化学论文 空心莲子草对金属铅的富集作用研究

空心莲子草对金属铅的富集作用研究
摘要：为了了解在重金属铅污染的环境下，植物对重金属离子的富集能力，本文以空心莲子草（Alternanthera philoxeroides（Mart.）Griseb.）为研究对象，在不同铅浓度胁迫下水培，研究空心莲子草的根、茎、叶对重金属铅的富集能力。

采用二甲酚橙分光光度法，测定空心莲子草的根、茎、叶中重金属铅的含量。

实验结果表明：空心莲子草对铅有较强的富集能力，其不同部位对铅的富集能力明显不同。

根部对铅的富集能力强于叶部和茎部。

空心莲子草根部、茎部和叶部铅富集量随着培养天数和金属胁迫浓度的增加而增加。

培养液中铅浓度越高，胁迫时间越长，植株体内铅含量越高，当铅浓度达到一定值后，由于重金属的毒害作用，导致植株生长出现病发症状。

关键词：空心莲子草，铅，重金属胁迫，毒害作用
Study on enrichment of metallic lead in
Alternanthera philoxeroides.
Abstract: In order to understand the heavy metal lead enrichment capability of plants in the heavy mental pollution.The article take Alternanthera philoxeroides as the object of study, make different lead concentration in water stress culture, study the enrichment capability of its roots and leaves. Using Iodine-Rhodamine B-polyvinyl alcohol photometric to determine the lead content in its roots,neck and leaves.Results show that the lead content in its roots,neck and leaves increased with incubation time. The ability of its different parts are significantly different. The enrichment capability of roots are stronger than leaves and neck. With the incubation time increased ,the higher the concentration of lead, the higher lead content of plants.But after a certain time the toxicity of heavy metal cause the plants can no longer enriched mercury even lead its death.
Key words:Alternanthera philoxeroides；lead；heavy metal stress；toxic effects
目录
1. 引言 (3)
1.1铅污染现状及其影响 (4)
1.2 铅污染治理与修复 (4)
1.3 铅对植物的影响 (4)
1.4本课题研究的目的和意义 (5)
2.材料与方法 (5)
2.1实验材料 (5)
2.2实验仪器设备及试剂 (5)
2.2.1仪器与设备
2.2.2分析试剂
2.2.3 试剂配制
2.2样品采集及水培模拟 (6)
2.2.1 空心莲子草采样
2.2.2 重金属胁迫液浓度设定
2.2.3 空心莲子草的模拟胁迫培养
2.2.4 实验前样品处理及实验注意事项：
2.3重金属铅含量检测方法 (7)
2.3.2样品消解
2.3.3样品铅含量检测方法
3. 结果 (8)
3.1重金属胁迫对空心莲子草生长的影响 (8)
3.2空心莲子草不同胁迫时间铅含量测定结果 (9)
3.2.1空心莲子草培养7天后不同部位中铅富集量
3.2.2 空心莲子草培养14天后不同部位中铅富集量
3.2.3空心莲子草培养21天后不同部位中铅富集量
3.2.4 空心莲子草培养28天后不同部位中铅富集量
3.2.5 空心莲子草培养35天后不同部位中铅富集量
3.3空心莲子草不同植物部位的铅含量测定结果 (11)
3.3.1空心莲子草叶内铅含量变化结果
3.3.2空心莲子草根部铅含量变化结果
3.3.3空心莲子草茎部铅含量变化结果
4. 讨论 (12)
4.1空心莲子草不同植株部位富集能力比较 (12)
4.2不同胁迫浓度下空心莲子草富集能力比较 (13)
4.3不同胁迫时间空心莲子草富集能力比较 (13)
4.4重金属铅胁迫对空心莲子草生长发育的毒害作用 (13)
5.结论与展望 (13)
5.1结论 (13)
5.2展望 (13)
参考文献 (14)
致谢 (17)
1. 引言
空心莲子草（Alternanthera philoxeroides）产地在巴西，又称为水花生、革命草、喜旱莲子草。

它是一种危害性比较大的入侵物种。

它生长比较迅速、抗逆性强，在水、陆两地都能很好的生长。

主要利用自己的宿根和地下茎来进行越冬，依靠根茎等营养器官进行无性繁殖[1]。

自身有一定的药用价值，被列为中国首批外来入侵种。

铅对人体具有一定的毒害作用，且其毒害作用相对而言具有一定的潜伏性和长期性[2]。

因而研究空心莲子草对重金属铅的富集，为植物修复重金属污染提供了参考依据。

1.1 铅污染现状及其影响
铅作为一种常见的金属污染物，容易在动、植物组织体内积累，是世界野生动物基金会(WWF)确认的水生生态环境中最重要的重金属污染物[3,4]。

在我国，不同地方都会受到不同程度的铅污染,其中最高的地方土壤铅含量最高可达到1143μg/ g , 最低的地方也有为0.68μg/ g , 平均可达到26μg/ g[5]。

随着人类活动的加剧，生态环境已多方面受到铅的污染。

如自1923年使用四乙基铅作为汽车的抗震剂以来，随着汽车产业的发展铅的排放量不断增多，全球性的铅污染就不断地加剧。

长期使用超标的含铅废水灌溉农田，会使农产品品质下降[6]。

同时人类生活的环境铅污染加剧，使得人体中的血铅含量明显超标。

铅对人类的影响正在不断体现出来，铅污染已是一个不可忽视的环境问题。

1.2铅污染治理与修复
铅污染的土壤修复技术主要可以分化学、物理和生物修复三种方法。

物理的方法是主要是利用重金属铅在土壤中的迁移速度比较慢的特点，将土壤中的铅从土壤中转移出去的一种修复技术，主要包括隔离法、换土法、玻璃化法、淋滤法、吸附固定和电化学法；化学方法是利用化学改良剂与铅之间发生化学反应，进而对土壤中的铅进行固定、分离提取等，主要包括螯合剂调节法、化学固定法、土壤pH控制法、土壤重金属离子拮抗法和土壤氧化还原电位调节法等；20世纪90 年代迅速发展的一种治理土壤污染的新技术，是一种环境友好型治理技术，以其高效安全、持久、价廉等特点得到学者和政府的认可，随着科学技术的不断发展，生物修复技术将会具有广阔的应用空间生物修复主要包括微生物和植物修复[7] 1.3铅对植物的影响
铅元素并不是动植物体进行新陈代谢所需要的必须元素，它的存在肯定会对植物的生长发育会产生一定的影响，植物体内积累铅的形式，主要是通过自身根部对土壤中的铅进行吸收并使铅在植物体内积累。

铅在植物体内积累过多其危害体现为抑制植物光合作用和呼吸作用，以及降低植物体内生物酶的活性等，阻碍植物的正常生长，甚至使其枯萎和死亡。

铅对植物的主要影响包括：
（1）铅对植物呼吸作用的影响
在重金属铅胁迫下，空心莲子草体内的线粒体将遭到破坏，使得呼吸系统变得紊乱，从
而导致供给正常生命活动的能量减少[8]。

（2）铅对植物叶绿素含量和株高的影响
叶绿素是一种重要的光合色素。

它在光合作用的光吸收中起核心作用。

有实验表明[9]，对36种不同植物进行铅处理后，有30种植物的叶绿素含量明显比对照组偏低。

在铅的胁迫下，光合酶及叶绿素合成受到影响，导致植物的光合作用降低[10]。

在重金属铅含量较高的土壤中生长的植物，株高往往要比正常的植物低。

（3）铅对酶活性的影响
晁雷等[11]对在铅培养下的小麦叶片的过氧化物酶（POD）和超过氧化物歧化酶（SOD）进行研究发现，其活性与对照组有明显的差异（p<0.05）。

重金属胁迫下植物会产生过多的自由基，它们的积累会使植物体内抗氧化酶系统和非酶系统发生紊乱，使植物中酶活性下降[12]。

除此之外，重金属对植物的固氮酶，根系脱氧酶[13]、硝酸还原酶[14]、多酚氧化酶[14-16]等也有着抑制作用。

重金属抑制酶的活性，从而降低植物的新陈代谢，影响植物的生长发育。

而且重金属进入植物体内抑制了酶的活性，进而阻碍了叶绿体的合成[17]
1.4本课题研究的目的和意义
本论文以空心莲子草为材料，模拟重金属铅污染的水环境，考察空心莲子草在重金属铅胁迫下对铅的富集能力，用紫外可见分光光度计测定空心莲子草根部、茎部和叶部的铅含量，研究重金属铅的胁迫时间、胁迫浓度对植物体内重金属铅含量的影响，为植物修复技术在水环境污染中的应用提供理论参考。

2.材料与方法
2.1实验材料
空心莲子草2012年4月取自浙江省湖州市湖州师范学院东校区池塘。

2.2实验仪器设备及试剂
2.2.1 仪器与设备
反渗透超纯水机UP-600 (上海和泰仪器有限公司) ；
WFX-120A原子吸收分光光度计(北京瑞利分析仪器公司) ；
电子分析天平BS110S (北京赛多利斯仪器系统有限公司) ；
电热恒温鼓风干燥箱(上海越进医疗器械厂) ；
800离心机（金坛市鸿祥仪器厂）；
注：所有的玻璃仪器和塑料仪器在使用之前均以分析纯硝酸(10%-20%)浸泡24小时以上，用水反复冲洗，最后用去离子水冲洗晾干后使用。

2.2.2 分析试剂
二甲酚橙（AR分析纯，北京化工厂）；
浓盐酸(AR分析纯，衢州巨化试剂有限公司)；
浓硝酸(AR分析纯，浙江中星化工试剂有限公司) ；
氢氧化钠(AR分析纯，杭州萧山化学试剂厂）；
硝酸铅(AR分析纯，上海金山亭新化工试剂厂) ；
氟化铵（AR分析纯，宜兴市辉煌化学试剂厂）。

抗坏血酸（AR分析纯，天津市博迪化工有限公司）；
六次甲基四胺（AR分析纯，天津市北辰化学试剂厂）；
2.2.3试剂配制
500.0mg/L铅标准储备液：取799.2mg克硝酸铅，溶解在少量硝酸中（防止硝酸铅水解），再稀释，将稀释后的溶液转移到1000毫升的容量瓶中，再加水至刻度。

2.0ug/mL铅标准工作液；移取1mL500.0mg/L铅储备液于250mL容量瓶中定容制成2ug/mL铅工作液。

0.2%二甲酚橙提纯溶液：用分析天平称取0.2000克二甲酚橙溶于0.5mol/L的盐酸中，待杂质完全沉淀后，过滤除去杂质沉淀，滤液用氢氧化钠溶液中和至中性。

反复提纯三次，定容至100 mL容量瓶中。

六次甲基四胺缓冲溶液：制备：称取18g六次亚甲基四胺固体，用水稀释至100mL，加1+1硝酸溶液10mL，稀释至500mL, 用精密pH试纸测定，调节pH=5.5；
2%抗坏血酸（临时配制）：2克抗坏血酸溶于98克水中。

10%氟化铵（储于塑料瓶中）：10克氟化铵溶于90克蒸馏水中。

2.2样品采集及水培模拟
2.2.1空心莲子草采样
将空心莲子草小心的从土壤中连根拔出，然后仔细用蒸馏水洗去根部土壤和颈部、叶部的杂质，直至根部完全无土，再适当清除老根，病根和老叶黄叶，然后把空心莲子草置于吸水纸上吸掉水分，后移栽于盛有清水的水槽中，进行培养。

在25℃左右的培养室内保持12 h光照培养72 h。

2.2.2重金属胁迫液浓度设定
重金属铅胁迫液浓度设置4个浓度梯度，分别为50mg/L、100mg/L、150mg/L和200mg/L，作为实验组，以不含铅离子的营养液作为为对照组。

具体配制如下：
（1）称取0.4801g Pb(NO3)2，将它溶于盛与6L培养液的水中，并贴上标签，其Pb浓度为：50 mg/L Pb。

（2）称取0.9602g Pb(NO3)2，将它溶于盛与6L培养液的水中，并贴上标签，其Pb浓度为：100mg/L Pb。

（3）称取1.4403 g Pb(NO3)2，将它溶于盛与6L培养液的水中，并贴上标签，其Pb浓度为：150 mg/L Pb。

（4）称取1.9204g Pb(NO3)2，将它溶于盛与6L培养液的水中，并贴上标签，其Pb浓度为：200mg/L Pb。

（5）不添加Pb试剂的培养液作为对照组，设Pb浓度为0，并贴上标签：对照组。

2.2.3空心莲子草的模拟胁迫培养
将清水培养3天后的空心莲子草选取大小相近数株平均分成5份，分别小心地（叶片不能浸入水中）放入重金属铅离子浓度梯度的实验组营养液中和1盆不含重金属铅离子的对照组营养液中进行培养。

7天一循环进行取样，每个浓度取植株一株，重复取样5次。

2.2.4实验前样品处理及实验注意事项：
（1）将培养的植株用清水小心地冲洗干净，再用蒸馏水不断的冲洗，冲洗干净后用滤纸吸其干水分，然后用电子天平称量其鲜重。

（2）将植株放入实验室中的电热恒温鼓风干燥箱中，并将其温度设定在75℃。

将其烘干。

（3）将研钵、研杵和药匙等物品洗净烘干，备用。

（4）用研钵将不同铅浓度培养植株的根、颈和叶分开磨碎，并将磨碎后的根、颈和叶分开用称量纸包好后，放于干燥皿中保存待用。

2.3重金属铅含量检测方法
样品中铅含量的测定可采用二甲酚橙分光光度法、双硫腙分光光度法、火焰原子吸收法等测定方法。

本实验测量空心莲子草植株中铅的含量采用二甲酚橙（XO）光光度法，以二甲酚橙作显色剂对微量铅进行分光光度检测。

2.3.1铅标准曲线的绘制
取六个50mL洗净干燥的容量瓶，分别加入临用前配制的铅标准工作液0.00mL、2.00mL、4.00mL、6.00mL、8.00mL、10.00mL，于25mL分液漏斗中，并依此加入1mL抗坏血酸，2mL氟化铵（10%），5mL六亚甲基四胺缓冲液，摇匀，五分钟后加入1mL二甲酚橙溶液，加蒸馏水稀释至刻度，摇匀，静置，分层。

用比色皿以试剂空白测吸光度，绘制标准曲线。

铅标准溶液紫外吸收分光光度测定结果及相关系数见图2-1。

-0.100
0.000
0.100
0.200
0.300
0.4000.500
0.600
0.700
0.800
吸光度 A 铅含量C (ug)
图2-1铅标准曲线
2.3.2 样品消解
将烘干磨细的根部、茎部和叶部分别取出一份，用分析天平准确称重并记录。

将样品放入烧杯中，加入5mL 浓硝酸和10mL 蒸馏水，在电热板上微沸硝解10min 。

待冷却后将剩余少量的硝解液转入离心机的25mL 试管中，烧杯中残留液体用稀硝酸洗涤到离心管中，加蒸馏水至刻度处，做上记号。

2.3.3样品铅含量检测方法
样品中铅浓度的检测采用标准曲线法，即配制一组铅标准溶液，由低到高，依次进行检测其吸光度A 。

以测得的吸光度为纵坐标，铅标准溶液的浓度为横坐标，绘制A-c 标准曲线。

然后在相同的实验条件下，以同样的方法，测定植物样品，根据测得的吸光度，由标准曲线求出试样中待测元素的含量。

在使用标准曲线法测铅含量时注意点：
(1) 标准与试样溶液都应该用相同的试剂处理；
(2) 在整个分析实验过程中所有的操作条件应保持不变；
(3) 抗坏血酸溶液应现用现配。

3. 结果
3.1 重金属胁迫对空心莲子草生长的影响
空心莲子草对种植环境要求低，生存能力强，所以在人工配制的不同铅浓度下仍生长良好，而且表现出对铅具有一定的富集能力。

实验配制的培养液分为5组，培养液中铅的浓度分别为0.0 mg/L ，50.0 mg/L ，100.0 mg/L ， 150.0mg/L ，200.0mg/L ，空心莲子草植株在培养初期，各组的生长状况均良好，且表面上无明显差异，当空心莲子草植株培养到21天时，1-4组中的植株生长与前期表面上基本一样，略有长高，而5组中的空心莲子草植株下部叶片开始变黄，在整个培养期间空心莲子草植株并未出现枯萎死亡的情况。