全 文 ：第 23卷第 2期
2009 年 4 月 水土保持学报Journal of Soil and Water Conserv ation Vo l.23 No.2Apr., 2009
　
　砷超积累植物粉叶蕨及其对砷的吸收富集研究 ＊
徐卫红1 , 2 , Anthony Geo rge Kachenko2 , Balwant Singh2
(1.西南大学 资源环境学院 ,重庆 400716;
2.Faculty of Ag riculture , Food and Natural Resources , the Univer sity of Sydney , Sydney , NSW 2006)
摘要:采用盆栽模拟试验 ,研究了澳大利亚蕨类植物粉叶蕨对砷的耐性及吸收富集砷的特征 , 同时比较了澳大利
亚粉叶蕨(Pity rogramma calomelanos (L.)Link var.austr oamericana(Domin)Farw)和中国蜈蚣草(Pteris vit-
tata L.)在澳大利亚的 Kuro so l土壤上对 As 的吸收积累差异及植物修复效率。研究结果表明 , 在 As投加浓度为
2 400μmo l/ kg 时 ,虽然粉叶蕨的生长受到一定抑制 , 但仍维持了较高的地上部生物量;地上部 As 含量达到
2438.33 mg/ kg DW 时 ,超过了砷超积累植物的临界含量标准(1 000 mg/ kg);地上部 As 积累量为 21.6 mg/株
DW 时 , 地上部对 As 的生物富集系数为18.6 , 地上部 As含量大于根系As 含量 , 基本符合 As 超积累植物的基本
特征。与 As超积累植物蜈蚣草相比较 ,暴露在 As 浓度为 2 400 μmo l/ kg 环境时 , 中国蜈蚣草对砷的耐性 、地上
部 As含量及生物富集等方面均明显优于澳大利亚粉叶蕨 ,其地上部 As 含量和积累量分别为 2 936.13 mg/ kg
DW 和 41.1 mg/株 DW 。
关键词:砷超积累植物;耐性;生物富集;粉叶蕨;蜈蚣草
中图分类号:X173　　　文献标识码:A　　　文章编号:1009-2242(2009)02-0173-05
Arsenic-Hyperaccumulator Pityrogramma calomelanos (L.)Link var.
austroamericana (Domin)Farw and Its Uptake and Accumulation of Arsenic
XU Wei-hong1 , 2 , Anthony Geo rge Kachenko2 , Balw ant Singh2
(1.Collegeo f Resources and Environmenta l S ciences , Southwest University , Chongqing 400716;
2.F aculty o f Agriculture , Food and Natural Resources , the University of S ydney , S ydney , NSW 2006)
Abstract:Pot experiments w ere carried out to investigate the inf luence of Arsenic(A s)on tolerance of Pity-
rogramma calomelanos (L.)Link var.aust roamericana(Domin)Farw and its characteristics of Bioaccumula-
tion w hen exposed to 3 levels of As a t concentrat ions o f 0 , 600 and 2 400 μmo l/kg for a period of 22 weeks ,
and compare the ef ficiency of phy toremediation between As phy toremediation hyperaccumulato rs o f P teris
vi ttata L.and Pity rogramma calomelanos (L .)Link var.aust roamericana (Domin)Farw in A s-contami-
nated soils.T he resul ts showed that Pityrogramma calomelanos var.aust ro americana remained higher bio-
mass , al though plant g row th w as inhibited exposure to 2 400 μmol/kg , and As concentration in f rond
reached 2 438.33 mg/kg DW and ove r 1 000 mg/kg DW ;A rsenic accumulation in f ronds and the bioconcen-
t rat ion factor (BF)were 21.6 mg/plant DW and 18.6;In roots , A s concentration w ere lowe r than in f ronds.
Pityrogramma calomelanos var.aust roamericana had basic characteristics of As -hype raccumulato r.Bio-
mass produced and A s bioaccumulat ion in bo th species significant ly varied be tw een species.P.vi ttata po s-
sessed higher biomass , the concentrations o f As and BF in f ronds than that of P ityrogramma calomelanos
var.aust roamericana when exposed to 2 400 μmol/kg fo llow ing 22 w eeks of g row th ;The concentrations and
accumulations of A s in fronds of P .v it tata were 2 936.13 mg/kg DW and 41.1 mg/plant DW , respect ively .
Key words:A rsenic-hyperaccumulato r;tolerance;bioaccumulat ion;P ity rogramma calomelanos (L.)Link
var.aust roamericana(Domin)Farw;Pteris v it tata L .
砷是美国毒性物质和疾病管制署(ATSDR)公布的 、在危险化学物质中排名第一的毒性物质 ,它可经自然
和人类活动而被释放到环境中[ 1] 。一般情况下 ,无污染土壤上砷的含量为 0.1 ～ 40 mg/kg[ 2] 。20 世纪以来 ,
＊ 收稿日期:2008-11-03
基金项目:澳大利亚政府基金和悉尼大学研究基金项目(Micro-PIXE localisation of As in tw o hyper-accum ulating fern s grow n in cont ras-
t ing soils con taminated wi th arsenic , H eavy m etal(loid)accumulat ing plants:ecophy siology and potent ial for phytorem ediation)
作者简介:徐卫红(1969-),女 ,副教授 ,硕士导师,主要从事植物营养与环境生态研究。 E-mail:xuwei hong@163.com
DOI :10.13870/j.cnki .stbcxb.2009.02.007
由于采矿 、采煤 ,农业上含砷杀虫剂 、肥料以及木材防腐剂的大量使用 ,使得土壤砷污染越来越严重[ 3-5] 。如在
澳大利亚的新南威尔市州的北部养牛场 ,由于普遍使用含砷杀虫剂来控制牛虱 ,导致该地区土壤大面积出现砷
污染 ,浸泡池附近土壤的砷浓度高达 14 800 mg/kg[ 6] 。在南澳大利亚和塔斯马尼亚州的苹果园和梨园也因原
来大量使用含砷杀虫剂而造成土壤砷含量达到了 115 mg/kg[ 7] 。严重的土壤砷污染会引起植物被覆减少 ,污
染地下水 ,同时对作物造成毒害[ 8] 。植物修复(Phy to remedia tion)是利用对重金属具有超积累作用的绿色植物
来转移 、容纳或转化重金属使其对环境无害 ,其具有费用低廉 、节约土地资源或储藏费用 、利用植物本身特性 、
不破坏生态环境和无二次污染等多方面的优点[ 9-10] 。适合作植物修复的材料应该具有高的地上部生物量及重
金属积累量[ 11] 。早在 1999 年 ,陈同斌等[ 12] 就在中国境内找到砷的超积累植物凤尾蕨属的蜈蚣草 , 2001 年
MA 等[ 13] 也报道在美国发现了砷超积累植物蜈蚣草 。蜈蚣草具有极强的耐砷特性 ,能在砷含量为 23 400
mg/kg的矿渣上正常生长 ,其羽片砷含量是普通植物的数 10万倍 ,生物富集系数(羽片砷含量/土壤砷含量)高
达 80。2002年 Visoo tt iviseth等[ 14] 报道了在泰国发现的另一种砷超积累植物粉叶蕨 ,这种植物同样具有较高
的耐砷能力和富砷功能 ,其生长土壤含砷量为 2 270 ～ 6 380 mg/kg ,其羽叶砷含量高达 8 350 mg/kg 。本试验
以澳大利亚粉叶蕨为植物材料研究其耐砷和富砷能力 ,同时 ,比较澳大利亚粉叶蕨和中国蜈蚣草两种蕨类植物
在 As的吸收积累及植物修复效率等方面的差异 ,以期为土壤 As污染植物修复的实际应用提供理论依据。
1　材料与方法
1.1　供试材料
供试植物为澳大利亚粉叶蕨和中国蜈蚣草 ,土壤为澳大利亚新南威尔市州 Box H ill的 Kuroso l。土壤 pH
(1∶5土水比)为 4.88 ,土壤有机质含量为 2.09%,土壤 CEC 为 36.5 mmolc/kg ,土壤游离铁为 0.40%,土壤
EC 为 110 .6 μs/cm ,砂粒含量为 76 .6%,粉粒含量为 13.3 %,粘粒含量为 10.0%,全砷含量为 3.93 mg/kg ,有
效砷未检测出。
1.2　试验设计
土培试验于 2007年 9月 20日-2008年 5月 15日在澳大利亚悉尼大学的温室中进行。将风干土 1 kg 与底
肥 ,即 NH 4NO3(180 mg/kg),(NH4)2HPO4(60 mg/kg)和 KCl(120 mg/kg)的水溶液混合均匀后 ,装入塑料小桶
(高14 cm ,容积 2 L)。试验共设 3个 As处理 ,即 CK(0),600 ,2 400 μmol/kg ,As以 Na2HAsO4 ·7H 2O施入。放
置 3周后将 1株 3 ～ 4叶的蕨类植物幼苗移栽入塑料小桶 ,每桶 1株幼苗。澳大利亚粉叶蕨经过纯化后在温室
中进行育苗。中国蜈蚣草购自澳大利亚 Victoria的 A llansfo rd苗圃公司 。试验所用的药品 、肥料均采用分析
纯。每试验设 3次重复 ,随机排列 。培养期间均采用去离子水 ,土壤水分保持田间持水量 60%。温室昼夜温
度变幅为 19 ～ 32 ℃,11 h/d照光(光照强度为 29 600 lx ,湿度保持在 50 %～ 65%,培养 22 周后收获。植株在
80℃烘 48 ～ 72 h至恒重 ,粉碎 、磨细后过 1 mm筛后用于 A s含量测定。收获时采集土壤样品 ,风干 ,磨细(<
200 μm)用于测定土壤有效 As含量 。
1.3　分析方法
将 0.1 g 的植物样品用浓硝酸在 90 ℃下消煮 2 h ,冷却后 ,用 N o.42 Whatman (Maidstone , UK)滤纸过
滤 , ICP 法测定。基础土壤 pH 和 EC(土水比 1 ∶5)采用比重计[ 15] ,土壤 CEC 采用 0 .01 mol/L 银-硫脲
法[ 15] ,自由铁含量采用醋酸铵法[ 16] ,有机质含量采用 Walkley and Black的改进方法测定[ 17] 。土壤全砷含量
采用浓 HNO3 -浓 HCl-H 2O 2(27.5%)联合消煮的 USEPA 3050B法测定[ 18] 。土壤有效砷含量用砷盐酸羟
胺作提取剂 , ICP 法测定[ 19] 。
本文所列结果为 3次重复的测定值 ,数据采用 SPSS12.0统计软件进行方差分析和多重比较。
2　结果与讨论
2.1　不同 A s处理下粉叶蕨和蜈蚣草的生物量
由表 1可见 ,暴露在 As污染下的澳大利亚粉叶蕨维持了较高的地上部干重(8.42 ～ 8 .85 g/株 DW),但与
对照相比 ,仍然降低了 25.5%～ 29.1%。这说明 A s对粉叶蕨地上部生长存在一定程度的抑制作用 ,结果与
Sheppard[ 20] 报道 As的毒性出现在 40 ～ 200 mg/kg 时是一致的。粉叶蕨地上部干重在砷浓度为 2 400 μmol/kg 时
较600 μmol/kg 略有增加 ,但差异不显著。试验还发现 ,As对不同品种蕨类植物的地上部生长影响是不同的 。暴
露在 As 污染下的中国蜈蚣草地上部生物量明显高于对照 ,增幅为 38.6%～ 81.5%。早前 Tu 和 Ma[ 8] 也报道 ,
174 水土保持学报　　　 　　 第 23 卷
表 1　不同 As 处理下粉叶蕨和蜈蚣草的生物量 、植物体内 As 含量及积累量
项目 As 水平/(μmol· kg-1)
0 600 2400
生物量
地上部 蜈蚣草 9.99 18.13 13.85粉叶蕨 11.88 8.42 8.85
根系 蜈蚣草 8.01 5.34 3.84粉叶蕨 9.63 4.26 4.61
地上部 蜈蚣草 5.19 264.98 2936.13粉叶蕨 5.08 474.29 2438.33
植物 As含量 根系 蜈蚣草 1.46 191.79 225.08粉叶蕨 1.38 26.54 32.62
植物 As 积累量
地上部 蜈蚣草 0.05 4.81 41.1粉叶蕨 0.06 3.66 21.6
根系 蜈蚣草 0.01 1.11 0.87粉叶蕨 0.01 0.11 0.14
LSD0.05
处理 生物量根系 地上部
植物 As 含量
根系 地上部
植物 As 积累量
根系 地上部
As 水平 1.45 1.33 750.56 25.11 11.13 0.13
品种 1.77 1.62 864.15 30.75 13.63 0.15
As 水平×品种 1.02 0.94 498.90 17.83 7.87 0.09
低 As (50 , 100 mg/kg)对蜈蚣草地上部
生长有促进作用。可见 , As虽然不是植
物生长必需营养元素 ,但对蜈蚣草而言 ,
在其生长过程中可能对 As有生理需求。
比较供试的两个品种 ,在砷浓度为 600
μmol/kg 和2 400 μmo l/kg 时 ,澳大利亚
粉叶蕨地上部干重均低于中国蜈蚣草 ,
且差异达到显著水平 ,为中国蜈蚣草的
46.4 %和 63 .9%。
暴露在砷环境下 ,澳大利亚粉叶蕨
和中国蜈蚣草的植株根系干重较对照降
低了 33.3%～ 55.8%,粉叶蕨根系干重
降低幅度大于地上部干重(表 1),显示砷
对两个品种植株根系干物质积累的影响
要大于地上部。究其原因 ,可能是根系
首先接触环境中的砷 ,受到砷的毒害作
用更强所致。两个品种植株根系干重均
低于地上部干重 , 为地上部干重的
27.7 %～ 52.1%,但品种之间根系干重
没有明显差异。
2.2　不同 A s处理下粉叶蕨和蜈蚣草植株 As含量
由表 1可知 ,澳大利亚粉叶蕨地上部 A s 含量随 As 浓度的增加而显著增加。当土壤 A s 浓度为 600
μmol/kg时 ,粉叶蕨地上部 As含量为 474 .29 mg/kg DW ;在土壤 As浓度为 2 400 μmol/kg 时 ,地上部 A s含
量达到 2 438.33 mg/kg DW ,超过了砷超积累植物的临界含量标准(1 000 mg/kg)[ 21] 。当植株暴露在 A s浓
度为 600 μmol/kg 时 ,澳大利亚粉叶蕨地上部 A s含量明显高于中国蜈蚣草地上部 As 含量(264 .98 mg/kg
DW),较蜈蚣草地上部 A s含量增加 79%;但植株暴露在 As浓度为 2 400 μmo l/kg时 ,粉叶蕨地上部 As含量
则低于蜈蚣草地上部 As含量(2 936.13 mg/kg DW),为蜈蚣草地上部 As含量的83%。显示在低砷浓度(600
μmol/kg)时 ,澳大利亚粉叶蕨地上部可能在富集砷方面具有更强的优势;但高砷浓度(2 400 μmol/kg)下 ,中国
蜈蚣草地上部的富集砷能力高于澳大利亚粉叶蕨 。
澳大利亚粉叶蕨根系 A s含量也随 As浓度的增加而增加 ,但砷浓度 600 μmo l/kg 和 2 400 μmol/kg 的两
个处理之间根系 As含量差异不显著 ,分别为 26.54 ,32 .62 mg/kg DW(表 1)。粉叶蕨根系 A s含量明显低于
地上部 As含量 ,其地上部 As含量是根系的 18 ～ 75倍 ,这说明澳大利亚粉叶蕨具备很强的 As转运能力。在
砷浓度为 600 μmol/kg 和 2 400 μmo l/kg 处理时 ,中国蜈蚣草根系 As含量(191.79 ～ 225 .08 mg/kg DW)显著
高于澳大利亚粉叶蕨根系 A s含量 。
2.3　不同 A s处理下粉叶蕨和蜈蚣草植株 As积累量
从表1可知 ,澳大利亚粉叶蕨地上部 As积累量随As浓度的增加而明显增加 ,在砷浓度为 600 μmol/kg 和 2
400 μmol/kg时 ,粉叶蕨地上部 As积累量分别为 3.66 ,21.6 mg/株 DW。比较供试的两个品种 ,当植株暴露在As
浓度为 600 μmol/kg 时 ,蜈蚣草地上部As积累量(4.81 mg/株 DW)较粉叶蕨地上部As积累量(3.66 mg/株 DW)
增加了 31.4%;当植株暴露在2 400 μmol/kg 时 ,蜈蚣草地上部 As积累量(41.1 mg/株 DW)较粉叶蕨地上部 As
积累量(21.6 mg/株 DW)增加了 90.3%,两个品种之间差异显著。说明中国蜈蚣草地上部富集 As的能力大于澳
大利亚粉叶蕨 。由此可见 ,本试验条件下澳大利亚粉叶蕨地上部 As含量在土壤 As浓度为 600 μmol/kg 时 ,高于
蜈蚣草地上部As含量(264.98 mg/kg DW)是“浓缩效应”所致 。
澳大利亚粉叶蕨根系 A s积累量随 A s浓度增加而下降 ,但各个浓度之间根系 As积累量差异不显著(表
1)。粉叶蕨根系 As含量明显低于地上部 As含量 ,地上部 As积累量是根系 As积累量的 75 ～ 154倍 ,显示澳
大利亚粉叶蕨吸收的 As主要富集在地上部 。与中国蜈蚣草相比较 ,澳大利亚粉叶蕨根系 A s积累量明显低于
中国蜈蚣草根系 As积累量 ,仅是中国蜈蚣草根系 A s积累量的 9.9 %～ 16.1 %。
175第 2 期 　　　 　　徐卫红等:砷超积累植物粉叶蕨及其对砷的吸收富集研究
2.4　不同 A s水平下粉叶蕨和蜈蚣草的 A s积累特征
表 2　不同 As 水平下粉叶蕨和蜈蚣草的 As 生物富集和转移特征
As 水平/
(μmol· kg -1)
生物富集系数
地上部
蜈蚣草 粉叶蕨
根 系
蜈蚣草 粉叶蕨
转运系数
蜈蚣草 粉叶蕨
0 7.6 7.5 3.6 3.4 2.5 6.0
600 8.4 15.1 5.8 0.8 34.4 33.3
2400 22.4 18.6 2.1 0.3 43.8 83.1
LSD0 .05
As 水平 4.48 0.76 5.63
品 种 5.48 0.93 6.89
As 水平×品种 3.17 0.54 3.98
　　注:生物富集量系数=(地上部或根系中 As 含量×地上部或根系生物量)/
土壤中 As 含量;转运量系数=(地上部 As 含量×地上部生物量)/(地
下部 As 含量×地下部生物量)。
　　生物富集系数(bioconcentration fac-
to r ,BF)是指植物地上部植物中元素质量
分数×地上部植物生物量与土壤中元素
质量分数之比 ,被用来反映土壤-植物体
系中元素迁移的难易程度 ,这是植物将重
金属吸收转移到体内能力大小的评价指
标[ 8] 。生物富集系数高 ,表明地上部分植
物体内重金属富集质量分数大。转运系
数(t ransfe r facto r , TF)是地上部植物中
元素质量分数×地上部生物量与地下部
植物中元素质量分数 ×地下部生物量之
比 ,用来评价植物将重金属从地下部向地
上部的运输和富集能力[ 8] 。转运系数大的植物从根系向地上部器官转移的吸收量大 。本试验中 ,澳大利亚粉
叶蕨的地上部对 As 的生物富集系数>15.1 ,转运系数>33.3 ,中国蜈蚣草地上部对 A s的生物富集系数>
8.4 ,转运系数>34.4 ,且均随 A s浓度增加而增加(表 2)。说明两个品种对 As都有很强的富集和转运能力 。
在 As含量为 2 400 μmol/kg 时 ,澳大利亚粉叶蕨达到18.6 ,其转运系数为 83.1 ,转运系数甚至比蜈蚣草更高 ,
为蜈蚣草的 1.9倍。
目前公认的超积累植物应同时具有 2个基本特征:一是临界含量特征 ,即植物茎或叶中重金属富集的临界
含量 Zn 和 Mn为 10 000 mg/kg ,Pb ,Cu ,Ni ,Co 及 As均为 1 000 mg/kg[ 21] ;二是转移特征 , 即植物地上部(主
要是指茎或叶)重金属含量大于其根部重金属含量 。此外 ,超积累植物还应具有耐性和富集系数特征。耐性特
征是指植物对重金属具有较强的耐性 ,是指与对照相比 ,植物地上部生物量受重金属影响不大 。富集系数特征
是指植物地上部富集系数大于 1。根据上述 4个衡量标准可以看出 ,在A s投加浓度为2 400 μmo l/kg条件下 ,
澳大利亚粉叶蕨对 As具有较强的耐性和转移能力 ,地上部富集系数和转运系数都大于 1 ,其地上部(茎和叶)
对 As的富集也均超过了 1 000 mg/kg ,因而可以确定澳大利亚粉叶蕨具有 A s超积累植物的基本特征。
表 3　不同 As 水平下粉叶蕨和蜈蚣草的土壤有效 As 含量及土壤 As 去除率
As水平/
(μmo l· kg-1)
土壤有效 As 含量/(mg· kg -1)
蜈蚣草 粉叶蕨
土壤 As 去除率/ %
蜈蚣草 粉叶蕨
0 0.68±0.05c 0.41±0.02c 1.67±0.27c 1.81±0.14c
600 31.46±1.15b 33.13±1.74b 12.11±1.19b 7.70±0.21b
2400 131.2±15.85a 107.4±4.30a 22.84±2.69a 11.82±1.07a
　　注:表中数据为平均值±SD(n=3);a , b , c表示 p <0.05 水平上同一品种各 As
处理之间的差异显著性。
＊土壤 As 去除率(%)=植株 As 积累量(地上部 As 含量×地上部生物量+
根系 As 含量×根系生物量)/土壤中 As 总量 100;土壤中 As 的总量=原始
土壤 As 含量+As 加入量。
植株在生长期内从环境中带走
的 As量对评价植物的修复能力更具
说服力 ,采用下式计算植物对环境重
金属的除去率:植株重金属积累量
(地上部重金属含量×地上部生物量
+根系重金属含量×根系生物量)/
原始环境中重金属含量[ 8] 。由表 3
可以看出 ,澳大利亚粉叶蕨对 As 的
除去率为 7 .70 %～ 11 .82 %,且随 As
浓度增加亦增加 。说明澳大利亚粉
叶蕨从土壤中带走 As的能力很强 。比较两个品种 ,中国蜈蚣草对 As的除去率为 12.11%～ 22 .84 %,明显高
于粉叶蕨 。此外 ,与蜈蚣草相比 ,粉叶蕨地上部生物量受 As的影响要大 ,地上部 As含量及生物富集量系数也
低于蜈蚣草。因此 ,中国蜈蚣草对土壤 As污染的修复潜力高于澳大利亚粉叶蕨 。
3　结论
(1)不同品种蕨类植物对 A s的耐性不同 。本试验条件下 ,A s对澳大利亚粉叶蕨地上部干重有一定的抑
制作用 ,但粉叶蕨地上部仍然维持了较大的生物量 。在供试 A s浓度范围内(0 ～ 2 400 μmo l/kg),A s刺激了中
国蜈蚣草地上部干物质的积累 。
(2)澳大利亚粉叶蕨对 As都有很强的富集能力。在 2 400 μmol/ kg 时 ,粉叶蕨地上部 As含量超过了砷
超积累植物的临界含量标准(1 000 mg/kg),地上部对 As 的生物富集系数>1 ,转运系数>1。粉叶蕨地上部
As含量 、地上部 As积累量 、生物富集系数及转运系数均随 As 浓度的增加而增加。由此可确定澳大利亚粉叶
蕨是 A s的一种超积累植物。
176 水土保持学报　　　 　　 第 23 卷
(3)与蜈蚣草相比 ,粉叶蕨地上部生物量受 As的影响相对较大 ,地上部 As含量及生物富集量系数也低于
蜈蚣草 ,同时蜈蚣草对 As的除去率也明显高于粉叶蕨。可见 ,本试验条件下 ,在澳大利亚 Kuro sol土壤上 ,中
国蜈蚣草对土壤 As污染的修复潜力是大于澳大利亚粉叶蕨的。
致谢:感谢中国国家留学基金委的资助 ,感谢澳大利亚悉尼大学 Faculty of Ag riculture , Food and Natural
Resource s提供了优越的试验设备和条件 。
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责任编辑:李鸣雷　刘　英
177第 2 期 　　　 　　徐卫红等:砷超积累植物粉叶蕨及其对砷的吸收富集研究