顧效綱，李亞磊，張佃敏，郭一飛，吳俊峰，付紅梅

(1 鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境工程學(xué)院，河南　鄭州　450001；2 河南城建學(xué)院 市政與環(huán)境工程學(xué)院，河南　平頂山　467036；3 寶豐縣環(huán)境保護(hù)局，河南　平頂山　467400；4 中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院，北京　100083；5 國網(wǎng)河南省電力公司平頂山供電公司，河南　平頂山　467001)

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環(huán)境保護(hù)

非污染生態(tài)型蜈蚣草對(duì)砷的吸收和轉(zhuǎn)化*

顧效綱1,2，李亞磊3，張佃敏4，郭一飛2，吳俊峰2，付紅梅5

(1 鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境工程學(xué)院，河南鄭州450001；2 河南城建學(xué)院 市政與環(huán)境工程學(xué)院，河南平頂山467036；3 寶豐縣環(huán)境保護(hù)局，河南平頂山467400；4 中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院，北京100083；5 國網(wǎng)河南省電力公司平頂山供電公司，河南平頂山467001)

分析在野外條件下自然生長(zhǎng)的不同生態(tài)類型的蜈蚣草植株體內(nèi)砷的濃度差異，以及不同部位對(duì)砷的富集能力，其地上部與地下部砷濃度變化范圍分別為643.1～3009.03 mg/L、44.4～112.4 mg/L，通過進(jìn)一步闡述砷在蜈蚣草植株不同部位的形態(tài)分布情況，在此基礎(chǔ)上探討了不同種類野外生態(tài)型蜈蚣草對(duì)砷的吸收和轉(zhuǎn)化規(guī)律，了解其對(duì)砷的吸收和轉(zhuǎn)化的機(jī)理，以期對(duì)蜈蚣草的直接應(yīng)用和富集生物量大、適應(yīng)性強(qiáng)的砷超富集工程植株提供科學(xué)指導(dǎo)。

蜈蚣草；砷污染；吸收轉(zhuǎn)化

砷是一種公認(rèn)的致癌物質(zhì)，近年來，砷污染已成為全球(尤其東南亞地區(qū))急待解決的環(huán)境問題之一[1]。土壤中積累過量的As會(huì)導(dǎo)致土壤退化，農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降，對(duì)人體健康有毒害作用。我國砷污染在全球是最嚴(yán)重的國家之一，近年來砷污染事件在我國偶有所見，例如湖南石門縣雄黃(As4S4)礦區(qū)砷中毒事件[2]，僅湖北某處就有13萬畝農(nóng)田受砷嚴(yán)重污染。

以超富集植物為基礎(chǔ)的植物修復(fù)技術(shù)是目前環(huán)境科學(xué)的研

究熱點(diǎn)[3]，蜈蚣草因其具有顯著地耐高砷特征而被廣泛關(guān)注，其砷轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為1～7，砷濃度可達(dá)普通植物砷濃度的數(shù)十萬倍，羽片的砷濃度甚至超過10000 mg/kg[4]，在修復(fù)砷污染土壤方面應(yīng)用前景廣闊[5]。本文旨在分析砷在野外條件下自然生長(zhǎng)的不同生態(tài)型蜈蚣草植株體內(nèi)濃度差異以及砷在蜈蚣草植株不同部位的形態(tài)分布情況，同時(shí)探討不同生態(tài)型蜈蚣草對(duì)砷的吸收和轉(zhuǎn)化規(guī)律，以期對(duì)蜈蚣草的直接應(yīng)用和富集生物量大、適應(yīng)性強(qiáng)的砷超富集工程植株提供一定的科學(xué)指導(dǎo)。

1　不同種類非污染生態(tài)型蜈蚣草植株體內(nèi)砷濃度差異

蔡保松[6]研究了生長(zhǎng)在我國不同地區(qū)的蜈蚣草的生長(zhǎng)特性、富集特性等，結(jié)果顯示：不同的生態(tài)型蜈蚣草對(duì)砷富集量有很大的，供試基因型的地上部與地下部砷濃度變動(dòng)范圍分別為643.1～3009.03 mg/kg、44.4～112.4 mg/kg，地上部砷積累量波動(dòng)范圍為49.7～174.7 mg/kg，地上部占總砷的53%～90%，平均為79%，地下部砷積累量在0.48～2.84 mg/kg內(nèi)變化，富集系數(shù)在17～81.9內(nèi)變化，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在10.8～50.4內(nèi)變化。該項(xiàng)研究為提高植物修復(fù)效率提供了理論依據(jù)。

植物修復(fù)技術(shù)是利用超富集植物吸收并積累環(huán)境中的污染物，從而降低土壤中污染物的濃度[2]。所以，決定植物的修復(fù)效率與地上部砷的積累量有直接關(guān)系。同時(shí)，蜈蚣草修復(fù)的一個(gè)重要指標(biāo)是蜈蚣草基因型向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)砷的能力。轉(zhuǎn)運(yùn)比例大，將根部吸收的砷最大限度轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部，轉(zhuǎn)運(yùn)速度快，縮短修復(fù)時(shí)間，最后通過收割帶出土壤，達(dá)到植物修復(fù)的目的。研究表明，根吸收固定的砷向根莖轉(zhuǎn)運(yùn)的轉(zhuǎn)運(yùn)率平均為83%；根莖部吸收的砷向羽葉的轉(zhuǎn)運(yùn)率是91%～98%；根吸收的砷向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)率為73%～87%[6]，廣西南寧和湖南寶山蜈蚣草基因型總轉(zhuǎn)運(yùn)率最大，達(dá)到87%。

2　砷在蜈蚣草植株不同部位的分布形態(tài)

As在蜈蚣草內(nèi)主要以砷酸鹽、亞砷酸鹽的形式存在[7]，主要富集在羽葉中，蜈蚣草內(nèi)As的分布規(guī)律：羽葉>葉柄>根系或羽葉>地下莖>葉柄>根[8]。葉文玲等[7]通過實(shí)驗(yàn)表明羽葉中As濃度是葉柄中濃度的2.8倍，是根系濃度的13.1倍；chen等通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果，蜈蚣草羽葉、葉柄和根系A(chǔ)s濃度分別為120～1540，70～900和80～900 mg/kg。在蜈蚣草根部As主要以 As(V)形態(tài)存在，在羽葉中主要以 As(III)形態(tài)存在，另外羽葉中還存在與植物絡(luò)合素(PCs)絡(luò)合的砷，含量?jī)H占總砷的1%～3%。研究表明，砷從蜈蚣草的根部向羽葉的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中是As(V)還原成As(III)的反應(yīng)[9]，在低濃度砷處理?xiàng)l件下，根部累積的砷較少，砷固定在細(xì)胞壁上，限制其向內(nèi)部轉(zhuǎn)運(yùn)，As(III)優(yōu)先于As(V)被轉(zhuǎn)運(yùn)至地上，且蜈蚣草中As(V)的還原反應(yīng)主要在根部[10]。但是隨著砷處理濃度的升高，根中的As(V)含量逐漸開始超越根部還原能力的極限，從而出現(xiàn)As(V)和As(III)競(jìng)爭(zhēng)性的裝載轉(zhuǎn)移[10]，無法在根部還原的部分As(V)會(huì)直接轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部羽葉中，并在羽葉中被還原。這些研究表明，蜈蚣草根部和羽葉都能將As(V)還原為As(III)，但主要發(fā)生于根部，砷酸還原酶在這一反應(yīng)中起著重要作用。

3　非污染生態(tài)型蜈蚣草對(duì)砷的吸收和轉(zhuǎn)化規(guī)律

3.1非污染生態(tài)型蜈蚣草對(duì)砷的吸收

蜈蚣草具有超強(qiáng)的砷吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的能力，Huang[11]等通過用代謝抑制劑探討蜈蚣草吸收As的特性，結(jié)果顯示，蜈蚣草主要通過主動(dòng)運(yùn)輸方式吸收As(III)，被動(dòng)運(yùn)輸As(III)作用非常有限。因?yàn)槟举|(zhì)部細(xì)胞壁對(duì)陽離子具有較強(qiáng)的交換能力，金屬陽離子向上運(yùn)輸受到阻礙，As主要以亞砷酸根陰離子形態(tài)存在，減弱了木質(zhì)部對(duì)As的阻礙作用，As可以隨木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)降厣喜浚则隍疾莞患纳橹饕獌?chǔ)存在地上部[12]。

3.2非污染生態(tài)型蜈蚣草對(duì)砷的轉(zhuǎn)化

蜈蚣草能在含砷土壤中正常生長(zhǎng)的特性源于其具有特殊的抗氧化能力、液泡及毛狀體的區(qū)隔化作用以及As(V)還原成 As(III)的砷酸還原系統(tǒng)作用，也就是說蜈蚣草對(duì)砷的解毒機(jī)制與這三者息息相關(guān)。有研究結(jié)果表明，在高砷處理?xiàng)l件下，非酶抗氧化劑在解毒機(jī)制中則扮演最重要的角色，而在低砷條件下，酶抗氧化劑起著至關(guān)重要的作用[5]。李文學(xué)等的研究結(jié)果表明，能夠大量富集砷的是羽葉內(nèi)的毛狀體，它避免砷對(duì)植株的危害[13]。Lombi等[14]的研究顯示，對(duì)砷有區(qū)隔化作用的是蜈蚣草羽葉細(xì)胞中的液泡。蜈蚣草根部和羽葉都能將As(V)還原為As(III)，這一砷酸還原反應(yīng)主要發(fā)生于根部，砷酸還原酶在這一反應(yīng)中起著重要作用，PvACR2是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的蜈蚣草砷酸還原酶基因[15]。

4　結(jié)　論

(1)蜈蚣草對(duì)砷的吸收是通過主動(dòng)運(yùn)輸方式實(shí)現(xiàn)，砷是通過一種特殊的水通道蛋白進(jìn)入細(xì)胞，這種蛋白的具體機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。吸收的大部分砷主要儲(chǔ)存在地上部，在低砷環(huán)境下，砷在根部發(fā)生砷酸還原反應(yīng)，迅速由As(V)還原成 As(III)；而在高砷條件下，As并不完全在根部發(fā)生還原反應(yīng)，達(dá)到一定極限，便先通過水通道蛋白轉(zhuǎn)移到地上部羽葉，在羽葉中發(fā)生還原反應(yīng)。蜈蚣草具有的這種特殊的砷酸還原系統(tǒng)也是其解毒機(jī)制之一，此外，還有毛狀體以及液泡的特殊區(qū)隔化作用。

(2)雖然蜈蚣草對(duì)砷的富集特征和砷在蜈蚣草中的形態(tài)與轉(zhuǎn)化等方面已取得了重大進(jìn)展，但還缺乏相關(guān)機(jī)理方面的深入研究，蜈蚣草根部所能承受的還原能力極限有待進(jìn)一步深入探討，另外，土壤往往成分復(fù)雜，所含重金屬不僅局限于砷，對(duì)于復(fù)合污染型土壤如何利用蜈蚣草進(jìn)行修復(fù)鮮有報(bào)道，單一的蜈蚣草修復(fù)技術(shù)可能難以達(dá)到預(yù)期效果，嘗試與物理、化學(xué)、微生物相結(jié)合的方式來提高植物修復(fù)效率可能是未來的一個(gè)發(fā)展方向。

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[8]肖細(xì)元.蜈蚣草的某些營養(yǎng)特性及富砷機(jī)理研究[D].長(zhǎng)沙:湖南農(nóng)業(yè)大學(xué),2003.

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Non-polluting Ecological Centipede Grass on Arsenic Absorption and Transformation*

GUXiao-gang1,2，LIYa-lei3，ZHANGDian-min4，GUOYi-fei2，WUJun-feng2，F(xiàn)UHong-mei5

(1 College of Water Conservancy and Environmental Engineering，Zhengzhou University，Henan Zhengzhou 450001；2 College of Municipal and Environmental Engineering，Henan University of Urban Construction，Henan Pingdingshan 467036；3 The Environmental Protection Agency of Baofeng County，Henan Pingdingshan 467400；4 China Petroleum Planning and Engineering Institute and Natural Gas Company，Beijing 100083；5 State Grid Electric Power Company Pingdingshan in Henan power company，Henan Pingdingshan 467001, China)

Arsenic of the concentration difference in field conditions to natural growth of different ecological types of centipede grass plant body was analyzed, as well as different parts of arsenic enrichment capacity, the arsenic concentration in aboveground and belowground variation range was 643.1～3009.03 mg/L and 44.4～112.4 mg/L. Arsenic in the form of centipede grass plants in different parts of the distribution was further illustrated, on this basis, the effect of different types of centipede grass field ecotype absorption and transformation law of arsenic was discussed, understanding the mechanism of absorption and conversion of arsenic, provided scientific guidance to direct application of centipede grass, enrichment large biomass and adaptable arsenic hyperaccumulation engineering plant.

ciliate desert-grass; arsenic pollution; absorption and transformation

河南省科技廳重點(diǎn)資助項(xiàng)目(NO: 142102310244)。

顧效綱(1989-)，男，在讀碩士研究生，研究方向：水污染控制及資源化利用。

郭一飛。

X53

A

1001-9677(2016)012-0138-03