常見植物對重金屬鉈吸收特征研究

張福祎，姚 焱，張 平，劉文峰，耿新華，黎秀苑，劉 芳

（1.廣州大學生命科學學院，廣東 廣州 510006；2.廣州大學化學化工學院，廣東 廣州 510006）

鉈（Tl）是一種毒害重金屬元素，主要存在于鉀、硫化物的礦物中，其作為污染物進入環境主要是來自燃煤和金屬冶煉。土壤中鉈離子活躍，比砷（As）、汞（Hg）等重金屬更容易被農作物吸收和積累［1］，進而通過食物鏈進入人體并發生累集，對人體健康造成危害［2］。鑒于鉈的毒害性，美國、歐盟及我國均已將其列為重點防控的重金屬污染物之一。

鉈具有一價和三價兩種價態。研究普遍認為Tl+比T13+更穩定，是環境中的主要存在形式而得到更多關注，T13+的研究相對較少［3］。但是T13+毒性是T1+的數千倍［4］，對生物影響更大。目前階段有關鉈的環境生物研究主要是以總量鉈的生物效應為主［5］，沒有區分Tl+和T13+對生物的影響。然而，在冶煉工業中，鉈是Tl+和Tl3+混合的釋放源，意大利廢棄礦區溪流中T13+含量占總鉈量的40%［6］。針對環境中Tl+和Tl3+共存的現狀，研究植物對Tl+與Tl3+吸收積累的特征，對進一步明確植物吸收鉈的機制，用于植物環境修復和保障農作物食品安全有重要意義。

鉈是鉀的化學類似物，Tl+與K+有相近的離子半徑［7］，Tl+吸收入植物根系的形式可能與K+類似［8］。在淡水浮游生物小球藻的毒性試驗中，Tl+與K+之間存在競爭作用，K+摩爾濃度為Tl+的40～160倍，可以有效抑制植物對鉈的吸收［9］。K+與T13+共存是否也會存在競爭而影響植物對T13+的吸收未見相關報道。

蕨類植物普遍對重金屬具有較強的富集或耐受性［10］；十字花科植物也具有較強的鉈富集能力［11］。本研究選取4種華南地區常見植物腎蕨（Nephrolepis auriculataL.）、十字花科植物菜心（Brassica campestrisL.）和甘藍（Brassica oleraceaL.）以及水生植物狐尾藻（Myriophyllum verticillatumL.）為材料，利用水培培養方法，開展這4種植物對Tl+和Tl3+的吸收速率、富集量，植物體內鉈價態存在形式及K+是否影響植物對Tl+和Tl3+吸收的研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

采集蕨類植物（腎蕨）、水生植物（狐尾藻）和十字花科植物（菜心、甘藍），每種植物選擇健狀、生長量一致的植株，將根部沖洗干凈后放入清水中培養2 d后，用于實驗。實驗所用容器為250 mL燒杯或100 mL玻璃瓶，瓶口用保鮮膜密封。植物培養均在恒溫光照培養箱中進行，試驗期間保持植物根部以下浸沒在水培溶液中。

1.2 4種植物對Tl+和Tl3+吸收的比較實驗

用TlNO3和去離子水配制鉈母液，使用時取適量鉈母液加入去離子水稀釋配置出不同濃度的Tl+溶液。Tl3+實驗組用過量3%溴水將溶液中的Tl+氧化為Tl3+，80℃水浴加熱去除剩余溴后獲得。調節Tl+和Tl3+水培溶液pH值為6.0，以適應植物水培實驗。將選取的供試植物分別放入Tl+和Tl3+培養液中，每實驗組重復3次，同時以去離子水作空白對照，置于恒溫光照培養箱，溫度為22（±1）℃ ，每天光照12 h培養。每隔24 h對Tl+和Tl3+水培溶液的鉈濃度進行測量。將植物在105℃下烘干4 h后測其干重，計算植物對Tl吸收量。

1.3 K+ 影響Tl+和Tl3+吸收的比較實驗

在植物放入培養液之前，Tl+和Tl3+溶液中按比例添加KNO3，使Tl+或Tl3+與K+比例分別為 1∶1、1∶25，以不添加 K+的 Tl+和 Tl3+溶液作對照，每個價態設3個處理（Tl，Tl∶K=1∶1，Tl∶K=1∶25），每個處理3次重復，置于恒溫光照培養箱，溫度為22（±1）℃ ，每天光照12 h培養，相同水培時間內測定植物鉈含量，比較植物對2種價態鉈的吸收能力。

1.4 植物鉈價態及含量測定方法

植物樣品中鉈價態的分析及含量測定參照文獻［12-13］。待測植物根部樣品處理：將植物地上部分和地下部分分開，吸干根部表面水分，測定各樣本鮮重，再對根部進行稀酸浸泡處理15 h后過濾浸泡液。將過濾后的植物樣品待測液3 mL、1 mol/L鹽酸0.5 mL、2.0 g/L羅丹明B溶液0.5 mL及乙醚2 mL加入到10 ×100 mm的平口玻璃管中。充分振蕩后靜置反應30 min至分成清晰的醚、水兩相，用膠頭滴管吸取分開兩相。在乙醚相中加入10 g/L亞硫酸鈉1 mL與1滴1∶1硫酸后放置4 h，使乙醚揮發，后加水至4 mL。經0.45 μm濾膜過濾2次后，用火焰原子吸收法（iCE 3500火焰原子吸收分光光度計，Thermo Electron Corporation）測定水相與乙醚相中的Tl含量（水相中為Tl+含量，乙醚相中為Tl3+含量）。

培養液中鉈含量測定方法：定期取植物水培溶液，利用相同方法及條件進行鉈含量檢測。

試驗數據用Excel和SPSS軟件進行統計分析，其中方差分析用One-way ANOVA法。

2 結果與分析

2.1 鉈處理液濃度的確定

試驗比較了2種鉈濃度（以Tl+為測試液，10 μmol/L和25 μmol/L）下菜心和狐尾藻對Tl的吸收能力，為后續試驗確定適宜的鉈溶液濃度。試驗結果見圖1，2種鉈濃度處理狐尾藻與菜心均隨處理時間的延長，溶液中Tl濃度逐漸下降，但2種植物對鉈吸收的速率不同：狐尾藻在處理0～24 h，鉈溶液濃度快速下降，處理24～72 h吸收放緩；而菜心在處理0～72 h，鉈溶液濃度平緩下降，沒有明顯的快速下降階段，處理24 h菜心對鉈的吸收速率明顯低于狐尾藻。同時，以10、25 μmol/L Tl溶液處理的2種植物，均表現出濃度越高，植物的吸收速率越大。由此可見，2種植物在同一鉈濃度處理的吸收速率不同，狐尾藻高于菜心；25 μmol/L鉈濃度處理的2種植物對鉈的吸收效果更明顯，更便于檢測。據此，將后續實驗Tl測試濃度確定為25 μmol/L較為合適。

圖1 狐尾藻與菜心2種鉈濃度處理的吸收差異

2.2 4種植物對Tl+和Tl3+吸收速率比較

在Tl+和Tl3+兩種鉈濃度下對4種植物分別處理24 h的結果顯示，在不同植物中兩種價態鉈的吸收情況表現不同。從圖2可以看出，在單位時間下每單位鮮重根對鉈的吸收速率表現為：腎蕨、狐尾藻、菜心對Tl3+的吸收速率較Tl+快，而甘藍對于Tl+的吸收速率則較Tl3+稍快。其中，腎蕨對Tl3+的吸收速率最大；同時，腎蕨與甘藍對Tl+的吸收速率均高于狐尾藻和菜心。可見，在4種植物中，腎蕨均表現出對Tl+和Tl3+的較大吸收速率。

圖2 4種植物對兩種價態鉈的吸收速率比較

2.3 Tl+和Tl3+在植物中富集比較

2.3.1 Tl+和Tl3+在植物總富集量比較 因取用多種植物作為試驗材料，不同植物種類間含水量存在較大差異，為減少試驗樣品個體對實驗的誤差影響，均采取植物總干重（DW，地上和地下部分總和）計算不同植物對鉈的總富集量。由表1可知，2種價態鉈處理對植物鉈富集量影響不同，不同植物對Tl+和Tl3+富集量也有差異：Tl+處理的狐尾藻的鉈富集量最低；Tl3+處理甘藍的鉈富集量顯著低于其他植物；Tl3+處理的腎蕨、狐尾藻、菜心的鉈富集量較Tl+處理高，而Tl+處理的甘藍的鉈富集量則高于Tl3+處理。菜心在兩種價態鉈處理下都表現出較高的鉈富集。

表1 兩種價態鉈處理4種植物的鉈總富集量 （mg/kg，DW）

2.3.2 Tl+和Tl3+在植物根部富集量比較 圖3顯示，Tl+或Tl3+處理下4種植物根部的鉈富集量分別占植物總富集量的50%～70%左右，表明2種價態鉈短期處理下，植物對鉈的吸收富集都主要集中在根部。

圖3 兩種價態鉈處理4種植物根部鉈富集量占比

由表2可知，Tl+或Tl3+處理4種植物根部干重的鉈富集量差異情況與總鉈富集量的表現大體一致：Tl+處理狐尾藻根部鉈富集量最低；Tl3+處理甘藍根鉈富集量顯著低于其他植物；Tl3+處理腎蕨、狐尾藻、菜心根部鉈富集量較Tl+處理高，而Tl+處理甘藍根部鉈富集量則高于Tl3+處理。菜心較其他植物在兩種價態鉈處理下根部都表現出較高的鉈富集。

表2 兩種價態鉈處理4種植物根部鉈富集量 （mg/kg，DW）

2.4 植物根部鉈的價態特征

由圖4可知，Tl3+處理的4種植物根部都檢測到Tl+和Tl3+存在，而且Tl+的含量較Tl3+高很多，均達到70%以上。表明植物體內Tl的價態主要以Tl+形式存在。

2.5 K+影響Tl+和Tl3+在甘藍中的富集

從表3可以看出，兩種價態鉈處理添加鉀比例為Tl∶K=1∶1時，甘藍不同部位的鉈含量與對照相近；當Tl∶K=1∶25時，兩種價態鉈處理的甘藍地上部及地下部對鉈的富集量均比對照有所降低。這反映了K+抑制甘藍對Tl+和Tl3+的吸收，需要K在較高比例下實現。在添加K+后，根系對兩種價態鉈的富集量均顯著下降。表明K+對Tl+和Tl3+均具有拮抗抑制作用，可以影響甘藍對Tl+和Tl3+的鉈富集。

圖4 Tl3+處理4種植物根部兩種價態鉈含量占比

表3 鉀添加對兩種價態鉈處理甘藍不同部位鉈含量的影響 （mg/kg，DW）

3 結論與討論

3.1 不同植物對Tl+和Tl3+吸收特性

相關研究表明，鉈在植物中的含量與植物種類、土壤中鉈的結合形態和土壤中鉈的含量有關。本試驗中，隨著鉈水培液初始濃度由10 μmol/L增加至25 μmol/L，可促進腎蕨、狐尾藻、菜心、甘藍等4種植物對鉈的吸收效果，在較高鉈濃度下植物對鉈的吸收能力有所提高。鉈的形態分析顯示Tl3+在酸性溶液中更具穩定性，而田間樣品分析表明，僅酸化環境不足以維持Tl+和Tl3+的原始分布狀況［14］。對于一種鉈的高累積植物白芥（Sinapis alba），其對Tl+具有高度耐受性，能夠將大量的Tl+積累并運送到植物地上部。除對Tl+的優勢吸收外，在尾礦沉積物存在下的植物提取物中也發現了可觀量的Tl3+（占總鉈含量約 10%）［15］。

本試驗中，腎蕨、狐尾藻、菜心對Tl3+的吸收速率較Tl+快，而甘藍對于Tl+的吸收速率則比Tl3+稍快。4種植物中，腎蕨均表現出對Tl+和Tl3+的較大吸收速率，分別為0.004、0.007 mg/g·h。本研究結果還表明，植物對兩種價態鉈的吸收富集都主要集中在根部（約占植物總鉈富集量的50%～70%左右），Tl+或Tl3+處理的4種植物在植物總鉈富集量和根部鉈富集量的表現大體一致。甘藍在Tl3+處理下的鉈富集量為255.22 mg/kg（DW），顯著低于其他植物，但其在Tl+處理下的鉈富集量高于Tl3+處理。總體上，Tl3+處理狐尾藻的鉈富集量最大，為681.97 mg/kg（DW）；Tl+處理甘藍的鉈富集量最大，為473.30 mg/kg（DW），Tl+和Tl3+處理菜心都具有較高的鉈富集。

植物根部的鉈價態分析表明，無論Tl+或Tl3+處理，不同植物品種根部富集鉈大部分都以Tl+形式存在。特別是Tl3+處理，最終植物體內檢測到的Tl+可以達到70%以上，這可能是植物根系吸收Tl3+進入植物體還原為Tl+，隨后以Tl+為主導在植物體內鉈富集。因Tl+的毒性要遠遠小于Tl3+，通過價態轉化在植物體內的鉈被還原成Tl+，這可能是植物解鉈毒害的機理之一。

Villaverde等［16］曾提出一個潛在的損害生物細胞膜的機理，即Tl+與磷酸酯膜相互作用，并且增加了膜的滲透性。Tl3+的毒性是Tl+的5 000倍，但Tl+和Tl3+都有增強細胞活性氧產量、降低線粒體的功能［17］。這些生理上的變化可能是引起不同植物對Tl+和Tl3+吸收差異的原因。

3.2 K+對Tl+和Tl3+在植物中富集的影響

在受到鉈污染種植土壤的周邊農作物中，Tl在番薯、生菜、茄子、毛豆、芋頭、油麥菜6種農作物中的含量變化范圍為20.69～176.7 mg/kg，表現出明顯的生物富集效應［18］。本試驗結果表明，Tl+處理甘藍地上部和地下部的鉈含量均高于Tl3+處理，其中地下部的鉈含量更是遠大于Tl3+處理地下部的鉈含量，表明甘藍對Tl+的吸收富集能力較Tl3+強。

類似磷與砷的相互關系中，有研究表明營養液中增加磷含量能減少植物對砷的吸收，增強植物對砷的耐受能力。不同砷濃度處理下地上部磷與砷含量存在顯著相關性，說明對磷吸收能力強的植物對砷的吸收能力也強。這可能與磷砷共用一個轉運通道及其吸收受同一個基因控制有關［19］。大豆通過調節各部位氮、磷、鉀含量來適應砷污染環境，高砷毒害的實質是通過抑制大豆根系和莖葉中的氮、磷、鉀養分向地上部分和大豆籽粒轉移從而抑制地上部分的生長和大豆籽粒的形成［20］。由于Tl+和K+的離子半徑相近，Tl+往細胞中的傳輸很有可能是通過Na+/K+聯合傳輸機制實現，研究還表明植物組織中Tl的形態主要是Tl+［21］，因相較Tl3+難與別的配位基團形成絡合物。這也是在植物吸收系統中Tl+和Tl3+與鉀競爭關系的重要原因。在K+影響Tl+和Tl3+吸收的比較實驗中，結果表明Tl∶K=1∶1時K+對Tl+和Tl3+在植物中富集的影響不明顯，在Tl與K比例為1∶25時，兩種價態鉈處理下甘藍地下部的鉈含量出現明顯減少。K+對Tl+和Tl3+均具有拮抗抑制作用，可影響植物對Tl+和Tl3+的富集。在有大量K+存在下的鉈水培溶液中，能起到減弱植物對Tl+和Tl3+吸收富集的效用。

還有研究表明，Tl在甘藍、披針葉屈曲花等十字花科植物體中的富集，與植物體對土壤中Ca和Mg的吸收具有明顯的正相關性，可能是Ca和Mg起到了促進植物抗毒性的作用。本試驗對于Tl+和Tl3+與鉀的相互影響僅選取甘藍一種植物，需增加植物種類進一步驗證K+對Tl+和Tl3+的拮抗抑制作用，為K+與Tl+和Tl3+的相互關系研究提供理論數據。

綜上所述，植物對Tl+和Tl3+的吸收速率與鉈富集量在不同植物中表現有所不同。腎蕨對Tl3+具有更快的吸收速率，甘藍對Tl+和Tl3+吸收速率表現相近。狐尾藻對Tl3+有較大的鉈富集量，甘藍對Tl+有較大的鉈富集量。總體上，腎蕨表現出對Tl+和Tl3+的較大吸收速率，菜心對Tl+和Tl3+都具有較高的鉈富集量。植物根部的鉈價態分析表明，無論試驗中所用鉈源是一價鉈或三價鉈，通過根系吸收進入植物體內的鉈存在形式都以一價鉈為主導。K+不僅對Tl+具有拮抗抑制作用，并且也會降低植物對Tl3+的鉈富集量。水培實驗下植物對Tl+的鉈富集量比Tl3+更高，植物對兩種價態鉈的吸收富集明顯集中在根部。

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