根表铁膜的形成和添加硒对水稻吸收转运无机汞和甲基汞的影响

李云云，赵甲亭，高愈希，李玉锋，李柏，赵宇亮，柴之芳

中国科学院高能物理研究所 核辐射与核能技术重点实验室 纳米生物效应与安全性重点实验室 北京 100049

根表铁膜的形成和添加硒对水稻吸收转运无机汞和甲基汞的影响

李云云，赵甲亭，高愈希*，李玉锋，李柏，赵宇亮，柴之芳

中国科学院高能物理研究所 核辐射与核能技术重点实验室 纳米生物效应与安全性重点实验室 北京 100049

为了研究根表铁膜和硒对水稻吸收、转运不同形态的汞的影响，用Fe2+溶液诱导根表形成铁膜后，将水稻植株分别暴露于无机汞(HgCl2)、甲基汞(MeHgCl)、无机汞和亚硒酸钠(HgCl2+Na2SeO3)混合溶液、甲基汞和亚硒酸钠(MeHgCl+Na2SeO3)混合溶液的培养液中继续培养72 h。用DCB (dithionite-citrate-bicarbonate)提取根表铁膜，并用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定DCB溶液中Fe、Hg含量及水稻根、茎叶中Hg含量。结果表明：水稻根表铁膜对MeHgCl和HgCl2均有吸附，对MeHgCl的吸附作用高于HgCl2。根表铁膜的形成显著降低了汞暴露水稻根、茎叶中汞的含量；铁膜的形成也显著降低了HgCl2和MeHgCl从水稻根部到茎叶部分的转运效率。硒的存在可增加铁膜对HgCl2和MeHgCl的吸附，降低水稻对HgCl2和MeHgCl的吸收和转运。研究结果表明：根表铁膜和硒单独或联合作用能显著抑制水稻对无机汞和甲基汞的吸收和转运，进而可以减少汞在稻米中的蓄积。研究的开展对于提高汞污染区稻米的质量和保证粮食安全具有一定的现实意义。

铁膜；水稻；硒；汞

汞因其在环境中具有持久性、生物累积性和强毒性被许多国际组织列为优先控制污染物[1]。在自然界中汞主要以单质汞、无机汞、有机汞等形态存在。在所有汞的形态中，有机汞尤其是甲基汞的毒性最强。甲基汞易于通过食物链在高营养级的生物中富集放大并且能通过生物体的血脑屏障，有很强的神经毒性[2]。汞矿开采、燃煤与金属冶炼是我国汞污染的主要来源，贵州省万山汞矿地区土壤总汞和甲基汞含量分别达到0.33～90 mg·kg-1和 0.19 ～20 μg·kg-1，比全国土壤汞平均值高出2～3个数量级[3]；大米是我国人民的传统主食，也是贵州汞污染区的主要作物，冯新斌等分析了源于贵州汞污染地区的水稻中汞的形态，发现水稻从稻田土壤中吸收无机汞和甲基汞，稻米中无机汞含量为94 (7.4～460) μg·kg-1，甲基汞11 (1.2～44) μg·kg-1，大米已经成为当地居民甲基汞暴露的主要来源，具有潜在的健康风险[3-5]。

稻田是一个兼具水生和陆地特性的生态系统，水稻在长期渍水条件下，根系的连续氧化作用使得淹水土壤中大量存在的Fe(II)、Mn(II)在植物根表容易形成一层红棕色的铁锰胶膜。铁锰胶膜属两性胶体，对土壤中某些分子、离子具有富集作用，作为这些分子、离子的储备库[6]，改变这些元素在固液两相中的分配比例，从而影响其在介质中的移动性和生物有效性[7-12]。

近年来许多研究表明水稻中硒汞之间存在拮抗作用[13-15]。无机汞和甲基汞在水稻植株内的分布特征不同，硒对水稻吸收无机汞和甲基汞的影响情况不同[16]，提示水稻对无机汞和甲基汞的吸收转运机制不同。铁膜对水稻吸收无机汞、甲基汞的影响有何不同？硒是否可以通过影响铁膜对无机汞、甲基汞的吸附而影响水稻对它们的吸收？本文通过诱导水稻根表铁膜形成，研究根表铁膜单独或与硒共同作用下对水稻吸收、转运、蓄积不同形态汞的影响，为寻找降低水稻汞吸收途径，解决汞引起的食品安全及生态环境等问题提供科学依据。

1 材料和方法(Materials and methods)

1.1 水稻培养

实验所用的水稻(Oryza sativa L.)品种为GY1577，挑选颗粒饱满的水稻种子使用1% NaClO消毒10 min，超纯水洗净后种植到垫有滤纸的培养皿中，人工培养箱(无光照、28 ℃)萌发5 d后，在25% Hogland培养液中继续培养10 d。挑选生长一致的水稻幼苗转移到盛有25%的Hogland培养液(pH=5.5)的500 mL PVC盆中培养3周，每周换两次培养液。水稻培养条件：28 ℃/14 h光照和20 ℃/10 h黑暗，相对湿度为：50%～70%，光照强度为240 μmol·(m2·s)-1。

1.2 铁膜诱导及硒汞暴露

将生长3周水稻植株转移到300 mL 0.5 mmol·L-1的CaCl2(pH=5.5)溶液中2 h，以消除营养液中其他元素对铁膜形成的影响。在0、50、100 mg·L-1的Fe2+(FeSO4)溶液中(pH=5.5)中培养24 h。分别标记为Fe0，Fe50，Fe100组。然后将水稻植株转移到25%的Hogland培养液中继续培养48 h，转至含有2.5 μmol·L-1的HgCl2、HgCl2+Na2SeO3与2.5 μmol·L-1MeHgCl、MeHgCl + Na2SeO3的25% Hogland培养液中继续培养72 h，每个处理设三个重复组。

1.3 DCB法提取水稻根表铁膜

采用DCB法浸提取根表铁膜：将洗净的根组织沿基部剪下，放入30 mL含有0.03 mol·L-1柠檬酸三钠 (Na3C6H5O7·2 H2O)，0.125 mol·L-1碳酸氢钠(NaHCO3)及0.5 g保险粉(Na2S2O4)混合溶液中室温浸提1 h，冲洗根组织并定容浸提液到50 mL。用ICP-OES(Optima 2000DV, PerkinElmer，USA)测定DCB浸提液铁含量，ICP-MS(Thermo Elemental X7, USA)测定汞含量。经DCB提取后的水稻的根及茎叶在70 ℃烘干至恒重。

1.4 植物消解与含量、形态分析

称取约0.1 g水稻根、茎样品加入5 mL浓硝酸(BV-III)和1 mL H2O2(MOS)后室温下放置过夜。然后在160 ℃密闭消解6 h，剩余溶液在90 ℃下赶酸到1 mL，用2% HNO3(内含0.1%巯基乙醇)定容到5 mL，用ICP-MS测定其中Hg含量。ICP-MS仪器工作参数为：功率为 1.2 kW，雾化器流速 0. 81 L·min-1，驻留时间 100 ms，样品提升速度为0.6 mL·min-1。采用同心雾化器，内标元素为209Bi，检测202Hg 同位素。

1.5 数据分析

所有试验数据的方差分析和多重比较采用SPSS19.0软件(*表示p<0.05,**表示p<0.01)。并用Origin 8.5软件绘图。

2 结果(Results)

2.1 根表铁膜的形成量及对吸附汞的量

相对于Fe0组，Fe50和Fe100组根表出现明显的红棕色。水稻根表铁膜的形成量(DCB-Fe)通过DCB浸提的根表铁含量与根干重的比值来表示。相对于Fe50组(14 653.2±2 718.8 mg·kg-1)，Fe100组(11 612.05±1 190.7 mg·kg-1)虽然加入更多的Fe2+，但铁膜的形成量没有明显变化，说明Fe50组已形成稳定的铁膜结构，下文讨论根表铁膜对汞吸收、转运的影响均以Fe50组为基础。

图1表示HgCl2、HgCl2+Na2SeO3、MeHgCl、MeHgCl + Na2SeO3暴露组水稻铁膜中的汞含量，水稻根表铁膜对汞的吸附量(DCB-Hg)用DCB浸提的根表汞含量与根干重的比值表示。从中可以看出：铁膜对MeHgCl和HgCl2均可吸附，对MeHgCl的吸附量显著高于HgCl2(p<0.05)。对比HgCl2和MeHgCl暴露的水稻，硒的加入可使HgCl2在铁膜上的吸附量增加1.57倍(Fe50组)，MeHgCl增加1.87倍(Fe50组)。

2.2 水稻根组织中的Hg含量

图2表示各处理组水稻根中的汞含量。从图2可以看出形成铁膜的水稻，HgCl2或MeHgCl单独暴露时，水稻植株根中汞含量较无铁膜时均有下降，且MeHgCl暴露组下降更显著。

未诱导铁膜的水稻同时暴露于Na2SeO3+HgCl2或Na2SeO3+MeHgCl时，水稻根中Hg含量较单HgCl2暴露或单MeHgCl暴露均显著下降。

诱导形成铁膜的水稻同时暴露于Na2SeO3+HgCl2时，水稻根中Hg含量相对于单HgCl2暴露进一步降低。Na2SeO3+MeHgCl暴露时，相对于单MeHgCl暴露，根中汞含量显著降低。对照未诱导铁膜时硒对根中汞含量的影响情况，发现铁膜存在一般会使硒对根组织中汞含量降低更显著。

图1 不同处理组下铁膜中的汞含量注：**表示Fe50和Fe0组间的差异性比较。Fig. 1 Concentrations of Hg in iron plaque in different treatment groupsNote：** stands for the comparison of difference between Fe50 and Fe0.

图2 水稻根系中汞的含量注：*表示Fe50和Fe0组间的差异性比较。Fig. 2 Concentrations of Hg in rice rootsNote: * stands for the comparison of difference between Fe50 and Fe0.

2.3 水稻茎叶组织中的Hg含量

图3表示不同处理条件下水稻茎叶中的汞含量，汞单独暴露时，铁膜的形成显著降低MeHgCl暴露组茎叶中的汞含量，对HgCl2暴露组的影响不显著。

未诱导铁膜的水稻暴露于Na2SeO3+HgCl2时，茎叶中Hg含量相对于单HgCl2暴露变化不显著。Na2SeO3+MeHgCl暴露时，水稻茎叶中汞相对于单MeHgCl显著降低。

诱导铁膜形成的水稻暴露于Na2SeO3+HgCl2，相对于单HgCl2暴露，茎叶汞含量变化不显著。Na2SeO3+MeHgCl暴露相对于单MeHgCl暴露，茎叶中汞含量显著降低。

图3 水稻茎叶中汞的含量注：**表示Fe50和Fe0组间的差异性比较。Fig. 3 Concentrations of Hg in shoots and leaves of riceNote: ** stands for the comparison of difference between Fe50 and Fe0.

3 讨 论(Discussion)

3.1 铁膜对无机汞、甲基汞的吸附

该实验发现水培条件下，诱导出根表铁膜后，铁膜对HgCl2或MeHgCl均有吸附，且对MeHgCl的吸附作用更显著。根表铁膜主要是由铁氧化物胶膜形成，这种胶膜属于两性胶体，能够与土壤中的多种元素通过吸附、共沉淀等作用影响它们在土壤中的化学行为和生物有效性，从而影响植物对这些元素的耐受性、吸收、转运。水生植物的根表铁膜不仅是植物根系表面营养元素的“储存库”，同时也是阻止植物对重金属吸收的“天然屏障”[17]。胡莹等[18]研究根表铁膜对水稻吸收、转运铅的影响，发现水稻根表铁膜量与铁膜吸附的Pb量之间存在显著的正相关关系(r=0.798，p<0.01)，说明根表铁膜对Pb具有一定的吸附能力。另外，有研究表明水生生态系统中，铁锰氧化物对汞的循环和转运有着重要的作用，铁锰氧化物对汞有很强的吸附和共沉淀作用[19]，这与实验得出的结论一致。

3.2 铁膜对水稻吸收转运无机汞和甲基汞的影响

实验发现，HgCl2暴露下，铁膜的形成使得水稻根中汞含量从462.61 mg·kg-1(Fe0组)降低到409.40 mg·kg-1(Fe50组)；MeHgCl暴露下，铁膜的形成使得水稻根中汞含量从453.29 mg·kg-1(Fe0组)降低到319.16 mg·kg-1(Fe50组)。说明铁膜的形成显著降低了水稻根中汞的含量。比较茎叶中汞的含量，实验发现：不论是否有铁膜的形成，MeHgCl暴露下，茎叶中汞含量均显著高于HgCl2暴露组，且铁膜的形成显著降低了MeHgCl暴露组茎叶中汞含量。

实验用转移系数(translocation factor，TF)表示水稻由根向地上部分转移Hg的能力(表1)：TF=Tshoot-Hg/Troot-Hg(Tshoot-Hg和Troot-Hg分别为水稻地上部、地下部中Hg量)。实验发现MeHgCl暴露组汞的转移系数显著高于HgCl2暴露组(p<0.05)，说明MeHgCl更容易向上转运。铁膜的形成显著降低了HgCl2和MeHgCl暴露组中汞在水稻中的转运。因此，水稻根表形成铁膜后，增加了铁膜对汞的吸附，降低了水稻对汞的吸收、转运。

表1 HgCl2和MeHgCl暴露下汞在水稻中的转移系数Table 1 Translocation factor of Hg in rice when exposed to HgCl2 and MeHgCl

3.3 硒对水稻吸收、转运无机汞和甲基汞的影响

硒能抑制植物对汞的吸收[20-21]影响水稻根表铁膜的形成[22-23]。实验发现，未诱导铁膜时，硒汞(HgCl2或MeHgCl)同时暴露，硒显著降低了水稻根中汞的含量，及汞在水稻中的转移系数，说明硒能抑制水稻对HgCl2和MeHgCl的吸收、转运。诱导形成铁膜后，硒汞(HgCl2或MeHgCl)同时暴露，硒的存在可以显著增加水稻根表铁膜对汞的吸附、降低水稻根中汞的含量，降低汞从水稻根部到茎叶部的转运效率。周鑫斌等[23]研究发现，硒能与汞在水稻根系或根表周围形成难溶性的HgSe复合物，HgSe复合物较稳定，不容易被植物吸收利用，因此硒的存在降低了汞的生物可利用性；同时硒也能活化Fe、Mn，进而影响水稻根表铁膜的形成，硒的这种双重作用阻止了水稻对汞的吸收和转运。

综上所述，根表铁膜对水稻吸收HgCl2、MeHgCl的影响不同，对MeHgCl的作用显著强于HgCl2。硒可以增加铁膜对HgCl2和MeHgCl的吸附，降低汞在水稻根中的含量，降低汞从水稻根部到茎叶部的转运效率。

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◆

EffectsofIronPlaqueandSeleniumontheAbsorptionandTranslocationofInorganicMercuryandMethylmercuryinRice(OryzasativaL.)

Li Yunyun，Zhao Jiating，GaoYuxi*，Li Yufeng，Li Bai，Zhao Yuliang，Chai Zhifang

CAS Key Laboratory of Nuclear radiation and nuclear energy Techniques and CAS Key Laboratory for Biomedical Effects of Nanomaterials and Nanosafety, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 10049, China

19 May 2014accepted2 July 2014

To investigate the effects of iron plaque and selenium (Se) on the absorption and translocation of different mercury species in rice plant, the rice seedlings were exposed to HgCl2, MeHgCl, HgCl2+Na2SeO3, MeHgCl+Na2SeO3for 72 h after formation of iron plaque on root surface induced with Fe2+. Iron plaque was extracted with DCB (dithionite-citrate-bicarbonate). The concentrations of Hg and Fe in the DCB extraction, and Hg content in roots and shoots were determined by Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS). It is shown that both mercury species, especially MeHgCl can be absorbed by the iron plaque. The contents of Hg in the root and shoot of the rice were significantly reduced with the formation of iron plaque. The translocation of HgCl2and MeHgCl from root to leaf was also inhibited by iron plaque. Furthermore, the adsorption of HgCl2and MeHgCl by the iron plaque can be enhanced with the addition of Se in the culture media, which efficiently inhibited the translocation of HgCl2and MeHgCl in rice plant. In conclusion, the iron plaque or/and Se can actively inhibit the absorption and translocation of Hg in rice, and then reduce IHg and MeHg accumulation in rice grain, which then improve the rice grain quality and food safety in the Hg contaminated areas.

iron plaque; rice; selenium; mercury

国家自然科学基金(Nos. 21377129，11205168)

李云云(1987-)，女，博士，研究方向为无机化学，E-mail：liyunyun@ihep.ac.cn

*通讯作者(Corresponding author)，E-mail: gaoyx@ihep.ac.cn

10.7524/AJE.1673-5897-20140519002

2014-05-19录用日期：2014-07-02

1673-5897(2014)5-972-06

： X171.5

： A

高愈希(1962-)，男，环境科学博士，研究员，主要研究方向为重金属生态毒理学。

李云云, 赵甲亭, 高愈希, 等. 根表铁膜的形成和添加硒对水稻吸收转运无机汞和甲基汞的影响[J]. 生态毒理学报，2014, 9(5): 972-977

Li Y Y, Zhao J T, GaoY X, et al. Effects of iron plaque and selenium on the absorption and translocation of inorganic mercury and methylmercury in rice (Oryza sativa L.) [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2014, 9(5): 972-977 (in Chinese)