（分析化學(xué)專業(yè)論文）李氏禾富集重金屬鉻的動(dòng)力學(xué)特性及吸附機(jī)制研究.pdf

桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 利用超積累植物修復(fù)重金屬污染的植物修復(fù)技術(shù)越來越受到關(guān)注，研究了新型鉻 超富集植物李氏禾在治理重金屬污染治理方面應(yīng)用，從不同角度分析了其吸收重金屬 六價(jià)鉻和三價(jià)鉻的行為特征。通過生物干粉和重金屬在根表面分布行為特征，分析了 李氏禾富集重金屬的可能機(jī)制，探討了李氏禾還原六價(jià)鉻到三價(jià)鉻的可能過程。 借助擬合吸附動(dòng)力學(xué)和等溫?zé)崃W(xué)方程，研究了濕生超積累植物李氏禾葉細(xì)胞干 粉對(duì)c r ( v i ) 的吸附性能，考察y p h 值、吸附時(shí)間等多種因素對(duì)吸附性能的影響，結(jié)果 表明該吸附是單分子吸附的偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)過程。對(duì)c r ( v i ) 的吸附包含兩個(gè)過程：c r ( v i ) 離子通過靜電作用富集在干粉材料表面，隨后干粉表面存在的功能配位官能團(tuán)會(huì)與 c r ( v i ) 發(fā)生化學(xué)作用。紅外光譜圖表明起作用的主要是含0 、n 功能原子官能團(tuán)，并且 這些官能團(tuán)中的功能原子與c r ( v i ) 的作用方式不同。推測形成了具有多重結(jié)構(gòu)構(gòu)象的配 合物。 以李氏禾干粉生物質(zhì)作為c r t w d 的吸附材料，研究了其吸附c r ( v i ) 的原位還原過程 的特點(diǎn)。紅外技術(shù)表征了參與鉻還原過程的特征官能團(tuán)。借助x 射線光電子能譜( x r a y p h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ；x p s ) 原位分析了特征元素官能團(tuán)對(duì)c r ( v o 的還原作用，并探 討了可能的還原機(jī)制。結(jié)果表明：c r ( v i ) 在顆粒表面被特別還原性官能團(tuán)還原到三價(jià)， 含氧官能團(tuán)在低酸性環(huán)境下的質(zhì)子化，可以靜電吸附c r ( v d ，同時(shí)釋放氫氧根離子，使 得溶液p h 值升高；而官能團(tuán)中的n 元素在吸附過程中，提供c r ( w ) 還原反應(yīng)所必須的電 子，與c r ( v i ) 發(fā)生明顯的化學(xué)絡(luò)合作用，并將其還原n c r ( m ) 。 通過在微金電極表面循環(huán)伏安法鍍汞，制備了金基汞膜微電極，該電極尺寸小， 響應(yīng)快，可以用于c “v i ) 的微區(qū)連續(xù)監(jiān)測。使用該電極對(duì)鉻超積累植物李氏禾單根表 面鉻( v d 離子流進(jìn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)和原位分析。測定了李氏禾根部的c r ( v i ) 濃度分布以及實(shí) 時(shí)變化。發(fā)現(xiàn)位于根的尖端縱向約5 0 9 m 處c r ( v o 濃度變化明顯，這就說明該區(qū)域是 李氏禾對(duì)鉻( v o 離子的主要縱向吸收區(qū)域；對(duì)此處李氏禾根尖表面的c r ( v i ) 濃度和垂直 距離的關(guān)系進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)c r ( v i ) 濃度隨著距離的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在 距離根表面約3 5 9 m c r ( v i ) 的濃度最大，六價(jià)鉻在根的吸收活躍區(qū)域形成分布不均的濃 度場；李氏禾根尖對(duì)六價(jià)鉻存在著主動(dòng)富集的過程，并且這種過程在6 0 m i n 內(nèi)趨于穩(wěn) 定。 關(guān)鍵詞：超積累植物：富集機(jī)制：李氏禾：c r ( v i ) ；吸附；形態(tài)；還原；光電子能譜 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t h e a v ym e t a lp h y t o r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g yh a sa t t e n t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h e a p p l y o fn e w l yc h r o m i u mh y p e r - a c c u m u l a t i v ep l a n tl e e r s i ah e x a n d r as w a r tw a sr e s e a r c h e d t h eb e h a v i o rc h a r a c t e r i t i c so fa d s o r p o t i o no nh e x a v a l e n ta n dt r i v a l e n tc h r o m i u mw e r e s t u d i e df r o md i f f e r e n tp e r s p e c t i v e a c c o r d i n gt od i s t r i b u t i o nc h a r a c t r i s co ft h eh e a v ym e t a l ， t h ee n r i c h m e n tm e c h a n i s mo fh y p e r a c c u m u l a t o r si sf u r t h e rr e v i e w e d t h er e d u c e dp r o g r e s s o fc h r o m i u mw h i c hf r o mh e x a v a l e n tt ot r i v a l e n tw a si n v e s t i g a t e d a d s o r p t i o no fc r ( v i ) b yt h eh y g r o p h y t ew i t hc h r o m i u mh y p e r - a c c u m u l a t i v ep l a n t l e e r s i ah e x a n d r as w a r tw a ss t u d i e d ，f o c u s i n go ni n v e s t i g a t et h ee f f e c to fp h y s i e o c h e m i c a l p a r a m e t e r sp ha n dc o n t a c tt i m e t h et e s tr e s u l t so fs o r p t i o nk i n e t i c sc o n f o r m e dt o t h e p s e u d o s e c o n do r d e rk i n e t i c se q u a t i o n m e a n w h i l e ，t h ec o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t v a l u e s i n d i c a t e dt h a tt h ed a t ao fs o r p t i o nt h e r m o d y n a m i cf i tb e t t e rt h el a n g r n u i rm o d e l t h e a d s o r p t i o np r o c e s sw a sf o u n dt ob ef i r s tc o n t r o l l e db yt h ee l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o nd u e t ot h e f o r m a t i o no fh + h 3 0 + b a r r i e r , a n dt h e nt h ef u n c t i o ng r o u p sc a nb i n dt h ec r o c i ) w i t h c o o r d i n a t i o n i ra n a l y s i so fl e e r s i ah e x a n d r as w a r tb i o m a s sr e v e a l e dt h ep r e s e n c eo f c a r b o x y l ，a c y l a m i d e ，h y d r o x y la n dc a r b o n y lg r o u p s ，w h i c ha r er e s p o n s i b l e f o rb i o s o r p t i o no f m e t a li o n b u tt h ef u n c t i o n a la t o m sb i n d i n gc r ( v 0w i t hd i f f e r e n ti n t e r a c t i o no nt h es u r f a c e o fc e l lw a l l ，w h i c hi n d i c a t e dt h es e l e c t i v i t yo fa d s o r p t i o n t h er e s u l t sa l s op r o v i d e ds t r o n g e v i d e n c et h a tt h ee x i s t e n c eo fi s o m e r i s mi nc o m p l e x e s c r i nt h i sw o r k , l e e r s i ah e x a n d r as w a r t zb i o m a s sw a su s e dt oa d s o r p t i o nc r ( v i ) f r o m a q u e o u ss o l u t i o n sa n db a t c he x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e dt o o b t a i na d s o r p t i o nd a t a s t h e c h a r a c t e r i s t i ca n dm e c h a n i s mo fc r ( v i ) r e d u c t i o nt oc r ( n i ) b yt h el h e x a n d r as wb i o m a s s ， h a sb e e ni n v e s t i g a t e d w ea l s oc h a r a c t e r i z e dt h ec h a n g i n go fs u s p e n s i o np ho nt h er e d u c t i o n k i n e t i c so fc r ( v i ) f o u r i e rt r a n s f o r m i f t a r e d r a y s ( f t i r ) a n dx r a yp h o t o e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y ( x p s ) a n a l y s i so np l a n tb i o m a s s w e r ee x e c u t e d t od e t e r m i n et h em a i n f u n c t i o n a lg r o u p sw h i c hm i g h tb ei n v o l v e di nc h r o m i u ms o r p t i o na n dt oc o n f i r mt h e p r e s e n c eo fc r ( i i i ) o nt h es o r b e n t ，r e s p e c t i v e l y r e s u l t sp u ti n t oe v i d e n c et h a tl h e x a n d r as ws o r b e n t sa r ec a p a b l eo fr e d u c i n gc r ( v i ) t oi t st r i v a l e n tf o r m t h ep r o t o n a t i o no fo x y e n g r o u p si nl o wa c i de n v i r o m e n th a st h e e l e c t r o s t a t i c p o w e ro fc r ( v i ) s o r p o t i o na n dt h ei n c r e a s eo fs o l u t i o np hi sa t t r i b u t et ot h e r e l e a s eo fh y d r o x i d ei o n si nh y d r o l y s i sr e a c t i o n o nm eo t h e rh a n d ，t h en i t r o g e n g r o u p sa s t h ee l e c t r o n d o n o rg r o u pi nt h ep r o c e s so ft hs o r p t i o n n l er e s u l t si n d i c a t e st h a tc r ( i i i ) w e r e i i 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 t h ed o m i n a n ts p e c i e so nt h es u r f a c eo fb i o m a s sa f t e rr e a c t i o na n dt h a tt h ed o m i n a n ts p e c i e s c o v e r e dt h es u r f a c ea n df o r m e dm e t a l c o m p l e x an e wa l ls o l i d s t a t es e l e c t i v em i c r o e l e c t r o d ef o rc r ( v df l u x e sd e t e r m i n a t i o nw a s p r e p a r e d f o rt h i sp u r p o s e ，h gw a se l e c t r o - p o l y m e r i z e do n t oaa um i c r od i s ce l e c t r o d e ， c h r o m i u m ( v i ) f l u x e sa l o n gt h er o o t so fh y p e r - a c c u m u l a t o rp l a n t sl e e r s i ah e x a n d r as w a r t z h a sb e e ni n v e s t i g a t e d i nt h ez o n e so fl o n g i t u d i n a ld i s t a n c e 5 0g mb e h i n dr o o tt i p st h e c h r o m i u m ( v ) i o ni n f l u xo b v i o u s l y a tc r o s sr a n g e3 5 i _ t mf r o ms u r f a c eo fr o o t ，t h e c o n c e n t r a t i o no ft h ec h r o m i u m ( v i ) p r e s e n tt h em a x i m u mv a l u e c h r o m i u m ( v i ) f o r m e da c o n c e n t r a t i o nf i e l da r o u n dt h er o o to fl e e r s i ah e x a n d r as w a r t z , b u tm a l d i s t r i b u t i o n o nt h e o t h e rw o r d s ，t h ep r o g r e s so fs o r p o t i o nc h r o m i u m ( v i ) i sa l la c t i v e i n t e r c e p t i o nw h i c hw i l l a p p r o a c he q u i l i b r i u mw i t h i n6 0m i n u t e s k e y w o r d ：h y p c r a c c u m u l a t o r ；e n r i c h m e n tm e c h a n i s m ；l e e r s i a h e x a n d r as w a r t z ； c h r o m i u m ( v o ；a d s o r p t i o n ；s p e c i a t i o n ；r e d u c t i o n ；x p s i i i 研究生學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明和版權(quán)使用授權(quán)說明 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明：所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成 果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得桂林理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而 使用過的材料。對(duì)論文的完成提供過幫助的有關(guān)人員已在論文中作了明確的說明并致 以了謝意。 學(xué)位論文作者( 簽字) ： 簽字日期： 版權(quán)使用授權(quán)說明 本學(xué)位論文作者完全了解( 學(xué)校) 有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家 有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的印刷本和電子版本，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)( 學(xué) 校) 可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印 或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位 論文收錄到中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫，并通過網(wǎng)絡(luò)向社會(huì)公眾提供信息服務(wù)。( 保 密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位論文作者簽名： 簽字e t 期：年月日 導(dǎo)師簽字： 簽字e t 期：年月 e t 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 重金屬對(duì)土壤、水環(huán)境等造成的污染越來越引起人們的關(guān)注。鉻作為一種常見的 有色重金屬元素，在生物體內(nèi)超量時(shí)，將對(duì)動(dòng)植物均有毒害作用，如致癌致畸作用。 世界各國普遍把鉻列為重點(diǎn)防治對(duì)象。近2 0 年來，植物修復(fù)技術(shù)與工程實(shí)踐緊密結(jié)合 并逐漸發(fā)展起來。美國的一些植物修復(fù)公司已經(jīng)成功地開拓了土壤重金屬植物修復(fù)的 實(shí)踐領(lǐng)域。超積累植物( h y p e r a c c u m u l a t o r ) 是指對(duì)重金屬的吸收量超過一般植物1 0 0 倍 以上的植物，b r o o k s 1 l 等在1 9 7 7 年首先提出這一概念，具體規(guī)定為植物積累的c r 、c o 、 n i 、c u 、p b 含量一般達(dá)到1 0 0 0m g k g 以上，積累的m n 、z n 含量一般在1 0 0 0 0m g k g 以上。 本課題組張學(xué)洪教授通過對(duì)廣西某電鍍廠附近的植物和土壤的野外調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了濕 生鉻超積累植物一李氏禾( l e e r s i ah e x a n d r as w a r t z ) 。李氏禾不僅對(duì)鉻有很強(qiáng)的富集能 力，而且具有生長快、地理分布廣、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，深入研究李氏禾對(duì)鉻的吸收與 富集行為，對(duì)于揭示其富集機(jī)理及更有效的利用其植物修復(fù)效能均有重要的價(jià)值。超 積累植物從根際吸收重金屬，并將其轉(zhuǎn)移并積累到地上部，這一過程包括跨根細(xì)胞膜 運(yùn)輸，從根表皮細(xì)胞橫向運(yùn)輸，再由根薄壁細(xì)胞裝載到木質(zhì)部導(dǎo)管，經(jīng)過木質(zhì)部的長 途運(yùn)輸，最后從木質(zhì)部卸載到葉細(xì)胞，最后會(huì)存儲(chǔ)在液泡中。 目前對(duì)富集機(jī)制的研究多是側(cè)重于通過測量究重金屬的含量和形態(tài)的變化來間接 認(rèn)識(shí)超富集機(jī)制，常用的金屬定量分析方法如原子吸收、原子發(fā)射以及他們的衍生方 法都可以得到很廣泛的應(yīng)用。在細(xì)胞甚至亞細(xì)胞水平上的分析方法如電子微探針 ( e l e c t r o nm i c r o p r o b ea n a l y s i s ，e m p a ) 、x 一射線吸收近邊結(jié)構(gòu)( x - r a ya b s o r p t i o nn e a re d g e s t r u c t u r e ，x a r 忸s ) 和擴(kuò)展x 射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)( e x t e n d e dx r a ya b s o r p t i o nf i n es t r u c t u r e ， e x a f s ) 技術(shù)可以滿足對(duì)細(xì)胞內(nèi)部重金屬形態(tài)分析的要求。最新結(jié)合顯微鏡的s e m 、 t e m 成像技術(shù)可以更清楚地認(rèn)識(shí)重金屬在細(xì)胞內(nèi)部的分配行為。 在超積累植物富集機(jī)制的研究上，國內(nèi)外研究者已做了很廣泛的工作【2 羽，本文通 過總結(jié)近幾年國內(nèi)外在富集機(jī)制上的常用研究方法，進(jìn)一步闡明富集機(jī)制的同時(shí)探索 更優(yōu)越的研究方法。 1 1 土壤中重金屬的分布研究 土壤中重金屬的存在形態(tài)：重金屬在土壤溶液中，主要以簡單離子、有機(jī)或無機(jī) 絡(luò)離子的形態(tài)存在。大多數(shù)研究者在進(jìn)行土壤重金屬形態(tài)分析時(shí)，多采用逐級(jí)提取法 分離各種形態(tài)，即用不同的浸提劑連續(xù)提取，然后可以用原子吸收光譜法測定提取液 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 中每種形態(tài)重金屬的濃度。如使用t e s s i e r t7 】連續(xù)提取法，將土壤環(huán)境中重金屬的賦存 形態(tài)分為水溶態(tài)( 以去離子水浸提) ：吸附交換態(tài)( 0 am g c l 2 溶液提取) ；碳酸鹽結(jié)合態(tài)( 以 n a a c h a c 為浸提劑) ；鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)( 以n h 2 0 h h c i 為浸提劑) ；有機(jī)結(jié)合態(tài)( 以 h 2 0 2 為浸提劑) 以及殘?jiān)鼞B(tài)( 以h c l 0 4 h f 消解化，1 ：1 h c i 提取) 5 種形態(tài)。但連續(xù)提取 法試劑的選擇性差并且釋出金屬在各形態(tài)間存在再分配，程序的標(biāo)準(zhǔn)化要求也較高【8 】 c a m b r e l l 9 1 、s h u m a n t l o 】等對(duì)重金屬的形態(tài)也都各有不同分類，新提出的b c r 1 1 】提 取法使用m g c l 2 、n a a c 、n h 2 0 h h c i 、h n 0 3 + h 2 0 2 + n h 4 0 a c 、h n 0 3 + h c i + h f 為提取 劑，但操作條件如p h 和溫度需要嚴(yán)格的控制，因此目前多以t e s s i e r 提取法為主。 諸多形態(tài)當(dāng)中，以水溶態(tài)和可交換態(tài)重金屬的遷移轉(zhuǎn)化能力最高，其活性、毒性 和對(duì)植物的有效性也最大；殘留態(tài)重金屬的遷移轉(zhuǎn)化能力、活性和毒性最??；其他形 態(tài)的重金屬介于其間。各種形態(tài)的重金屬之間，隨著土壤或外界環(huán)境條件的改變可相 互轉(zhuǎn)化，并保持著一定的動(dòng)態(tài)平衡，水溶態(tài)部分重金屬在土壤中很容易為生物吸收【1 2 】。 利用同位素交換技術(shù)可以認(rèn)識(shí)土壤中可交換態(tài)和易變化的金屬，測定時(shí)須將土壤溶液 侵入水或其他電解質(zhì)中，引入1 1 4 c d 和d 7 z n 同位素對(duì)鎘鋅污染土壤研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步證 實(shí)了超積累植物對(duì)土壤中的不可遷移重金屬的無能為力【l3 1 。同時(shí)也可以從土壤類型、 氣候條件甚至灌溉條件上來研究超積累植物對(duì)土壤中重金屬的富集作用【1 4 1 。眾多研究 表明，重金屬在土壤中多以高價(jià)態(tài)存在，如鉻( ) ，砷( v ) 。 對(duì)于重金屬在土壤中的存在形式以及結(jié)合狀態(tài)，電子微探針技術(shù)( e m p a ) 分析確 定了近似球形n i o 和n i 金屬顆粒，直徑從5 t t m 至u 5 0 p m 不等，同步加速微x r a y 吸收精細(xì) 結(jié)構(gòu)和熒光光譜分析顯示n i 和以分層雙氫氧化物相存在于土壤中1 1 5 】。該技術(shù)不需要 對(duì)試樣進(jìn)行處理，可以進(jìn)行直接測定，對(duì)認(rèn)識(shí)金屬物種的形態(tài)帶來了新的開始，使用 同步加速x r a y 植物樣品中的金屬形態(tài)可以直接評(píng)估，該技術(shù)可將光束集中在微米面積 內(nèi)，從而克服了傳統(tǒng)x a f s 技術(shù)只能進(jìn)行毫米面積分析的不足，這也同時(shí)要求取樣要更 具代表性，從而可以引入統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)處理方式而克服因主觀因素引起的誤差。同。時(shí)利 用x a f s 也可以發(fā)現(xiàn)植物試樣中復(fù)合金屬的主要存在形式，然后再結(jié)合微分光鏡技術(shù) 如：p - e x a f s 1 們、p - s x r f i l 7 】( s y n c h r o t r o nx r a yf l u o r e s c e n c e ) 和i l l - x r d 1 8 】( x r a y d i f f r a c t i o n ) 檢測植物體內(nèi)那些微小但潛在的更有活性的化合物。 重金屬在土壤中的行為和歸宿，包括遷移、轉(zhuǎn)化和持留，主要過程有物理、物理 化學(xué)、化學(xué)和生物過程，重金屬離子通過擴(kuò)散、離子交換等方式到達(dá)植物根周圍，事 實(shí)也表明超積累的多毛根【l9 】有能力富集大量的重金屬，并且被富集的重金屬多以難溶 性鹽的形式存在著?？山粨Q態(tài)離子有著很強(qiáng)的可移動(dòng)性，它們的主要運(yùn)動(dòng)方式包括對(duì) 流、擴(kuò)散、機(jī)械彌散以及水動(dòng)力彌散，但在重金屬到根的這一遷移過程中，重金屬并 不發(fā)生價(jià)態(tài)和形態(tài)上的轉(zhuǎn)化。從富集角度來看，土壤中高濃度的可利用的重金屬形式 是超積累的依賴，這也暗示了增加根圍中的金屬可用性的根機(jī)制如：根圍的酸度，或 2 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 者根釋放的結(jié)合化合物【2 0 】，在重金屬超富集過程中只占次要作用。 1 2 超積累植物對(duì)根重金屬吸收過程的研究 1 2 1 重金屬從土壤進(jìn)入根，跨根細(xì)胞膜運(yùn)輸 在植物生長發(fā)育過程中，根系作為植物和土壤的重要界面，是重金屬與超積累植 物直接接觸的首要部位，超積累植物根有向重金屬生長的趨勢，并且根的數(shù)量與重金 屬的含量間存在正比例關(guān)系【2 。 植物的根不僅是吸收和代謝器官，而且是強(qiáng)大的分泌器官。根系一方面從生長介 質(zhì)中攝取養(yǎng)分和水分，另一方面也向生長介質(zhì)( 土壤、營養(yǎng)液等) 中分泌質(zhì)子、離子和大 量的有機(jī)物質(zhì)【2 2 1 ，根分泌作為一非破壞性和持續(xù)性的過程，能一直提供分解難溶鹽所 需化合物，研究表明，根系分泌物或通過改變p h 值和氧化還原電位1 2 3 】，或通過螯合 作用和重金屬形成穩(wěn)定的螯合體，降低重金屬在土壤中的可移動(dòng)性，起到鈍化和固定 作用，從而達(dá)到調(diào)節(jié)植物對(duì)重金屬的吸收和利用的目的f 2 引。目前的研究也證明了超積 累植物根分泌物對(duì)重金屬具有活化作用，并以此作為對(duì)重金屬吸收的第一動(dòng)力，而且 分泌物大多為低分子量的有機(jī)酸，諸如在根際土壤周圍已發(fā)現(xiàn)的檸檬酸【2 5 1 ，草酸，富 馬酸，琥珀酸，l 蘋果酸，酒石酸【2 6 】等，而最近又新發(fā)現(xiàn)了系列抗菌化合物【2 7 】，更是 豐富了根分泌物的種類。因此對(duì)認(rèn)清超積累植物的分泌物類型的研究工作就顯得極為 重要。色譜分析方法因其特有的分離分析的性質(zhì)，使在分析測定根分泌混合物時(shí)有著 獨(dú)特的優(yōu)勢。海州香薷【2 8 】和鴨跖草【2 9 】是近年新發(fā)現(xiàn)的銅超富集植物，可以用0 5 m m o l l c a c l 2 洗滌根系，再用去離子水沖洗根系，放入2 0 0 m l 去離子水的器皿中生長4 小時(shí)， 得到根分泌物液【3 0 1 。使用h p l c 方法對(duì)該根系分泌物的有機(jī)酸進(jìn)行研究，結(jié)果顯示主 要以草酸和出峰時(shí)間為6 5 分鐘左右的未知有機(jī)酸為主；另外原子吸收方法測定發(fā)現(xiàn)鴨 跖草根分泌物對(duì)銅的活化能力大于海州香薷，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)微生物假單細(xì)胞菌和白腐真 菌對(duì)重金屬也具有活化能力。相同方法發(fā)現(xiàn)超積累植物zc a e r u l e s c e n s 根可以釋放出檸 檬酸對(duì)重金屬鋅進(jìn)行活化【2 5 1 。除此之外，該方法也可以對(duì)相關(guān)絡(luò)合劑進(jìn)行分析測定， 但在測定之前試樣需經(jīng)均質(zhì)處理，離心過濾后方可測定。h c l t 3 1 1 、h n 0 3 【2 6 】，h c l 0 4 【2 5 】 都是常用的試樣均質(zhì)劑。t u r g u t 等使用h p l c 方法發(fā)現(xiàn)絡(luò)合劑e d t a 可以促進(jìn)植物對(duì) 重金屬鎘、鉻以及鎳的活化能力【3 2 1 。另外，超積累植物根物種分泌物包含對(duì)重金屬有 能潛在提高重金屬吸收、運(yùn)輸、反抗能力的螯合物，在這些化合物中，能夠參與重金 屬螯合的有已提到的檸檬酸和自由組氨酸。但是，s a l t 3 3 l 等在以溶液培養(yǎng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)， 檸檬酸鹽和組氨酸的釋放與鎳超積累沒有明顯的關(guān)系，他們認(rèn)為可能會(huì)有另外一種沒 被發(fā)現(xiàn)的鎳螯合物。而s i n g e r 卻對(duì)此持不同意見，認(rèn)為組氨酸結(jié)合物可以提高多環(huán)芳 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 烴( p a h s ) 的降解能力，增加鎳的超積累能力【3 4 1 。 總之可以看出，超積累植物根系分泌物多為含羧基的混合酸類物質(zhì)，而分離分析 技術(shù)在預(yù)先分離的前提下，消除了其他酸所帶來的干擾，對(duì)分泌物的種類可以很好的 定性分析。但是，較復(fù)雜的試樣預(yù)處理技術(shù)和分泌物提取技術(shù)限制了它的應(yīng)用，而且 其也大多只能停留在對(duì)分泌物的研究上，對(duì)認(rèn)識(shí)分泌物如何影響重金屬的動(dòng)力學(xué)過程 更是無能為力。 對(duì)重金屬而言，活化后的重金屬，首先被吸入根的非原質(zhì)體內(nèi)，然后一部分被運(yùn) 輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)，而另一些被進(jìn)一步運(yùn)進(jìn)非原質(zhì)體內(nèi)，或者被綁定在細(xì)胞壁上【3 5 1 。在進(jìn)行 大體積元素分析時(shí)，i c p a e s 、i c p - m s 應(yīng)用最廣泛【3 6 - 3 9 j ，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，方法在檢 驗(yàn)根部重金屬含量上的檢出限一般為0 1 1 0 0 n g m l ，這主要是i c p 光源克服了電弧等 經(jīng)典激發(fā)光源的局限性，并且還能同時(shí)或順序多元素測定，如根部重金屬鎘、鋅含量 的同時(shí)測定i 加】。但是，該類方法在測定重金屬含量時(shí)，多只是采取不同生長時(shí)期的根， 烘干后測定干料中的金屬成分和含量，即使能測定植物組織內(nèi)的重金屬也破壞了組織 細(xì)胞，因此也就不能得到重金屬在細(xì)胞內(nèi)尤其是亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中的形態(tài)變化過程。相同 處理方式的還有原子吸收方法【4 1 1 ，但同樣也是不能克服上述缺點(diǎn)。但是這并不妨礙它 們同時(shí)結(jié)合一些其他分析手段，來更清楚地認(rèn)識(shí)重金屬的富集機(jī)制，首先可以借助分 子生物分析技術(shù)【4 2 】，對(duì)r n a 進(jìn)行基因分析j 從而在t h l a a p i g o e s i n g e n s e 根基周圍發(fā)現(xiàn) 了大量的p p f m 細(xì)菌，并且發(fā)現(xiàn)細(xì)菌和活化重金屬之間有一定關(guān)系；另外，還可以使 用同步輻射x 熒光( s r i f ) 【4 3 1 ，測定海州香薷根中銅結(jié)合蛋白的微量元素，銅結(jié)合 蛋白是海州香薷根中銅的主要結(jié)合物質(zhì)。s o n g 刪發(fā)現(xiàn)土壤p h 值對(duì)重金屬的富集起一 定作用，增加p h 值可以增加根部銅的濃度，對(duì)富集與耐性的關(guān)系，這一方面文獻(xiàn) 4 5 】 做了很好的闡述；相應(yīng)得可以借助化學(xué)平衡計(jì)算軟件m i n t e q a 2 技術(shù)分析根際重金屬 鎳溶解性與鎳有機(jī)化合物的形成間的關(guān)系，該模型對(duì)鎳的形態(tài)分布能有一定認(rèn)識(shí)，而 且配合物誘導(dǎo)對(duì)重金屬的溶解起定作用，進(jìn)一步證實(shí)了有機(jī)配體分泌物對(duì)根際土壤 重金屬的活化有一定作用，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)d o c ( 可溶性有機(jī)碳) 值也有一定意義的增加 【4 6 】 o 植物細(xì)胞壁是重金屬離子進(jìn)入的第一道屏障，借助電子顯微鏡可以證明細(xì)胞壁沉 淀重金屬的作用，金屬沉淀在細(xì)胞壁上能阻止重金屬離子進(jìn)入細(xì)胞原生質(zhì)而使細(xì)胞免 受傷害。n i s h z o n o l 47 】發(fā)現(xiàn)超積累植凱肪劬朋y o k o s c e n s e 細(xì)胞壁中積累大量c u ，z n 和 c d ，占整個(gè)細(xì)胞總量的7 0 田o ，k r a m e r 4 8 】等也報(bào)道，t h l a s p ig o e s i n g e n s e 葉中6 7 7 3 的鎳結(jié)合在細(xì)胞壁上，而且大部分以離子形式存在或結(jié)合到纖維素、木質(zhì)素等細(xì)胞壁 的結(jié)構(gòu)質(zhì)上。s a l t t 4 9 】等發(fā)現(xiàn)，在5 0 p m o y l 鋅溶液中，植物根部細(xì)胞中的鋅3 0 存在于 細(xì)胞壁上；p o u l t e r 掣5 0 】通過比較黃花( a n t h o x a n t h u mo d o r a t u m ) 懸浮細(xì)胞和原生質(zhì)體固鉛 能力的實(shí)驗(yàn)，表明細(xì)胞壁在, 4 n t h o x a n t h u m o 如廠口f “航鉛脅迫中起到重要作用；超富集 4 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 植物可以富集大量的重金屬，但細(xì)胞壁對(duì)金屬的容量卻是有一定限度的，這說明細(xì)胞 壁在超富集植物富集金屬中的作用不大。李文學(xué)【5 i 】等也認(rèn)為，細(xì)胞壁的沉淀作用并非 超富集植物的耐性機(jī)制。 通過細(xì)胞壁之后，重金屬的趨向也是富集機(jī)制研究的重點(diǎn)。在這方面，電化學(xué)方 法得到了很好的應(yīng)用，特別是選擇微電極的研究 5 2 - 5 4 】，不僅能直接測定活的生物細(xì)胞 或細(xì)胞器內(nèi)的離子或分子活度，而且能對(duì)活的生物相鄰位置、功能和代謝速率可能不 同的特定微區(qū)細(xì)胞表面的離子或分子流分別測定。另外也無需復(fù)雜的取樣過程，將微 型化的電極( 微米級(jí)) 直接插入植物組織內(nèi)，從而達(dá)到簡便、實(shí)時(shí)、無損傷測定，而 這種特殊的取樣方式，并能實(shí)時(shí)、連續(xù)地獲得進(jìn)出活體植物組織、器官、單個(gè)細(xì)胞甚 至細(xì)胞器內(nèi)特定離子或分子活度及其表面離子或分子的移動(dòng)速率。同時(shí)監(jiān)測根尖的離 子流也將有助于了解根吸收重金屬離子的生理過程，但同時(shí)處于膨脹狀態(tài)的植物細(xì)胞 及其細(xì)胞壁，容易損壞微電極的尖端，再加上電極制作困難，而且不易保存，也限制 了它的更廣泛的應(yīng)用。 1 2 2 重金屬的共質(zhì)體運(yùn)輸及其分室化 根部是重金屬富集的最重要部位，而附著在細(xì)胞壁上的重金屬穿過細(xì)胞壁后，將 進(jìn)入共質(zhì)體中，p o y n t o n 5 5 】等人對(duì)超積累植物富集重金屬砷的機(jī)制進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)根 中高吸引力的p i 運(yùn)輸?shù)鞍椎拇嬖?，通過比較i g - n 值得大小，并利用( 7 3 a s v ) 作為放射性 跟蹤劑，對(duì)砷在植物體內(nèi)的吸收運(yùn)輸作了分析。雖然重金屬在根的富集含量最低，但 根部卻有著對(duì)吸收富集起決定作用的運(yùn)輸?shù)鞍住Ｎ墨I(xiàn) 5 6 】對(duì)運(yùn)輸?shù)鞍椎倪\(yùn)輸原理做了全 面的描述。z i p 1 ，z i p 2 ，z i p 3 t 5 7 j 鋅運(yùn)輸?shù)鞍缀推渌嚓P(guān)誘導(dǎo)運(yùn)輸者，正是在營養(yǎng)缺 乏或是金屬壓力誘導(dǎo)吸收重金屬離子【5 引。植物吸收離子的主要部位是位于根的成熟區(qū)， 重金屬正是通過上述運(yùn)輸者從成熟區(qū)細(xì)胞膜進(jìn)入共質(zhì)體中，重金屬一旦進(jìn)入根系，可 貯存在根部或運(yùn)輸?shù)降厣喜糠?。在根系中，重金屬主要分布在質(zhì)外體或形成磷酸鹽、 碳酸鹽沉淀【5 9 】，對(duì)儲(chǔ)存在根細(xì)胞中的重金屬，我們更期待能對(duì)其重金屬結(jié)合配位點(diǎn)和 金屬形態(tài)有深刻認(rèn)識(shí)，這些信息對(duì)洞察金屬生物配位作用是很必要的，相關(guān)直接技術(shù) 如x 射線吸收光譜法( x r a ya b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p 夕，x a s ) 可以提供金屬在植物體中 的定位結(jié)構(gòu)，并被廣泛用在研究金屬和生物系統(tǒng)間的相互作用上，對(duì)金屬的螯合化學(xué) 以及有毒元素同植物修復(fù)系統(tǒng)的相互作用提供了重要的信息，如植物對(duì)金屬的吸收量、 原子結(jié)構(gòu)、在修復(fù)系統(tǒng)內(nèi)的生物還原等信息【硎。s a l t 等【6 1 】發(fā)現(xiàn)，用0 6 1 x g m l 鎘處理印 度芥菜7 天，根部積累的隔是地上部的6 倍，且主要與s 基因結(jié)合，x a s 研究表明， 其可能是一種c d s 復(fù)合物，與用x 射線衍射精細(xì)結(jié)構(gòu)分析法( e x a f s ) 分析純化的 c d p c s 復(fù)合物相比【6 2 1 ，其c d s 作用方式相似，說明印度芥菜根系中絕大部分鎘與植 物絡(luò)合劑結(jié)合。w e i e r s b y e 使用x r a y 繼續(xù)研究了重金屬在植物根中的分配和運(yùn)輸，觀 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 察了細(xì)胞的掃描探針圖，基于元素細(xì)胞自我熒光性質(zhì)的c l s m ( 共聚焦激光掃描顯微 鏡) 方法技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于根細(xì)胞組織中的金屬形態(tài)測劃6 3 】。但是因?yàn)樗牡挽`敏 度又阻止了直接在植物體內(nèi)的應(yīng)用，同時(shí)對(duì)制樣的條件也有嚴(yán)格的要求畔1 。 結(jié)合同步加速光束技術(shù)的e x a f s 和x a n e s 分析方法，方法靈敏度大大的提高，同 時(shí)高效的聚焦光學(xué)器件可以提供金屬氧化狀態(tài)、金屬形態(tài)以及金屬配位的指紋形態(tài)。 而且不需大體積的采集植物組織試樣，1 0 5 0 微米的空間分辨率對(duì)認(rèn)識(shí)不同植物組織元 素含量已足夠。如測定分生組織和脈管組織中重金屬的存在狀態(tài)，但是要想進(jìn)一步的 得到微米和亞微米分辨則需要探測細(xì)胞和亞細(xì)胞離子平衡機(jī)制的復(fù)雜性，這就要借助 相關(guān)技術(shù)如，激光消融質(zhì)譜( r e s o n a n tl a s e ra b l a t i o n ，r l a ) 、質(zhì)子激發(fā)x 射線發(fā)射分析 ( p r o t o ni n d u c e dx r a ye m i s s i o n , p i x e ) 、同步輻射x 熒光法分析【6 5 ( s y n c h r o t r o nr a d i a t i o n x - r a yf l u o r e s c e n c e ，s x r f ) 等。 金屬離子從根系表面進(jìn)入根系內(nèi)部可通過質(zhì)外體或共質(zhì)體途徑，但由于內(nèi)皮層上有 凱氏帶，內(nèi)皮層細(xì)胞壁和凱氏帶阻礙著從非原質(zhì)體到脈管系統(tǒng)的擴(kuò)散，離子不能通過， 只有轉(zhuǎn)入共質(zhì)體后，才能進(jìn)入木質(zhì)部導(dǎo)管，因此重金屬在內(nèi)皮層的共質(zhì)體內(nèi)運(yùn)輸是其 轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部的限制性步驟。重金屬進(jìn)入根細(xì)胞質(zhì)后，可以游離金屬離子形態(tài)存在， 但細(xì)胞質(zhì)中游離金屬離子過多，會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用，干擾細(xì)胞的正常代謝，因而 細(xì)胞質(zhì)中重金屬可能與細(xì)胞質(zhì)中的有機(jī)酸、氨基酸、多肽和無機(jī)物等結(jié)合，通過液泡 膜上的運(yùn)輸體或通道蛋白轉(zhuǎn)入液泡中。p i n e r o s 等睜l 采用選擇性微電極研究鎘在遏藍(lán)菜 和敗醬草根中的遷移，發(fā)現(xiàn)對(duì)鎘吸收量的差異需要較長時(shí)間才能表現(xiàn)出來，他們認(rèn)為 根細(xì)胞膜上可能存在某種鎘誘導(dǎo)的運(yùn)輸?shù)鞍住?、 但對(duì)于超積累植物自身，金屬區(qū)隔在液泡中對(duì)其轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部分是不利的，因此 在超積累植物的液泡膜上，可能存在一些特殊的運(yùn)輸體，能把暫時(shí)貯存在液泡中的金 屬裝載到木質(zhì)部導(dǎo)管中。重金屬吸收與植物吸收必需元素?fù)碛邢嗤倪\(yùn)輸體，如i r t i 蛋白質(zhì)【6 7 1 ，h o w e 等利用x a n e s 核x r a y 微探針技術(shù)對(duì)t r i f o l i u mb r a c h y c a l y c i n u m 體內(nèi)重 金屬鉻進(jìn)行定位和形態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)c r ( v d 在植物體內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)化為c r ( h d ，而且c r ( i i d 以 八面體的c r - o 化合物的形式存在。這種轉(zhuǎn)7 5 發(fā)生在根部，然后以c r ( i i i ) 的形勢被運(yùn)輸 到各部位，同時(shí)結(jié)合微探針技術(shù)發(fā)現(xiàn)鉻在葉子紋理脈管中含量最高，而在葉的邊緣部 分含量最低【6 引。 1 3 木質(zhì)部的中間轉(zhuǎn)運(yùn)及形態(tài)的再轉(zhuǎn)化 重金屬在植物莖中的運(yùn)輸主要是在木質(zhì)部中完成。認(rèn)識(shí)重金屬在植物體內(nèi)的分配 轉(zhuǎn)移，含量分布，可以幫助理解重金屬的富集機(jī)制。根細(xì)胞中的金屬必須穿越內(nèi)皮層 和凱氏帶，從而到達(dá)木質(zhì)部。而金屬離子從根系轉(zhuǎn)移到地上部分主要受兩個(gè)過程的控 6 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 制：從木質(zhì)部薄壁細(xì)胞轉(zhuǎn)載到導(dǎo)管和在導(dǎo)管中運(yùn)輸，后者主要受根壓和蒸騰流的影響。 目前對(duì)于陽離子在木質(zhì)部的裝載過程還不十分明確，但研究者 6 9 - 7 0 1 一致認(rèn)為，它是與 根細(xì)胞吸收離子相獨(dú)立的一個(gè)過程。木質(zhì)部細(xì)胞壁的陽離子交換量高，能夠嚴(yán)重阻礙 金屬離子向上運(yùn)輸，故非離子態(tài)的金屬螯合復(fù)合體在超積累植物體內(nèi)重金屬運(yùn)輸中有 重要作用。 絡(luò)合蛋白承擔(dān)著將吸附在根細(xì)胞壁上重金屬絡(luò)合物運(yùn)輸?shù)角o和葉的功制7 1 】，而超 積累植物莖簡單的結(jié)構(gòu)也是蛋白能順利通過的原因，借助x a s 7 2 l 可以清楚地觀察到， 從目前發(fā)現(xiàn)的超積累植物來看，大部分都根系發(fā)達(dá)，植株矮小，莖部短d , t 乃1 。因此認(rèn) 為其莖在富集過程中主要作為一個(gè)離子通過的通道，是從根到葉的過渡部分。 重金屬在木質(zhì)部中的分析手段如x r a y t 7 4 】以及x 射線衍射吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)分析法等 也都得到很好應(yīng)用，對(duì)莖內(nèi)富集機(jī)制的研究，集中在吸收根部重金屬的動(dòng)力上，以及 如何提高這種吸收過程，從而增加其超富集的能力。金屬硫基( m t ) 【7 5 】植物絡(luò)合劑( p c ) 【7 6 1 、螯合肽【7 7 1 基因都在木質(zhì)部存在，抗氧化性酶s o d 、p o d 、c a t 7 引，在重金屬砷含 量大于2 0 m g k g 時(shí)，抗氧化性酶( s o d 、c a t 、a p x 和g p x ) 減少或者穩(wěn)定下來，而相 反地，無抗氧化性酶( g s h 和s h ) 會(huì)在重金屬砷含量大于2 0 m g k g 時(shí)，有明顯的增加， 并且重金屬砷含量在0 - 2 0 m g k g 時(shí)，抗氧化性酶對(duì)植物對(duì)重金屬砷的解毒有重要作用， 而砷含量在5 0 - 2 0 0m g k g 時(shí)，無抗氧化性酶起著更大的作用r 7 9 】。并且蒸騰作用在重金 屬木質(zhì)部運(yùn)輸中能起一定作用【8 0 1 。 x - r a y 吸收光譜結(jié)合獨(dú)特的微探針技術(shù)可以對(duì)植物組織內(nèi)存在的重金屬元素形態(tài) 提供清晰的信息，同時(shí)可以得到重金屬在植物體內(nèi)的濃度分布圖象和生物轉(zhuǎn)化過程。 p i c k e r i n g 等實(shí)用x r a y 微探針和m i c r o x a s 技術(shù)調(diào)查a b i s u l c a t u s 對(duì)硒的吸收，并對(duì) 硒在莖中的分配圖形進(jìn)行了研究，通過兩種技術(shù)的結(jié)合，可以檢測植物體內(nèi)存在的硒 不同氧化態(tài)，同時(shí)可以觀察到硒酸鹽在莖中明顯的運(yùn)輸過程，更重要的是，發(fā)現(xiàn)了由 硒酸鹽到有機(jī)形式的轉(zhuǎn)變發(fā)生在植物體莖內(nèi)【8 0 1 。 生物金屬中參與金屬離子配位的有機(jī)配位基主要是氧、硫、氮及磷的功能副8 1 】， 使用x a n e s 技術(shù)可以檢測植物體內(nèi)的絡(luò)合環(huán)境，并且可以提供重金屬在細(xì)胞內(nèi)分布 三維圖像。利用該技術(shù)發(fā)現(xiàn)h g 在h y a c i n t h s 中的主要于氧絡(luò)合【b 2 】：以e d t a 培養(yǎng)液為 基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)了結(jié)合磷酸鹽形式的鋅的存在，進(jìn)一步使用e x a f s 發(fā)現(xiàn)該重金屬在植物體 內(nèi)與四個(gè)氧原子存在配位絡(luò)合【8 3 ：而重金屬砷主要與硫結(jié)合，并且在木質(zhì)部中存在著 五價(jià)到三價(jià)的形態(tài)轉(zhuǎn)化1 8 4 】，在對(duì)細(xì)胞三維圖像觀察時(shí)也可以得到相同結(jié)論。 基因研究作為新興的研究方法，能分析植物體內(nèi)特殊的生理結(jié)構(gòu)，該方法可以提 供超積累植物分子細(xì)節(jié)，并進(jìn)一步從基因角度去分析超積累植物富集能力的形成。在 植物液泡中發(fā)現(xiàn)了重金屬忍耐基因h m t l ，并且該基因?qū)⒓?xì)胞質(zhì)中的p c c d 蛋白結(jié)合 化合物運(yùn)輸?shù)揭号葜小? 卯。植物基因在重金屬的壓力下可以產(chǎn)生不同變異，以適應(yīng)復(fù)雜 桂林理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 的生命有機(jī)體。因此基因研究多選擇單細(xì)胞真菌系統(tǒng)來模擬植物體內(nèi)基因變化【8 5 】，并 同時(shí)發(fā)現(xiàn)植物根圍微生物可以幫助