全 文 ：中国环境科学 2006,26(1)：72~76 China Environmental Science

表面活性剂与 Pb、Zn协同作用对蚕豆叶细胞的损伤

刘红玉 1,曾光明 1,鲁双庆 2*,刘 臻 2,卢国满 1 (1.湖南大学环境科学与工程学院,湖南 长沙 410082；2.长沙
大学生物工程与环境科学系,湖南 长沙 410003)

摘要：采用透射电子显微镜及能量发散 X-射线微量分析技术,研究了非离子型表面活性剂烷基酚聚氧乙烯醚(AE)与矿山尾砂中高浓度 Pb、
Zn协同作用对蚕豆叶细胞的损伤.结果表明,高浓度 Pb、Zn使蚕豆叶绿体中类囊体解体,嗜锇颗粒的数量和体积显著增加.细胞外间隙和液
泡中出现大量的不溶性毛发状晶体.AE 与 Pb、Zn 复合污染时,细胞内膜结构的透性增加,细胞内毛发状晶体扩散到叶绿体、细胞核中.因
此,AE可加重 Pb、Zn对蚕豆叶细胞的损伤作用,毛发状晶体的形成可能与细胞脱毒有关.
关键词：铅；锌；蚕豆；超微结构；能量发散 X-射线微量分析
中图分类号：X753 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2005)01-0072-05

Damages of Vicia faba leaf cells by complex of surfactant and Pb, Zn. LIU Hong-yu1, ZENG Guang-ming1, LU
Shuang-qing2*, LIU Zhen2, LU Guo-man1 (1.College of Environmental Science and Engineering, Hunan University,
Changsha 410082, China；2.Department of Bioengineering and Environmental Science, Changsha University, Changsha
410003, China). China Environmental Science, 2006,26(1)：72~76
Abstract：Damages on Vicia faba leaf cells by the complex action of nonionic surfactant, alkylphenol ethoxylates (AE),
and high concentrations of Pb and Zn in the mine tailing were studied adopting transmission electronic microscopy and
energy-dispersive X-ray microanalysis techniques. High concentrations of Pb and Zn could cause thylakoid
disorganization in Vicia faba chloroplasts with the number and volume of plastoglobuli increasing markedly. A large
amount of indissolvable hair-like crystals could be found in the intercellular space and the vacuoles. At complex
contamination of AE with Pb and Zn, the osmosis of cell membranes structure increased; and the hair-like crystals in the
cell spreaded into the chloroplasts and the cell nucleus. Thus, AE could aggravate the damage action of Pb and Zn on
Vicia faba leaf cell; the hair-like crystal might be related with the cell detoxification.
Key words：Pb；Zn；Vicia faba；ultrastructure；energy-dispersive X-ray microanalysis

目前治理矿山污染的常用方法有化学淋洗
和植物修复技术[1-3],非离子型表面活性剂常被
用作淋洗剂和植物萃取促进剂[4],因而大量残留于
土壤中,并对重金属的行为及生物毒性产生影响.
本试验以非离子型表面活性剂烷基酚聚氧
乙烯醚(AE)为代表,以植物叶细胞超微结构的变
化为观测目标,采用透射电镜技术(TEM)和能量
发散 X-射线微量分析技术(EDXM),研究残留于
矿山土壤中的非离子型表面活性剂与高浓度
Pb、Zn复合污染下,对植物细胞的损伤及其机理.
1 材料与方法
1.1 实验材料
AE购自 Sigma公司,蚕豆种子(启豆 2号)购
自湖南省种子公司.
1.2 盆栽试验
矿山尾砂采自一废弃的铅锌矿,经测定,其
Pb、Zn 总浓度分别为 7247,15452mg/kg.对照土
样取自距该矿约 1km处.尾砂样及土样经室内充
分干燥后,过孔径为 2mm 筛,作为盆栽试验培养
基.在尾砂、土样中分别添加 N、P、K[Ca(NO3)2
和KH2PO4]肥料,浓度为每 kg培养基含 200mg N
和 100mg P.加蒸馏水充分湿润、平衡 3周.

收稿日期：2005-05-30
基金项目：湖南省自然科学基金项目(05JJ30021,03JJY4010);国家
“863”项目(2004AA649370)
* 责任作者, 教授, lsq4250440@yahoo.com.cn
1期 刘红玉等：表面活性剂与 Pb、Zn协同作用对蚕豆叶细胞的损伤 73
蚕豆种子经NaClO表面消毒后催芽,待根长
至约 1cm时,移栽到盆中,每盆移栽 12株.矿山尾
砂处理组分别浇灌去离子水或非离子型表面活
性剂 AE(用去离子水配制成浓度为 10mg/L的溶
液,pH值7.0),对照组(土壤)用去离子水浇灌.每周
浇灌 2次,8周后取样.
1.3 电子显微镜样品的制备
由于叶片的年龄和采样位置不同,细胞的超
微结构会有一些变化,因此本试验取样自茎尖往
下数第 3片叶距叶尖 1/3处.切取边长为 2mm的
小片固定、乙醇逐级脱水、浸润、包埋、超薄切
片(LKB 212B Ultratome),经醋酸双氧铀和柠檬
酸铅双重染色后,于透射电子显微镜(HITACHI
H600)下观察.
1.4 能量发散 X-射线微量分析(EDXM)
蚕豆叶样品的前处理(采样、固定、脱水、
包埋、超薄切片等)同 TEM材料,但不需要染色,
超薄切片置于镀碳的铜网上观察.EDXM 分析是
在一个由透射电子显微镜(JEOL 2010型)与微量
分析仪(EDXM 9100)联用的仪器上进行.电压
200kV,发射角度为 25.02°,液氮冷却.探头调节到
刚好覆盖被测区域.
2 结果
2.1 蚕豆叶绿体超微结构对 Pb、Zn 污染时的
响应
叶绿体是植物细胞中非常活跃的细胞器之
一,对环境因子比较敏感.与生长在无污染土壤的
对照组(图 1A)相比较,受矿山尾砂中高浓度 Pb、
Zn(分别为 7247,15452mg/kg)复合损伤时(图 1B),
蚕豆叶绿体超微结构发生了很大变化,其中最明
显、最典型的症状是球状高电子密度沉积小体的
数量和体积显著增加.伴随着球状小体的数量和
体积大幅度增加,叶绿体中类囊体形状变得不规
则,基粒数量也显著减少了.
从球状高电子密度沉积小体的 EDXM图谱
(图 2)中可观察到很强的 C信号和较弱的 O、Al
和 Cl 信号,没有明显的重金属信号,而强 Cu、Ti
信号可能来自铜网载体,Os 信号来自固定液.因
此,球状高电子密度小体被证实为类囊体部分解
体后的残余物聚合而形成的球状小体,Harris[5]
将其定义为 Plastoglobuli.由于这种球状小体具
有亲锇特性,因而又被称为嗜锇颗粒[6].
图 1 蚕豆叶绿体 TEM照片
Fig.1 TEM photos of Vicia faba chloroplast
A.正常对照 B.受尾砂重金属单因子损伤 (Cp: 细胞质; Ev:叶绿
体膜; P: 嗜锇颗粒; Thy:类囊体; 标尺: A=1100nm; B= 260nm)

图 2 蚕豆叶绿体中嗜锇颗粒的 EDXM图谱
Fig.2 EDXM spectrum of plastoglobuli in chloroplast
of Vicia faba

2.2 蚕豆叶绿体超微结构对 AE与 Pb、Zn复合
污染时的响应
由图 3可见,与对照组和仅受 Pb、Zn污染时
相比,叶绿体中嗜锇颗粒虽然可以观察到,但其数量
显著减少,体积显著变小了,接近于对照组水平.
叶绿体中类囊体的伤害症状表现出多变性.
图 3A 中可见叶绿体包被膜解体,类囊体和基粒
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
能量(keV)
峰
值

74 中 国 环 境 科 学 26卷
片层散布于细胞质中.类囊体部分解体,但仍清晰
可辨.图 3B 中叶绿体的被膜完好无损,但叶绿体
内的类囊体绝大部分都已经解体,难以分辨.与重
金属单因子伤害不同的是,类囊体的解体并不伴
随着嗜锇颗粒体积及数量的增加.在一些叶绿体
中还可观察到许多长度在 10nm 左右的毛发状
晶体随机地散布在叶绿体内.

图 3 AE与重金属复合污染下蚕豆叶绿体 TEM照片
Fig.3 TEM photos of chloroplasts of Vicia faba
contaminated with AE and heavy metals
A.叶绿体解体 B.叶绿体上的毛发状晶体 Cp:细胞质; Cry:晶体;
Cw:细胞壁; Ev:叶绿体膜; P:嗜锇颗粒; Thy:类囊体;
标尺:A=400nm; B=200nm

2.3 毛发状晶体在蚕豆叶细胞中的分布
图 4 矿山尾砂污染下蚕豆叶绿体 TEM照片
Fig.4 TEM photos of chloroplast of Vicia faba
contaminated with mine tailing
A.解体的叶绿体边沿 B.细胞外 Cry:晶体; P:嗜锇颗粒;
S:淀粉粒; Thy:类囊体; 标尺:A=23nm; B=150nm
在矿山尾砂中高浓度 Pb、Zn胁迫下,蚕豆叶
细胞超微结构中也可观察到毛发状晶体(图 4).
它们通常分布于严重损伤细胞的叶绿体边沿(图
4A)或细胞外间隙中(图 4B).在叶绿体及细胞核
上未见分布.
在 AE与 Pb、Zn共存时,毛发状晶体的分布
情况发生了很大变化.它不仅分布于细胞外间隙
(图 5A,5B),还在叶绿体(图 3B、图 5B)、细胞核
上(图 6A、6B)有分布.只是分布于细胞间隙中的
毛发状晶体长而粗,而分布于叶绿体上的毛发状
晶体细而短.
图 5 AE与重金属复合污染下蚕豆叶绿体 TEM照片
Fig.5 TEM photos of chloroplasts of Vicia faba
contaminated with AE and heavy metals
A.叶绿体及细胞外 B.细胞间隙 Chl:叶绿体; Cry:晶体;
Cw:细胞壁; P:嗜锇颗粒; S:淀粉; Thy:类囊体;
标尺: A=170nm; B=300nm
图 6 AE与重金属复合污染下蚕豆细胞核 TEM照片
Fig.6 TEM photos of nucleus of Vicia faba contaminated
with AE and heavy metals
A.细胞核和叶绿体 B.细胞核放大 Cry:晶体; N:细胞核;
Nu:核仁; 标尺:A=700nm; B=320nm
1期 刘红玉等：表面活性剂与 Pb、Zn协同作用对蚕豆叶细胞的损伤 75
3 讨论
3.1 Pb、Zn对叶绿体的伤害症状
嗜锇颗粒在正常叶绿体中也可以观察到(图
1A),但数量很少.高浓度Pb、Zn可以诱发自由基
反应[7-9],使叶绿体的内囊体膜受到伤害而解体,
因而叶绿体中嗜锇颗粒的体积和数量都大幅度
增加(图1B).重金属还可引起其它植物叶绿体中
嗜锇颗粒的增加[10,11],因此,嗜锇颗粒数量及体积
的增大是植物细胞受重金属胁迫的典型症状.
3.2 毛发状晶体结构的形成及其功能
在重金属单因子或重金属与非离子型表面
活性剂 AE 双重胁迫下,蚕豆叶细胞中都出现了
大量的毛发状结构.据作者所知,在环境污染因子
胁迫下,植物细胞中出现这种毛发状结构尚属首
次报道,但其它形状的高电子密度沉积物则常有
报道,这些沉积物大多数为球状颗粒物[12,13].植物
细胞中的这种高电子密度颗粒的化学成分主要
为磷酸盐和重金属[13],由此推断颗粒物的形成与
重金属脱毒有关.本试验中毛发状晶体的化学组
成经 EDXM分析得知主要为 P、Ca、Zn及有机
物(数据另文发表),因此,作者推断毛发状晶体的
形成及功能与其它形状(如球状颗粒)沉积物类
似,参与重金属脱毒过程.重金属诱导细胞合成大
量的有机磷酸盐,分泌到液泡及细胞外空隙,与在
那里的有毒金属阳离子结合形成稳定的、不溶性
毛发状晶体,从而降低自由金属阳离子的浓度而
使其毒性降低.
3.3 非离子型表面活性剂对重金属胁迫的影响
AE 是一类两性化合物,分子结构中同时具
有亲水性和疏水性基团,与细胞内膜结构的主要
成分——磷脂类似,因而可穿插于膜结构中,并溶
解部分膜,使膜的通透性增加,严重时使膜解体[14].
在本试验中,受 Pb、Zn 损伤时,毛发状晶体
只局限于细胞间隙及液泡中,叶绿体和细胞核都
是有双层膜保护的细胞器,因而未观察到毛发状
晶体.而加入 AE 后,毛发状晶体不仅可分布于细
胞间隙,还可分布于叶绿体和细胞核中.由此推断,
在重金属单因子作用时,高浓度的重金属离子诱
导细胞核中相关基因转录出大量的磷酸盐合成
酶mRNA,经核膜孔进入粗面型内质网,在核糖体
中合成大量的磷酸盐.这种磷酸盐被转运到细胞
外空隙或液泡中,结合重金属阳离子形成毛发状
晶体而脱毒.液泡破裂后,毛发状晶体散落于细胞
内,吸附于叶绿体边沿;在重金属与非离子型表
面活性剂共存时,它们协同作用于蚕豆叶细胞:
非离子型表面活性剂 AE 使细胞内膜结构(包括
细胞膜、叶绿体膜、细胞核膜及内质网膜等细胞
内所有的膜结构)的通透性增加或使膜部分溶解
[15],内质网中合成的磷酸盐扩散进入叶绿体,与
叶绿体内的阳离子结合形成毛发状晶体.细胞核
中大量的毛发状晶体(图 6B)可能是由于核膜透
性增加,大量的阳离子进入细胞核,破坏了双链
DNA 之间的氢键,使之与阳离子结合,形成毛发
状晶体.细胞核中的毛发状晶体也可能是在细胞
质中合成,然后扩散到细胞核中.因此,残留于土
壤中的非离子型表面活性剂和重金属,对蚕豆叶
细胞的损伤起协同作用.
4 结语
综上所述,非离子型表面活性剂 AE 与矿山
尾砂中高浓度重金属 Pb、Zn协同作用,对蚕豆叶
细胞产生伤害.受高浓度 Pb、Zn 作用,蚕豆叶绿
体中类囊体解体而导致嗜锇颗粒的数量和体积
显著增加,光合作用受到影响.重金属还可诱导细
胞合成大量的磷酸盐,分泌到液泡或细胞外间隙
中,与阳离子结合形成不溶性毛发状晶体,降低其
自由离子浓度,从而降低其毒性.非离子型表面活
性剂可使细胞内膜结构的通透性增加或使膜解
体,毛发状晶体可扩散到叶绿体、细胞核中.因
此,AE可加重 Pb、Zn对蚕豆叶细胞的损伤作用,
毛发状晶体结构的形成可能与细胞脱毒有关.

参考文献：
[1] Mclntyre T. Phytoremediation of heavy metals from soils [J].
Advance in Biochemical Engineering/Biotechnology, 2003,78:
97-123.
[2] Liu H Y, Probst A, Liao B H. Heavy metal and As contamination
in soils and crops affected by the Chenzhou lead/zinc mine spill
76 中 国 环 境 科 学 26卷
(Hunan, China) [J]. The Science of the Total Environment, 2005,
339:153-166.
[3] Khodadoust A P, Reddy K R, Maturi K. Effect of different
extraction agents on metal and organic contaminant removal from
a field soil [J]. Journal of Hazardous Materials B,
2005,117:15-24.
[4] 陈玉成,熊双莲,熊治廷.基于表面活性剂的重金属去除技术 [J].
环境科学与技术, 2004,27(增刊):162-165.
[5] Harris J B. Development of a tubular apparatus in chloroplasts of
aging cyphomandra leaves [J]. Cytobios., 1979,21:151-167.
[6] 郭余龙,罗小英,李名扬,等.表达阳离子抗菌肽的转基因棉花表
型异常 [J]. 植物生理与分子生物学学报,2003,29(4):295-300.
[7] Liao B H, Liu H Y, Probst A, et al. Combined toxic effects of
Cd2+ and acid rain on Visia faba [J]. Bulletin of Environmental
Contamination and Toxicity, 2003,71:998-1004.
[8] 刘红玉,廖柏寒,鲁双庆,等.LAS和AE对水生植物损伤的显微和
亚显微结构观察 [J]. 中国环境科学, 2001,21(6):527-530.
[9] 刘红玉,周朴华,杨仁斌,等.非离子型表面活性剂AE对稀脉浮萍
的损伤作用 [J]. 应用与环境生物学报, 2001,7(3):224-227.
[10] Molas J. Changes of chloroplast ultrastructure and total
chlorophyll concentration in cabbage leaves caused by excess of
organic Ni (II) complex [J]. Environmental and Experimental
Botany, 2002,47:115-126.
[11] Panou-Filotheou H, Bosabalidis A M, Karataglis S. Effects of
copper toxicity on leaves of Oregano (Origanum vulgare subsp.
hirtum) [J]. Annals of Botany, 2001,88:207-214.
[12] Nishikawa K, Yamakoshi Y, Uemura I, et al. Ultrastructural
changes in Chlamydomonas acidophila (Chlorophyta) induced by
heavy metals and polyphosphate metabolism [J]. FEMS
Microbioloy Ecology, 2003,44:253-259.
[13] Sarret G, Vangronsveld J, Manceau A, et al. Accumulation form
of Zn and Pb in phaseolus vulgaris in the presence and absence of
EDTA [J]. Environmental Science and Technology, 2001,35:
2854-2859.
[14] Packwood L, Taylor E, Storey T M, et al. Large vesicle
formation within cells induced by treatment with a mixed
surfactant [J]. Micron, 1996,27(2):95-105.
[15] Liu H Y, Liao B H, Zhou P H, et al. Toxicity of linear
alkylbenzene sulfonate and alkylethoxylate to aquatic plants [J].
Bulletin of Environmental Contamination and Toxicity, 2004,72
(4):866-872.

作者简介：刘红玉(1965-),女,湖南祁东人,副教授,博士,主要从事
矿山重金属污染生物修复、环境毒理及固体废物生物处理等方面的
研究.发表论文 30余篇.



废弃地毯用于发电的新方法

美国地毯研究所估计美国每年大约有 47亿磅废弃地毯被填埋处置,约占全国总垃圾填埋空间的 1%.现在 Shaw
工业公司(全世界最大的地毯生产商之一)设法利用废弃地毯发电供应地毯生产厂家.2005年 8月,开办了一家独特的
发电厂,燃料是每年 16000t 的地毯废料.该厂投资 1000 万美元,为其主要工厂供电,可使该公司每年节约 250 万美元
的燃料油.电厂工程师说,生产过程符合环境保护要求,产生的污染相当于用天然气发电的电厂.除用地毯边脚料外,
该电厂每年还使用 6000t锯末(该公司生产木质地板时产生的).
采用以塑料和石油为原料组成的地毯边脚料作为燃料的想法已有一些年头.但是早期尝试遇到一些困难,塑料
燃烧性能不好,而且产生有毒物质,达不到排放要求.但是由 Shaw 公司在开发的新流程中的工程师来自西门子建筑
技术公司,先将边脚料粉碎,然后送去气化炉,产生合成气,再通过两道污染控制过程后送去电厂,在那里就像天然气
一样燃烧.
一名西门子事业发展经理 Clark Wiedetz说:“这一过程有非常深远意义,它是第一家这类工厂.”一家环境保护
团体 Carpt America Recovery Effort的执行主任和一名环境可持续性专家 Bob Peoples说：“这是我们在解决地毯填
埋问题方面,向前迈进行了一大步.”

江 年 摘自《Environmental Progress》, October, 223(2005)