全 文 :第3 6卷,第9期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 Vol.36,No.9,pp2852-2857
2 0 1 6年9月 Spectroscopy and Spectral Analysis September,2016
金盏菊根际圈黄土溶解性有机质对Pb/Cd
赋存形态原位调控机制的光谱学证据
范春辉1,徐慧荟1,张颖超2
1.陕西科技大学环境科学与工程学院,陕西 西安 710021
2.清华大学环境学院,北京 100084
摘 要 在污染场地植物修复过程中,植物根系通过释放活性分泌物主动适应和抵御污染胁迫,直 (间)接
影响根际圈土壤DOM的结构组成。现阶段,植物修复的关注点主要集中于污染物的吸收、转运、累积和解
毒行为,对于根际圈土壤DOM的探讨略显不足。以Pb/Cd复合污染黄土区金盏菊幼苗为研究对象,分析根
际圈黄土Pb/Cd赋存形态、金盏菊生长状况等宏观差异,借助紫外可见光谱(UV)、傅里叶变换红外光谱
(FTIR)和三维荧光光谱(3D-EEMs)明确Pb/Cd胁迫前后根际圈黄土DOM的微观性质。结果表明:根际圈
黄土Pb/Cd以残渣态和可交换态为主,金盏菊生长周期结束后可交换态Pb/Cd含量有所升高。Pb/Cd胁迫
抑制了金盏菊株高和出苗率,其生长周期有助于改善黄土理化性质。胁迫后金盏菊根部呈现细长、弯曲且萎
缩的迹象;DOM紫外光谱最大吸收区间位于200~240nm,但胁迫后的图谱波峰更加尖锐,峰强更大。Pb/
Cd胁迫导致DOM红外吸收峰分别从3 444和1 637cm-1移动至3 440和1 645cm-1,其中存在重金属离子
与OH和 C O 结合效应。DOM荧光峰集中在λex/em=240/430附近(紫外区类富里酸荧光峰),Pb/Cd胁迫
对荧光峰强干扰较大,而对荧光峰位基本没有影响。金盏菊根际圈黄土DOM能够提供重要的微生态环境信
息,光谱学手段能够一定程度上揭示其与Pb/Cd赋存形态的构效关系。
关键词 溶解性有机质;根际圈;黄土;Pb/Cd胁迫;金盏菊
中图分类号:O657.3 文献标识码:A DOI:10.3964/j.issn.1000-0593(2016)09-2852-06
收稿日期:2015-10-07,修订日期:2016-01-30
基金项目:国家自然科学基金项目(21407103),中国博士后科学基金项目(2012M511968)和陕西科技大学科研基金项目(2014xhbz-06)资助
作者简介:范春辉,1982年生,陕西科技大学环境科学与工程学院讲师 e-mail:frank_van391@163.com
引 言
溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)是生态
系统中的活性化学组分,对于环境体系的组分循环和污染物
迁移转化具有调控作用。土壤DOM 主要来源于生物质腐殖
化、微生物代谢产物和植物根系分泌物三方面,其中植物根
系分泌物在土壤DOM中占有重要位置,日益成为学者们关
注的焦点。植物根系分泌物是保持根际圈(rhizosphere)微生
态功能的重要因子,其产生过程和产物性质具有天然可变
性,能够有效暗示植物根系养分吸收和组分释放的动态行
为。Edwards[1]指出,植物根系活动较为旺盛,代谢过程的根
系分泌物将直接导致较高的根际 C容量和微生物活性;
Baetz[2]也认为作为屏障存在的植物根系分泌物可以降低土
壤污染对植物的胁迫干扰。在污染土壤植物修复过程中,植
物根系通过建立体外抗性作用保障植物的正常生理功能,这
种主动防御过程通常更加积极有效。
植物根系(可溶性)分泌物包括可溶性糖(葡萄糖、果糖、
麦芽糖等)、可溶性有机酸(草酸、柠檬酸、酒石酸等)和其他
组分(胆碱、硫胺素、烟酸等)。这些组分的种类和含量变化
代表了植物根系活动和生长发育的微观特性,也预示着根际
圈土壤污染物的迁移转化和有效性差异。在重金属胁迫条件
下,植物根系分泌物的特异性将更加明显,这种DOM 特性
的动态变化又会深度调控污染物的迁移转化过程,形成“修
复植物-根际圈土壤-环境污染物”体系的反馈调节机制。现阶
段,国内外学者对于土壤 DOM 的提取方法、来源解析、
“质”“量”差别、环境效应等方面研究较多[3];而以光谱技术
为切入点,研究复合重金属重度胁迫对植物幼苗根际圈土壤
DOM性质的影响涉及很少。这也成为本研究的重要立足点
和关键目标。
在前期研究中,笔者揭示了秸秆腐殖化对黄土DOM 的
影响、秸秆腐殖化 DOM 的性质等内容。本工作以金盏菊
(观赏花卉)为修复植物,初步分析Pb/Cd重度复合胁迫条
件下,金盏菊幼苗根际圈黄土Pb/Cd赋存形态变化,以及根
际圈黄土DOM的光谱性质差异,力图为后续研究提供参考
和借鉴。
1 实验部分
1.1 供试土样
黄土样品的采集、预处理方法参见文献[4],此处不再赘
述。向黄土中均匀喷洒Pb(NO3)2 和CdCl2 溶液,充分搅拌
使黄土润湿并混合均匀,人为配制Pb/Cd污染黄土。其中:
黄土老化时间为15d,Pb/Cd浓度分别为1 000mg·kg-1黄
土和30mg·kg-1黄土。实验用水为桶装纯净水,化学试剂
为光谱纯和分析纯。
1.2 盆钵实验
盆栽容器为44cm×20cm×14cm的矩形塑料盆,每盆
装有污染黄土(5.0±0.1)kg,金盏菊种子购于西安三色园艺
有限责任公司。为了获得合适的金盏菊幼苗,采用盆栽土培
实验培养:每盆均匀播种100粒,置于室外天然光照条件下
培养并定期浇灌,使黄土含水量达到田间持水量的70%。从
播种之日起,经过60d的培养后衡量金盏菊生长情况;同时
提取金盏菊根际圈黄土DOM组分,以供相关分析检测用。
1.3 根际圈黄土及DOM提取
根际圈黄土的提取采用抖落法[5-6],这种方法是被美国
土壤学会(SSSA)接受的方法。其操作流程为:在金盏菊幼苗
完成既定生长周期后,随机选取盆钵中若干株长势一致的健
壮金盏菊样本连根提起;期间注意拔起力度,以避免破坏或
改变金盏菊微根系环境。之后小心剪下带土的根,轻轻抖
动,落下的土壤为非根际圈黄土,仍然粘附和残留于根系上
的为根际圈黄土;用毛刷将根际圈黄土收集后装入带封口的
聚四氟乙烯样品袋,标记后保存备用。
将根际圈黄土初步研磨后过筛(100目),土样与纯净水
按1∶5的土水比(m∶V,g·mL-1)混合后振荡 (24h,150
r·min-1,25℃)、离心 (5 000r·min-1,5min)、上清液过
滤 (0.45μm滤膜)后,即得根际圈黄土DOM样品。
1.4 分析方法
为了考察金盏菊根际圈黄土Pb/Cd赋存形态的变化规
律,设置CK(Pb/Cd污染黄土)、Lead(Pb污染黄土+金盏
菊)、Cadmium(Cd污染黄土+金盏菊)和 Lead/Cadmium
(Pb/Cd污染黄土+金盏菊)四种处理;其中Pb/Cd总量采用
混合酸消化法(HCl-HNO3-HF-HClO4)测定,Pb/Cd形态采
用Tessier连续提取-石墨炉原子吸收(Z-2000,HITACHI)
法检测,具体分析步骤见表1。
表1 金盏菊根际圈黄土Pb/Cd赋存形态的Tessier连续提取法
Table 1 Tessier sequential extraction procedures for lead/cadmium speciation
in Rhizosphere loess of Calendula officinalis seedling
Procedure Chemical speciation Extraction reagent Extraction condition
Ⅰ Exchangeable 16mL 1mol·L-1 MgCl2,pH 7.0 (25±1)℃,shaking continuously for 1h
Ⅱ Bound to carbonates
16mL 1mol·L-1 NaOAc,pH 5.0(Adjusted
by HOAc)
(25±1)℃,shaking continuously for 1h
Ⅲ
Bound to iron and
manganese oxides
40mL 0.04 mol·L-1 NH2OH·HCl(25%
HOAc)
(96±3)℃,shaking discontinuously for 6h
Ⅳ
Bound to organic
matter
(1)0.02mol·L-1 HNO36mL,10mL 30%
H2O2,(2)6mL 30% H2O2,(3)10mL 3.2
mol·L-1 NH4OAc
(1)(85±2)℃,shaking discontinuously for 2h,
(2)(85±2)℃,shaking discontinuously for 3h,
(3)(25±1)℃,shaking continuously for 0.5h
Ⅴ Residual Subtraction method
实验中每个样品均做3次平行,黄土理化性质的测定以
文献[7]为依据。SEM(TM-1000,HITACHI)放大倍数分别
为×500和×1 000;UV光谱(UV2300,上海天美)扫描波长
为200~700nm;冻干后DOM样品的FTIR光谱(VECTOR-
22,BRUKER)测试采用KBr压片法,扫描范围4 000~400
cm-1;荧光光谱(F-4600,HITACHI)的激发光源为150W
氙灯,PMT电压700V。所得数据采用Origin软件处理和绘
图。
2 结果与讨论
2.1 Pb/Cd赋存形态
金盏菊根际圈黄土Pb/Cd赋存形态分布规律如表2所
示。根际圈黄土Pb/Cd均以残渣态和可交换态为主,两者合
计占到Pb/Cd全量的65%以上,其余三种形态Pb/Cd含量
较低。这种不同处理组可交换态Pb/Cd含量较高的情况,源
于污染黄土老化时间较短;相比之下,Cd赋存形态的变化尺
度更为明显,这可能与元素性质及其稳定性有关。相对于
CK体系,金盏菊根际圈黄土有效态Pb/Cd含量有所增加,
其中可能涉及根系分泌物、微生物活动以及根际圈黄土环境
条件 (pH,Eh,DOM性质等)的影响,因为有诸多学者发现
植物根系可以通过泌氧作用、化感作用等“生物反馈”途径调
控污染物形态,进而形成“隔离屏障”保障自身生长发育[8-9]。
当然,具体原因还有待深入探究。
2.2 金盏菊生长状况
重金属胁迫对金盏菊幼苗生长发育的影响见表3。与
CK(无胁迫)相比,重金属单一/复合胁迫对金盏菊株高和出
苗率都具有抑制作用,源于重金属直接作用于植物细胞系
3582第9期 光谱学与光谱分析
统,导致自身代谢功能受损。在Pb/Cd高度胁迫条件下,金
盏菊出苗率仍维持在45%以上,暗示了其对重金属胁迫的忍
耐性和污染场地修复的内在潜力。黄土Pb/Cd对金盏菊生物
量(根干重和植株干重)的影响不大,但胁迫后的根长略有增
加。通常认为,重金属胁迫能降低植物根细胞有丝分裂速
度,进而导致植物根长变短。但Ricken[10]指出重金属也可能
通过调控作用间接促进植物根系生长,不排除根系对重金属
胁迫产生的“回避机制”,这种微型“生态修复单元”可能有利
于减缓重金属对植物根系的毒害作用。
表2 金盏菊根际圈黄土Pb/Cd赋存形态分布
Table 2 Chemical speciation of lead/cadmium in Rhizosphere loess of Calendula officinalis seedling
Treatment
Exchangeable Chemical speciation/%
Bound to
carbonates
Bound to iron
andmanganese oxides
Bound to organic
matter
Residual
CK 23.18a 5.38b 15.79a 8.89a 46.76b
Lead 26.99a 4.26a 16.84a 8.26a 43.65ab
Cadmium 42.17ab 4.75b 12.55ab 8.01a 32.52ab
Lead/Cadmium 25.43a/36.13a 4.47ab/4.51ab 19.45b/20.07a 8.33a/8.75a 42.32ab/30.54ab
表3 Pb/Cd胁迫对黄土区金盏菊幼苗生长的影响
Table 3 Effect of lead/cadmium stress on the growth of Calendula officinalis seedling in loess
Treatment Height/cm Emergence rate/% Root length/cm Dry root weight/g Dry plant weight/g
CK 8.85a 78a 2.98ab 0.15a 0.29b
Lead 6.63ab 52ab 3.22b 0.13b 0.31b
Cadmium 6.91a 46b 3.14ab 0.12ab 0.30ab
Lead/Cadmium 5.48ab 54ab 3.05a 0.14ab 0.27a
2.3 黄土理化性质
与黄土原样相比,无论是否存在Pb/Cd胁迫作用,金盏
菊的生长过程都能一定程度上影响黄土体系理化性质 (表
4)。幼苗期金盏菊能够降低黄土容重,说明修复过程黄土的
团粒结构和孔隙特性有所变化,这有助于黄土体系水、热、
气、肥的循环流通。金盏菊幼苗可以降低黄土pH 值,推测
其中可能存在金盏菊根系代谢分泌物 (有机酸、糖类等)的
贡献,也可能是金盏菊根系对黄土离子组分选择性吸收的结
果。黄土CEC的降低可能与pH值的减小有内在关联,而有
机质含量和电导率的升高则反映了植物/微生物的协同作
用[11]。总体来看,在Pb/Cd植物修复过程中,金盏菊幼苗对
黄土理化性质的影响是积极的,预期可以达到污染生态修复
和黄土性质改良的双重目标。
表4 Pb/Cd胁迫金盏菊幼苗生长对黄土性质的影响
Table 4 Effect of the growth of Calendula officinalis seedling under lead/cadmium stress on loess characteristics
Treatment Bulk density/(g·cm-3) pH Organic matter/(g·kg-1) CEC/(cmol·kg-1) Conductivity/(μS·cm-1)
Loess 1.31a 7.75a 14.89a 23.55b 187a
CK 1.14a 6.31a 16.88ab 22.96ab 222ab
Lead 1.26a 6.62a 16.44b 22.59a 205ab
Cadmium 1.25a 6.45a 16.28ab 23.02ab 214b
Lead/Cadmium 1.19ab 6.78a 16.59ab 22.14b 212a
图1 黄土区Pb/Cd胁迫金盏菊幼苗根系表观形态
Fig.1 SEM micrographs of Calendula officinalis seedling root under lead/cadmium stress in loess
4582 光谱学与光谱分析 第36卷
2.4 扫描电镜
Pb/Cd复合胁迫对金盏菊根部表观形貌的影响见图1。
正常条件下[图1(a)]的金盏菊根部直径较大,根毛浓密,侧
根较多,根部微形态清晰可辨;而Pb/Cd胁迫[图1(b)]对金
盏菊根部形态影响较大,根部整体呈现细长、弯曲且萎缩的
状态,略有分叉和突起现象,根毛数量显著减少,但剖面组
织较为光洁,基本无多余物质出现。这种根部表面形态差异
可能暗示了根系表皮组织能够对Pb/Cd胁迫做出有效响应,
进而(尽量)保障养分的吸收运输和新陈代谢的正常进行[12]。
2.5 紫外可见光谱
金盏菊根际圈黄土DOM的紫外可见吸收光谱如图2所
示。随着紫外吸收波长的增加,吸光度呈现总体下降趋势。
两种根际圈黄土 DOM 紫外光谱的最大吸收区间都出现在
200~240nm范围,但Pb/Cd胁迫对紫外光谱的波形和波峰
影响较大。谱线a中主要吸收带位于213和226nm附近;而
谱线b中波峰更加尖锐,峰强更大,比如在209,215,222
nm等处。这种现象可能源于金属离子与配体络合后的电荷
转移跃迁,也有可能叠加了某些阴离子(含氧酸根、过渡金
属水合离子等)在低波段的强紫外吸收[13-14]。谱线a在240~
360nm区段出现若干杂峰,吸光度下降幅度平缓;而谱线b
则没有出现杂峰,且吸光度急剧降低,至350nm波长后紫
外吸收强度趋于不变。一般认为,270~350nm内的弱吸收
峰代表化合物含有带n电子的未共轭发色团,主要是由n→
π*跃迁引起。而谱线b中的弱峰消失,可能暗示金属离子的
存在已导致发色团体系化学环境发生变化[15]。
图2 Pb/Cd胁迫金盏菊幼苗根际圈黄
土DOM的紫外可见吸收光谱
Fig.2 UV absorption spectra of DOM fromCalendula offici-
nalis seedling’s Rhizosphere loess under lead/cadmium
stress
2.6 红外光谱
金盏菊幼苗根际圈黄土DOM的傅里叶变换红外光谱详
见图3。谱线a和b的总体差别不大:其中3 600~3 200
cm-1区间出现典型吸收带,经鉴定为—COOH、醇或酚类化
合物中—OH振动峰;2 395cm-1处的吸收峰是由氨基化合
物中N—H的伸缩振动导致;1 637cm-1处的特征峰源于分
子内(间)形成氢键的羧酸中 C O 的贡献;1 049cm-1附近
的吸收峰代表了C—O基团的存在,这可能与多糖类和羧酸
类物质有关。在Pb/Cd复合胁迫条件下,图谱中某些典型区
域的峰形、峰强和峰位有所变化。比如,3 444cm-1(谱线a)
处的波峰移动至3 440cm-1(谱线b),推测重金属离子与—
OH形成的电荷-偶极键以氢键形式存在,干扰了—OH的缔
合程度和O—H键长;此外,Pb/Cd胁迫(谱线b)导致1 637
cm-1处的峰位移动至1 645cm-1,说明重金属可能与DOM
羧酸中的 C O 结合而造成质子转移[16]。造成上述光谱差
异的原因很多,不能排除金盏菊根系分泌物、重金属与
DOM结合行为等因素的干扰。
图3 Pb/Cd胁迫金盏菊幼苗根际圈黄土DOM的红外光谱
Fig.3 FTIR spectra of DOM from Calendula officinalis
seedling’s rhizosphere loess under lead/cadmium stress
2.7 三维荧光光谱
金盏菊幼苗根际圈黄土DOM 的三维荧光光谱见图4。
总体上看,Pb/Cd胁迫主要影响DOM 的荧光峰强,而对荧
光峰位干扰很小,不会造成新荧光峰产生或已有荧光峰消
失。无胁迫金盏菊根际圈黄土DOM[图4(a)]荧光峰集中出
图4 Pb/Cd胁迫金盏菊幼苗根际圈黄土DOM的三维荧光光谱
Fig.4 Three-dimensional fluorescence spectrum of DOM from
Calendula officinalis seedling’s rhizosphere loess un-
der lead/cadmium stress
5582第9期 光谱学与光谱分析
现在λex/em=240/430附近,归属为紫外区类富里酸荧光峰,
其荧光强度为2 253(无量纲,下同);而Pb/Cd复合胁迫条
件下DOM[图4(b)]荧光峰强降为1 561。两种体系荧光强度
差异的原因在于:金属离子是典型的荧光猝灭剂,对于
DOM的电荷浓度和共轭主链结构影响较大,极易导致配位
作用和荧光猝灭现象发生[17]。此外,DOM 荧光图谱没有出
现类蛋白、类腐殖酸等其他特征荧光峰。这说明实验条件
下,根际圈黄土微生物活性不强,使得微生物源的类蛋白荧
光峰没有显现;而DOM分子间的聚合作用或较低的类腐殖
酸含量也可能导致对应荧光信号的掩蔽[18]。当然,本荧光光
谱结果可能涉及黄土理化性质(pH、共存离子强度等)、荧光
自吸等外界干扰因子,对此可以尝试多种仪器分析方法的协
同验证。
近些年,植物根系分泌物相关研究变得异常活跃。这一
方面源于其定性定量分析的不确定性,另一方面也因为其独
特的生态调控效应(化感作用、金属抗性等)[19]。根系分泌物
能有效反映植物生境的异质性,对于根际圈微生态群落的演
替进化具有指示作用。本工作初步揭示了Pb/Cd胁迫对金盏
菊根际圈黄土DOM 影响的光谱学性质,但从现有资料看,
尚有诸多问题还没有得到根本解决[20],比如根系分泌物的
时空差异、信息传递机制和环境生态效应等。这要求今后不
断加强实验深度和广度,要将宏观研究(盆栽实验、场地修
复等)和微观证据(仪器技术、基因技术等)相结合,进而全
面揭示并形成相关理论体系。
3 结 论
金盏菊根际圈黄土Pb/Cd均以残渣态和可交换态为主,
金盏菊生长导致可交换态Pb/Cd含量升高。Pb/Cd胁迫能够
抑制金盏菊幼苗的株高和出苗率,胁迫后根部呈现细长、弯
曲且萎缩的形态特征。根际圈黄土DOM 紫外光谱的最大吸
收区间为200~240nm,胁迫后图谱波峰更加尖锐,峰强更
大。Pb/Cd胁迫导致DOM红外吸收峰有所偏移,其中涉及
重金属离子与—OH和 C O 的结合效应。DOM 荧光峰位
于λex/em=240/430附近,Pb/Cd胁迫更多地作用于荧光峰
强。金盏菊根际圈黄土DOM 蕴含丰富的环境信息,能够为
后续深入研究提供重要的参考和借鉴。
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6582 光谱学与光谱分析 第36卷
Spectral Evidence of In-Situ Regulatory Mechanisms on Chemical
Speciation of Lead/Cadmium Affected by Dissolved Organic
Matter Extracted from Rhizosphere Loess of Calendula
OfficinalisSeedling
FAN Chun-hui 1,XU Hui-hui 1,ZHANG Ying-chao2
1.School of Environmental Science &Engineering,Shaanxi University of Science &Technology,Xi’an 710021,China
2.School of Environment,Tsinghua University,Beijing 100084,China
Abstract The various characteristics of DOM have great impact on the transformation process of contaminants in soil due to the
generation of the feedback regulation in cycles of plant,Rhizosphere soil and environmental contaminants.Currently,more at-
tention was paid on contaminants behaviors of adsorption,transformation,accumulation and detoxification than DOM derived
from Rhizosphere soil.The chemical speciation of lead/cadmium and growth efficiency related variations were revealed in the
growth process of Calendula officinalis seedlings,and the spectral characteristics of DOM in Rhizosphere loess were discussed
with UV,FT-IR and 3D-EEMs spectra.The results showed:the dominant contents of lead/cadmium are in residual and ex-
changeable speciation,and the exchangeable contents increase greatly after the growth of Calendula officinalis seedlings.It
causes negative effects on the height and emergency rate of Calendula officinalis seedlings with lead/cadmium,and the Calen-
dula officinalis is able to positively improve loess characteristics.The root of Calendula officinalis appears to be longer,thin-
ner and flexuous.The maximum absorption band of DOM in UV spectra locates in 200~240nm,and the sharper and greater in-
tensity of peaks can be detected under lead/cadmium stress.The absorption peaks in FT-IR spectra move from 3 444and 1 637
to 3 440and 1 645cm-1,respectively,indicating the combination effects between metal ions and functional groups of—OH and
C O .ThedominantfluorescencepeaksofDOMarefoundtobearoundλex/em=240/430,described as fulvic-acid like compo-
nents,and metals in loess affect more on peaks intensity than locations.The characteristics of DOM in Rhizosphere loess of
Calendula officinalis seedlings contain much micro-eco-environmental information,and the spectral approaches are efficient to
reveal the relationship between DOM and chemical speciation of lead/cadmium.
Keywords Dissolved organic matter;Rhizosphere;Loess;Lead/cadmium stress;Calendula officinalis
(Received Oct.7,2015;accepted Jan.30,2016)
7582第9期 光谱学与光谱分析