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304 中国科学 C辑 生命科学 2004, 34 (4): 304~309
SCIENCE IN CHINA Ser. C Life Sciences
蜈蚣草羽叶中砷及植物必需营养元素的分布特点*
陈同斌①** 黄泽春① 黄宇营② 雷 梅①
(① 中国科学院地理科学与资源研究所环境修复室, 北京 100101; ② 中国科学院高能物理研究所同步辐射实验室,
北京 100039)
摘要 采用同步辐射 X射线荧光(SRXRF)分析了砷超富集植物蜈蚣草羽叶中 As及 6种植物必
需营养元素的分布特点, 以及各元素分布之间的相互关系. 结果显示, 元素在羽叶中的分布与其
迁移能力有密切的关系. As 在羽叶中的分布表明, 蜈蚣草羽叶中 As具有较强的木质部运输和木
质部卸载能力. 植物体内移动性较强的大量元素K的分布与As最为相似, 而移动性较弱的 Fe和
Ca的分布与 As呈相反的趋势.
关键词 超富集植物 蜈蚣草(Pteris vittata L.) 同步辐射 X射线荧光分析(SRXRF) 砷 元素
分布
2004-01-29收稿, 2004-06-09收修改稿
* 国家重大基础研究前期研究专项(批准号: 2002CCA03800)、国家自然科学基金重点项目(批准号: 40232022)、国家杰出青年基金项目(批准号:
40325003)和北京正负电子对撞机国家实验室 BSRF重点课题资助
** E-mail: chentb@igsnrr.ac.cn
采用对污染物具有特殊吸收能力的超富集植物
进行污染土壤修复, 是一种高效、环境友好的绿色修
复技术[1]. 目前从自然界中发现 400 多种重金属超富
集植物[2], 其中蜈蚣草(Pteris vittata L.)是报道的第 1
种砷超富集植物[3,4]. 在野外和室内盆栽实验得知其
羽叶中 As含量可大大高于 1000 mg/kg, 而且其地上
部As含量远大于地下部, 是用于As污染土壤修复的
理想植物材料[3]. 在高技术发展研究计划和国家重大
基础研究计划等国家级重点项目的支持下, 我国已
经利用该植物开展了 As污染农田植物修复的工程性
示范研究, 并取得明显的修复效果[5], 这在砷污染土
壤植物修复的工程应用中迈出了关键的一步.
与普通植物相比, 蜈蚣草具有极高的吸收砷并
向地上部转运的能力, 同时其体内可以耐受高浓度
As 的毒性. 研究其对砷的富集和解毒过程, 不仅可
以揭示砷超富集的机理, 同时也有助于重新认识砷
的植物生理、生化功能[6]. 国内外科学家先后从 As
的吸收、区隔化、植物螯合肽的作用等角度对砷的富
集和解毒机理开展了多方面的初步探讨[6~8], 但至今
对此问题尚无清楚的认识. 元素微区分析有助于了
解植物体内元素在细胞或组织水平上运移途径和过
程[9], 还可以为植株个体水平的研究结果提供佐证和
理论解释[10]. 叶片中的分布可以反映元素在植物叶
片中的运输和富集过程[11], 有助于了解元素在植物
第 4期 陈同斌等: 蜈蚣草羽叶中砷及植物必需营养元素的分布特点 305
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木质部运输和卸载等决定植物富集能力的关键过
程[12]. 对蜈蚣草而言, 由于叶部是其贮存 As 的主要
器官[3], 因此研究蜈蚣草羽叶中元素的分布特点, 对
揭示 As的富集和解毒机理具有重要意义.
由于生物体内有毒元素的含量通常较低, 目前
采用普通激发光源的微区分析手段的检测下限往往
高于此类样品中有毒元素的含量, 因而无法获得可
靠的元素分布信息, 而且这些分析手段还需要经过
化学固定、包埋等对样品具有很大破坏性的预处理
过程, 容易导致元素的流失和微区分布的变化[10]. 同
步辐射 X射线荧光分析(SRXRF)具有高灵敏度、低损
伤、多元素同时检测和可以进行活体分析等优点, 是
目前研究生物样品和环境样品中元素含量和微区分
布的理想手段[10,13,14]. 本文采用 SRXRF 研究蜈蚣草
羽叶中元素的分布特征, 以揭示 As超富集植物中 As
和其他元素在组织水平上的分布和转运特点及其与
As富集的关系.
1 材料与方法
1.1 植物培养
从湖南石门雄磺矿的砷污染土壤中采集蜈蚣草
植株[3], 连同根部土壤移栽到温室中. 从靠近地下茎
的位置剪去所有在野外生长的羽叶(以避免矿区大气
污染物所造成的污染), 仅保留植株的嫩芽和地下部
分. 在温室条件下培养, 使其重新生长出新叶. 3个月
后, 地上部生长到约 50 cm时用于 SRXRF扫描.
1.2 SRXRF扫描
叶片的扫描在北京正负电子对撞机的 4W1A 同
步辐射 X 射线荧光分析实验站上进行. 测定时贮存
环的电子能量为 2.2 GeV, 束流强度为 78 ~ 120 mA.
从蜈蚣草植株中部选取一片成熟羽叶, 用去离子水
淋洗, 表面干燥后将样品用胶带固定在微机程控三
维样品移动平台上进行 XRF 扫描, 移动平台步进精
度为 5 mm/步. 调节水平和垂直两个狭缝, 将入射白
光的光斑限为 50 mm×50 mm, 样品与入射光束成 45°,
样品与探测器的距离为 6.5 cm. 通过光学显微镜准确
定位扫描点的位置, 沿叶中脉方向上的扫描步长为
2.25 mm, 垂直于叶中脉方向上的扫描步长为 0.6 mm
(图 1(a)), 每个扫描点测量时间为 50 s. 测量的荧光
信号输入多道能谱仪, 得到同步辐射 X 射线微束激
发植物样品的能谱图(图 1(b)).
1.3 图谱解析和数据处理
用AXIL软件对获得的XRF数据进行解谱, 得到
图 1 蜈蚣草叶片扫描示意图((a))和典型 XRF图谱((b))
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木质部运输和卸载等决定植物富集能力的关键过
程[12]. 对蜈蚣草而言, 由于叶部是其贮存 As 的主要
器官[3], 因此研究蜈蚣草羽叶中元素的分布特点, 对
揭示 As的富集和解毒机理具有重要意义.
由于生物体内有毒元素的含量通常较低, 目前
采用普通激发光源的微区分析手段的检测下限往往
高于此类样品中有毒元素的含量, 因而无法获得可
靠的元素分布信息, 而且这些分析手段还需要经过
化学固定、包埋等对样品具有很大破坏性的预处理
过程, 容易导致元素的流失和微区分布的变化[10]. 同
步辐射 X射线荧光分析(SRXRF)具有高灵敏度、低损
伤、多元素同时检测和可以进行活体分析等优点, 是
目前研究生物样品和环境样品中元素含量和微区分
布的理想手段[10,13,14]. 本文采用 SRXRF 研究蜈蚣草
羽叶中元素的分布特征, 以揭示 As超富集植物中 As
和其他元素在组织水平上的分布和转运特点及其与
As富集的关系.
1 材料与方法
1.1 植物培养
从湖南石门雄磺矿的砷污染土壤中采集蜈蚣草
植株[3], 连同根部土壤移栽到温室中. 从靠近地下茎
的位置剪去所有在野外生长的羽叶(以避免矿区大气
污染物所造成的污染), 仅保留植株的嫩芽和地下部
分. 在温室条件下培养, 使其重新生长出新叶. 3个月
后, 地上部生长到约 50 cm时用于 SRXRF扫描.
1.2 SRXRF扫描
叶片的扫描在北京正负电子对撞机的 4W1A 同
步辐射 X 射线荧光分析实验站上进行. 测定时贮存
环的电子能量为 2.2 GeV, 束流强度为 78 ~ 120 mA.
从蜈蚣草植株中部选取一片成熟羽叶, 用去离子水
淋洗, 表面干燥后将样品用胶带固定在微机程控三
维样品移动平台上进行 XRF 扫描, 移动平台步进精
度为 5 mm/步. 调节水平和垂直两个狭缝, 将入射白
光的光斑限为 50 mm×50 mm, 样品与入射光束成 45°,
样品与探测器的距离为 6.5 cm. 通过光学显微镜准确
定位扫描点的位置, 沿叶中脉方向上的扫描步长为
2.25 mm, 垂直于叶中脉方向上的扫描步长为 0.6 mm
(图 1(a)), 每个扫描点测量时间为 50 s. 测量的荧光
信号输入多道能谱仪, 得到同步辐射 X 射线微束激
发植物样品的能谱图(图 1(b)).
1.3 图谱解析和数据处理
用AXIL软件对获得的XRF数据进行解谱, 得到
图 1 蜈蚣草叶片扫描示意图((a))和典型 XRF图谱((b))
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