蜈蚣草中砷与磷-钾-钙等营养元素的交互作用

蜈蚣草中砷与磷-钾-钙等营养元素的交互作用 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 蜈蚣草中砷与磷\钾\钙等营养元素的交互作用 摘要砷污染对植物、动物和人体均产生毒害作用。研究砷元素与 磷、钾、钙等元素的交互作用,结果表明:在蜈蚣草体内磷的浓度会随着培养液中 砷浓度的增加而增加,两者并不存在拮抗关系;蜈蚣草羽叶表皮细胞中砷和钾浓度 呈显著正相关;蜈蚣草中砷的累积量会同时受介质中砷水平和钙水平的限制。在 提高介质中的砷浓度时,蜈蚣草根部的镁浓度逐渐降低,但对叶柄和羽叶中的镁浓 度无显著影响。 关键词砷;营养元素;交互作用;蜈蚣草 AbstractArsenic pollution has poisoning effect on plant,animal and human being.The interaction between arsenic and phosphorus、potassium,calcium and other elements was studied.The results showed that:in Pteris vittata L.,phosphate concentration increased with the increasing of arsenic concentration of culture medium;there was no antagonism relationship between them,but there was significant positive correlation between the phosphate concentration of potassium concentralion in leaf epidermal cells;besides the phosphate accumulation was limited by the level of phosphate and calcium. The magnesium concentration of root decreased with the increaseing of phosphate concentration,but it had no infulence on the magnesium concentration of petiole and leaves. Key wordsarsenic;nutrient element;interaction;Pteris vittata L. 随着生活水平的提高,人们对环境、健康的逐步提高。但是,由于工农 业的超载发展、“三废”的违规排放等,使得空气、水体、土壤等环境要素纷纷受 到污染。砷(Arsenic,As)是自然界中普遍存在的一种有毒元素,是农药、医药和日 用化工等的重要原料。由于人类活动和地质条件的影响,砷中毒事件时有报道,特 别是在孟加拉和印度,有将近1亿人生活在砷污染区域[1],大面积的农田土壤因高 砷水灌溉遭到污染,粮食作物中砷超标问题严重。我国某些地区的土壤砷污染问 题也相当突出,严重影响了人民的生活质量[2],目前,砷污染环境问题已引起国内 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 外的广泛关注,成为许多学者研究的热点。特别当砷的环境标准提高后,研究土壤环境与植物系统之间砷迁移转化关系极其迫切。 从土壤修复原理考虑砷污染土壤的修复可分为物理、化学方法和生物方法三大类。在生物方法中,植物修复是一种经济、有效、非破坏性的污染土壤修复方式,具有操作简单、成本低、绿化环境等特点,如今植物修复技术已被科学界和政府部门认可和选用[3]。如利用超积累植物或金属耐性植物可将土壤中或水中的重金属萃取出来,富集并搬运到植物根部以上可收割部分和植物地上枝条部分,再把收割的植物部分进行适当的安全处理[4]。李文学等[5]通过野外调查和栽培试验,发现蜈蚣草(Pteris vittata L.)对砷具有很强的富集作用,是一种生物量大的砷超富集植物(As.hyperaccumulator),在砷污染环境的修复方面具有良好的应用前景。 到目前为止,对蜈蚣草中砷与磷、钾、钙及其他营养元素之间交互作用的报到还很少。该文对蜈蚣草中砷与磷、钾、钙等营养元素之间的吸收、转运等交互作用进行研究,以为蜈蚣草用于植物修复时制定科学的施肥方案提供参考。 1蜈蚣草中砷与磷的交互作用 磷和砷在元素周期表中是同属于第五主族的元素,两元素有着相似的电子层结构,且在自然界中也能形成形态相似的磷酸盐和砷酸盐。砷可能是通过竞争磷酸盐的转运蛋白而进入植物体内,磷、砷在植物吸收转运过程中往往表现出拮抗效应[6]。 从砷对番茄植株在不同供磷水平下地上部和地下部生物量的测定中发现。砷对地上部生物量的抑制作用大于根系,说明砷一旦进入植物体后,就会对整个植株的生长产生影响。而就砷对番茄吸收磷的影响而言,外源砷的存在仅在低磷浓度时才显著降低植株体对磷素的吸收,在外界磷浓度偏高时无影响[6]。通过研究发现,蜈蚣草地上部的磷浓度同地下部的磷浓度一样,均随砷的添加量增加而增加;当砷添加浓度达到800 mg/kg时,蜈蚣草地上部含磷量为不添加砷对照处理的1.59倍[7]。一些添加砷的土培试验结果也表明,蜈蚣草地上部磷的浓度均高于不添加砷的对照[8]。在水培试验也发现,当培养液中砷的浓度不超过334 μmol/L时,蜈蚣草体内磷的浓度也会随着培养液中砷浓度的增加而增加[9]。在土壤蜈蚣草系统中,磷、砷之间表现为协同作用,使得蜈蚣草在含砷土壤中对磷依然具有较 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 高的吸收能力。 通过这些实例研究表明[7-10],适量的施用磷肥可以明显得促进蜈蚣草的生长,提高其砷含量,增大作物中的砷累积量,也明显有利于砷污染土壤修复;但是以上研究也表明,过量的施磷不会进一步提高蜈蚣草产量,反而有降低砷含量和砷累积量的趋势,使修复效率有所下降。因此,施用磷肥可维持种植蜈蚣草的土壤中有效态砷的含量,从而保证下个生育期中植物对砷的吸收。施用磷肥是蜈蚣草应用在现场修复中的必要措施,改进施磷技术措施可以大幅度提高砷污染土壤的植物修复效率。 2蜈蚣草中砷与钾的交互作用 钾是蜈蚣草体内含量较高的一种阳离子,羽叶中钾浓度为14.9,25.4 g/kg[11]。在介质中砷的浓度高低对于蜈蚣草生长(根、叶柄和羽叶的生物量)无显著影响,而在营养液中砷浓度的提高对蜈蚣草体内任何部位的钾浓度也没有显著影响。通过这些可以看出,在蜈蚣草体内的钾营养不受介质和作物体内砷浓度的影响,同时,试验结果也显示砷对钾在蜈蚣草各部位含量的影响似乎没有很明显的规律。 3蜈蚣草中砷与钙的交互作用 钙是植物(包括蜈蚣草)必需的重要营养元素,同时又与砷在环境中的行为紧密相关。据研究表明,蜈蚣草中砷的累积量同时受介质中砷水平和钙水平的限制[11]。随着对土壤中砷添加量的增大,蜈蚣草累积砷量显著增加。研究不同钙水平(分别为0.03、2.50、5.00 mmol/L,以下简称为低钙、中钙和高钙处理)对蜈蚣草吸收积累砷的影响,在添加中钙和高钙处理的地上部砷累积量分别为5 336、1 811 mg/pot,为低钙处理的79.2%和27.0%。在低钙处理时,羽片中砷累积量占总砷累积量的79.3%,其次为高钙处理(78.6%)和中钙处理(78.0%)。蜈蚣草低钙处理砷累积总量最高(7 562 mg/pot),其次为中钙处理(6 019 mg/pot),高钙处理最低(2 014 mg/pot)[12]。介质钙和砷水平对蜈蚣草羽片中砷累积量和植株总砷累积量均有显著的交互作用,其中钙为负交互效应,而砷为正交互效应[13]。添加钙可促进植物累积砷,这个规律不适合蜈蚣草,通过以上数据显示提高介质中钙水平会减少其对砷的富集。因此,在植物修复或生态恢复过程中,为改良土壤pH值和肥力时,添加 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 石灰或含钙肥料是必需的。然而在应用蜈蚣草进行砷污染土壤修复的过程中,盲目施用钙可能会降低植物累积砷量,导致其修复效率显著降低。 4蜈蚣草中砷与镁的交互作用 镁是叶绿素的重要组成成分,是催化磷酸化过程酶的关键辅助因子之一,在磷酸盐的代谢过程中起着重要的作用。蜈蚣草中,镁主要分布在蜈蚣草的羽叶中,在叶柄中的镁浓度最低,呈现出羽叶>根>叶柄的规律[14]。研究表明,在提高介质中的砷浓度时,蜈蚣草根部的镁浓度逐渐降低,但对叶柄和羽叶中的镁浓度无显著影响,即羽叶、根的转运系数随砷浓度升高而增加[15]。砷对蜈蚣草中地上部 ,表明在高砷浓度处理下,砷的超富集植物蜈蚣草的叶绿素含的镁浓度无明显影响 量可能不受影响。在钙处理浓度达到2.5 mmol/L以上(营养液中钙镁浓度之和大于2.75 mmol/L)[14],即Ca/Mg?10时,提高营养液中钙浓度可以使蜈蚣草中的镁浓度大幅度降低。而在高钙处理下的蜈蚣草,羽叶中的镁浓度几乎为对照处理的一半[14-15]。以上数据显示,蜈蚣草对于钙镁浓度比率的反应与其他蕨类植物相似,相对于一般农作物更加敏感。因此,将蜈蚣草用于修复土壤中砷污染时,应考虑适宜蜈蚣草生长的Ca/Mg的浓度比值,从而维持其良好生长,这样会有利于用蜈蚣草对砷污染的植物修复。 5蜈蚣草中砷与其他金属营养元素的交互作用 铁是植物体一些酶的组成成分,在氧化还原过程中起着重要的电子传递作用。通过研究表明,与对照相比在提高介质中砷浓度时会显著减少蜈蚣草地上部的铁浓度[14]。这些研究表明,砷处理的叶柄中的铁浓度远远低于对照。但Wallace等发现,提高水溶液中砷浓度能促进矮菜豆(bush bean)吸收铁、铜,砷显著降低铁在蜈蚣草中从根部向叶柄的转运能力[14],但明显促进其从叶柄向羽叶中的运转。 微量元素铜和锌营养与植物蒸腾作用有关,同时铜、锌浓度也会影响植物的枯萎过程。锌还参与植物生长素的形成,促进光合作用和蛋白质合成。从一些研究中可看出,0.2 mmol/L砷处理能降低蜈蚣草根部的锌浓度,其影响达极显著水平[14]。在对番茄的研究中有同样类似现象,表明砷和锌之间可能存在拮抗效应[6]。但是从蜈蚣草的试验结果看,砷处理都有利于蜈蚣草中的锌向地上部转运,其转运系数随砷浓度的提高而呈上升趋势[16]。在野外调查中发现,在一定范围内随着土壤中砷浓度的升高,羽叶中的锌浓度逐渐增大[17]。而试验室内盆栽表明,蜈蚣草 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 有较强的耐锌能力,植物体内锌浓度随着土壤中锌浓度增加而升高,但大部分锌富集在根部[9]。除了铁和锌以外,其他金属元素在蜈蚣草羽片中的浓度受砷处理的影响不显著[18],这也表明在蜈蚣草生理功能正常的情况下,其体内的必需金属营养状况受砷的影响并不明显。因此,将蜈蚣草用于修复土壤中的砷污染时,应考虑适宜蜈蚣草生长的微量金属元素的含量,从而保持蜈蚣草良好生长,提高蜈蚣草对砷污染的生物修复能力。 6结论与展望 蜈蚣草体内磷的浓度会随着培养液中砷浓度的增加而增加,两者并不存在拮抗关系,使得蜈蚣草在含砷土壤中对磷依然具有较高的吸收能力。 蜈蚣草羽叶表皮细胞中砷和钾浓度呈显著正相关,但有些试验结果则显示砷对钾在蜈蚣草各部位的影响似乎没有很明显的规律。 蜈蚣草中砷的累积量会同时受介质中砷水平和钙水平的限制。在用蜈蚣草进行砷污染土壤的修复时,石灰或含钙添加剂需慎用,否则会减少砷累积,降低植物修复效率,所以要根据不同的情况进行调整。 在提高介质中的砷浓度时,蜈蚣草根部的镁浓度逐渐降低,但对叶柄和羽叶中的镁浓度无显著影响。在将蜈蚣草用于修复土壤中的砷污染时,应考虑适宜蜈蚣草生长的Ca/Mg的浓度比值,从而提高蜈蚣草对砷的生物修复能力。 提高介质中砷浓度可以显著减少蜈蚣草地上部的铁浓度。而蜈蚣草却有较强的耐锌能力,植物体内锌浓度随着土壤中锌浓度增加而升高,但大部分锌富集在根部。所以在蜈蚣草修复土壤中砷污染时,也要考虑植物体内的其他金属元素的含量。 今后在各元素与砷的交互作用方面,应深入研究蜈蚣草中砷与氮、钾等营养元素之间的交互作用;进一步加强砷与铜、锌等重金属有毒元素之间的交互作用研究。同时,应加强其他砷超积累植物砷与其他营养元素以及与重金属元素之间相互作用的研究;加强砷超积累植物有机肥料对植物修复效率的影响以及影响机理研究,以为砷污染土壤和砷污染水植物修复的科学施肥提供依据。 7参考文献 [1] 孙铁珩,李培军,周启星.土壤污染形成机理与修复技术[M].北京:科学出 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 版社,2004. 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