全 文 ：第 35 卷第 6 期
2015年 3月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.6
Mar.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金(41201319); 新世纪优秀人才支持计划(NCET鄄11鄄0455)
收稿日期:2013鄄05鄄29; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄04鄄25
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: mgyu_369@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201305291222
王梦,段德超,徐辰,于明革,施积炎.茶树根细胞壁不同组分对铅的吸附性能及其功能团的傅里叶红外光谱学研究.生态学报,2015,35(6):
1743鄄1751.
Wang M,Duan D C,Xu C,Yu M G,Shi J Y.Adsorption ability of cell wall (CW) components in roots of Tea Plant (Camellia sinensis L.) to Pb and FTIR
spectra of their functional groups.Acta Ecologica Sinica,2015,35(6):1743鄄1751.
茶树根细胞壁不同组分对铅的吸附性能及其功能团的
傅里叶红外光谱学研究
王摇 梦1,段德超1,徐摇 辰1,于明革1,2,*,施积炎1
1 浙江大学环境与资源学院, 杭州摇 310058
2 杭州市环境集团有限公司, 杭州摇 310022
摘要:选择我国重要的经济作物之一茶树(Camellia sinensis L.)为研究对象,考察了茶树根细胞壁中不同多糖组分在吸附铅
(Pb)过程中的作用差异以及与其发生交互作用的主要功能团。 结果表明,在茶树根细胞壁吸附 Pb 过程中,绝大多数的 Pb
(68郾 42%)是吸附在纤维素以及木质素上;其次是果胶(20%)、半纤维素 2类(5.26%);半纤维素 1类的贡献可以忽略不计。 同
时,通过细胞壁不同组分吸附 Pb前后的傅立叶红外光谱表征结果得出,在吸附 Pb的过程中,果胶中起作用的功能团主要有羟
基、羧基;半纤维素 1类中起作用的功能团主要是羧基;半纤维素 2类中起作用的功能团主要为羟基。
关键词:Pb毒; 细胞壁组分; 傅立叶红外; 功能团; 茶树
Adsorption ability of cell wall (CW) components in roots of Tea Plant (Camellia
sinensis L.) to Pb and FTIR spectra of their functional groups
WANG Meng1,DUAN Dechao1,XU Chen1,YU Mingge1,2,*,SHI Jiyan1
1 College of Environment and Resource,Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
2 Hangzhou Environmental Group Company Limited, Hangzhou 310022, China
Abstract: Tea is one of the most important economic crops in China and the relevant research suggests that every year, Pb
content in tea products has shown an increasing trend. Pb is also one of the most important indicators of quality and safety
monitoring. Recent, research mostly focused on the resistance of plants to heavy metals was limited to short growing herbs.
Reports on the study of woody plants are very rare. On the basis of these conditions tea tree was selected as research work.
The objective of the present study is to find out the molecular mechanism of Pb stress resistance in roots CW of tea plants.
Tea trees grown in the clean tea garden were selected for our experimental design. Tea roots were collected and washed with
deionized water. Then extraction of crude CW and subsequent fractionation of CW components were carried out. Adsorption
kinetics was carried out to determine the adsorption ability of different CW components to Pb stress. A total of 5 mg of CW
materials or its corresponding residues was placed into a 2鄄ml column equipped with a filter at the bottom. The solution
consisted of 15 滋mol / L Pb(NO3) 2 in 0.01 mol / L NaNO3 at pH 5.0.The solution was sipped by a peristaltic pump set a
speed of 8 ml per 10 min after running through a 2鄄ml column holding the CW samples. The adsorption solutions were
collected at 10鄄min intervals and Pb in the adsorption solutions was measured by Atomic Absorption Spectroscopy (AAS).
At last the Fourier Transform infrared spectroscopy ( FTIR) spectra of different CW components before and after Pb2+
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adsorption was carried out to study the difference in functional groups those can interact with Pb between different CW
components.The results of this study shown that the vast majority of Pb (68.42%) adsorbed in the cellulose and lignin,
followed by pectin (20%) and hemicellulose2 (HC2) (5.26%).While, the contribution of HC1 was negligible. These
results indicated that in the CW of roots cellulose and lignin has a greater ability to accumulate Pb as compared to pectin,
HC1 and HC2. But the adsorption capacity of pectin was also very considerable. According to the FTIR spectra of CW鄄
pectin鄄HC1鄄HC2 (CW鄄3) before and after Pb2+ adsorption it was found that although the cellulose and lignin contain a mass
of —OH and —COOH, when they adsorbed Pb, their characteristic peaks忆 positions had no obvious changes. However, the
positions of characteristic peaks忆 of C—C in cellulose polysaccharide and N—N in protein amino changed significantly, but
these didn忆t appear at the complete CW. In summary, it was found that when CW adsorbed Pb all these functional groups in
cellulose and lignin had hardly interacted with Pb. However, it was different in pectin, HC1 and HC2. For instance in
pectin, when CW adsorbed Pb, —OH and —COOH characteristic peaks忆 positions changed significantly. It can be
indicated that Pb was fixed through interactions with functional groups like —OH and —COOH in pectin. The same
approach had yielded the main functional groups in HC1 and HC2 was —COOH and —OH respectively.
Key Words: lead toxicity; cell wall components; FTIR; functional groups; tea tree
茶树(Camellia sinensis L.)是我国重要的经济作物之一,相关的研究报道表明,我国茶叶产品 Pb 含量已
呈现逐年升高的趋势[1],是茶叶质量安全监控的重要指标之一[2鄄4]。 在茶树根系吸收 Pb 的过程中,细胞壁是
Pb离子跨膜进入细胞质的第一道屏障,在茶树吸收累积 Pb的过程中起着重要的作用。 康孟利等通过组分分
级提取法研究发现,浙农 117品种茶树根、叶细胞中的 Pb 主要分布在细胞壁中[5]。 徐劼等采用亚细胞分离
方法发现,龙井 43和迎霜品种茶树根细胞壁累积的 Pb高达细胞总含量的 51.2%[6]。
细胞壁中存在金属离子,早在植物细胞与金属离子作用的研究初期就有所报道[7鄄11],近期的研究表明细
胞壁也是积累金属离子的重要亚细胞组分之一[12鄄16],可以容纳大量的金属离子[15, 17鄄20]。 植物细胞壁是由糖、
蛋白质和芳香族化合物等组成,其中糖含量占到初生壁总量的 90%[21],可见,糖类对细胞壁功能有着至关重
要的作用。 研究表明,在重金属胁迫下,细胞壁组分,如半纤维素、多糖、蛋白质、胼胝质等物质含量显著提高,
从而增强了对重金属的吸附固定能力[22]。 细胞壁中各种化学组分(果胶、纤维素、半纤维素、木质素、结构蛋
白等)中的负电基团通过沉淀、吸附、络合等作用将金属离子固定在细胞壁中,从而减少金属离子通过跨膜运
输进入原生质体,在一定程度上降低了金属胁迫对植物正常生理活动的干扰[23鄄24]。 而细胞壁结合二价金属
离子的能力取决于富含官能团羧基、羟基和巯基 的多糖数量[25鄄28]。 然而目前关于植物重金属污染方面的研
究工作大部分限于农作物、经济作物等生长期短的草本植物,关于木本植物也有关于红树植物的相关报
道[29],但是针对茶树的研究则鲜见报道。
因此,本文选择木本植物茶树为研究对象,分别通过吸附动力学和傅立叶红外光谱表征,探究了茶树根细
胞壁中不同多糖组分在吸附 Pb 过程中的作用差异以及与其发生交互作用的主要功能团,揭示茶树根系细胞
壁组分吸收累积 Pb的内在机制,从而阐明茶树根细胞壁 Pb累积的适应性分子机制。
1摇 材料与方法
1.1摇 细胞壁的提取
试验所用样品来自浙江省新昌县某未污染茶园。 选取植株高度在 10 cm 到 20 cm 之间长势均一的茶树
幼苗,收集根部用去离子水冲洗后,根据 Zhong和 Lauchi的方法稍加修改提取细胞壁[30]。 冰冻的根在研钵中
加液氮磨碎,用冰乙醇(75%)浸提植物粉末,每次冰乙醇用量为 10 mL / g 根鲜重,浸提 3 次,混合物置于 50
mL离心管,混匀,静置 20 min后于 4 益下 1000 g离心 10 min。 沉淀物再用 1颐7(根重(g) /体积(mL))的丙酮
(4 益)、甲醇鄄三氯甲烷混合液(体积分数 1颐1)及甲醇溶液依次洗涤,每次洗涤后,悬浮液在 4 益下 1000 g 离
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心 10 min。 弃去上清液,沉淀冷冻干燥后,加液氮磨碎,作为粗细胞壁,保存于 4 益备用。
1.2摇 细胞壁多糖组分的分离和测定
参照 Zhong和 Lauchi的方法进行部分修改,称取干燥的细胞壁样品,加入超纯水(5 mg干 CW / 1 mL提取
剂),沸水浴 1 h,然后 17000 g离心 10 min,取上清液,重复 3次后认为果胶提取完全,上清液即为果胶提取组
分;沉淀用去离子水冲洗 2次,用 4% NaOH(内含 0.1% NaHB4)于室温下分 3次提取,上清液即为半纤维素 1
类(HC1);沉淀用去离子水冲洗 2次,用 24% NaOH(内含 0.1% NaHB4)于室温下分 3 次提取,上清液即为半
纤维素 2类(HC2)。
1.3摇 Pb的吸附动力学实验
本实验分 4部分进行,其实验主体分别为茶树根细胞壁(CW)、细胞壁去果胶 pectin(CW鄄pectin(CW鄄
1))、细胞壁去果胶去半纤维素 1类 HC1(CW鄄pectin鄄HC1(CW鄄2))、细胞壁去果胶去半纤维素 1 类 HC1 去半
纤维素 2类 HC2(CW鄄pectin鄄HC1鄄 HC2(CW鄄3))。
吸附溶液为 15 滋mol / L Pb(NO3) 2溶液,0.01 mol / L NaNO3溶液作为电解液(pH 5.0)。 4个实验主体分别
取 0.05 g置于底部有滤纸的滤头中,滤头上下均有接口用以连接吸附溶液或收集流出液。 吸附溶液用蠕动泵
以 8 mL / 10 min的流速泵入小管中,经细胞壁后用自动收集器收集,每 10 min 收集 1 管,直到流出液中 Pb 浓
度与吸附液中 Pb浓度相同,本研究中约在 400 min时达到吸附平衡。 用原子吸收光谱仪 AAS测定每管中 Pb
含量。 动力学实验重复 3次,取平均值做曲线,为防止图中曲线不清晰,误差线未在图中标出,误差均在 10%
之内。
1.4摇 细胞壁多糖组分的傅立叶红外光谱(FTIR)测定
利用傅立叶变换红外光谱仪(FTIR鄄IR Prestige鄄21 岛津)对 Pb吸附前后的根细胞壁样品 CW、CW鄄1、CW鄄
2和 CW鄄3进行红外光谱表征。 分别称取 1 mg冻干后根细胞壁样品,按 1颐150的比例加入 150 mg KBr于玛瑙
研钵中充分研磨均匀,压片后放入 FTIR样品工作室,在相同条件下测定红外光谱图。 光谱分辨率为 4 cm-1,
记录样品在 4000—500 cm-1范围内的红外光谱信号。
2摇 结果
图 1摇 茶树根细胞壁不同组分对 Pb2+的吸附动力学
摇 Fig.1摇 Pb adsorption kinetics of different CW components in tea
tree roots
CW:细胞壁 cell wall;CW鄄1:细胞壁去果胶 CW鄄pectin;CW鄄 2细胞
壁去果胶去半纤维素 1 类 CW鄄pectin鄄 hemicellulose 1(HC1);CW鄄
3:细胞壁去果胶去半纤维素 1和 2类 CW鄄pectin鄄HC1鄄HC2
2.1摇 细胞壁不同多糖组分对 Pb的吸附动力学
图 1是茶树根细胞壁不同组分对 Pb2+的吸附曲线。
从图中可以看出,茶树根细胞壁组分对 Pb2+的吸附过程
分为 3个阶段:初期是快速过程,100 min 后,吸附速率
明显减慢,进入中速过程,200 min 后进入慢速过程,吸
附 400 min后基本达到平衡。 吸附平衡后,与 CW 相比
去果胶后的 CW鄄 1 吸附量降低了 26.31%,可知果胶的
吸附量占整个细胞壁吸附量的 26.31%。 同理可知,绝
大多数的 Pb(68.42%)是吸附在纤维素以及木质素上;
HC2的吸附量占有率为 5.26%;HC1 的贡献可以忽略
不计。
2.2摇 不同细胞壁组分的红外光谱分析
图 2为对照组不同的茶树根细胞壁组分的 FTIR图
谱,自上而下,按顺序分别为茶树根 CW、 CW鄄 1、CW鄄 2
和 CW鄄3。
几处主要的谱峰吸光度值见表 1。 根据文献对茶
树根细胞壁的红外图谱(图 2)进行解析[31],可以得到空白对照处理组对茶树根细胞壁的特征峰:3385 cm-1处
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图 2摇 茶树根细胞壁不同组分对 Pb2+的吸附动力学
摇 Fig. 2 摇 The FTIR spectra of different CWcomponents in tea
tree roots
CW:细胞壁 cell wall;CW鄄 1:细胞壁去果胶 CW鄄pectin;CW鄄 2细胞
壁去果胶去半纤维素 1 类 CW鄄pectin鄄 hemicellulose 1(HC1);CW鄄
3:细胞壁去果胶去半纤维素 1和 2类 CW鄄pectin鄄HC1鄄HC2
的羟基—OH(No.1);2924 cm-1处的峰可能是甲基的对
称伸缩振动峰(No.2);1738 cm-1处为酯化果胶中酯基
吸收峰(No.3);蛋白质是细胞壁的重要成分之一,谱图
中 1651 cm-1和 1512 cm-1处的两个强吸收峰对应于酰
胺玉带(NO.4)和酰胺域带(No.5),是蛋白质的特征红
外光谱;1427 cm-1处的峰归属于羧酸盐中 詤C O 不对
称伸缩振动峰(No.6),,1258 cm-1的吸收峰可能是羧基
的 C—O、硫酸酯的 C—O—S 或磷酸盐的特征吸收峰
(No.7);1057 cm-1处的吸收峰对应的是纤维素糖链中
的—C—C(No.8)。
根据 FTIR谱图进行半定量分析,对每个谱图分别
以 2924 cm-1处—HC3中 C—H 特征吸收峰的吸光度
(A2924)为基准,其他特征峰如 3385 cm
-1、1738 cm-1、
1651 cm-1和 1512 cm-1等处的吸光度 A与 A2924的比值,
来半定量分析茶树根细胞壁不同组分的功能团含量差
异。 即可以通过 A / A2924比值的变化来半定量分析官能
团数目变化[32]。
茶树根细胞壁不同组分含量差异如表 1 和图 2 所
示。 由 A / A2924比值可知,茶树根 CW中含量最高的为纤维素多糖链 C—C,其次为羟基、羧基和氨基。 同 CW
相比,CW鄄1、CW鄄2和 CW鄄 3 的 A3385 / A2924和 A1258 / A2924比值依次降低,由此可知茶树根细胞壁果胶、HC1 和
HC2中均含有一定量的羟基和羧基。 其中,羟基和羧基均以纤维素中含量最多;羟基含量除纤维素以外以果
胶中最多;其次为 HC1和 HC1;羧基在果胶、HC1和 HC2 3个组分中含量相当。
表 1摇 茶树根细胞壁不同组分(CW:细胞壁;CW鄄1:细胞壁去果胶;CW鄄2细胞壁去果胶去半纤维素 1类;CW鄄3:细胞壁去果胶去半纤维素 1和 2
类)红外光谱特征峰的半定量分析(峰的序号对应于图 2)
Table 1摇 Semi_quantitative analysis of FTIR spectra of different CW components in tea tree roots (CW: cell wall,CW鄄1: CW鄄pectin, CW鄄2: CW鄄
pectin鄄hemicellulose 1(HC1), CW鄄3: CW鄄pectin鄄HC1鄄HC2)
序号
Number
官能团
Function group
CW
波数 / cm-1
Wavenumber
A / A2924
细胞壁不同组分
CW components
CW鄄1 CW鄄2
吸光度比值
A / A2924 A / A2924
CW鄄3
A / A2924
1 羟基 /氨基 —OH/ —NH 3385 1.89 1.39 1.23 1.08
2 甲基 —CH3 2924 1 1 1 1
3 酯基 詤C O 1738 0.79 0.84 0.67 0.71
4 酰胺 1带 C—N 1651 1.46 0.79 1.04 0.99
5 酰胺 2带 N—N 1512 1.08 1.02 1.04 1.02
6 羧酸盐 詤C O不对称收缩震动 1427 1.12 0.98 1.05 1.05
7 硫酸盐或羧基或磷酸盐 1258 1.18 1.1 1.05 0.98
8 多糖链 C—C 1057 2.85 1.7 1.59 1.33
摇 摇 A: 吸光度 Adsorption
2.3摇 不同多糖组分在吸附 Pb过程中起主要作用的官能团
FTIR谱图可以表征那些能够离子化的基团如羧基、羟基、氨基等在重金属吸附过程中的作用。 当官能团
参与金属结合时,其吸收峰会发生偏移,因此可以通过峰位的位移来判断参与 Pb 结合的官能团。 例如,谷壳
吸附 Pb2+以后,由于取代了部分羟基中的氢,引起羟基伸缩振动峰的位置向高波数移动[33]。
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茶树根细胞壁不同组分在 Pb2+处理前后 FTIR谱图(图 3—图 6)和表 2 所示。 CW 的羟基伸缩振动峰位
与对照组相比向高频位移动了 23 cm-1,CW鄄1和 CW鄄2分别移动了 10 cm-1和 11 cm-1,CW鄄3移动了 4 cm-1,
可见羟基的作用随着果胶和 HC2的去除是依次减弱。 Pb处理后 CW和 CW鄄1的羧基分别向低频位移动了 5
cm-1和 7 cm-1,而随着果胶和 HC1的去除这种变化也相应减弱。 处理后的 CW鄄1和 CW鄄2的蛋白质氨基中的
C—N分别向低频位移动了 6 cm-1和 4 cm-1同时 CW鄄3中蛋白质氨基中的 N—N向高频位移动了 10 cm-1,可
见随着果胶的去除 CW中蛋白质氨基的作用也随之加强。 处理后的 CW鄄2和 CW鄄3的糖类 C—C伸缩振动峰
位变化显著增强,分别移动了鄄 8 cm-1和 19 cm-1,说明随着果胶、HC1 和 HC2 的顺次去除,它们的作用逐渐突
显出来。
摇 图 3摇 细胞壁(CW)Pb2+处理前(a)后(b)的红外光谱图
Fig.3摇 The FTIR spectra of cell wall (CW) before (a) and after
(b) Pb2+adsorption
摇 图 4摇 细胞壁去果胶(CW鄄1)Pb2+处理前(a)后(b)的红外光谱图
Fig.4摇 The FTIR spectra of CW鄄pectin (CW鄄 1) before (a) and
after (b) Pb2+ adsorption
摇 图 5摇 细胞壁去果胶去半纤维素 1 类(CW鄄 2)Pb2+处理前( a)后
(b)的红外光谱图
Fig.5摇 The FTIR spectra of CW鄄pectin —hemicellulose 1 (HC1)
(CW鄄2) before (a) and after (b) Pb2+ adsorption
摇 图 6摇 细胞壁去果胶去半纤维素 1和 2类(CW鄄3)Pb2+处理前(a)
后(b)的红外光谱图
Fig.6摇 The FTIR spectra of CW鄄pectin —HC1鄄HC2 ( CW 鄄 3)
before (a) and after (b) Pb2+ adsorption
综上所述,在吸附 Pb的过程中,果胶中起作用的功能团主要有羟基、羧基;HC1 中起作用的功能团主要
是羧基;HC2起作用的功能团主要是羟基。 纤维素和木质素中起作用的官能团有纤维素多糖链中的 C—C 以
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及蛋白质氨基中的 N—N。 但在完整 CW 吸附 Pb 的过程中,它们并无明显变化。 推测是在当果胶、HC1 和
HC2去除后由于羟基和羧基的减少使得残留的蛋白质中的氨基和纤维素糖链中的 C—C 成为除羟基外重要
的 Pb结合位点。
表 2摇 茶树根细胞壁不同组分(CW:细胞壁;CW鄄1:细胞壁去果胶;CW鄄2细胞壁去果胶去半纤维素 1类(HC1);CW鄄3:细胞壁去果胶去半纤维素
1和 2类)吸附 Pb2+前后红外光谱表征(峰的序号对应于图 2—图 5)
Table 2摇 FTIR spectra of different CW components in tea tree roots (CW: cell wall,CW鄄 1: cell wall鄄pectin, CW鄄 2: CW鄄pectin鄄hemicellulose 1
(HC1), CW鄄3: CW鄄pectin-HC1鄄HC2 before and after Pb2+ adsorption)
序号
Number
官能团
Function group
对照 CW摇 Pb处理 CW
Ck鄄CW Pb鄄CW
波数 cm-1
Wavenumber
偏移量 cm-1
Offset
对照 CW鄄1 Pb处理 CW鄄1
Ck鄄CW鄄1 Pb鄄CW鄄1
波数 cm-1
Wavenumber
偏移量 cm-1
Offset
对照 CW鄄2 Pb处理 CW鄄2
Ck鄄CW鄄2 Pb鄄CW鄄2
波数 cm-1
Wavenumber
偏移量 cm-1
Offset
对照 CW鄄3摇 Pb处理 CW鄄3
Ck鄄CW鄄3 摇 Pb鄄CW鄄3
波数 cm-1
Wavenumber
偏移量 cm-1
Offset
1 羟基 /氨基—OH /—NH 3385 3408 23 3385 3395 10 3366 3377 11 3389 3393 4
2 甲基—CH3 2926 2924 -2 2924 2922 -2 2922 2928 6 2924 2926 -2
3 酯基 詤C O 1738 1738 0 1738 1734 -4
4 酰胺 1带 C—N 1647 1647 0 1653 1647 -6 1653 1649 -4 1653 1647 2
5 酰胺 2带 N—N 1512 1512 0 1510 1510 0 1508 1510 2 1510 1420 10
6 羧酸盐 詤C O不对称收缩振动 1427 1418 -9 1427 1420 -7 1422 1420 -2 1427 1375 2
7 硫酸盐或羧基或磷酸盐 1258 1260 2 1260 1261 1 1265 1269 4 1260 1261 2
8 多糖链 C—C 1057 1057 2 1057 1057 0 1057 1049 -8 1057 1057 19
摇 摇 表中“-冶表示未检出; 表中 Ck(control chech)鄄CW、Ck 鄄CW鄄1、Ck 鄄CW鄄2、Ck 鄄CW鄄3分别表示对照处理的 CW、CW鄄1、 CW鄄2、CW鄄3; 表中 Pb鄄CW、Pb鄄CW鄄1、Pb鄄
CW鄄2、Pb鄄CW鄄3分别表示加 Pb处理的 CW、CW鄄1、 CW鄄2、CW鄄3
3摇 讨论
细胞壁多糖主要包含 4个组分,分别为果胶、HC1、HC2和纤维素。 通过 Pb的吸附动力学实验表明,在茶
树根细胞壁中,绝大多数的 Pb(68.42%)吸附在纤维素以及木质素上。 金属离子可以与细胞壁高分子物质结
合在 1987年就有报道,Nishizono 等人发现在禾秆蹄盖蕨根系细胞壁中的 Cu、Zn 和 Cd 含量占整个植株累积
量的 70%—90%,并且认为它们中的大部分是与纤维素以及木质素结合,以结合状态存在[34]。 茶树根细胞壁
果胶中 Pb的吸附量占整个 CW的 26.31%,可见在茶树根细胞壁吸附 Pb的过程中,果胶是除纤维素外起最重
要作用的多糖组分。 与本研究结论相似,Zheng等人(2004)报道细胞壁中的果胶是细胞壁阳离子结合的主要
位点之一[35]。 目前对于果胶研究较多的是与 Al3+ [36]、Cd2+ [37]、Cu2+ [38]以及其他金属阳离子[11, 39]的结合作
用。 除果胶和纤维素外,半纤维素也起到了一定的作用,其中 HC2 的贡献率为 5.26%,HC1 的贡献则可以忽
略不计。
对茶树根细胞壁各个多糖组分 FTIR谱图进行半定量分析得知,茶树根细胞壁中含量最高的为纤维素多
糖链 C—C,其次依次为羟基、羧基和氨基。 对比各个多糖组分所含的功能团差异,羟基和羧基均以纤维素中
含量最多。 在果胶、HC1 和 HC2 中,果胶中羟基含量最多,其次是 HC1 和 HC2;羧基含量在此三个组分中差
异不大。 由此可见,果胶、HC1、HC2 和纤维素均有吸附 Pb2+的潜力,而果胶是除纤维素外最具潜力的多糖
组分。
研究表明,细胞壁结合二价金属离子的能力取决于富含官能团羧基,羟基和巯基的多糖数量[25鄄28]。 结合
吸附 Pb前后的 CW和 CW鄄3的 FTIR谱图结果可知,在纤维素中含有丰富的羟基基团,在其吸附 Pb 的过程
中,并没有发挥显著的作用。 这是由于纤维素是由 1,4鄄糖苷键组成的直链多糖,这种高分子结构上有大量的
羟基存在,这使其分子链间和分子链的内部形成了氢键,这种羟基覆盖的结构影响了其反应活性[40]。 同时发
现在 CW鄄3组分(纤维素、木质素和蛋白质)吸附 Pb的过程中纤维素多糖链中的 C—C 以及蛋白质氨基中的
N-N作用显著,但是在完整 CW吸附 Pb的过程中它们并没有发挥作用。 推测当果胶、HC1 和 HC2 去除后由
于羟基和羧基的减少,使得纤维素和木质素中残留的蛋白质中的氨基[41]和纤维素糖链中的 C-C 成为除羟基
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外重要的 Pb结合位点。 在 CW吸附 Pb的过程中,纤维素中富含的羟基、羧基等功能团与 Pb 的交互作用并
不显著,由此可知纤维素对 Pb的主要吸附作用并不是离子交换、螯合等化学吸附作用。 而从物理结构来看
纤维素是一种纤维状多毛细管的分子聚合物,具有多孔和比表面积大的特点,具有吸附金属离子的能力。 因
此推测在完整 CW中纤维素对 Pb的吸附作用是以物理吸附为主。 然而,另外 3种多糖组分都存在与 Pb发生
明显交互作用功能团。 其中,果胶中起作用的功能团主要有羟基、羧基;HC1 中起作用的功能团主要是羧基;
HC2起作用的功能团主要是羟基。 研究表明,果胶是胞间层以及初生细胞壁的主要组分之一,含有很多负电
基团,如羟基、羧基、醛基、氨基等[23]能结合多种金属离子。 其基本化学成分主要有同型半乳糖醛酸聚糖
(Homogalacturonan(HGA)),鼠李半乳糖醛酸聚糖玉(Rhamnogalacturonan玉(RG玉))和鼠李半乳糖醛酸聚糖
域(Rhamnogalacturonan域(RG域))。 其中绑定二价和三价金属离子的主要成分是 HGA。 研究表明在低甲酯
化的 HGA中,两个自由羟基间会互通形成钙离子通道,被称为蛋壳结构[42]从而导致,钙凝胶形成和细胞壁的
硬化[21, 43]。 通过金属离子与果胶的结合能力 Al3+> Cu2+ > Pb2+ > Zn2+ = Ca2+或者 Cu2+ = Pb2+ > Cd2+ = Zn2+ >
Ca2+ [25]可以发现 Pb2+的结合能力要强于 Ca2+,所以 Ca2+可以被 二价的 Pb2+取代[25]。 同时 Pb2+也可以直接取
代羟基中的氢,引起羟基伸缩振动峰的移动[33]。 研究表明,半纤维素的主要成分之一阿拉伯木聚糖链上富含
葡萄糖残基结构,这使其带一定的负电荷[44]对金属阳离子具有一定的吸附能力。 另外,Marcus 等发现,果胶
中的 HGA成分的存在掩盖了半纤维素的抗原决定簇[45],从而可能掩盖了半纤维素上的 Pb结合位点,随着果
胶的去除半纤维素上的结合位点得到了有效的暴露,从而可以结合一定量的 Pb。 因此,推测在 CW中 Pb2+主
要是通过离子交换、螯合等化学吸附作用与果胶以及半纤维素结合。 在草本植物根系细胞壁中,与金属离子
发生作用的多糖组分主要是果胶。 果胶对于金属阳离子的作用最早发现于笋瓜(Cucurbita maxima) 根系
中[46],果胶与铝耐性的关系也一直备受关注[47鄄48],并且 Kasia 等发现拟南芥(Arabidopsis thaliana)中果胶对
Pb2+作用显著[49]。
综上所述,与绝大多数草本植物不同,茶树根细胞壁是以纤维素和木质素在吸附总量上作用最为突出。
其次是果胶,起作用的功能团主要有羟基和羧基。 半纤维素 2 类也起到一定吸附作用,有效功能团主要为羟
基;而半纤维素 1类的作用可以忽略不计。
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