P
组间 294071． 25 11 26733． 75
组内 1934 48 40． 2917
663． 506 P ＜ 0． 01
总和 296005． 25 59
2． 3 蜈蚣草吸收 As(Ⅲ)的吸收速率常数
实验中，定义蜈蚣草对 As(Ⅲ)在单位时间内的吸收量与蜈蚣草根部鲜重的比值为蜈蚣草根部对
As(Ⅲ)的吸收速率，单位为 mg·h －1·g －1(指单位蜈蚣草根部鲜重)．进行了不同时间段内蜈蚣草吸收 As
(Ⅲ)的速率测定，即每隔 2 h测定分析 2 h内的吸收速率．结果表明，浓度越低，不同时间段测得的吸收
速率越保持一致，浓度越高，吸收速率差别越大，可能是As(Ⅲ)发生了氧化等反应过程，还有待进一步
研究．为此，为了减少其它因素的影响，选取不同浓度的前4 h的平均速率，得到图 3． 由图 3 可知，浓度
10 mg·L －1的吸收速率最慢，约 0． 13 mg·h －1·g －1，最大值出现在 50 mg·L －1，约 0. 45 mg·h －1·g －1，接近前
者的 3． 5 倍．这是由于溶液中 As(Ⅲ)的浓度差异造成的，浓度越大，吸收量也就越大．
蜈蚣草在吸收 As(Ⅲ)的同时，也在缓慢地释放 As(Ⅲ) ，当 As(Ⅲ)浓度降到很低时，吸收与释放即
达到了平衡［4］．初始浓度为 10 mg·L －1时，由于初始浓度较低，在 24 h内可以达到平衡，本研究 3 次的平
行实验结果也说明了这个问题，实验结果大同小异．图 4 是 As(Ⅲ)浓度为 10 mg·L －1时，不同时间时测
得的 As(Ⅲ)浓度变化(取自 3 次平行实验中的一组数据)．由图 4 可见，吸收进行到 20 h 时 As(Ⅲ)的
吸收和释放可达到平衡，此时 As(Ⅲ)的浓度为0． 2 mg·L －1 ．由上述的实验结果可计算蜈蚣草在 As(Ⅲ)
初始浓度为 10 mg·L －1时的吸收动力学参数．
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图 3 蜈蚣草吸收 As(Ⅲ)的平均速率
Fig． 3 The average absorption rates of arsenic(Ⅲ)
by Pteris vittata in As(Ⅲ)solutions of
different initial concentrations
图 4 24 h内初始浓度为 10 mg·L －1
时 As(Ⅲ)的浓度变化
Fig． 4 Change of As(Ⅲ)concentration within 24 hours
when initial As(Ⅲ)was 10 mg·L －1
对于蜈蚣草吸收 As(Ⅲ)的情形，由于是酶促反应，可以用改良的 Michaelis-Menten 方程描述［12］，其
具体形式为:
1
vi
=
Km
vmax(Ci － Cmin)
+ 1vmax
其中的 Cmin 即为达到平衡时 As(Ⅲ)的浓度．测定不同时刻的浓度 Ci及其对应的吸收速率 vi，求出二者
的倒数，以 1 /vi对 1 /(Ci － Cmin)作图，即 Lineweaver-Burk 作图法，可得一直线，直线在纵轴上截距为
1 /vmax，在横轴上截距为 － 1 /Km，直线的斜率为 Km /vmax，量取直线在两座标轴上的截距就可求出 Km值和
vmax值． vmax表征蜈蚣草根部对 As(Ⅲ)最大吸收速率，Km反映了蜈蚣草根部对 As(Ⅲ)亲合力的强弱．由
此得到 3 次平行实验的 Km、vmax及相关系数 r
2，结果分别为:米氏常数 Km为 2． 590 ± 0． 080 mg·L
－1;vmax为
(0． 183 ± 0． 006)mg·h －1·g －1;Cmin为(0． 217 ± 0． 012)mg·L
－1;r2为 0． 940 ± 0． 010．
3 结论
(1)在相对较低的处理浓度范围内(10—50 mg·L －1) ，As(Ⅲ)的吸收百分比曲线在 10 h 内均随着
时间线性递增，10 h后线性递增趋势减缓． 在 80—1000 mg·L －1的处理浓度范围内，其吸收百分比曲线
在整个吸收过程中(24 h) ，都随着时间线性递增．
(2)蜈蚣草对 As(Ⅲ)处理浓度为 10 mg·L －1，吸收百分比在 24 h后高达 97． 57%，溶液中 As(Ⅲ)的
浓度由约 10 mg·L －1下降到约 0． 24 mg·L －1 ．而在 500 mg·L －1和 1000 mg·L －1处理浓度的条件下，蜈蚣草
对 As(Ⅲ)的吸收比例明显下降，处理浓度为 500 mg·L －1和 1000 mg·L －1的吸收百分比只有 16． 5%和
3. 43% ．处理浓度为 200 mg·L －1时，吸收绝对值最大，高达约 87． 17 mg．
(3)通过对蜈蚣草根部含砷量的测定结果发现，蜈蚣草低砷浓度溶液中的砷吸收速率高于高浓度
砷培养液，当砷浓度增加到一定程度时，根部吸收作用受到抑制，与在较低浓度培养液中的实验结果相
比，百分比和吸收速率大大降低．
(4)根据 Michaelis-Menten 方程，利用作图拟合方法计算出其酶促反应动力学参数，其中 vmax值为
(0． 183 ± 0． 006)mg·h －1·g －1，Km值为(2． 590 ± 0． 080)mg·L
－1 ．
参 考 文 献
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THE ABSORPTION CHARACTERISTICS OF ARSENIC(Ⅲ)
BY PTERIS VITTATA ROOT SEGMENT
SONG Weifeng YAN Ming LIN Zihe LUO Lili ZHANG Kunfeng DENG Qi
(Faculty of Environment Science and Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou，510006，China)
ABSTRACT
In this paper，water culture experiment was employed to study arsenic absorption characteristics by Pteris
vittata root segment． The results showed that accumulation efficiency of all treatment concentrations increased
along with experiment time． When the concentration was 10 mg·L －1，the absorption ratio was as high as
97. 57% within 24 hours． But when the treatment concentrations were 500 mg·L －1 and 1000 mg·L －1，the
absorption ratios were significantly lower，which were only 16． 5% and 3． 43% respectively． According to the
modified Michaelis-Menten equation，Vmax and Km were calculated using Line-weaver-Burk illustration method
for the 10 mg·L －1 As(Ⅲ)experimental data，which were (0． 183 ± 0． 006)mg·h －1·g －1 and (2． 590 ±
0. 080)mg·L －1 respectively．
Keywords:Pteris vittata，As(Ⅲ) ，absorption characteristics，absorption rate constant．