全 文 ：第 14 卷第 2 期 极地研究 Vol.14 , No.2
2002 年 6 月 CHINESE JOURNAL OF POLAR RESEARCH June 2002
研究论文
菲尔德斯半岛 3种金发藓植株的同步
辐射 X射线荧光分析
沈显生　孙立广　尹雪斌
(中国科学技术大学极地环境研究室 , 合肥 230026)
康士秀　吴自勤
(中国科学技术大学天文与应用物理系 , 合肥 230026)
何伟
(中国科学院高能物理研究所 , 北京 100039)
提要　为了研究南极不同苔藓植株及其器官间的元素组成和分布的差异 , 我们利用同步辐射 X
射线荧光对菲尔德斯半岛 3 种金发藓植株进行了重元素分析。 这 3 种植物是高山金发藓
(Poly trichum alpinum), 桧叶金发藓(P .juniperinum)和极地金发藓(P.alpestre)。它们所含
的元素种类大致相同 ,主要有 K 、Ca、Mn 、Fe、Cu 、Zn 和 Sr等 , 这说明在菲尔德斯半岛 3 种金发藓
植株的生境条件是相似的。但是 ,在 Polytrichum alpinum 叶内 , K 峰远大于 Ca , Ca峰大于 Fe;
在 P.juniperinum 植物叶片中 , K 峰大于 Ca ,而 Ca 峰接近于 Fe;在 P.alpestre 叶内 , K、Ca 和
Fe峰几乎相等。通过对 P.alpestre 不同部位进行 X 荧光分析 , 并用荧光计数法表示元素相对
含量 ,我们发现各部位间的元素含量差异很大。在顶芽处 , K 的含量最高 , K/Ca比等于1.30 , 而
其他部位的 K/ Ca比均小于 1。在假根部位 , Mn的含量在所有部位中是最高的 , 并且 Mn/Fe比
值最大 , 为 0.21。在老叶片和假根部位 , Cu/ Zn 比分别等于 1.20和 1.84 , 而其他部位的 Cu/Zn
比均小于 1。特别是这两个部位还出现了 Br 元素 ,这可能与器官的衰老有关。
关键词　南极　金发藓　重元素　X荧光
1　前言
　　南极的生境是非常特殊的 ,乔治王岛上仅有 5%的陆地没有被冰雪覆盖 ,菲尔德斯半
[ 收稿日期] 　2001年 9月收到来稿 , 2001年 11月收到修改稿。
[ 基金项目] 　国家自然科学基金项目(40076032)和创新工程(KZCX2—303)资助。
[ 作者简介] 　沈显生 ,男 , 1956年生 , 1985年毕业于安徽师范大学生物系植物学专业 , 后获华东师范大学理学
硕士学位。现为中国科学技术大学生命科学学院和极地环境研究室副教授 ,主要从事植物学和
生态学教学和研究工作。
岛上的植被是乔治王岛上发育最好的 。以金发藓科(Polyt richaceae)为主的高藓丛群系 ,
是菲尔德斯半岛最显著和最有特色的植被景观之一 ,它们在近代火山基质上生长 ,常见于
巨砾 、岩屑堆和潮湿的沙地上 ,形成大的密集的垫状。菲尔德斯半岛上的金发藓在 11月
—次年 3月生长 ,4—10月停止生长(吴鹏程 ,胡舜士 ,1990)。
苔藓植物所需要的矿质养分元素与维管束植物是相似的 ,然而 ,苔藓植物的养分来源
却与维管束植物有所不同 。苔藓植物的养分来源是多种多样的 ,包括土壤 、降水 、大气和
岩石表面 ,通常人们认为大气而非植物生长基质却是苔藓植物养分的主要来源。苔藓植
物对矿质养分元素的主要获取方式依类型而异 ,由于金发藓属内导型植物 ,具有良好的内
部传导系统和防止水分蒸发的角质层 ,它们除了从降水 、大气中吸收养分外 ,还可以从土
壤中吸收相当量的养分和水分 。苔藓植物吸收养分的特征之一 ,是它们具有很强的从养
分含量极低的环境中吸收并积累养分的能力(吴鹏程 , 1998)。所以 ,研究南极苔藓体内元
素的含量和分布 ,对于监测南极环境污染是非常有用的。由于来自南极的植物标本极其
珍贵 ,数量有限 ,我们选用了同步辐射 X射线荧光无损伤快速分析法。
2　材料和方法
　　实验所用的 3 种高山金发藓(Poly trichum alpinum), 桧叶金发藓(P .juniper-
inum)和极地金发藓(P .alpestre)植物标本(陈阜东等 ,1994), 由笔者之一于 2000年 2
月 ,采自南极乔治王岛菲尔德斯半岛 ,标本自然干燥 ,保存时未经任何化学处理。标本采
集地点见图 1所示。实验前样品经去离子水洗 2次。
图 1　菲尔德斯半岛金发藓植物标本采集地点
Fig.1.The sketch map of the site o f the experiment specimen collected.1.Polytrichum alpinum;2.P.
juniperinum;3.P .alpestre
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荧光分析法实验于 2000年 10月在北京正负电子对撞机(BEPC)微束荧光实验站进
行的。由于同步辐射(SR)光源具有流强大 ,灵敏度高和空间分辨率高 ,且对样品无损伤 ,
无污染 ,并可重复使用等特点 ,操作简便 ,可在大气环境下工作 ,所以同步辐射 X 射线荧
光(SR-XRF)是南极生物样品元素分析的理想方法。该站的束流能量为 2.2GeV , 流强为
100 —40mA , X射线能量范围为 3.5—37keV ,光束线 4W1A , 无反射镜。照射在样品上
的X射线辐照面积由可调狭缝控制 , 探测器为 Si(Li), 在液氮条件下工作 ,能量分辨率
约为 150—350eV HWFM 。2048道脉冲幅度分析器(MCA)用于记录和分析 XRF 谱 。实
验采用连续谱 X射线 ,适用于同时对多元素的分析 ,速度快 ,有利于对样品的定性检测 。
实验数据用专门的计算机软件进行解谱(章净霞等 ,1996)。
实验前将标本固定在样品框架上 , 距可调狭缝约 1m ,入射 X射线与样品平面的夹角
为45°, 探测器与入射 X射线的夹角为 90°,距样品 4cm , 在探测器内侧的光学体视显微
镜用于校准苔藓叶片的位置 ,探测器的死时间率控制在 20%—25%。在室温下 X射线照
射有效时间为 400s ,本实验中 X射线辐照面积固定为 50×60μm2 ,由于束流强度随时变
化(97.1—89.9mA),对每个样品的辐照剂量实际上并不完全相同(沈显生等 ,2001)。
3　实验结果与讨论
3.1　三种金发藓植物叶片的 XRF 谱
　　在实验所用的 3种金发藓材料中 ,分别取位于茎中部健壮的功能叶片进行实验 ,各自
的XRF 谱见图 2(横坐标是能量 ,单位 10.1eV /Channel;纵坐标是荧光计数)。根据目前
分析 ,苔藓植物中含有 K 、S 、B 、Ca、Cu 、Fe 、Mn 、Mg 、Na 、Ni 、Ti、Zn 、Sr 、Si 、P 和 Pb等 20多
种元素(吴鹏程 ,1998)。而我们在这 3个XRF 谱中仅检测到了Cl 、Ar、K 、Ca 、Mn 、Fe 、Cu 、
Zn和 Sr 等元素 ,其中 Ar是样品周围空气中的成分 ,与样品本身无关。Na和 Mg 等轻元
素 ,因 Si(Li)Be 窗太厚而不能被检测出来 。S 、P 和 Si等元素因测试值偏差较大 ,我们略
去其分析。从谱型结构看 ,3种金发藓叶片中所含的元素种类和含量十分接近 ,说明 3种
金发藓材料的采集地的环境背景是相似的 。但是 ,仔细分析各个 XRF 谱元素的峰强 ,三
者之间还是有差别的。POLYTRI1 是 Polytrichum alpinum 的 XRF 谱 , K 的峰很高 ,远
大于 Ca , K不参与细胞的组成 ,主要存在于细胞内的溶液内 ,而 Ca 主要以可交换的形式
存在于细胞壁上。高含量的 K 说明 P .alpinum 代谢更加旺盛。同时 ,Ca 的峰强大于
Fe。POLYTRI2是 P.juniperinum 的 XRF 谱 ,虽然 K的峰强明显大于 Ca ,但 Ca 与 Fe
的峰强几乎持平 。POLYTRI3是 P .alpestre 的 XRF 谱 ,K 、Ca和 Fe 的峰强几乎没有多
少差别 ,但同前两者相比 ,Mn的峰强明显增大了 ,改变了 Fe/Mn 比例 。Fe在植物中有 2
类 ,功能化合物是铁硫蛋白 ,储藏化合物是铁蛋白 。植物中含 Fe 的酶很多 ,氧化酶 、水化
酶 、过氧化氢酶 、固氮酶 、氢化酶 、过氧化物酶和还原酶 。而 Mn在植物体内除了与叶绿素
按一定比例存在外(大约 400个叶绿素分子与 6—8个 Mn原子结合), Mn还是许多由酶
所控制的反应中辅助因子 ,或激活剂 。一般地说 ,植物对 Mn的需要量比 Fe少一倍 ,而从
XRF 谱上看苔藓植物对 Mn的需要量可能更少 。
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图 2　三种金发藓植物叶片的 XRF 谱
Fig.2.The spectru of XRF of leaf in 3 species of Poly trichum .POLYTRI1:Polytrichum alpinum (流强
beam current 97.1mA);POLYTRI2:P.junipericum (流强 beam cur rent 96.4 mA);POLY-
TRI3:P.alpestre(流强 beam current 95.8 mA)
3.2　Polytrichum alpestre 植株不同部位的 XRF谱
　　为了研究南极苔藓植物体内元素分布规律 ,我们对 P .alpestre 的顶芽 、老叶和老茎
等不同部位分别进行了 X荧光分析 ,各个部位的 XRF 谱见图 3 。
目前 , X荧光分析法多以定性分析为主 ,定量分析有一定难度 ,无法利用测试结果的
绝对值对元素进行定量计算(Hayat ,1980;Jones and Gordon ,1989)。在一般研究中 ,人们
可用荧光计数表示元素的相对含量(李葵发等 , 1999)。我们对 Poly trichum alpestre 植株
不同部位的 XRF 谱中的各主要元素 ,采用荧光计数表示法计算相对含量 ,结果见表 1。
　　象维管束植物一样 ,苔藓植物不仅对矿质养分元素的吸收具有选择性 ,而且一些矿质
养分元素在苔藓植物体内可进行转移 ,从植物的老年部位转移到顶端生长部位 。
从表 1可以清楚地看出 ,金发藓的顶芽(POLYTRI6)和功能叶(POLYT RI3)的 XRF
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图 3　Poly trichum alpestre 不同部位的 XRF 谱
Fig.3.The spectru of XRF in different par ts of Polytrichum alpestre.POLYTRI6:apical bud , beam cur-
rent 90.6mA;POLYTRI7:older leaf , beam current 89.9mA;POLYTRI4:older stem , beam cur-
rent 94.9mA;POLYTRI5:pseudo-roo t part , beam current 91.1mA
谱中 K的荧光计数是很高的 , K/Ca 比值分别是 1.30和 1.13 ,而其他部位的 K/Ca比值
均小于 1 。虽然 K不参与细胞的组成 ,但对于维持细胞的代谢作用方面起着重要作用 。
在顶芽中 ,Zn的相对含量大于 Fe(Zn/Fe=1.25),而在功能叶中 ,Zn 接近于 Fe(Zn/Fe=
0.81)。这种幼嫩组织含有大量的 Zn , 说明其代谢旺盛 。因为 Zn 在转移酶 、裂合酶 、异
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构酶 、水解酶和氧化还原酶等中存在 ,Zn不仅与 Cu拮抗 , 而且 Zn与 Fe拮抗 , 所以高含
量的 Zn抑制或降低了 Fe的含量。
表 1　Polytrichum alpestre 不同部位的元素相对含量(荧光计数表示)
Table 1.The relative concentration of element in different parts of Poly trichum alpestre(fluorescence counts)
元素
element
顶芽
apical bud
功能叶
functional leaf
老叶
older leaf
老茎
older stem
假根部位
pseudo-root part
K 60857 39776 8206 20779 54460
Ca 46968 35241 41183 62873 211561
Mn 2925 4713 1952 1557 23169
Fe 9350 26675 10048 17641 113008
Cu 5986 12957 2217 2922 2675
Zn 11543 21454 1850 3721 1453
Br — — 685 — 11111
Sr 1067 4085 459 1253 2484
　　在老叶(POLYTRI7)和假根部位(POLYTRI5)的的 XRF 谱中 ,Cu的相对含量明显
增加了 ,出现了 Cu/Zn比值分别等于 1.20和 1.84的现象 ,其他部位的比值均小于 1 。因
为Zn主要出现在碳酸酐酶 、乳酸脱氢酶 、谷氨酸脱氢酶中 ,多与合成作用有关 ,而 Cu主
要是亚硝酸还原酶和多酚氧化酶的成分 ,主要与分解作用有关 ,所以这两个部位都是衰老
的器官(假根是单细胞的 ,上端会有新的假根生长 ,而下端的假根不断死亡),才出现 Cu
大于 Zn的现象。此外 ,在金发藓这两个衰老的部位 ,还出现了 Br 元素 ,特别是假根部位
出现了 BrKβ峰 ,含 Br的有机化合物具有抗菌活性 ,在衰老器官中出现 Br可能与增强抗
腐能力有关。
在 P .alpestre 所有部位的 XRF 谱中 ,Ca元素的相对含量是比较稳定的 ,因为 Ca2+
离子主要是维持许多细胞结构的完整性 ,参与细胞壁的组成 。
由上述分析可以看出 ,不同的矿质元素在苔藓植物体内存在的部位及其在不同部位
的含量是不同的 。因为一价的 K主要存在于细胞内的溶液内 ,而 Ca主要以可交换的形
式存在于细胞壁上 , Mn 、Cu和 Zn则属于中间类型 ,即存在于细胞间。有关研究表明 ,在
细胞核 、线粒体 、溶酶体 、液泡系等亚细胞单位 ,也能储存 Cu 、Mn 、Ca、Zn 等 ,防止它们与
细胞质中的酶系统发生作用 ,从而达到对重金属的储藏和解毒目的(吴鹏程 ,1998)。
4　结论
　　通过对菲尔德斯半岛的 3种金发藓叶片的 XRF 谱的研究 ,发现不同物种间的差异还
是比较明显的;同一属的植物 ,其 XRF 谱型是相似的。
通过对 P .alpestre 不同部位的 XRF 谱的分析 ,反映出元素在苔藓植物体内的分布
依局部的年龄不同而异。一般一价的离子趋于集中在生长部位 ,所以 K在年幼的组织中
含量高 ,而二价的离子则随局部年龄的增加而累积 ,以致于 Ca、Mn和 Fe的含量都会随局
部的年龄增加而增加 。这种元素含量在局部上的差异除了与不同元素在苔藓植物体内分
布有关外 ,可能还与某些元素的主动吸收及其在苔藓植物体内的转移速度有密切关系。
在 P .alpestre 中 ,同其他元素相比 , Ca在植物体内各个部位的含量是比较稳定的 ,
但 K在植物体内的不同部位其含量是明显变化的。在金发藓植物体器官趋于衰老时 ,植
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物会主动从环境中吸收 Br元素以增强自身的抗腐能力 。
参考文献
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吴鹏程(1998):苔藓植物生物学 ,北京 ,科学出版社 , 255—273.
吴鹏程 ,胡舜士(1990):南极乔治王岛的苔藓植物 ,植物学报 , 32(6), 477—482.
沈显生 ,孙立广 ,尹雪斌等(2001):南极乔治王岛 6种苔藓植物的 X荧光分析 ,极地研究 , 13(1), 50—56.
陈阜东 ,李学东 ,刘家熙(1994):南极菲尔德斯半岛苔藓植物手册 ,北京 ,海洋出版社 , 10—131.
章净霞等(1996):细胞水平元素的同步辐射 X荧光定量分析 ,中华核医学杂志 , 16(3), 149—151.
Hayat MA(1980):X-ray microanalysis in Biology , University Park Press , Baltimore , U.S.A.
J ones KW and Gordon BM(1989):Trace element determination w ith synch rot ron induced X-ray emission , A nal Chem .,
61 , 341.
SR-XRF ANALYSIS OF THE 3 SPECIES OF POLYTRICHUM
IN THE FILDES PENINSULA OF ANTARCTICA
Shen Xiansheng , Sun Liguang and Yin Xuebin
(Inst itute of Polar Environment , Universi ty of S cience and Technology of China , Hefei 230026 C hina)
Kang Shixiu and Wu Ziqin
(Department of Astronomy and Applied Physics , USTC , Hefei 230026 China)
He Wei
(BSRF , Institute of High Energy Physics , Academy of Sciences of China , Beijing 100039 China)
Abstract
In o rder to study the elemental composition and dist ribution of various mosses and dif-
ferent parts of Antarctica , we have analyzed the heavy elements of 3 species of Poly trichum
by synchrot ron radiat ion X-ray fluorescence in Fildes Peninsula.The experimental specimens
are P .alpinum , P.juniperinum and P .alpestre , and their elements are same nearly ,
including mainly K , Ca , Mn , Fe , Cu , Zn and Sr and so on.It ll show us the habi tats of 3
species of Polytrichum are sililar in Fildes Peninsula.But the peak of K is very high than one
of Ca , and the peak of Ca is higher than one of Fe in P.alpinum .In P .juniperinum the
peak of K is higher than one of Ca , and the peak of Ca is close to one of Fe.The peak of K
is nearly equal to them of Ca and Fe in P.alpestre.By X-ray fluorescence analyzing differ-
ent parts of P.alpestre and count ing relative concentration of elements by fluorescence
counts , we found that the difference of the parts is clear.The concentration of K of apical
bud is the highest among parts , the propo rtion of K/Ca is 1.30 , but that are all below 1 in
111第 2 期　　　　沈显生等:菲尔德斯半岛 3 种金发藓植株的同步辐射 X射线荧光分析
the o ther parts.The concentration of M n of pseudo-root is the highest among parts , and the
ratio of Mn/Fe is the largest , and the propo rtion is 0.21.In the parts of older leaf and pseu-
do-root , the ratios of Cu/Zn are separately 1.20 and 1.84 , but that are not enough 1 in the
o ther parts.The element of Br is arisen specially in the older leaf and pseudo-roo t parts , and
that may has something to do w ith the organs aged.
Key words　Antarctica , Polytrichum , heavy element , X fluorescent
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