全 文 ：第 33 卷 第 6 期 核 技 术 Vol. 33, No.6
2010 年 6 月 NUCLEAR TECHNIQUES June 2010
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国家自然科学基金委资助(20720102042，40730740)
第一作者：张 莘，女，1980 年出生，2009 年于中国科学院生态环境研究中心获博士学位，环境科学专业，助理研究员
收稿日期：2009-11-30，修回日期：2010-03-25
无根萍 Wolffia globosa 中砷及其它元素的分布特点
张 莘 1 黄 青 2 陈保冬 1 罗 磊 1 朱永官 1,2
1(中国科学生态环境研究中心 北京 100085)
2(中国科学院城市环境研究所 厦门 361021)
摘要 探讨砷在水生植物无根萍中的微区分布及与其它元素分布的相互关系，将有助深入认识水生植物对砷
的富集和解毒机制，为用水生植物对含砷水体进行生物修复奠定理论基础。本研究用同步辐射 X 射线荧光成
像技术(microfocused synchrotron based X-ray fluorescence, μXRF)分析无根萍 Wolffia globosa 中 As 及其它 7 种
元素的分布特点。结果表明 As 与 K、Mn 和 Zn 的分布规律类似，与 Cu、Fe、Ni 和 Ca 的分布无明显相似性。
关键词 无根萍 Wolffia globosa，X 射线荧光成像技术(μXRF)，砷，元素分布
中图分类号 X592

砷广泛分布于环境中，致癌性极强，饮用水砷
污染对人体健康的威胁已是全球关注的环境问题。
砷污染地区常在干旱季节用含砷的地下水灌溉农
田，增高了土壤中砷浓度，并在作物中累积，通过
食物链危及人体。植物修复技术投资和维护成本低、
操作简便、环境友好，用超富集植物清除土壤或水
体中的砷污染更其切实可行。蜈蚣草Pteris vittata是
首个发现的砷超富集植物，能在含1.5×10–3 g/g砷酸
钠土壤中正常生长，其羽叶中的砷含量达2.263×10–2
g/g，在砷含量低于5×10–5 g/g土壤中，蜈蚣草能很快
降低土壤砷含量[1]。Huang等[2]发现蜈蚣草有很强的
水体砷污染治理潜能，能将含砷水体的浓度净化到
10 μg/L，达到饮用水的砷含量标准。大量的凤尾蕨
科的蕨类植物也有砷超富集能力[3,4]。水生植物中紫
背萍Spirodela polyrhiza L.[5]、轮叶黑藻Hydrilla
verticillata[6]及细绿满江红A.filiculoides和卡洲满江
红A.caroliniana[7]也有一定砷富集和耐受能力，对含
砷水体的生物修复有重要意义。最近发现一种水生
浮游植物—无根萍Wolffia globosa[8]在体内富集的砷
含量超过10–3 g/g DW，是紫背萍、卡州满江红和细
绿满江红的2–10倍，能快速降低水体中五价砷的含
量，降低效率为42%。此外，该萍外观形态特别，
无根，形如绿色的鱼蛋，体长0.4–0.9 mm，小到可
以穿过针孔，是迄今发现的个体最小的被子植物之
一。由于无根萍特殊的无根结构，无需将污染物质
从地下向地上部分转运，为研究植物吸收代谢砷提
供一个不可多得的模式生物材料。
我们前期的工作探讨了无根萍对砷的吸收、富
集和耐受能力及砷在无根萍体内的形态转化[8]，但
对砷及其它元素在无根萍体内的分布情况仍无清楚
的认识。研究元素在水生浮游植物中的微区分布有
助进一步揭示水生植物对砷的富集和解毒机制。研
究者曾用透射电子能谱(TEM)和环境扫描电子显微
镜(ESEM)等对砷平均含量达4×10–3 g/g的植物样品
进行微区分析，最终由于植物砷含量低于仪器检测
下限不能得到完整的砷微区分布信息，且这些分析
手段还需经化学固定、包埋等对样品有很大破坏性
的预处理过程，容易导致元素的流失和微区分布的
变化[9]。同步辐射X射线荧光(XRF)分析方法有检出
限小、检测元素范围大、轫致辐射少、背底低、信
噪比高等优点，不需对样品预处理，使用原植物体
检测用量少、灵敏度高，是目前研究元素含量和微
区分布的理想技术[10–13]。
本文用微束X射线荧光(μ-XRF)研究活体无根
萍Wolffia globosa中砷等八种元素的分布，由于无根
萍自身的个体优势及特殊的无根结构，对整个无根
萍活体进行X射线荧光分析，揭示在完全自然和完
整状态下砷及其它元素在组织水平上的分布特点及
其与砷的富集关系。
1 材料与方法
1.1 植物材料与培养
植物培养：从湖北武汉郊区的池塘中挑选健壮、
繁殖力旺盛的无根萍Wolffia globosa作为扩繁材料，
用浙江省农科院提供的 6302 培养液进行扩繁培养。
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6302 营养液配方：1 mmol/L CaSO4、1.6 mmol/L
MgSO4、0.3 mmol/L KH2PO4、0.3 mmol/L KCl、0.7
mmol/L NaNO3、10 μmol/L FeNa2-EDTA、20 μmol/L
H3BO3 和 7.67 μmol/L Na2MoO4，用 0.1 mol/L KOH
或 HCl 将 pH 值调到 6.0。营养液每周更换两次。
萍体生长条件：试验在可控光温的生长室中进
行，28 /14℃ h 光照和 20 /10℃ h 黑暗，光照强度为
260–350 μmol·m–2·s–1，相对湿度为 60%–70%。
1.2 植物处理
用双蒸水清洗干净经预培养的无根萍，用吸水
纸吸干萍体表面水分，称 8 g 萍体放入含 400 mL 营
养液的塑料圆柱形小罐中(Φ10 cm×10 cm)。营养液
中的磷浓度由预培养时的 0.3 降低为 0.1 mmol/L，
营养液中添加 10 μmol/L 五价砷，24 h 后收获萍体。
用去离子水小心仔细清洗，拭干后放入含 5 mmol/L
MES、0.5 mmol/L Ca(NO3)2 和 1 mmol/L K2HPO4 溶
液冰水浴中浸提 15 min[14]，去除吸附在萍体表面的
砷。用去离子水冲洗三次，拭干后迅速放入液氮中
速冻。然后保存于干冰中 5 h 内带至上海光源进行
μXRF 分析。
1.3 μXRF 分析
实验在上海同步辐射光源硬X射线微聚焦光束
线(BL15U1)线站进行。储存环电子能量3.5 GeV，束
流强度200–300 mA。在4℃细胞培养间取出无根萍
W.globosa3–5个黏贴于Kapton胶带上，迅速将胶带
固定于冷冻盒上，冷冻盒固定在微机程控三维扫描
样品移动台上，抽气1 min将冷冻盒内空气抽空后降
温至–75℃。试验选择15 keV的X射线，光斑面积20
μm×10 μm，样品与入射光束成45°。通过光学显微
镜确定样品位置后首先做样品全谱分析，通过峰型
及实验需求选择扫描元素，然后准确确定萍体的位
置，扫描范围覆盖整个无根萍萍体，扫描步长水平
方向为40 μm，垂直方向为20 μm。每个扫描点的时
间为8 s，死时间控制在15%–30%。
2 结果与讨论
图1为10 μmol/L五价砷暴露24 h后的无根萍
W.globosa(图1a)与Kapton胶带的(图1b)的XRF谱。两
XRF谱中的Ar峰来自空气(其Ar含量约为0.9%)，右
端为入射X射线在样品上的散射峰。图1(a)的XRF谱
可清晰看到样品含有的K、Ca、Mn、Fe、Ni、Cu、
Zn和As等元素的特征X射线峰，而植物体内含量较
高的Na、P和S等轻元素的特征X射线能量低，被空
气和探测器窗吸收殆尽。图1(b)显示，胶带中含低
浓度的Fe、Cu、Zn和一定含量Ca，分析时将它们作
为本底，对样品能谱进行本底扣除。


图 1 用 10 μmol/L 五价砷处理 24 h 后无根萍 W.globosa 的 XRF 谱(a)和 Kapton 胶带的 XRF 谱(b)
Fig.1 XRF spectra of W.globosa exposed to 10 μmol/L As(V) for 24 h (a) and Kapton tape (b).

通常情况下无根萍为无性繁殖，即“芽殖”[15,16]，
在叶状体一端有一侧囊，从中孕育新的个体，新的
叶状体长大后就脱离母体独立生长，然后自身又再
生出一个叶状体，如此不断循环。所以在无根萍繁
殖整个过程中，能看到“8”字型和“0”字型个体。分
别选取这两形状(不同繁殖阶段)的无根萍进行扫描
分析，图2a1与2b1是它们在显微镜下的图片，图2a1
与2b1为无根萍粘贴在Kapton胶带上的照片，图2a2
与2b2为活体无根萍的显微照片。图3 为“8”字型(左)
和“0”字型(右)无根萍W.globosa中As 等八种元素的
分布情况，图中萍体内不同灰度代表元素的不同浓
度，灰度越深代表萍体中对应部位该元素的浓度越
高。

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图 2 无根萍 W.globosa 在显微镜下拍摄的照片 (a) “8”字型个体；(b) “0”字型个体
Fig.2 The photo of W.globosa by microscope. (a) “8” front organism; (b) “0” front organism

图 3 用μXRF 得到无根萍 W.globosa 中元素的分布 (a) “8”字型个体；(b) “0”字型个体
Fig.3 The elements distribution in W.globosa by μXRF. (a) “8” front organism; (b) “0” front organism

从无根萍中砷分布趋势发现，萍体中间部分比
边缘部分颜色深，砷浓度较高。被测萍体是圆球体，
而μXRF属于二维分析，萍体中间厚边上薄，因此还
无法得出砷被萍体吸收后是富集在萍体内部还是附
在萍体表面。研究者认为水生植物对砷的高累积能
力主要因为植物表面对砷的物理化学吸附作用，比
如与一些水合铁氧化物形成共沉淀吸附在植物表
面，而不是被直接吸收进入植物体内[17]，前期研究
中我们没有发现无根萍表面有水合铁氧化物的共沉
淀[8]，因此下一步需要对无根萍冷冻切片，对切片
第 6 期 张 莘等：无根萍 Wolffia globosa 中砷及其它元素的分布特点 437

中砷元素微区扫描来判断。

与其它元素比较，K在无根萍中的分布与As较
类似。用SRXRF发现K在超富集植物蜈蚣草羽叶中
的分布与As也极相似[18]，在另一种As超富集植物大
叶井口边草(P. nervosa)羽叶中K和As在细胞水平上
的微区分布也同样有显著的正相关关系[9]。认为K
是植物体内大量存在的阳离子，而As在两种超富集
植物羽叶中主要以阴离子形态存在，因此超富集植
物羽叶中As与K分布的相似性很可能表明K对超富
集植物体内大量存在的亚砷酸根起到离子和电荷平
衡作用，对保持超富集植物的正常生理功能有重要
作用[18]。深层次机理还有待进一步研究。
Mn和Zn在无根萍中分布与As和K有一定类似
性。肖细元等[19]发现As可提高蜈蚣草中Mn和Zn的
转运系数，且在不同As浓度下，蜈蚣草羽叶中Mn
和Zn的含量呈显著正相关。而Cu、Fe、Ca和Ni在蜈
蚣草羽叶中的分布明显与As不同，我们在无根萍研
究中同样也发现了类似的分布规律。
3 结论
本研究还处尝试阶段，更深入的研究和更深层
次的分析还在继续。从初步结果看到，基于显微聚
焦的μXRF为研究大量或微量金属元素在植物中的
分布及对植物生长的影响提供了新手段，在不破坏
植物结构情况下更直观地了解活体植物中元素分
布，能进一步解释砷在水生植物中富集和解毒机制，
为用水生植物对含砷水体进行生物修复奠定理论基
础。
致谢 感谢上海同步辐射光源硬X射线微聚焦光束
线(BL15U1)线站全体工作人员在试验中的大力帮
助和支持。
参考文献
1 Ma L Q, Komar K M, Tu C, et al. Nature, 2001, 409:
579–579
2 Huang J W, Poynton C Y, Kochian L V, et al. Environ
Sci Technol, 2004, 38: 3412–3417
3 Zhao F J, Dunham S J, McGrath S P. New Phytol, 2002,
156: 27–31
4 Wang H B, Wong M H, Lan C Y, et al. Environ Pollut,
2007, 145: 225–233
5 Rahman M A, Hasegawa H, Ueda K, et al. Chemosphere,
2007, 69: 493–499
6 Srivastava S, Mishra S, Tripathi R D, et al. Environ Sci
Technol, 2007, 41: 2930–2936
7 Zhang X, Lin A J, Zhao F J, et al. Environ Pollut, 2008,
156: 1149–1155
8 Zhang X, Zhao F J, Huang Q, et al. New Phytol, 2009,
182: 421–428
9 陈同斌, 黄泽春, 黄宇营, 等. 科学通报, 2003, 48(11):
1163–1168
CHEN Tongbin, HUANG Zechun, HUANG Yuying, et al.
Chin Sci Bull, 2003, 48(11): 1163–1168
10 黄宇营, 巨 新, 康士秀, 等. 极地研究, 2001, 13(1):
50–56
HUANG Yuying, JU Xin, KANG Shixiu, et al. Chin J Fol
Res, 2001, 13(1): 50–56
11 康士秀 , 沈显生 , 姚 煙 , 等 . 自然科学进展 , 2001,
11(10): 1050–1054
KANG Shixiu, SHEN Xiansheng, YAO Yan, et al. Prog
Nat Sci, 2001, 11(10): 1050–1054
12 沈显生 , 孙 灏 , 康士秀 . 核技术 , 2002, 25(10):
779–782
SHEN Xiansheng, SUN Hao, KANG Shixiu. Nucl Tech,
2002, 25(10): 779–782
13 孙 灏, 李树美, 康士秀, 等. 光谱实验室, 2004, 21(2):
224–228
SUN Hao, LI Shumei, KANG Shixiu, et al. Chin J Spet
Lab, 2004, 21(2): 224–228
14 Abedin M J, Cresser M S, Meharg A A, et al. Environ Sci
Technol, 2002, 36: 962–968
15 仇雪珍. 生物学通报, 1996, 31(2): 16
QIU Xuezhen. Bull Biol, 1996, 31(2): 16
16 Landolt E. Biosystematic investigations in the family of
duckweeds (Lemnaceae), Vol. 1. Veröff. Geobot. Inst.
ETH, Stiftung Rübel, Zürich, 1986, 70: 1–247
17 Robinson B, Kim N, Marchetti M, et al. Environ Exp Bot,
2006, 58: 206–215
18 陈同斌, 黄泽春, 黄宇营, 等. 中国科学 C 辑(生命科
学), 2004, 34(4): 304–309
CHEN Tongbin, HUANG Zechun, HUANG Yuying, et al.
Sci China Ser C, 2004, 34(4): 304–309
19 肖细元, 廖晓勇, 陈同斌, 等. 生态学报, 2003, 23(8):
1477–1487
XIAO Xiyuan, LIAO Xiaoyong, CHEN Tongbin, et al.
Acta Ecol Sin, 2003, 23(8): 1477–1487

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Elemental mapping of As and other elements in rootless duckweed Wolffia globosa
ZHANG Xin1 HUANG Qing2 CHEN Baodong1 LUO Lei1 ZHU Yongguan1,2
1(Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China)
2(Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China)
Abstract Distribution of arsenic and the relationship with other elements in aquatic macrophytes Wolffia globosa is
helpful in understanding mechanisms of arsenic accumulation and detoxification, which will be important for arsenic
phytofiltration in contaminated water by aquatic macrophytes. In this paper, we study the distribution features of As
and seven more elements in rootless duckweed Wolffia globosa by means of μXRF. The results indicated that the
distribution of As was similar to that of K, Mn and Zn while differs from that of Cu, Fe, Ni and Ca.
Key words Rootless duckweed Wolffia globosa, Microfocused synchrotron based X-ray fluorescence (μXRF),
Arsenic, Elements distribution
CLC X592