管仁權(quán) 滕 江 鄭榮晶 王 丹

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇句容 212400）

蕨類(lèi)植物是一種生命力很強(qiáng)的植物，現(xiàn)存的蕨類(lèi)植物大約有12 000種，普遍散布于世界各地，尤其是在熱帶和亞熱帶地區(qū)的種類(lèi)最為多樣。我國(guó)大約有2 600種蕨類(lèi)植物，僅在云南省就有1 000多種，因而在國(guó)內(nèi)云南省有“蕨類(lèi)王國(guó)”之稱(chēng)。蕨類(lèi)植物具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，如井欄邊草可以用于治療腸炎、腮腺炎、濕疹、便血等；蜈蚣草內(nèi)的多酚物質(zhì)具有很強(qiáng)的抗氧化特性；還有不少蕨類(lèi)可以食用，常見(jiàn)的有蕨粉等，味道鮮美。

目前，土壤重金屬污染愈來(lái)愈嚴(yán)重，許多土壤治理方法在應(yīng)用中存在一定問(wèn)題。植物修復(fù)法成本低、修復(fù)效果好，因而研究植物對(duì)重金屬的富集吸收過(guò)程與機(jī)理有很重要的意義。在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，蕨類(lèi)植物能吸收一些重金屬元素，如現(xiàn)在公眾普遍關(guān)注的毒性大的砷（As）、銻（Sb）等。砷的毒性和致癌、致畸、致突變效應(yīng)使其被美國(guó)環(huán)境保護(hù)署列為首要有害物質(zhì)[1]；銻是一種對(duì)人體和動(dòng)物具有毒性及致癌性，并導(dǎo)致肝、皮膚、呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)方面疾病的重金屬元素，具有典型的親硫性和親氧性[2]。除銻礦開(kāi)采所造成的污染外，銻造成的環(huán)境污染也因銻化合物用量的增加而越來(lái)越嚴(yán)重[3-5]。因此，要加強(qiáng)關(guān)于這方面的基礎(chǔ)研究。蕨類(lèi)植物對(duì)重金屬污染具有修復(fù)作用，因而筆者希望通過(guò)研究蕨類(lèi)植物對(duì)于重金屬的吸收機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)用蕨類(lèi)植物對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)作用。植物體內(nèi)的磷作為細(xì)胞原生質(zhì)的組分存在，對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖有重要作用；磷肥還能夠促進(jìn)植物苗期根系的生長(zhǎng)，使植物提早成熟。過(guò)量施用磷肥會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染。植物體內(nèi)的磷含量通常與植物品質(zhì)有一定關(guān)聯(lián)，通過(guò)植物中的含磷量可以推算出植物對(duì)土壤中磷的消耗量，以此作為治理磷污染的參考指標(biāo)。

本文通過(guò)試驗(yàn)來(lái)研究井欄邊草等幾種蕨類(lèi)植物對(duì)重金屬污染物的吸收機(jī)理，有助于更好地利用蕨類(lèi)植物修復(fù)重金屬土壤污染。

1 材料與方法

1.1 植物中磷、砷、銻的來(lái)源及危害

1.1.1 來(lái)源。植物中的砷、銻大多來(lái)自土壤，植物從土壤中吸收養(yǎng)分及其他一些元素。砷在世界土壤中的含量是0.1～58.0 mg/kg，中位值是6.0 mg/kg；銻在土壤中的背景濃度范圍為0.05～4.00 mg/kg，通常<1.0 mg/kg[6]。中國(guó)是最大的銻生產(chǎn)大國(guó)，砷、銻污染現(xiàn)狀不容樂(lè)觀[7]：除了礦山開(kāi)采和冶煉、礦區(qū)尾礦的風(fēng)化和淋濾以外，污染大氣的沉降、污水的排放等也是造成土壤砷、銻污染的原因。

近年來(lái)，受人類(lèi)活動(dòng)等影響，土壤中的砷、銻污染日益嚴(yán)重。傳統(tǒng)的污染治理一般采用基于機(jī)械物理或物理化學(xué)原理等的工程措施，比如電化學(xué)法等。雖然這些傳統(tǒng)方法快捷、高效，但是設(shè)備成本高、實(shí)現(xiàn)困難，并不適宜大面積的土壤污染防治，還可能導(dǎo)致土壤生物活性下降和土壤肥力退化，只能減緩污染，而不能從根本上解決重金屬污染問(wèn)題?，F(xiàn)在很多學(xué)者研究生物修復(fù)技術(shù)，利用生物體對(duì)土壤和水中污染物的吸收、降解、轉(zhuǎn)化，使污染物濃度下降到正?；蛘攮h(huán)境可以接受的水平，減少或防止重金屬向周?chē)鷶U(kuò)散。生物修復(fù)技術(shù)具有能耗低、成本低、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)少和技術(shù)操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[8]。生物修復(fù)包括土壤動(dòng)物修復(fù)、微生物修復(fù)、植物修復(fù)，而蕨類(lèi)植物正是植物修復(fù)中的“佼佼者”。

土壤中磷可以分為兩大類(lèi)，即有機(jī)態(tài)磷和無(wú)機(jī)態(tài)磷[9]。有機(jī)態(tài)磷來(lái)源于有機(jī)肥和生物殘?bào)w，需要經(jīng)過(guò)土壤微生物分解后才能被作物吸收利用。無(wú)機(jī)態(tài)磷以磷酸鹽形式存在，其含量與土壤母質(zhì)成比例。在土壤無(wú)機(jī)態(tài)磷和有機(jī)態(tài)磷中，有少部分能直接被作物吸收利用，這部分磷稱(chēng)為土壤速效磷，其含量與土壤熟化程度、有機(jī)肥施用量等條件有關(guān)。

1.1.2 磷、砷、銻元素過(guò)多造成的危害。磷作為一種營(yíng)養(yǎng)元素存在于土壤中，能促進(jìn)植物根系發(fā)育，對(duì)植物品質(zhì)的提高有重要作用。但是，磷含量過(guò)高會(huì)造成富營(yíng)養(yǎng)化等污染，即在人類(lèi)活動(dòng)的影響下，氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入湖泊等緩流水體，引起藻類(lèi)及其他浮游生物迅速繁殖，導(dǎo)致水體溶解氧持續(xù)下降、水質(zhì)惡化發(fā)臭、水生生物大量死亡[10]。研究表明，適量的砷有助于血紅蛋白的合成，能夠促進(jìn)動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育；過(guò)量的砷、銻對(duì)人體和環(huán)境生物具有毒性作用，在動(dòng)植物中累積會(huì)有致癌性。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 供試植物。本試驗(yàn)所用井欄邊草、鳥(niǎo)巢蕨和波士頓蕨來(lái)源于江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院內(nèi)，以這3種蕨類(lèi)植物為試驗(yàn)材料（表1），并分別對(duì)其根、莖、葉進(jìn)行磷、砷和銻含量的測(cè)定，同時(shí)設(shè)空白對(duì)照（CK），以了解蕨類(lèi)植物對(duì)重金屬元素的吸收機(jī)理，為污染土壤的生物修復(fù)提供依據(jù)。

表1 各處理試驗(yàn)材料

1.2.2 主要試驗(yàn)儀器。儀器包括7320G可見(jiàn)分光光度計(jì)、電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS，7900）、pH 儀。

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液。磷標(biāo)準(zhǔn)溶液：稱(chēng)取分析純KH2PO40.219 5 g溶解于燒杯中后，加入濃硫酸5 mL攪拌散熱，移液至1 L容量瓶中，將燒杯中剩余液體也洗入容量瓶并定容至1 L，即為50 mg/L磷標(biāo)準(zhǔn)溶液；再吸取50 mg/L標(biāo)準(zhǔn)液25 mL，加水稀釋至250 mL，即為5 mg/L磷標(biāo)準(zhǔn)溶液（不宜久存）。砷標(biāo)準(zhǔn)溶液：準(zhǔn)確稱(chēng)取0.132 0 g高純?nèi)趸橹糜?00 mL燒杯中，加入20 g/L氫氧化鈉溶液8 mL，并攪拌使其溶解，用硫酸（1+1）中和至微酸性，移入100 mL容量瓶中，加入鹽酸10 mL，用水稀釋至刻度線(xiàn)，搖勻，即1 mg/mL砷標(biāo)準(zhǔn)溶液。銻標(biāo)準(zhǔn)溶液：稱(chēng)取1.197 1 g光譜純?nèi)趸R溶于100 mL鹽酸中，用水稀釋到1 000 mL，搖勻，即為1 mg/mL銻標(biāo)準(zhǔn)溶液。所有試劑均為優(yōu)級(jí)分析純，分析用水為高純水。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品消解。將采集的植物樣品置于干凈整潔的室內(nèi)通風(fēng)處，然后用自來(lái)水將植物樣品清洗干凈，去除土壤等雜質(zhì)后再用蒸餾水清洗，將根、莖、葉分開(kāi)放置。放入烘箱中設(shè)置105℃殺青30 min后將溫度降至80℃，烘干到恒重，再用洗凈烘干的研缽研磨粉碎，裝袋保存。稱(chēng)取0.400 0 g研磨的植物樣品放置于清洗干凈的消解管中，加入65%濃硝酸10 mL，加40%高氯酸3 mL，將消解管置于消解儀器上加熱消解：于105℃加熱2 h，于150℃加熱3 h，當(dāng)消解管內(nèi)溶液由紅棕色變?yōu)闊o(wú)色時(shí)，升高溫度繼續(xù)加熱消化，使溶液產(chǎn)生大量濃白煙霧（揮發(fā)大部分高氯酸），濃白煙霧趕盡后停止加熱。將消化管取下，冷卻至室溫，轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中定容。

1.3.2 植物中磷的測(cè)定。采用鉬銻抗比色法測(cè)定蕨類(lèi)植物根、莖、葉中磷的含量。吸取待測(cè)液3 mL于50 mL比色管中，加水至約30 mL，然后加鉬銻抗顯色劑5 mL，用蒸餾水定容至50 mL，搖勻。30 min后，于700 nm波長(zhǎng)下進(jìn)行比色，以空白液的吸光度為0，讀出測(cè)定液的數(shù)值。

1.3.3 植物中砷、銻的測(cè)定。用電感耦合等離子體-質(zhì)譜法測(cè)定蕨類(lèi)植物根、莖、葉中砷和銻的含量。將待測(cè)液放入儀器中，在儀器優(yōu)化條件下進(jìn)行檢測(cè)并記錄數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 蕨類(lèi)植物吸收磷的機(jī)理

通過(guò)試驗(yàn)得出蕨類(lèi)植物中的磷元素含量（表2）。井欄邊草葉中磷的含量最高，其次是根，莖中的磷含量最少。這些井欄邊草大多較茂盛高大，說(shuō)明生長(zhǎng)情況很好。根的磷含量高，說(shuō)明土地肥沃；莖可能僅起到養(yǎng)分輸送的作用，故磷含量不高；葉中磷含量最高是慢慢累積的結(jié)果。井欄邊草吸收磷的機(jī)理是根從肥沃的土壤中吸收磷后，迅速通過(guò)莖傳遞給葉片，并在葉片中慢慢累積下來(lái)，因而井欄邊草的葉片磷含量最高，其次是根，最后作為養(yǎng)分輸送器官的莖磷含量最低。波士頓蕨和鳥(niǎo)巢蕨的葉中磷含量最高，其次是莖，根中磷含量最少，即地上部含磷量高于地下部，表明蕨類(lèi)植物吸收磷的機(jī)理是從根部吸收磷通過(guò)莖輸送到葉片，并在葉片中累積。

表2 蕨類(lèi)植物磷元素含量

2.2 蕨類(lèi)植物吸收砷的機(jī)理

植物中適宜的磷含量也會(huì)提高植物對(duì)砷的耐受性[11-13]。從表2、3可以看出，以井欄邊草為例，磷含量高的部位砷含量也高，地上部砷元素含量大于地下部。由此可知，該植物能夠富集吸收砷元素。但是，波士頓蕨和鳥(niǎo)巢蕨均表現(xiàn)為磷含量高的部位砷含量低，磷含量最低的部位反而砷含量最高。推測(cè)不同的植物表現(xiàn)可能不同，鳥(niǎo)巢蕨和波士頓蕨的地上部含磷量均高于地下部，但地上部砷含量較地下部低，其可能對(duì)砷元素不具有富集吸收作用。

表3 蕨類(lèi)植物砷元素含量

2.3 蕨類(lèi)植物吸收銻的機(jī)理

土壤中銻含量很少，而試驗(yàn)中蕨類(lèi)植物的銻含量較多，說(shuō)明蕨類(lèi)植物對(duì)銻具有生物富集作用（表4）。本試驗(yàn)中，鳥(niǎo)巢蕨的地上部銻含量高于地下部，表明鳥(niǎo)巢蕨對(duì)重金屬銻有富集作用。鳥(niǎo)巢蕨葉中銻的含量最高，其次是根，莖中的銻含量最少。可以看出，鳥(niǎo)巢蕨吸收銻的機(jī)理是根從肥沃的土壤中吸收銻后，迅速通過(guò)莖傳遞給葉片并慢慢累積下來(lái)，因而在鳥(niǎo)巢蕨中葉的銻含量最高，其次是根，最后作為養(yǎng)分輸送作用器官的莖銻含量最低。波士頓蕨和井欄邊草均以根中銻的含量最高，其次是葉，莖中銻的含量最低，這可能是因?yàn)檫@2種蕨類(lèi)植物對(duì)銻有另外一種吸收機(jī)制，有待進(jìn)一步研究。

表4 蕨類(lèi)植物銻元素含量

3 結(jié)論與討論

測(cè)定蕨類(lèi)植物體內(nèi)磷、砷和銻含量，結(jié)果表明，蕨類(lèi)植物吸收磷的機(jī)理是根從肥沃的土壤中吸收磷后，迅速通過(guò)莖傳遞給葉片并在葉片中慢慢累積下來(lái)。因此，植物葉片中的磷含量最高，其次是根，作為養(yǎng)分輸送器官的莖磷含量最低。比較而言，井欄邊草更加具有富集磷的作用，可以作為磷的超富集植物來(lái)進(jìn)行深入研究。

植物中適宜的磷含量會(huì)提高植物對(duì)砷的耐受性。井欄邊草磷含量高的部位砷含量也高，而波士頓蕨和鳥(niǎo)巢蕨均表現(xiàn)為磷含量低的部位砷含量高，可能是因?yàn)椴煌ь?lèi)植物的特性和表現(xiàn)存在差異。井欄邊草吸收銻的機(jī)理是從根部吸收銻，通過(guò)莖輸送到葉，并在葉中累積；波士頓蕨和鳥(niǎo)巢蕨均以根中銻的含量最高，其次是葉，莖中銻含量最低，可能因?yàn)檫@2種蕨類(lèi)對(duì)銻有另外一種吸收機(jī)制，有待進(jìn)一步研究。