1 沈阳师范大学生命科学学院, 辽宁 沈阳 110034
3 陕西科技大学环境科学与工程学院, 陕西 西安 710021
土壤修复是“十四五”期间国家重点支持的环保领域, 是实现社会可持续发展的重要保障。 与其他方法相比, 植物修复技术整体优势突出, 对于土壤重金属的去除净化更为有效。 原生质体是植物细胞代谢活动的重要场所, 相对于细胞壁而言, 原生质体对重金属胁迫的生理响应同样强烈。 现阶段, 同类植物修复机制研究多从分子生物学层面切入; 本研究则从谱学角度展开, 初步探究植物原生质体对土壤重金属的反馈信号。 以代表性的菊科植物金盏菊为研究对象, 通过Pb/Cd胁迫盆栽实验获取金盏菊样本, 差速冷冻离心法得到金盏菊原生质体。 引入Tessier连续提取-原子吸收光谱法(AAS)揭示胁迫强度与Pb/Cd赋存形态的内在关联, 结合X射线衍射光谱(XRD)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 二维相关红外光谱(2D-IR)和X射线光电子能谱(XPS)识别金盏菊原生质体对Pb/Cd响应的谱学表现。 结果表明: 金盏菊原生质体可交换态Pb/Cd比例不高, 胁迫强度对不同形态Cd含量影响很小。 XRD图谱最强信号出现在31.7°(NaCl晶体), 同时检测出Pb盐 [Pb5(PO4)3Cl] 和Cd盐(CdS)特征峰。 FTIR图谱的3 510 cm-1附近强吸收带源于—OH伸缩振动, 胁迫过程导致峰形杂乱、 峰位偏移; 2D-IR结果说明Pb/Cd优先与金盏菊原生质体—OH和C=O结合。 从XPS图谱可以看出, 反应前后原生质体C, O元素结合能有异。 C(1s)结合能略有增加, 说明C原子参与了配位反应; O(1s)峰位有所偏转, 暗示含O基团对Pb/Cd的结合包含多种途径。 新出现的Pb(4f)峰源于π电子-Pb的交互作用; 胁迫浓度增加导致Cd(3d)结合能升高, 表明Cd具有明显失电子倾向。 相关结果可以与前期获得的Pb/Cd/金盏菊细胞壁结合特性互为补充, 对于完善同领域的深度和广度、 构建植物修复理论和技术体系意义重大。
原生质体 金盏菊 铅/镉 Protoplast Calendula officinalis Two-dimensional infrared spectroscopy X-ray photoelectron spectroscopy Lead/cadmium 2D-IR XPS 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1420
1 陕西科技大学环境科学与工程学院, 陕西 西安 710021
2 清华大学环境学院, 北京 100084
在污染场地植物修复过程中, 植物根系通过释放活性分泌物主动适应和抵御污染胁迫, 直 (间) 接影响根际圈土壤DOM的结构组成。 现阶段, 植物修复的关注点主要集中于污染物的吸收、 转运、 累积和解毒行为, 对于根际圈土壤DOM的探讨略显不足。 以Pb/Cd复合污染黄土区金盏菊幼苗为研究对象, 分析根际圈黄土Pb/Cd赋存形态、 金盏菊生长状况等宏观差异, 借助紫外可见光谱(UV)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR)和三维荧光光谱(3D-EEMs)明确Pb/Cd胁迫前后根际圈黄土DOM的微观性质。 结果表明: 根际圈黄土Pb/Cd以残渣态和可交换态为主, 金盏菊生长周期结束后可交换态Pb/Cd含量有所升高。 Pb/Cd胁迫抑制了金盏菊株高和出苗率, 其生长周期有助于改善黄土理化性质。 胁迫后金盏菊根部呈现细长、 弯曲且萎缩的迹象; DOM紫外光谱最大吸收区间位于200～240 nm, 但胁迫后的图谱波峰更加尖锐, 峰强更大。 Pb/Cd胁迫导致DOM红外吸收峰分别从3 444和1 637 cm-1移动至3 440和1 645 cm-1, 其中存在重金属离子与OH和CO结合效应。 DOM荧光峰集中在λex/em=240/430附近(紫外区类富里酸荧光峰), Pb/Cd胁迫对荧光峰强干扰较大, 而对荧光峰位基本没有影响。 金盏菊根际圈黄土DOM能够提供重要的微生态环境信息, 光谱学手段能够一定程度上揭示其与Pb/Cd赋存形态的构效关系。
溶解性有机质 根际圈 黄土 Pb/Cd胁迫 金盏菊 Dissolved organic matter Rhizosphere Loess Lead/cadmium stress Calendula officinalis 光谱学与光谱分析
2016, 36(9): 2852
1 陕西科技大学环境科学与工程学院, 陕西 西安 710021
2 清华大学环境学院, 北京 100084
原子吸收光谱法（AAS）广泛应用于重金属分析检测领域, 优化测试过程的操作条件, 进而保障分析结果的稳定性和重现性, 直接关系到预期研究目标的有效实现, 建立精准的检测方法往往成为科学研究的首要任务。 以金盏菊为黄土区Pb/Cd复合污染修复植物, 采用湿法消解-AAS法测定金盏菊幼苗体内Pb/Cd含量, 分析所得结果初步揭示金盏菊幼苗对Pb/Cd的富集效应。 研究发现: 湿法消解-AAS法对Pb/Cd的检出限分别为0.104和0.007 mg·L-1, Pb/Cd回收率对应于94.33%～110.78%和97.73%～107.50%之间, 同一样品重复测定（6次）的相对标准偏差（RSD）波动于4.11%～4.75%（Pb）和1.11%～2.77%（Cd）, 表明该方法准确度较好, 精密度较高。 金盏菊幼苗对Pb的富集能力不强, 这可能与Pb的电负性、 植物生长周期较短及环境因子等因素有关; 但在黄土Cd浓度为50 mg·kg-1时, 金盏菊幼苗对Cd的平均富集量已达到104.85 mg·kg-1。 此外, 黄土Pb的共存一定程度上促进了金盏菊幼苗对Cd的吸收, 其间可能存在协同作用。 所建立的分析方法可以对金盏菊幼苗Pb/Cd含量进行有效检测, 预期能为后续研究提供技术支持和质量保障。
原子吸收光谱法 金盏菊 植物修复 黄土 Atomic absorption spectrometry (AAS) Lead Pb Cadmium Cd Calendula officinalis Phytoremediation Loess 光谱学与光谱分析
2016, 36(8): 2625
1 陕西科技大学环境科学与工程学院, 陕西 西安 710021
2 清华大学环境学院, 北京 100084
植物修复法是重金属污染场地修复的重要手段, 这种“绿色修复技术”得到了学者们的广泛关注和期待。 在重金属胁迫条件下, 植物自身会出现相应的响应反映, 进而逐渐适应并有效减缓重金属的直接毒害作用。 这种微尺度的调控行为往往多维度和不可见, 需要借助精密仪器分析技术加以剖析。 现阶段, 相关方面的研究还略显欠缺。 以黄土修复植物金盏菊幼苗为研究对象, 分析Pb/Cd复合胁迫对其表观形貌的影响, 采用傅里叶变换红外光谱法（FTIR）识别其地下和地上部分样本的官能团性质, 初步推断金盏菊对Pb/Cd胁迫的响应途径和耐受机制。 研究表明: 随着Pb/Cd胁迫程度的加剧, 金盏菊根冠弯曲萎缩, 根毛数量明显减少, 而其地上部分形貌差异很小。 Pb/Cd胁迫对金盏菊幼苗地下和地上部分的FTIR图谱影响较大: 3 573 cm-1附近的—OH峰强减弱且发生移动, 随着Pb/Cd胁迫浓度的增加, 峰形更趋复杂化; 这表明Pb/Cd与—OH间存在配位结合效应, Pb/Cd胁迫干扰了有机物的合成和分泌。 饱和C—H振动峰整体红移, 可能与细胞膜的膜脂氧化程度有关。 1 631和1 574 cm-1处吸收峰强下降, 说明与之关联的蛋白质组分特性可能有异。 1 385 cm-1处峰位有所偏移, 推测金盏菊通过改变果胶质和油脂的甲基化程度, 完成细胞组织对Pb/Cd胁迫的“直接排斥→逐步适应→增强抗逆性”的过程转变。 FTIR对于识别土壤重金属的植物修复机制具有重要指导意义。
金盏菊 黄土 Pb/Cd胁迫 Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) FTIR Calendula officinalis Loess Lead/cadmium stress 光谱学与光谱分析
2016, 36(8): 2442
陕西科技大学环境科学与工程学院, 陕西 西安 710021
植物修复法是新兴的重金属污染土壤修复手段, 也是未来极富应用潜力的主流技术之一。 植物根部细胞壁作为重金属/土壤/植物相的交界面, 天然地成为修复效能调控过程的关键部位和信号通道。 植物细胞壁与重金属离子的作用行为具有物理化学和生理生化的双重属性, 但以光谱技术为切入点, 原位解析植物根部细胞壁对土壤重金属离子的响应关系还不多见。 以黄土区修复植物金盏菊幼苗为研究对象, 分析Pb/Cd复合胁迫对其根部细胞壁形貌的影响, 借助X射线荧光光谱(XRF)、 X射线衍射(XRD)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR)和拉曼光谱(Raman)揭示细胞壁对Pb/Cd胁迫的响应信号。 结果发现: Pb/Cd胁迫导致金盏菊根部细胞壁弯曲萎缩, 表面分布若干点状深色沉积物颗粒; XRF证实细胞壁Pb/Cd含量增加, 但XRD图谱没有发现典型Pb/Cd结晶峰。 FTIR图谱中—OH振动峰定位于3 416 cm-1处, 表明Pb/Cd离子与—OH间可能存在配位键合; 1 701和1 593 cm-1处的特征峰分别移动到1 736和1 618 cm-1, 说明Pb/Cd胁迫改变了金盏菊根部细胞壁蛋白质结构属性。 Raman光谱中2 960 cm-1附近峰强增加, 暗示Pb/Cd胁迫影响了细胞壁纤维素分子排列方向。 可以认为, 细胞壁组分(果胶、 蛋白质、 纤维素等)和典型官能团(—OH, N—H, CO等)对于减缓Pb/Cd胁迫引起的金盏菊根部细胞壁毒害效应贡献较大。
细胞壁 红外光谱 拉曼光谱 Pb/Cd胁迫 金盏菊 黄土 Cell wall Fourier transform infrared spectra Raman spectra Lead/cadmium stress Calendula officinalis Loess 光谱学与光谱分析
2016, 36(7): 2076
