全 文 ：第2 9卷 , 第9期　 　　　　　　　　　　　光 谱 学 与 光 谱 分 析 Vol.29 , No.9 , pp2565-2567
2 0 0 9 年 9 月　　　　　　　　　　　 　Spectro scopy and Spectr al Analy sis Septembe r , 2009 　
ICP-AES分析不同锌浓度培养下
锌镉超累积植物遏蓝菜的元素计量变化
韩文轩 , 徐一鸣 , 杜　威 , 唐傲寒 , 江荣风＊
中国农业大学资源与环境学院 , 教育部植物-土壤相互作用重点实验室 ,
农业部植物营养学重点开放实验室 , 北京　100193
摘　要　锌镉超累积植物遏蓝菜(Thlaspi caerulescens)是重要的重金属污染土壤修复植物 , 但环境 Zn 浓度
是否会影响该植物对其他元素的吸收 , 进而影响土壤养分的平衡 , 此前并不清楚。研究采用可同时测量多种
元素的 ICP-AES 技术 , 分析高 、中 、低 Zn浓度(5 , 50 和 500μmo l· L -1)多元素营养液培养的遏蓝菜中Zn ,
Cd , K , P , Mg , Ca , Fe , Mn , Cu 等元素的计量变化特征 。结果显示 , 随着 Zn 供给浓度的升高 , 遏蓝菜根和
茎叶的 Zn 含量都显著增加 , 高Zn 培养的遏蓝菜茎叶和根的 Zn 含量比低 Zn 培养条件分别增加 12 和 19倍;
但植物茎叶中其他八种元素的含量均无显著变化 , 即在应用遏蓝菜修复 Zn 污染的土壤时 , 不会造成 K , P ,
Mg , Ca , Fe , Mn , Cu 元素从土壤中被植物过量带走而出现养分失衡。
关键词　元素分析;重金属超累积植物;植物修复;元素计量;养分平衡
中图分类号:O657.3　　文献标识码:A　　DOI:10.3964/ j.issn.1000-0593(2009)09-2565-03
　收稿日期:2008-05-16 , 修订日期:2008-08-22
　基金项目:农业部“ 948”重大国际合作项目(2006-G60)和中国农业大学科研启动基金项目(2007021)资助
　作者简介:韩文轩 , 1963年生 , 中国农业大学资源与环境学院讲师　　e-mail:hanw enxu an@cau.edu.cn
＊通讯联系人　　e-mai l:rf jiang@cau.edu.cn
引　言
　　重金属的长滞留性和生物难降解性使土壤重金属污染的
清除成为全球性的难题。各种传统的重金属污染土壤修复方
法 , 耗费高昂却效果欠佳;而采用各种重金属超累积植物 ,
则可对大面积的污染土壤进行低耗高效的修复[ 1 , 2] 。因此 ,
对重金属超累积植物各种超富集特性的探索 , 正成为国内外
污染生态学和植物修复技术的研究热点[ 3-7] 。
遏蓝菜(Thlasp i caerulescens)为十字花科遏蓝菜属一年
生草本 , 是一种重要的 Cd 和 Zn 的超累积植物[ 8] ;高 15～ 40
cm , 多生于田边 、 路旁 、 沟谷等处 , 适应性极广 , 全国各地
和亚非欧各洲均有分布。在被 Zn 和 Cd污染的土壤中 , 遏蓝
菜中的 Zn 和 Cd 含量可以分别高达 51 600 和 1 800 mg ·
kg -1 , 是普通草本植物中相应元素含量的 100 倍以上[ 9] 。通
过种植并反复收割遏蓝菜 , 可移走污染土壤中大部分 Zn 或
Cd [8] 。但是 , 这种大量种植-收获重金属超累积植物的修复
模式 , 在清除土壤 Zn/ Cd 污染的同时 , 是否会改变土壤的环
境养分平衡 , 破坏其他植物的养分生态 , 即高污染土壤中种
植的遏蓝菜 , 在对 Zn/ Cd 等有害重金属超累积的同时 , 对其
他元素的吸收积累如何消长 , 这种各元素的计量变化是否会
引起土壤养分的失衡 , 目前并不清楚。
本研究利用实验室培养液方法 , 模拟在不同 Zn 污染程
度环境中 , 遏蓝菜对 Zn 和 Cd 以及其他七种植物营养元素
(K , P , Mg , Ca , Fe , Mn , Cu)吸收积累的元素计量(Stoichi-
ome try)变化;利用能够同时测量多种元素的电感偶合等离
子体原子发射光谱仪(ICP-AES)技术 , 探索上述问题的答
案。
1　材料与方法
1.1　实验材料与仪器
遏蓝菜(Thlaspi caerulescens)Gange s 生态型(取自法国
南部)。
主要 仪 器:OPTIM A 3300DV 型 ICP-AES (美 国
PerkinElmer 公司);混合研磨仪 MM200(德国 Re tsch 公司)。
标准溶液:Zn , Cd , K , P , Mg , Ca , Fe , M n , Cu 标准液
(1 000 mg· L-1 , 国家标准物质中心提供)。
1.2　实验方法
1.2.1　样品的准备
遏蓝菜的培养:多元素营养液的配制同文献[ 10] , 其中
Zn分高 、 中 、 低浓度 , 分别为 5 , 50 和 500 μmol· L-1(Zn-
SO 4);每个培养皿 3 个植株 , 重复 5 次 , 处理 4 周;其他培
养条件参见文献[ 5 , 10] 。
样品的前处理:将各培养皿中的植株茎叶和根分开烘
干 、研磨 , 分别称取 0.25 g;以硝酸-高氯酸法高温消解[ 10] 。
1.2.2　样品的元素分析
ICP-AES 仪器的工作参数参照文献[ 5] 的设置 , 对消解
后的待测样品和茶叶标样(GBW10016)进行 Zn , Cd , K , P ,
Mg , Ca, Fe , Mn , Cu 含量的测定。
2　结果与分析
2.1　遏蓝菜中各元素含量的变化
遏蓝菜茎叶和根中各元素含量变化很大(表 1)。随着培
养液中 Zn 浓度的增加 , 遏蓝菜根和茎叶中的 Zn 含量都显著
增加(p< 0.05):高 Zn(500 μmo l· L -1)培养的遏蓝菜茎叶
和根中的 Zn 含量比低 Zn(5 μmol· L-1)培养条件下分别增
加 12 和 19 倍;Cd 含量也有增加(高 Zn 比低 Zn 培养者在茎
叶和根中分别增加 3和 7倍), 但是 Cd 的增加在统计上并不
显著(p>0.05);其他元素除了根中的 P 和 M n , 都没有显著
变化(p>0.05)。
　　平均值右上角不同字母 , 表示不同 Zn处理之间茎叶(或
根)中该元素含量存在显著差异(p<0.05)。
2.2　遏蓝菜中 Zn与其他元素比值的变化
培养液 Zn 浓度的改变会明显影响遏蓝菜中的元素计量
特征 , 随着 Zn 浓度的升高 , 遏蓝菜根和茎叶中的 Zn 与其他
元素的含量比值均显著增加(p <0.05)(图 1)。这种变化实
际上反映了遏蓝菜明显的高 Zn 倾向。
Table 1　Element contents in Thlaspi caerulescens cultured at different Zn concentrations
植物
器官
锌培养浓度
/(μmol· L-1)
遏蓝菜元素含量/(mg ·kg-1)
Zn K Ca P Mg M n Fe Cu Cd
茎叶 5 592a(49) 44 623(6 429) 15 034(2 195) 3 041(344) 2 833(358) 192(50) 150(24) 7.83(1.08) 0.47(0.11)
50 2 627 b(400) 41 635(6 086) 13 248(1 283) 3 632(504) 2 751(182) 214(45) 122(25) 7.83(1.48) 0.65(0.25)
500 6 816c(480) 55 658(2 521) 14 338(576) 4 165(348) 3 228(70) 220(20) 116(18) 8.31(0.77) 1.22(0.68)
根 5 1 291a(376) 25 265(5 242) 5 523(505) 6 222a(315) 1 536(83) 867a(131) 1 329(370) 55.89(6.64) 0.39(0.07)
50 5 034b(1 304) 23 497(3 420) 5 488(472) 7 076b(495) 1 585(55) 793a(133) 968(187) 40.16(6.92) 0.60(0.18)
500 24 546c(1 122) 26 273(3 823) 4 222(469) 12 476c(745) 1 509(92) 161b(34) 767(98) 37.95(7.23) 2.86(2.15)
　　注:表中给出各元素含量的平均值及其标准误差(括号内的数值)
Fig.1　Variation in the ratios of Zn to other elements in the(a)shoot and(b)root of Thlaspi caerulescens
cultured at different Zn concentrations.Whisker above each bar is the standard error of the mean
3　讨　论
　　土壤中的 Zn 污染能够对作物造成生理毒害 , 导致粮食
减产[ 11] , 通过在 Zn 污染的土壤中播种和反复收割遏蓝菜
(Thlasp i caerulescens), 可以有效清洁土壤中过多的 Zn 污染
物[ 8] 。但是 , 由于营养平衡生长的需要[ 11 , 12] , 遏蓝菜在带走
Zn 的同时 , 还会从土壤中带走许多其他的营养元素;如果这
些没有形成污染的元素被“过量”移走 , 就有可能造成土壤中
该营养元素的匮乏。
本研究的结果暗示 , 在高 Zn 土壤中利用遏蓝菜进行污
染修复 , 不会造成 K , P , Mg , Ca , Fe , Mn , Cu 等元素的过
量流失。虽然遏蓝菜的根部 P 含量在高 Zn 环境下会有明显
增加(参见表 1), 但由于植物修复技术只是收割并移走植物
的地上部分(茎叶), 所以遏蓝菜根部 P 含量的增加并不会导
致土壤 P营养的过度消耗。总之 , 本研究表明 , 采用遏蓝菜
修复 Zn 污染土壤不仅高效低耗 , 不会破坏土壤中非污染物
元素之间的比例关系 , 有利于土壤养分的基本平衡和作物的
正常生长。
2566 光谱学与光谱分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 第 29 卷
参 考 文 献
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Stoichiometry of Multi-Elements in the Zinc-Cadmium Hyperaccumulator
Thlaspi Caerulescens Grown Hydroponically under Different Zinc
Concentrations Determined by ICP-AES
HAN Wen-xuan , XU Yi-ming , DU Wei , TANG Ao-han , JIANG Rong-feng ＊
Key Labo rato ry of Plant-Soil Inte ractions o f M inistr y o f Education;Key Labor ator y o f P lant Nutrition o f M inist ry o f Ag ricul-
ture;College o f Resources and Environmental Sciences , China Ag ricultural University , Beijing　100193 , China
Abstract　Thlaspi caerulescens is commonly know n as a zinc(Zn)and cadmium (Cd)hyperaccumulator , w hich can be used to
clean up the Zn- and/ o r Cd-contaminated soil.H ow ever , it is unclear w hethe r high soil Zn concentrations will stimulate undue
accumulations o f o the r elements to such an ex tent as to cause the nutrient unbalance in the soil.To address this question , the in-
ductively coupled plasma-a tomic emission spect rometr y(ICP-AES)was employed to investig ate the effect o f Zn on the sto ichiom-
et ry o f Zn , Cd , K , P , Mg , Ca , Fe , Mn and Cu in T.caerulescens(Gange s ecotype)exposed to low , middle and high Zn con-
centrations (5 , 50 and 500μmo l· L -1 , respectively)in a hydroponic expe riment.The results show ed that ther e w ere no signifi-
cant variations in contents of Cd , K , P , Mg , Ca , Fe , Mn and Cu in the shoo t o f T.cae rulescens , how ever , the Zn content in
the shoo t and roo t with 500 μmo l· L-1 Zn treatment increased as much a s 13 times highe r than tha t with low Zn expo sure , indi-
cating that the plant is capable o f Zn hyper accumulating.The author s study suggests that it is improbable to induce soil nutrient
unbalance w hen T.caerulescensis(Ganges)is used fo r phy toremediation o f Zn-contaminated soil , in that o ver-uptake of nutrient
e lements f rom the soil o ther than Zn was no t obser ved , at least fo r the elements K , P , Mg , Ca, Fe , Mn and Cu.
Keywords　Element de te rmination;Heavy-metal hype raccumulato r;Phy to remediation;Stoichiometry;Nutrient balance
(Received May 16 , 2008;accepted Aug.22 , 2008)　　
＊Co rr esponding author
2567第 9 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析