根表鐵膜的形成和添加硒對水稻吸收轉運無機汞和甲基汞的影響

李云云，趙甲亭，高愈希，李玉鋒，李柏，趙宇亮，柴之芳

中國科學院高能物理研究所 核輻射與核能技術重點實驗室 納米生物效應與安全性重點實驗室 北京 100049

根表鐵膜的形成和添加硒對水稻吸收轉運無機汞和甲基汞的影響

李云云，趙甲亭，高愈希*，李玉鋒，李柏，趙宇亮，柴之芳

中國科學院高能物理研究所 核輻射與核能技術重點實驗室 納米生物效應與安全性重點實驗室 北京 100049

為了研究根表鐵膜和硒對水稻吸收、轉運不同形態的汞的影響，用Fe2+溶液誘導根表形成鐵膜后，將水稻植株分別暴露于無機汞(HgCl2)、甲基汞(MeHgCl)、無機汞和亞硒酸鈉(HgCl2+Na2SeO3)混合溶液、甲基汞和亞硒酸鈉(MeHgCl+Na2SeO3)混合溶液的培養液中繼續培養72 h。用DCB (dithionite-citrate-bicarbonate)提取根表鐵膜，并用電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)測定DCB溶液中Fe、Hg含量及水稻根、莖葉中Hg含量。結果表明：水稻根表鐵膜對MeHgCl和HgCl2均有吸附，對MeHgCl的吸附作用高于HgCl2。根表鐵膜的形成顯著降低了汞暴露水稻根、莖葉中汞的含量；鐵膜的形成也顯著降低了HgCl2和MeHgCl從水稻根部到莖葉部分的轉運效率。硒的存在可增加鐵膜對HgCl2和MeHgCl的吸附，降低水稻對HgCl2和MeHgCl的吸收和轉運。研究結果表明：根表鐵膜和硒單獨或聯合作用能顯著抑制水稻對無機汞和甲基汞的吸收和轉運，進而可以減少汞在稻米中的蓄積。研究的開展對于提高汞污染區稻米的質量和保證糧食安全具有一定的現實意義。

鐵膜；水稻；硒；汞

汞因其在環境中具有持久性、生物累積性和強毒性被許多國際組織列為優先控制污染物[1]。在自然界中汞主要以單質汞、無機汞、有機汞等形態存在。在所有汞的形態中，有機汞尤其是甲基汞的毒性最強。甲基汞易于通過食物鏈在高營養級的生物中富集放大并且能通過生物體的血腦屏障，有很強的神經毒性[2]。汞礦開采、燃煤與金屬冶煉是我國汞污染的主要來源，貴州省萬山汞礦地區土壤總汞和甲基汞含量分別達到0.33～90 mg·kg-1和 0.19 ～20 μg·kg-1，比全國土壤汞平均值高出2～3個數量級[3]；大米是我國人民的傳統主食，也是貴州汞污染區的主要作物，馮新斌等分析了源于貴州汞污染地區的水稻中汞的形態，發現水稻從稻田土壤中吸收無機汞和甲基汞，稻米中無機汞含量為94 (7.4～460) μg·kg-1，甲基汞11 (1.2～44) μg·kg-1，大米已經成為當地居民甲基汞暴露的主要來源，具有潛在的健康風險[3-5]。

稻田是一個兼具水生和陸地特性的生態系統，水稻在長期漬水條件下，根系的連續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層紅棕色的鐵錳膠膜。鐵錳膠膜屬兩性膠體，對土壤中某些分子、離子具有富集作用，作為這些分子、離子的儲備庫[6]，改變這些元素在固液兩相中的分配比例，從而影響其在介質中的移動性和生物有效性[7-12]。

近年來許多研究表明水稻中硒汞之間存在拮抗作用[13-15]。無機汞和甲基汞在水稻植株內的分布特征不同，硒對水稻吸收無機汞和甲基汞的影響情況不同[16]，提示水稻對無機汞和甲基汞的吸收轉運機制不同。鐵膜對水稻吸收無機汞、甲基汞的影響有何不同？硒是否可以通過影響鐵膜對無機汞、甲基汞的吸附而影響水稻對它們的吸收？本文通過誘導水稻根表鐵膜形成，研究根表鐵膜單獨或與硒共同作用下對水稻吸收、轉運、蓄積不同形態汞的影響，為尋找降低水稻汞吸收途徑，解決汞引起的食品安全及生態環境等問題提供科學依據。

1 材料和方法(Materials and methods)

1.1 水稻培養

實驗所用的水稻(Oryza sativa L.)品種為GY1577，挑選顆粒飽滿的水稻種子使用1% NaClO消毒10 min，超純水洗凈后種植到墊有濾紙的培養皿中，人工培養箱(無光照、28 ℃)萌發5 d后，在25% Hogland培養液中繼續培養10 d。挑選生長一致的水稻幼苗轉移到盛有25%的Hogland培養液(pH=5.5)的500 mL PVC盆中培養3周，每周換兩次培養液。水稻培養條件：28 ℃/14 h光照和20 ℃/10 h黑暗，相對濕度為：50%～70%，光照強度為240 μmol·(m2·s)-1。

1.2 鐵膜誘導及硒汞暴露

將生長3周水稻植株轉移到300 mL 0.5 mmol·L-1的CaCl2(pH=5.5)溶液中2 h，以消除營養液中其他元素對鐵膜形成的影響。在0、50、100 mg·L-1的Fe2+(FeSO4)溶液中(pH=5.5)中培養24 h。分別標記為Fe0，Fe50，Fe100組。然后將水稻植株轉移到25%的Hogland培養液中繼續培養48 h，轉至含有2.5 μmol·L-1的HgCl2、HgCl2+Na2SeO3與2.5 μmol·L-1MeHgCl、MeHgCl + Na2SeO3的25% Hogland培養液中繼續培養72 h，每個處理設三個重復組。

1.3 DCB法提取水稻根表鐵膜

采用DCB法浸提取根表鐵膜：將洗凈的根組織沿基部剪下，放入30 mL含有0.03 mol·L-1檸檬酸三鈉 (Na3C6H5O7·2 H2O)，0.125 mol·L-1碳酸氫鈉(NaHCO3)及0.5 g保險粉(Na2S2O4)混合溶液中室溫浸提1 h，沖洗根組織并定容浸提液到50 mL。用ICP-OES(Optima 2000DV, PerkinElmer，USA)測定DCB浸提液鐵含量，ICP-MS(Thermo Elemental X7, USA)測定汞含量。經DCB提取后的水稻的根及莖葉在70 ℃烘干至恒重。

1.4 植物消解與含量、形態分析

稱取約0.1 g水稻根、莖樣品加入5 mL濃硝酸(BV-III)和1 mL H2O2(MOS)后室溫下放置過夜。然后在160 ℃密閉消解6 h，剩余溶液在90 ℃下趕酸到1 mL，用2% HNO3(內含0.1%巰基乙醇)定容到5 mL，用ICP-MS測定其中Hg含量。ICP-MS儀器工作參數為：功率為 1.2 kW，霧化器流速 0. 81 L·min-1，駐留時間 100 ms，樣品提升速度為0.6 mL·min-1。采用同心霧化器，內標元素為209Bi，檢測202Hg 同位素。

1.5 數據分析

所有試驗數據的方差分析和多重比較采用SPSS19.0軟件(*表示p<0.05,**表示p<0.01)。并用Origin 8.5軟件繪圖。

2 結果(Results)

2.1 根表鐵膜的形成量及對吸附汞的量

相對于Fe0組，Fe50和Fe100組根表出現明顯的紅棕色。水稻根表鐵膜的形成量(DCB-Fe)通過DCB浸提的根表鐵含量與根干重的比值來表示。相對于Fe50組(14 653.2±2 718.8 mg·kg-1)，Fe100組(11 612.05±1 190.7 mg·kg-1)雖然加入更多的Fe2+，但鐵膜的形成量沒有明顯變化，說明Fe50組已形成穩定的鐵膜結構，下文討論根表鐵膜對汞吸收、轉運的影響均以Fe50組為基礎。

圖1表示HgCl2、HgCl2+Na2SeO3、MeHgCl、MeHgCl + Na2SeO3暴露組水稻鐵膜中的汞含量，水稻根表鐵膜對汞的吸附量(DCB-Hg)用DCB浸提的根表汞含量與根干重的比值表示。從中可以看出：鐵膜對MeHgCl和HgCl2均可吸附，對MeHgCl的吸附量顯著高于HgCl2(p<0.05)。對比HgCl2和MeHgCl暴露的水稻，硒的加入可使HgCl2在鐵膜上的吸附量增加1.57倍(Fe50組)，MeHgCl增加1.87倍(Fe50組)。

2.2 水稻根組織中的Hg含量

圖2表示各處理組水稻根中的汞含量。從圖2可以看出形成鐵膜的水稻，HgCl2或MeHgCl單獨暴露時，水稻植株根中汞含量較無鐵膜時均有下降，且MeHgCl暴露組下降更顯著。

未誘導鐵膜的水稻同時暴露于Na2SeO3+HgCl2或Na2SeO3+MeHgCl時，水稻根中Hg含量較單HgCl2暴露或單MeHgCl暴露均顯著下降。

誘導形成鐵膜的水稻同時暴露于Na2SeO3+HgCl2時，水稻根中Hg含量相對于單HgCl2暴露進一步降低。Na2SeO3+MeHgCl暴露時，相對于單MeHgCl暴露，根中汞含量顯著降低。對照未誘導鐵膜時硒對根中汞含量的影響情況，發現鐵膜存在一般會使硒對根組織中汞含量降低更顯著。

圖1 不同處理組下鐵膜中的汞含量注：**表示Fe50和Fe0組間的差異性比較。Fig. 1 Concentrations of Hg in iron plaque in different treatment groupsNote：** stands for the comparison of difference between Fe50 and Fe0.

圖2 水稻根系中汞的含量注：*表示Fe50和Fe0組間的差異性比較。Fig. 2 Concentrations of Hg in rice rootsNote: * stands for the comparison of difference between Fe50 and Fe0.

2.3 水稻莖葉組織中的Hg含量

圖3表示不同處理條件下水稻莖葉中的汞含量，汞單獨暴露時，鐵膜的形成顯著降低MeHgCl暴露組莖葉中的汞含量，對HgCl2暴露組的影響不顯著。

未誘導鐵膜的水稻暴露于Na2SeO3+HgCl2時，莖葉中Hg含量相對于單HgCl2暴露變化不顯著。Na2SeO3+MeHgCl暴露時，水稻莖葉中汞相對于單MeHgCl顯著降低。

誘導鐵膜形成的水稻暴露于Na2SeO3+HgCl2，相對于單HgCl2暴露，莖葉汞含量變化不顯著。Na2SeO3+MeHgCl暴露相對于單MeHgCl暴露，莖葉中汞含量顯著降低。

圖3 水稻莖葉中汞的含量注：**表示Fe50和Fe0組間的差異性比較。Fig. 3 Concentrations of Hg in shoots and leaves of riceNote: ** stands for the comparison of difference between Fe50 and Fe0.

3 討 論(Discussion)

3.1 鐵膜對無機汞、甲基汞的吸附

該實驗發現水培條件下，誘導出根表鐵膜后，鐵膜對HgCl2或MeHgCl均有吸附，且對MeHgCl的吸附作用更顯著。根表鐵膜主要是由鐵氧化物膠膜形成，這種膠膜屬于兩性膠體，能夠與土壤中的多種元素通過吸附、共沉淀等作用影響它們在土壤中的化學行為和生物有效性，從而影響植物對這些元素的耐受性、吸收、轉運。水生植物的根表鐵膜不僅是植物根系表面營養元素的“儲存庫”，同時也是阻止植物對重金屬吸收的“天然屏障”[17]。胡瑩等[18]研究根表鐵膜對水稻吸收、轉運鉛的影響，發現水稻根表鐵膜量與鐵膜吸附的Pb量之間存在顯著的正相關關系(r=0.798，p<0.01)，說明根表鐵膜對Pb具有一定的吸附能力。另外，有研究表明水生生態系統中，鐵錳氧化物對汞的循環和轉運有著重要的作用，鐵錳氧化物對汞有很強的吸附和共沉淀作用[19]，這與實驗得出的結論一致。

3.2 鐵膜對水稻吸收轉運無機汞和甲基汞的影響

實驗發現，HgCl2暴露下，鐵膜的形成使得水稻根中汞含量從462.61 mg·kg-1(Fe0組)降低到409.40 mg·kg-1(Fe50組)；MeHgCl暴露下，鐵膜的形成使得水稻根中汞含量從453.29 mg·kg-1(Fe0組)降低到319.16 mg·kg-1(Fe50組)。說明鐵膜的形成顯著降低了水稻根中汞的含量。比較莖葉中汞的含量，實驗發現：不論是否有鐵膜的形成，MeHgCl暴露下，莖葉中汞含量均顯著高于HgCl2暴露組，且鐵膜的形成顯著降低了MeHgCl暴露組莖葉中汞含量。

實驗用轉移系數(translocation factor，TF)表示水稻由根向地上部分轉移Hg的能力(表1)：TF=Tshoot-Hg/Troot-Hg(Tshoot-Hg和Troot-Hg分別為水稻地上部、地下部中Hg量)。實驗發現MeHgCl暴露組汞的轉移系數顯著高于HgCl2暴露組(p<0.05)，說明MeHgCl更容易向上轉運。鐵膜的形成顯著降低了HgCl2和MeHgCl暴露組中汞在水稻中的轉運。因此，水稻根表形成鐵膜后，增加了鐵膜對汞的吸附，降低了水稻對汞的吸收、轉運。

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

3.3 硒對水稻吸收、轉運無機汞和甲基汞的影響

硒能抑制植物對汞的吸收[20-21]影響水稻根表鐵膜的形成[22-23]。實驗發現，未誘導鐵膜時，硒汞(HgCl2或MeHgCl)同時暴露，硒顯著降低了水稻根中汞的含量，及汞在水稻中的轉移系數，說明硒能抑制水稻對HgCl2和MeHgCl的吸收、轉運。誘導形成鐵膜后，硒汞(HgCl2或MeHgCl)同時暴露，硒的存在可以顯著增加水稻根表鐵膜對汞的吸附、降低水稻根中汞的含量，降低汞從水稻根部到莖葉部的轉運效率。周鑫斌等[23]研究發現，硒能與汞在水稻根系或根表周圍形成難溶性的HgSe復合物，HgSe復合物較穩定，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；同時硒也能活化Fe、Mn，進而影響水稻根表鐵膜的形成，硒的這種雙重作用阻止了水稻對汞的吸收和轉運。

綜上所述，根表鐵膜對水稻吸收HgCl2、MeHgCl的影響不同，對MeHgCl的作用顯著強于HgCl2。硒可以增加鐵膜對HgCl2和MeHgCl的吸附，降低汞在水稻根中的含量，降低汞從水稻根部到莖葉部的轉運效率。

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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

國家自然科學基金(Nos. 21377129，11205168)

李云云(1987-)，女，博士，研究方向為無機化學，E-mail：liyunyun@ihep.ac.cn

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

10.7524/AJE.1673-5897-20140519002

2014-05-19錄用日期：2014-07-02

1673-5897(2014)5-972-06

： X171.5

： A

高愈希(1962-)，男，環境科學博士，研究員，主要研究方向為重金屬生態毒理學。

李云云, 趙甲亭, 高愈希, 等. 根表鐵膜的形成和添加硒對水稻吸收轉運無機汞和甲基汞的影響[J]. 生態毒理學報，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)