常见植物对重金属铊吸收特征研究

张福祎，姚 焱，张 平，刘文峰，耿新华，黎秀苑，刘 芳

（1.广州大学生命科学学院，广东 广州 510006；2.广州大学化学化工学院，广东 广州 510006）

铊（Tl）是一种毒害重金属元素，主要存在于钾、硫化物的矿物中，其作为污染物进入环境主要是来自燃煤和金属冶炼。土壤中铊离子活跃，比砷（As）、汞（Hg）等重金属更容易被农作物吸收和积累［1］，进而通过食物链进入人体并发生累集，对人体健康造成危害［2］。鉴于铊的毒害性，美国、欧盟及我国均已将其列为重点防控的重金属污染物之一。

铊具有一价和三价两种价态。研究普遍认为Tl+比T13+更稳定，是环境中的主要存在形式而得到更多关注，T13+的研究相对较少［3］。但是T13+毒性是T1+的数千倍［4］，对生物影响更大。目前阶段有关铊的环境生物研究主要是以总量铊的生物效应为主［5］，没有区分Tl+和T13+对生物的影响。然而，在冶炼工业中，铊是Tl+和Tl3+混合的释放源，意大利废弃矿区溪流中T13+含量占总铊量的40%［6］。针对环境中Tl+和Tl3+共存的现状，研究植物对Tl+与Tl3+吸收积累的特征，对进一步明确植物吸收铊的机制，用于植物环境修复和保障农作物食品安全有重要意义。

铊是钾的化学类似物，Tl+与K+有相近的离子半径［7］，Tl+吸收入植物根系的形式可能与K+类似［8］。在淡水浮游生物小球藻的毒性试验中，Tl+与K+之间存在竞争作用，K+摩尔浓度为Tl+的40～160倍，可以有效抑制植物对铊的吸收［9］。K+与T13+共存是否也会存在竞争而影响植物对T13+的吸收未见相关报道。

蕨类植物普遍对重金属具有较强的富集或耐受性［10］；十字花科植物也具有较强的铊富集能力［11］。本研究选取4种华南地区常见植物肾蕨（Nephrolepis auriculataL.）、十字花科植物菜心（Brassica campestrisL.）和甘蓝（Brassica oleraceaL.）以及水生植物狐尾藻（Myriophyllum verticillatumL.）为材料，利用水培培养方法，开展这4种植物对Tl+和Tl3+的吸收速率、富集量，植物体内铊价态存在形式及K+是否影响植物对Tl+和Tl3+吸收的研究。

1 材料与方法

1.1 试验材料

采集蕨类植物（肾蕨）、水生植物（狐尾藻）和十字花科植物（菜心、甘蓝），每种植物选择健状、生长量一致的植株，将根部冲洗干净后放入清水中培养2 d后，用于实验。实验所用容器为250 mL烧杯或100 mL玻璃瓶，瓶口用保鲜膜密封。植物培养均在恒温光照培养箱中进行，试验期间保持植物根部以下浸没在水培溶液中。

1.2 4种植物对Tl+和Tl3+吸收的比较实验

用TlNO3和去离子水配制铊母液，使用时取适量铊母液加入去离子水稀释配置出不同浓度的Tl+溶液。Tl3+实验组用过量3%溴水将溶液中的Tl+氧化为Tl3+，80℃水浴加热去除剩余溴后获得。调节Tl+和Tl3+水培溶液pH值为6.0，以适应植物水培实验。将选取的供试植物分别放入Tl+和Tl3+培养液中，每实验组重复3次，同时以去离子水作空白对照，置于恒温光照培养箱，温度为22（±1）℃ ，每天光照12 h培养。每隔24 h对Tl+和Tl3+水培溶液的铊浓度进行测量。将植物在105℃下烘干4 h后测其干重，计算植物对Tl吸收量。

1.3 K+ 影响Tl+和Tl3+吸收的比较实验

在植物放入培养液之前，Tl+和Tl3+溶液中按比例添加KNO3，使Tl+或Tl3+与K+比例分别为 1∶1、1∶25，以不添加 K+的 Tl+和 Tl3+溶液作对照，每个价态设3个处理（Tl，Tl∶K=1∶1，Tl∶K=1∶25），每个处理3次重复，置于恒温光照培养箱，温度为22（±1）℃ ，每天光照12 h培养，相同水培时间内测定植物铊含量，比较植物对2种价态铊的吸收能力。

1.4 植物铊价态及含量测定方法

植物样品中铊价态的分析及含量测定参照文献［12-13］。待测植物根部样品处理：将植物地上部分和地下部分分开，吸干根部表面水分，测定各样本鲜重，再对根部进行稀酸浸泡处理15 h后过滤浸泡液。将过滤后的植物样品待测液3 mL、1 mol/L盐酸0.5 mL、2.0 g/L罗丹明B溶液0.5 mL及乙醚2 mL加入到10 ×100 mm的平口玻璃管中。充分振荡后静置反应30 min至分成清晰的醚、水两相，用胶头滴管吸取分开两相。在乙醚相中加入10 g/L亚硫酸钠1 mL与1滴1∶1硫酸后放置4 h，使乙醚挥发，后加水至4 mL。经0.45 μm滤膜过滤2次后，用火焰原子吸收法（iCE 3500火焰原子吸收分光光度计，Thermo Electron Corporation）测定水相与乙醚相中的Tl含量（水相中为Tl+含量，乙醚相中为Tl3+含量）。

培养液中铊含量测定方法：定期取植物水培溶液，利用相同方法及条件进行铊含量检测。

试验数据用Excel和SPSS软件进行统计分析，其中方差分析用One-way ANOVA法。

2 结果与分析

2.1 铊处理液浓度的确定

试验比较了2种铊浓度（以Tl+为测试液，10 μmol/L和25 μmol/L）下菜心和狐尾藻对Tl的吸收能力，为后续试验确定适宜的铊溶液浓度。试验结果见图1，2种铊浓度处理狐尾藻与菜心均随处理时间的延长，溶液中Tl浓度逐渐下降，但2种植物对铊吸收的速率不同：狐尾藻在处理0～24 h，铊溶液浓度快速下降，处理24～72 h吸收放缓；而菜心在处理0～72 h，铊溶液浓度平缓下降，没有明显的快速下降阶段，处理24 h菜心对铊的吸收速率明显低于狐尾藻。同时，以10、25 μmol/L Tl溶液处理的2种植物，均表现出浓度越高，植物的吸收速率越大。由此可见，2种植物在同一铊浓度处理的吸收速率不同，狐尾藻高于菜心；25 μmol/L铊浓度处理的2种植物对铊的吸收效果更明显，更便于检测。据此，将后续实验Tl测试浓度确定为25 μmol/L较为合适。

图1 狐尾藻与菜心2种铊浓度处理的吸收差异

2.2 4种植物对Tl+和Tl3+吸收速率比较

在Tl+和Tl3+两种铊浓度下对4种植物分别处理24 h的结果显示，在不同植物中两种价态铊的吸收情况表现不同。从图2可以看出，在单位时间下每单位鲜重根对铊的吸收速率表现为：肾蕨、狐尾藻、菜心对Tl3+的吸收速率较Tl+快，而甘蓝对于Tl+的吸收速率则较Tl3+稍快。其中，肾蕨对Tl3+的吸收速率最大；同时，肾蕨与甘蓝对Tl+的吸收速率均高于狐尾藻和菜心。可见，在4种植物中，肾蕨均表现出对Tl+和Tl3+的较大吸收速率。

图2 4种植物对两种价态铊的吸收速率比较

2.3 Tl+和Tl3+在植物中富集比较

2.3.1 Tl+和Tl3+在植物总富集量比较 因取用多种植物作为试验材料，不同植物种类间含水量存在较大差异，为减少试验样品个体对实验的误差影响，均采取植物总干重（DW，地上和地下部分总和）计算不同植物对铊的总富集量。由表1可知，2种价态铊处理对植物铊富集量影响不同，不同植物对Tl+和Tl3+富集量也有差异：Tl+处理的狐尾藻的铊富集量最低；Tl3+处理甘蓝的铊富集量显著低于其他植物；Tl3+处理的肾蕨、狐尾藻、菜心的铊富集量较Tl+处理高，而Tl+处理的甘蓝的铊富集量则高于Tl3+处理。菜心在两种价态铊处理下都表现出较高的铊富集。

表1 两种价态铊处理4种植物的铊总富集量 （mg/kg，DW）

2.3.2 Tl+和Tl3+在植物根部富集量比较 图3显示，Tl+或Tl3+处理下4种植物根部的铊富集量分别占植物总富集量的50%～70%左右，表明2种价态铊短期处理下，植物对铊的吸收富集都主要集中在根部。

图3 两种价态铊处理4种植物根部铊富集量占比

由表2可知，Tl+或Tl3+处理4种植物根部干重的铊富集量差异情况与总铊富集量的表现大体一致：Tl+处理狐尾藻根部铊富集量最低；Tl3+处理甘蓝根铊富集量显著低于其他植物；Tl3+处理肾蕨、狐尾藻、菜心根部铊富集量较Tl+处理高，而Tl+处理甘蓝根部铊富集量则高于Tl3+处理。菜心较其他植物在两种价态铊处理下根部都表现出较高的铊富集。

表2 两种价态铊处理4种植物根部铊富集量 （mg/kg，DW）

2.4 植物根部铊的价态特征

由图4可知，Tl3+处理的4种植物根部都检测到Tl+和Tl3+存在，而且Tl+的含量较Tl3+高很多，均达到70%以上。表明植物体内Tl的价态主要以Tl+形式存在。

2.5 K+影响Tl+和Tl3+在甘蓝中的富集

从表3可以看出，两种价态铊处理添加钾比例为Tl∶K=1∶1时，甘蓝不同部位的铊含量与对照相近；当Tl∶K=1∶25时，两种价态铊处理的甘蓝地上部及地下部对铊的富集量均比对照有所降低。这反映了K+抑制甘蓝对Tl+和Tl3+的吸收，需要K在较高比例下实现。在添加K+后，根系对两种价态铊的富集量均显著下降。表明K+对Tl+和Tl3+均具有拮抗抑制作用，可以影响甘蓝对Tl+和Tl3+的铊富集。

图4 Tl3+处理4种植物根部两种价态铊含量占比

表3 钾添加对两种价态铊处理甘蓝不同部位铊含量的影响 （mg/kg，DW）

3 结论与讨论

3.1 不同植物对Tl+和Tl3+吸收特性

相关研究表明，铊在植物中的含量与植物种类、土壤中铊的结合形态和土壤中铊的含量有关。本试验中，随着铊水培液初始浓度由10 μmol/L增加至25 μmol/L，可促进肾蕨、狐尾藻、菜心、甘蓝等4种植物对铊的吸收效果，在较高铊浓度下植物对铊的吸收能力有所提高。铊的形态分析显示Tl3+在酸性溶液中更具稳定性，而田间样品分析表明，仅酸化环境不足以维持Tl+和Tl3+的原始分布状况［14］。对于一种铊的高累积植物白芥（Sinapis alba），其对Tl+具有高度耐受性，能够将大量的Tl+积累并运送到植物地上部。除对Tl+的优势吸收外，在尾矿沉积物存在下的植物提取物中也发现了可观量的Tl3+（占总铊含量约 10%）［15］。

本试验中，肾蕨、狐尾藻、菜心对Tl3+的吸收速率较Tl+快，而甘蓝对于Tl+的吸收速率则比Tl3+稍快。4种植物中，肾蕨均表现出对Tl+和Tl3+的较大吸收速率，分别为0.004、0.007 mg/g·h。本研究结果还表明，植物对两种价态铊的吸收富集都主要集中在根部（约占植物总铊富集量的50%～70%左右），Tl+或Tl3+处理的4种植物在植物总铊富集量和根部铊富集量的表现大体一致。甘蓝在Tl3+处理下的铊富集量为255.22 mg/kg（DW），显著低于其他植物，但其在Tl+处理下的铊富集量高于Tl3+处理。总体上，Tl3+处理狐尾藻的铊富集量最大，为681.97 mg/kg（DW）；Tl+处理甘蓝的铊富集量最大，为473.30 mg/kg（DW），Tl+和Tl3+处理菜心都具有较高的铊富集。

植物根部的铊价态分析表明，无论Tl+或Tl3+处理，不同植物品种根部富集铊大部分都以Tl+形式存在。特别是Tl3+处理，最终植物体内检测到的Tl+可以达到70%以上，这可能是植物根系吸收Tl3+进入植物体还原为Tl+，随后以Tl+为主导在植物体内铊富集。因Tl+的毒性要远远小于Tl3+，通过价态转化在植物体内的铊被还原成Tl+，这可能是植物解铊毒害的机理之一。

Villaverde等［16］曾提出一个潜在的损害生物细胞膜的机理，即Tl+与磷酸酯膜相互作用，并且增加了膜的渗透性。Tl3+的毒性是Tl+的5 000倍，但Tl+和Tl3+都有增强细胞活性氧产量、降低线粒体的功能［17］。这些生理上的变化可能是引起不同植物对Tl+和Tl3+吸收差异的原因。

3.2 K+对Tl+和Tl3+在植物中富集的影响

在受到铊污染种植土壤的周边农作物中，Tl在番薯、生菜、茄子、毛豆、芋头、油麦菜6种农作物中的含量变化范围为20.69～176.7 mg/kg，表现出明显的生物富集效应［18］。本试验结果表明，Tl+处理甘蓝地上部和地下部的铊含量均高于Tl3+处理，其中地下部的铊含量更是远大于Tl3+处理地下部的铊含量，表明甘蓝对Tl+的吸收富集能力较Tl3+强。

类似磷与砷的相互关系中，有研究表明营养液中增加磷含量能减少植物对砷的吸收，增强植物对砷的耐受能力。不同砷浓度处理下地上部磷与砷含量存在显著相关性，说明对磷吸收能力强的植物对砷的吸收能力也强。这可能与磷砷共用一个转运通道及其吸收受同一个基因控制有关［19］。大豆通过调节各部位氮、磷、钾含量来适应砷污染环境，高砷毒害的实质是通过抑制大豆根系和茎叶中的氮、磷、钾养分向地上部分和大豆籽粒转移从而抑制地上部分的生长和大豆籽粒的形成［20］。由于Tl+和K+的离子半径相近，Tl+往细胞中的传输很有可能是通过Na+/K+联合传输机制实现，研究还表明植物组织中Tl的形态主要是Tl+［21］，因相较Tl3+难与别的配位基团形成络合物。这也是在植物吸收系统中Tl+和Tl3+与钾竞争关系的重要原因。在K+影响Tl+和Tl3+吸收的比较实验中，结果表明Tl∶K=1∶1时K+对Tl+和Tl3+在植物中富集的影响不明显，在Tl与K比例为1∶25时，两种价态铊处理下甘蓝地下部的铊含量出现明显减少。K+对Tl+和Tl3+均具有拮抗抑制作用，可影响植物对Tl+和Tl3+的富集。在有大量K+存在下的铊水培溶液中，能起到减弱植物对Tl+和Tl3+吸收富集的效用。

还有研究表明，Tl在甘蓝、披针叶屈曲花等十字花科植物体中的富集，与植物体对土壤中Ca和Mg的吸收具有明显的正相关性，可能是Ca和Mg起到了促进植物抗毒性的作用。本试验对于Tl+和Tl3+与钾的相互影响仅选取甘蓝一种植物，需增加植物种类进一步验证K+对Tl+和Tl3+的拮抗抑制作用，为K+与Tl+和Tl3+的相互关系研究提供理论数据。

综上所述，植物对Tl+和Tl3+的吸收速率与铊富集量在不同植物中表现有所不同。肾蕨对Tl3+具有更快的吸收速率，甘蓝对Tl+和Tl3+吸收速率表现相近。狐尾藻对Tl3+有较大的铊富集量，甘蓝对Tl+有较大的铊富集量。总体上，肾蕨表现出对Tl+和Tl3+的较大吸收速率，菜心对Tl+和Tl3+都具有较高的铊富集量。植物根部的铊价态分析表明，无论试验中所用铊源是一价铊或三价铊，通过根系吸收进入植物体内的铊存在形式都以一价铊为主导。K+不仅对Tl+具有拮抗抑制作用，并且也会降低植物对Tl3+的铊富集量。水培实验下植物对Tl+的铊富集量比Tl3+更高，植物对两种价态铊的吸收富集明显集中在根部。

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