根表铁锰膜对不同生育期水稻吸收和转运As的影响_胡莹

我国不 仅 是 大 米 的 主 要 生 产 国，也 是 大 米 的 消费大国。据统计，我国年均生产稻谷 １ ．８７ 亿 ｔ ， 约占世界 稻 谷 产 量 的 ３５ ％ ［１］ 。近 年 来，由 于 工 农 业生产的 迅 猛 发 展，土 壤 Ａｓ 污 染 问 题 日 益 严 重， 与其他粮食作物（大麦、小麦等） 相比，水稻籽粒对 Ａｓ 有较强的富集能力［２］ ，使得 Ａｓ 通过食物链进入 人体的风险加大，因此水稻中 Ａｓ 的健康风险研究 受到人们的广泛关注。
Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｕｒｂａｎ ａｎｄ Ｒｅｇｉｏｎａｌ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｅｃｏ-Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｃｈｉｎｅ， Ｃｈｉｎａ
Influence of Iron and Manganese Plaque on Root Surface on Arsenic Uptake and Translocation by Rice （ Oryza sativa L． ） at Different Growth Stages
Ｈｕ Ｙｉｎｇ， Ｈｕａｎｇ Ｙｉｚｏｎｇ＊ ， Ｈｕａｎｇ Ｙａｎｃｈａｏ， Ｌｉｕ Ｙｕｎｘｉａ
2013 年 第 8 卷 第 2 期，163-171
生态毒理学报
Ａｓｉａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｃｏｔｏｘｉｃｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ． ８ ， ２０１３ Ｎｏ．２ ， １６３ -１７１
DOI： 10． 7524 / AJE． 1673-5897． 20130121001 胡莹，黄益宗，黄艳超，等． 根表铁锰膜对不同生育期水稻吸收和转运 As 的影响［J］． 生态毒理学报，2013，8（ 2） ： 163-171 Hu Y，Huang Y Z，Huang Y C，et al． Influence of iron and manganese plaque on root surface on arsenic uptake and translocation by rice （ Ｏｒｙｚａ ｓａｔｉｖａ Ｌ．） ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｒｏｗｔｈ ｓｔａｇｅｓ ［Ｊ］． Ａｓｉａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｃｏｔｏｘｉｃｏｌｏｇｙ， ２０１３ ， ８ （２ ）： １６３ -１７１ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
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生态毒理学报
第８ 卷
ｅｒｉｎｇ ｓｔａｇｅ， ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ８７ ．８ ％ ａｎｄ ６７ ．１ ％ ， ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｍａｔｕｒｅ ｓｔａｇｅ． Ａｔ ｔｉｌｌｅｒｉｎｇ ｓｔａｇｅ， ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｂｏｔｈ ｉｎ ｒｏｏｔｓ ａｎｄ ｓｈｏｏｔｓ ａｎｄ ＤＣＢ-Ｆｅ （ｏｒ ＤＣＢＭｎ）， ｗｈｉｌｅ ａｔ ｂｏｏｔｉｎｇ ｓｔａｇｅ， ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｂｏｔｈ ｉｎ ｒｏｏｔｓ ａｎｄ ｓｈｏｏｔｓ ａｎｄ ＤＣＢ-Ｆｅ． Ｉｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｉｒｏｎ ａｎｄ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｐｌａｑｕｅ ｏｎ Ａｓ ｕｐｔａｋｅ ａｎｄ ｔｒａｎｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｂｙ ｒｉｃｅ ｗａｓ ｖａｒｉｏｕｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｒｏｗｔｈ ｓｔａｇｅｓ． Ａｓ ｍａｉｎｌｙ ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｉｎ ｉｒｏｎ ａｎｄ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｐｌａｑｕｅ ｆｏｒ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｒｉｃｅ ｃｕｌｔｉｖａｒｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｒｏｗｔｈ ｓｔａｇｅｓ， ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｕｐ ｔｏ ６２ ．９ ％ -８４ ．９ ％ ｏｆ ｔｏｔａｌ Ａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ． Ｔ ｈｅ ｔｒａｎｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ Ａｓ ｆｒｏｍ ｉｒｏｎ ａｎｄ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｐｌａｑｕｅ， ｒｏｏｔ ａｎｄ ｓｈｏｏｔ ｔｏ ｓｅｅｄ ｆｏｒ ＮＫ５７ ｗｅｒｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｆｏｒ ｃｕｌｔｉｖａｒ ＹＤ６ ． Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ ， Ａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｅｅｄ ｆｏｒ ＮＫ５７ ｗａｓ ２ ．１ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ＹＤ６ ． Ｉｔ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈａｚａｒｄｓ ｏｆ Ａｓ ｔｏ ｈｕｍａｎ ｈｅａｌｔｈ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ａｖｏｉｄｅｄ ｂｙ ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ ｒｉｃｅ ｃｕｌｔｉｖａｒｓ ｗｉｔｈ ｌｏｗ Ａｓ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｃｕｌｔｉｖａｔｅ． Keywords： ｓｏｉｌ； ｒｉｃｅ； ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｒｏｗｔｈ ｓｔａｇｅｓ； Ａｓ； ｉｒｏｎ ａｎｄ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｐｌａｑｕｅ
水生植 物 包 括 水 稻，由 于 长 期 生 长 在 渍 水 条 件 下 ，为 了 适 应 厌 氧 环 境 ，其 在 进 化 过 程 中 形 成 了 大量的通气组织，将 大 气 中 的 氧 气 通 过 叶 片 输 送 到根系，再由 根 系 将 这 部 分 氧 气 和 其 他 氧 化 性 物 质释放到 根际中，导 致 渍 水 土 壤 中 的 还 原 性 物 质 Ｆｅ２ ＋ 、Ｍｎ２ ＋ 被氧化形成铁锰氧化物 并 在 植 物 根 表 沉 积［３］ 。研 究 发 现，草 芦 （ Ｐｈａｌａｒｉｓ ａｒｕｎｄｉｎａｃｅａ Ｌ．） 根表铁 膜主要 由 ６３ ％ 水 铁 矿、３２ ％ 针 铁 矿 和 ５ ％ 的菱铁矿组成［４］ 。薛培英等［５］ 的研究表明，水稻根 表铁 膜 主 要 以 无定型态铁 和 结 晶 态 铁 为 主 （ ＞ ９０ ％ ）。由于铁膜具有两性胶体的特性，所以其对 土壤 中 的 重 金 属 （ 如 Ｃｕ、Ｎｉ 和 Ｚｎ）［６-７］ 以 及 Ａｓ［８］ 、 Ｐ ［９］ 等都有一定的吸附作用，从而影响植物对这些 元素的吸收和转运。尽管植物根表形成的铁膜量 要比锰膜量多，但是锰膜对Ｃｕ 的吸附能力要强于 铁膜［１０-１１］ 。 近 年 来 有 关 根 表 铁 膜 对水稻 吸 收 Ａｓ 的影响已有不少报道［８，１２］ ，但是对于不同生育期水 稻形成根表铁锰膜及其对 Ａｓ 吸收和转运规律的 研究还 很 少。本 文 采 用 土 壤 盆 栽 实验法 研 究 Ａｓ 污染胁迫 下 水 稻 分 蘖 期、孕 穗 期 和 成熟期 形 成 根 表铁锰膜的差异，及其对水稻吸收转运Ａｓ 的影响， 为 Ａｓ 污染土壤防治和保障 Ａｓ 污染地区人体健康 提供理论依据。
根表铁锰膜对不同生育期水稻吸收和转运 As 的影响
胡莹，黄益宗＊ ，黄艳超，刘云霞
中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 １０００８５
摘要： 采用土壤盆栽试验法，研究不同生育期水稻根表铁锰膜形成及其对 Ａｓ 吸收和转运的影响。结果表明，两个水稻品种 ＹＤ６ 和 ＮＫ５７ 均在分蘖期形成的铁锰膜量最多，成熟期形成的铁锰膜量最少。水稻根系和茎叶吸收积累 Ａｓ 随着水稻不同品种和不同生育 期变化较大，Ａｓ 的吸收和积累与铁锰膜形成存在相关性。与分蘖期相比，ＹＤ６ 和 ＮＫ５７ 成熟期根系 Ａｓ 含量分别减少 ８１ ．６ ％ 和 ６２ ．１ ％ 。孕穗期 ＹＤ６ 和 ＮＫ５７ 茎叶 Ａｓ 含量分别比分蘖期减少 ８６ ．４ ％ 和 ６５ ．５ ％ ，比成熟期减少 ８７ ．８ ％ 和 ６７ ．１ ％ 。分蘖期水稻 根系和茎叶 Ａｓ 含量与 ＤＣＢ-Ｆｅ 或 ＤＣＢ-Ｍｎ 浓度均呈显著的负相关关系，而孕穗期水稻根系和茎叶 Ａｓ 含量与 ＤＣＢ-Ｆｅ 浓度呈显著的 正相关关系，说明不同生育期铁锰膜对水稻植株吸收和转运 Ａｓ 的影响不同。两个水稻品种不同生育期，Ａｓ 均主要富集和分配在根 表铁锰膜中，铁锰膜中 Ａｓ 的分配比率达 ６２ ．９ ％ ～ ８４ ．９ ％ 。ＮＫ５７ 从根表铁锰膜、根系和茎叶向籽粒转运 Ａｓ 的能力比 ＹＤ６ 强，籽 粒中 Ａｓ 含量是 ＹＤ６ 的 ２ ．１ 倍。结果表明可以通过选育 Ａｓ 低积累和低转运的水稻品种，来降低污染地区 Ａｓ 对人体健康的威 胁。 关键词： 土壤； 水稻； 不同生育期； 砷； 根表铁锰膜 文章编号： １６７３ -５８９７ （ ２０１３ ） ２ -１６３ -０９ 中图分类号： Ｘ１７１ ．５ ； Ｒ９９４ ．６ 文献标识码： Ａ
1 材料与方法（ Materials and methods） １ ．１ 供试土壤
土壤采自湖南省新马村 Ａｓ 污染稻田，土壤经 风干、研磨、过筛（２ ｍｍ）保存备用。土壤 ｐＨ 值 ５ ． ８０ ，有机质 ４ ．４３ ｇ·ｋｇ-１ ，阳离子交换容量 ４ ．２３ ｃｍｏｌ ·ｋｇ-１ ，总 Ｆｅ 含量 ２３ ．２ ｇ·ｋｇ-１ ，总 Ａｓ 含量 １９ ．１ ｍｇ· ｋｇ-１ ，总 Ｍｎ 含量 １６０ ．７ ｍｇ·ｋｇ-１ 。分析方法参照鲁 如坤编著的《土壤农业化学分析方法》［１３］ 。土壤中 Ａｓ、Ｆｅ 和 Ｍｎ 全 量 检 测 采 用 王 水-高 氯 酸 消 解， ＩＣＰ -ＯＥＳ（Ｏｐｔｉｍａ ２０００ ＤＶ，Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ，ＵＳＡ） 和 ＩＣＰ -ＭＳ（７５００ ａ，Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔ ｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ＵＳＡ） 测 定， 空白和标准物质 ＧＢＷ０７６０５ （国家标准物质中心） 的处理与样品同步进行，以确保测定的准确度。 １ ．２ 供试水稻
Received ２１ Ｊａｎｕａｒｙ ２０１３ accepted ３１ Ｊａｎｕａｒｙ ２０１３
Abstract： Ｔ ｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｒｏｎ ａｎｄ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｐｌａｑｕｅ ｏｎ ｒｏｏｔ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｌａｑｕｅ ｏｎ ａｒｓｅｎｉｃ ｕｐｔａｋｅ ａｎｄ ｔｒａｎｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｉｃｅ （Ｏｒｙｚａ ｓａｔｉｖａ Ｌ．） ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｒｏｗｔｈ ｓｔａｇｅｓ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ ｐｏｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ． Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｂｏｔｈ ｏｆ ｃｕｌｔｉｖａｒ ＹＤ６ ａｎｄ ＮＫ５７ ｈａｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ａｍｏｕｎｔｓ ｏｆ ｉｒｏｎ ａｎｄ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｐｌａｑｕｅ ａｔ ｔｉｌｌｅｒｉｎｇ ｓｔａｇｅ， ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏｗｅｓｔ ｏｎｅ ａｔ ｍａｔｕｒｅ ｓｔａｇｅ． Ａｒｓｅｎｉｃ ｕｐｔａｋｅ ａｎｄ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｒｏｏｔｓ ａｎｄ ｓｈｏｏｔｓ ｖａｒｉｅｄ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｕｌｔｉｖａｒｓ ａｎｄ ｇｒｏｗｔｈ ｓｔａｇｅｓ， ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ａ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｒｏｏｔｓ ａｎｄ ｓｈｏｏｔｓ ａｎｄ ａｍｏｕｎｔｓ ｏｆ ｉｒｏｎ ａｎｄ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｐｌａｑｕｅ． Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ Ａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｒｏｏｔｓ ｆｏｒ ＹＤ６ ａｎｄ ＮＫ５７ ａｔ ｔｉｌｌｅｒｉｎｇ ｓｔａｇｅ， ｔｈｅｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ８１ ．６ ％ ａｎｄ ６２ ．１ ％ ， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ａｔ ｍａｔｕｒｅ ｓｔａｇｅ． Ａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｈｏｏｔｓ ｆｏｒ ＹＤ６ ａｎｄ ＮＫ５７ ａｔ ｂｏｏｔｉｎｇ ｓｔａｇｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ８６ ．４ ％ ａｎｄ ６５ ．５ ％ ， ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｉｌｌ-