根表鐵膜對(duì)水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)稀土元素Ce的影響

潘華華，金姝蘭，黃益宗，胡瑩，王斐，李季，向猛，張地生

1. 上饒師范學(xué)院，上饒 334000 2. 農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191 3. 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085

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根表鐵膜對(duì)水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)稀土元素Ce的影響

潘華華1，金姝蘭1，黃益宗2,*，胡瑩3，王斐3，李季3，向猛3，張地生1

1. 上饒師范學(xué)院，上饒 334000 2. 農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191 3. 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085

采用溶液培養(yǎng)的方法探討根表鐵膜形成對(duì)水稻吸收積累和轉(zhuǎn)運(yùn)稀土元素Ce的影響。結(jié)果表明，Ce污染脅迫可抑制水稻根表鐵膜的形成，根表鐵膜吸附的Ce量隨著溶液中Ce濃度的提高而增加。根表鐵膜形成可降低水稻根系但提高水稻莖葉對(duì)Ce的吸收積累。當(dāng)溶液中Ce濃度為0.1、0.5和1.0 mmol·L-1時(shí)，鐵膜誘導(dǎo)組水稻根系Ce含量分別比非誘導(dǎo)組水稻根系Ce含量降低38.60%、45.94%和32.75%，誘導(dǎo)組水稻莖葉Ce含量分別比非誘導(dǎo)組水稻莖葉Ce含量提高42.37%、28.87%和22.62%。根表鐵膜形成可影響Ce在水稻植株中的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力。非誘導(dǎo)組水稻根系富集Ce的能力遠(yuǎn)大于莖葉。誘導(dǎo)組水稻根系對(duì)Ce的富集能力最強(qiáng)，其次是根表鐵膜，最后是水稻莖葉。誘導(dǎo)組水稻根系Ce轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著大于非誘導(dǎo)組的根系，說明根表鐵膜形成可促進(jìn)水稻根部Ce向莖葉中轉(zhuǎn)運(yùn)?？梢?，根表鐵膜對(duì)水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)稀土元素的影響機(jī)理比較復(fù)雜。

Ce；水稻；根表鐵膜；轉(zhuǎn)運(yùn)；富集系數(shù)

Received 11 January 2016 accepted 25 February 2016

稀土元素因其獨(dú)特的磁、光、電等優(yōu)越性能，成為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)及高新技術(shù)、國防尖端技術(shù)等產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的元素。根據(jù)稀土元素原子電子層結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，以及它們?cè)诘V物中共生情況和不同的離子半徑可產(chǎn)生不同性質(zhì)的特征，17種稀土元素通常分為2組：輕稀土(鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓)和重稀土(鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧)。其中，在地殼中含量最高的是稀土元素鈰(Ce)。由于不合理的開采導(dǎo)致礦區(qū)周邊水體和土壤Ce含量顯著提高。有研究報(bào)道,包頭主污水渠濱岸漫水地、四道沙河河底沉積物、工廠污水渠底部沉積物及其剖面樣、農(nóng)田土壤Ce含量分別為4 524.00、581.20、382.00、185.52和91.08 mg·kg-1，分別是背景值58.29 mg·kg-1的77.61、9.97、6.55、3.18和1.56倍[1-2]。溫小軍等[3]研究了贛南信豐某稀土礦區(qū)耕作層的土壤環(huán)境，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)耕作層所有土壤樣品的稀土元素地累積指數(shù)均較大，Ce超標(biāo)率為97.3%。Jiang等[4]調(diào)查了16種稀土元素在北京、廣東、上海等省市主要食物中的積累情況，發(fā)現(xiàn)食物中Ce等稀土元素含量高于國家限制標(biāo)準(zhǔn)。

由于土壤樣品中鈰以Ce4+形式存在，95%以上的Ce4+滯留于表層4 cm之內(nèi)。而Ce4+的地球化學(xué)性質(zhì)明顯不同于其他3價(jià)稀土元素，Ce4+的水解能力大于其他3價(jià)稀土元素[5]。雖然稀土Ce可以農(nóng)用，但并不是農(nóng)作物需要的豐量元素。少量的Ce可提高農(nóng)作物的數(shù)量和質(zhì)量，大量應(yīng)用則會(huì)影響農(nóng)作物的生長，甚至產(chǎn)生毒害作用。Lin等[6]研究表明，高濃度的Ce顯著影響水稻根和莖的生長，且毒性大于重金屬鋅。Ce的化合物對(duì)蠶豆根尖細(xì)胞具有一定的遺傳毒性和細(xì)胞毒性，Ce3+濃度在50 μmol·L-1以上對(duì)雜色云芝酶活性有抑制作用[7]。Wang等[8]研究發(fā)現(xiàn)，較高濃度的Ce可破壞擬南芥細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)，影響擬南芥的生長。Ce4+能誘導(dǎo)花生懸浮細(xì)胞發(fā)生程序性死亡[9]。Ce對(duì)動(dòng)物體有很大的損傷力。動(dòng)物體對(duì)Ce表現(xiàn)出明顯的選擇性蓄積，Ce在眼球的蓄積性明顯高于其他臟器組織，其次是骨骼、睪丸、大腦和心臟[10]。Ce蓄積在大腦對(duì)高級(jí)神經(jīng)系統(tǒng)造成一定的損傷[11]。Ce對(duì)大鼠具有較強(qiáng)的毒害作用, 主要靶器官為肝臟和肺, 使肝、腎抗氧化能力降低。ICR (Institute of Cancer Researcch)在小鼠腹腔注射20 mg·kg-1劑量的CeCl3，可導(dǎo)致腦組織細(xì)胞抗氧化酶活性和細(xì)胞總抗氧化力下降、脂質(zhì)過氧化增加，并誘導(dǎo)部分神經(jīng)細(xì)胞轉(zhuǎn)化成炎癥細(xì)胞[12]。梁青青等[13]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，白云鄂博礦區(qū)小學(xué)生尿中稀土元素Ce是對(duì)照的300多倍，鈰、釹等的污染可能對(duì)該地區(qū)兒童健康造成影響。礦區(qū)居民日均Ce等稀土元素?cái)z入量達(dá)6.0～6.7 mg時(shí)，將影響人體的神經(jīng)系統(tǒng)、血液系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)及骨骼[14]。

以江西為中心的中國南方地區(qū)是世界最大的離子型稀土分布區(qū)，也是中國重要的水稻種植區(qū)。稀土礦產(chǎn)開采形成的尾礦、廢渣、廢水中含有較多的銅、鋅、鎘、鎳、砷及大量的稀土元素。離子型稀土礦的提煉，使用了大量的硫酸銨、碳酸氫銨等浸礦化學(xué)藥劑。大量的浸礦劑，一方面使土壤酸化，另一方面使這些元素隨水體的流動(dòng)進(jìn)入礦區(qū)土壤和水系中，導(dǎo)致重金屬與稀土元素對(duì)農(nóng)田的復(fù)合污染，稻田產(chǎn)出糧食減少。因此研究Ce污染物的消減及調(diào)控，減少其生物有效性具有十分重要的意義。研究表明，存在于水稻根表的鐵膜對(duì)重金屬元素在土壤中的化學(xué)行為和生物有效性及根系吸收養(yǎng)分和污染物起著重要作用。稀土具有重金屬的屬性，水田中稀土元素易于轉(zhuǎn)移到水稻根系、莖葉中，且水稻根系Ce含量遠(yuǎn)高于莖葉，說明水稻根系吸收積累Ce的能力更強(qiáng)。隨著土壤稀土元素濃度的增加, 稀土元素在水稻根系、莖葉中的積累也迅速提高，水稻根系中稀土元素含量與土壤稀土元素含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[15]。當(dāng)稀土元素含量超過400 mg·kg-1時(shí), 將顯著影響水稻植株的生長，并通過食物鏈途徑危害人體健康[15]。近年來國內(nèi)外許多科學(xué)家研究水稻根表鐵膜形成對(duì)重金屬吸收積累的影響[16-17]，但是根表鐵膜形成對(duì)稀土元素吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響還未見報(bào)道。本文通過溶液培養(yǎng)法探討水稻根表鐵膜形成對(duì)稀土元素Ce吸收積累和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響，為農(nóng)田稀土元素Ce的污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法 (Materials and methods)

1.1 供試水稻

供試的水稻(Oryza sativa L.)品種為嘉花1號(hào)，由浙江嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，是一種廣泛種植的南方晚稻品種，選擇顆粒飽滿、大小均勻的水稻種子用濃度30%的H2O2消毒10 min，用去離子水清洗2～3遍后，播種到濕潤的珍珠巖中培養(yǎng)3周。選擇生長一致的水稻苗移栽至直徑7.5 cm，高14 cm的PVC盆中。盆內(nèi)裝有1/3強(qiáng)度的營養(yǎng)液。營養(yǎng)液pH為5.5，其配方見表1，每周換2次營養(yǎng)液。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置4個(gè)Ce濃度處理：0.0(CK)、0.1、0.5和1.0 mmol·L-1，以Ce(NO3)3形式加入。分別采用誘導(dǎo)鐵膜水稻和未誘導(dǎo)鐵膜水稻作為誘導(dǎo)組和非誘導(dǎo)組。每個(gè)處理4次重復(fù)，共32盆。水稻誘導(dǎo)鐵膜的步驟：當(dāng)水稻根長至10 cm左右時(shí)，將盆內(nèi)的營養(yǎng)液棄去，用蒸餾水浸泡12 h，然后用40 mg·L-1的硫酸亞鐵(Fe2SO4)溶液處理36 h，棄去盆內(nèi)溶液，再用1/3強(qiáng)度的營養(yǎng)液培養(yǎng)水稻48 h。水稻在可控光溫的生長室中培養(yǎng)。生長條件：光照強(qiáng)度為260～350 μmol·m-2·s-1，相對(duì)濕度為60%～70%左右，光照溫度為30 ℃ (14 h·d-1)，黑暗溫度為20 ℃ (10 h·d-1)。誘導(dǎo)組和非誘導(dǎo)組水稻經(jīng)過不同濃度的Ce處理1周后，分地上部和地下部收獲。

表1 水稻營養(yǎng)液配方

1.3 樣品處理與分析

水稻植株根部鐵膜用DCB(dithionite-citrate-bicarbonate)法浸提。操作方法[14]：從植株體基部剪下稻根，將稻根用純凈水洗凈，吸干水分后放入100 mL的燒杯中，用30 mL的0.125 mol·L-1碳酸氫鈉(NaHCO3)和0.03 mol·L-1檸檬酸三鈉(Na3C6H5O7·2H2O)混合溶液浸泡10～15 min，放入1 g保險(xiǎn)粉(Na2S2O4)混合均勻后，在室溫下(20～25 ℃)繼續(xù)浸泡直至稻根完全變白，將浸提液轉(zhuǎn)入50 mL容量瓶中，用純凈水沖洗稻根3次后，將清洗液全部轉(zhuǎn)入容量瓶并定容至50 mL。采用電感耦合等離子體光譜法ICP-OES(Optima 2000 DV，Perkin Elmer，USA)測(cè)定其中的Fe和Ce濃度。將水稻莖葉和浸提后的稻根分別用純凈水清洗3次，用吸水紙將其水分吸干后放入70 ℃的烘箱烘干至恒重，然后將其分別磨碎，稱取0.2000±0.0001左右的水稻莖葉、0.1000±0.0001的稻根樣品分別放入50 mL的聚四氟乙烯消解罐中，每個(gè)樣品3個(gè)平行，加5 mL優(yōu)級(jí)純HNO3浸泡過夜，放入微波加速反應(yīng)系統(tǒng)中進(jìn)行消解。消解結(jié)束后將消解罐中的溶液全部轉(zhuǎn)移到20 mL的容量瓶中，分別用超純水定容到20 mL，搖勻，過濾后收集上清液，用ICP-OES測(cè)定Ce的濃度，運(yùn)用國家標(biāo)準(zhǔn)樣品(茶葉GBW10016)對(duì)實(shí)驗(yàn)的分析測(cè)試過程進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.4 數(shù)據(jù)分析

水稻根表鐵膜(DCB)、根系(root)向莖葉(shoot)轉(zhuǎn)移Ce的能力用轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(translocation factor，簡稱TF)表示。

TFx=Cshoot-Ce/Cx-Ce

式中：x分別代表水稻根表鐵膜和根系，TFx分別表示鐵膜、根系向莖葉轉(zhuǎn)移Ce的系數(shù)，Cshoot-Ce表示莖葉中Ce的濃度，Cx-Ce分別表示鐵膜、根系中Ce的濃度。

水稻對(duì)Ce的富集能力用富集系數(shù)(BAF)表示。

BAFy=Cy-Ce/Csolution-Ce式中：y分別代表根表鐵膜、稻根、莖葉，BAFy分別表示根表鐵膜、稻根、莖葉Ce的富集系數(shù)，Cy-Ce分別表示根表鐵膜、稻根、莖葉Ce的濃度，Csolution-Ce表示培養(yǎng)液中Ce的濃度。使用統(tǒng)計(jì)軟件Origin9.0、SPSS19.0和Excel2007對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析 (Results and analysis)

2.1 水稻根表鐵膜形成及其吸附的Ce量

水稻根表鐵膜形成量以DCB-Fe含量表示(表2)，Ce處理對(duì)水稻根表鐵膜形成影響較大，0.1～1.0 mmol·L-1Ce處理均顯著降低于CK水稻根表鐵膜的形成量(P<0.05)，說明Ce脅迫不利于水稻根表鐵膜形成。水稻根表鐵膜吸附的Ce隨著Ce濃度的增加而增加，由0.1 mmol·L-1Ce處理時(shí)的218.05 mg·kg-1提高到1.0 mmol·L-1Ce處理時(shí)的644.84 mg·kg-1。

2.2 水稻莖葉和根系中的Ce含量

圖1為誘導(dǎo)組和非誘導(dǎo)組水稻莖葉和根系中的Ce含量，從圖中可知，水稻根系Ce含量遠(yuǎn)高于莖葉，說明水稻根系吸收積累Ce的能力較強(qiáng)。對(duì)水稻根系來說，誘導(dǎo)組相對(duì)于非誘導(dǎo)組顯著地降低水稻根系對(duì)Ce的吸收積累。當(dāng)溶液中Ce濃度為0.1、0.5和1.0 mmol·L-1時(shí)，誘導(dǎo)組水稻根系Ce含量分別比非誘導(dǎo)組水稻根系Ce含量降低38.60%、45.94%和32.75%。但是對(duì)水稻莖葉來說，誘導(dǎo)組卻比非誘導(dǎo)組顯著提高了水稻莖葉對(duì)Ce的吸收積累。當(dāng)溶液中Ce濃度為0.1、0.5和1.0 mmol·L-1時(shí)，誘導(dǎo)組水稻莖葉Ce含量分別比非誘導(dǎo)組水稻莖葉Ce含量提高42.37%、28.87%和22.62%。

表2 水稻根表鐵膜形成及其吸附的Ce量

注：同一列不同字母表示差異性顯著(P<0.05)，ND表示未檢出。

Note: Different letters in the same column means significant difference (P<0.05), ND indicates not detected.

圖1 根表鐵膜對(duì)水稻莖葉和根系Ce含量的影響注：n=4，a、b和A、B分別表示非誘導(dǎo)組和誘導(dǎo)組不同處理間的差異性顯著，P<0.05；*表示非誘導(dǎo)組和誘導(dǎo)組之間的P<0.05顯著性差異。Fig. 1 Effect of iron plaque on Ce content in shoot and root of rice Note: n= 4. a, b and A, B mean significant difference among different treatments of induced or non-induced group, P<0.05; * means significant difference between induced and non-induced group (P<0.05).

2.3 Ce從水稻根表鐵膜、根系向莖葉中的轉(zhuǎn)運(yùn)

3種濃度Ce處理的水稻無論是根表有無鐵膜，其根系向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)Ce的系數(shù)均隨處理液Ce濃度的增加而顯著增大，根表鐵膜向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)Ce的系數(shù)也隨著Ce濃度的增加而增大(表3)，非誘導(dǎo)組在0.10～1.0 mmol·L-1Ce濃度處理下，水稻根系向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)Ce的系數(shù)由0.004提高到0.113(提高27.3倍)。誘導(dǎo)組在0.10～1.0 mmol·L-1Ce濃度處理下，水稻根表鐵膜向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)Ce的系數(shù)由0.012提高到0.216(提高17.0倍)，根表鐵膜向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)Ce的系數(shù)由0.112提高到1.247(提高10.1倍)，說明根表鐵膜、根系向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)Ce的能力主要受處理液中Ce濃度的影響。誘導(dǎo)組水稻根系Ce轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著大于非誘導(dǎo)組的根系，當(dāng)溶液中Ce濃度為0.1、0.5和1.0 mmol·L-1時(shí)，誘導(dǎo)組水稻根系向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)Ce的系數(shù)分別比非誘導(dǎo)組水稻根系向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)Ce的系數(shù)提高200.0%、157.1%和91.2%，說明根表鐵膜促進(jìn)水稻根部Ce向莖葉轉(zhuǎn)移。水稻根表鐵膜向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)Ce的系數(shù)大于水稻根系向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)Ce的系數(shù)，這是因?yàn)殍F膜吸附Ce的數(shù)量顯著小于根系。

2.4 Ce在水稻不同部位的富集

從表4可知，3種不同濃度Ce處理下，無論是誘導(dǎo)組還是非誘導(dǎo)組水稻根系Ce富集系數(shù)均顯著大于水稻莖葉Ce富集系數(shù)。非誘導(dǎo)組在0.10、0.5和1.0 mmol·L-1Ce濃度處理下，水稻根系Ce富集系數(shù)分別為244.74、89.12和39.46，而水稻莖葉Ce富集系數(shù)僅分別為1.00、1.25和4.44。誘導(dǎo)組在0.10、0.5和1.0 mmol·L-1Ce濃度處理下，水稻根系Ce富集系數(shù)分別為150.28、48.18和26.54，而水稻莖葉Ce富集系數(shù)僅分別為1.74、1.76和5.74。誘導(dǎo)組在0.10、0.5和1.0 mmol·L-1Ce濃度處理下，水稻根表鐵膜Ce富集系數(shù)分別為15.56、4.93和4.60，分別小于同等Ce濃度處理下的根系Ce富集系數(shù)，但是大于同等Ce濃度處理下的莖葉Ce富集系數(shù)(除1.0 mmol·L-1Ce濃度處理外)，說明水稻根系對(duì)Ce的富集能力最強(qiáng)，其次是根表鐵膜，最后是水稻莖葉。當(dāng)溶液中Ce濃度為0.1、0.5和1.0 mmol·L-1時(shí)，誘導(dǎo)組水稻根系Ce富集系數(shù)分別比非誘導(dǎo)組水稻根系Ce富集系數(shù)降低38.6%、45.9%和32.7%，誘導(dǎo)組水稻莖葉Ce富集系數(shù)分別比非誘導(dǎo)組水稻莖葉Ce富集系數(shù)提高74.0%、40.8%和29.3%，說明根表鐵膜有效地阻隔水稻根系對(duì)Ce的吸收和富集，而稍微促進(jìn)Ce向水稻莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)。

3 討論 (Discussion)

水稻是世界重要的糧食作物，全球60%的人以米飯為主食。中國是世界最大的水稻生產(chǎn)國，稻谷年平均產(chǎn)量占世界的35%[17]。水稻作為濕地植物具有大量的通氣組織，該組織把葉片的氧氣輸送到根系，使淹水條件下的Fe2+發(fā)生氧化，生成Fe(OH)3，并在水稻根表沉積，形成棕色的根表鐵膜[18]。本研究中用Fe2SO4溶液處理的水稻也形成了棕色的根表鐵膜。水稻根表鐵膜的形成與水稻的品種類型與生育期、Fe2+濃度及其有效性和溶解性、根系的氧化能力、土壤的粘粒含量、生長介質(zhì)中的有機(jī)質(zhì)和無機(jī)碳酸鹽、P或S的供應(yīng)狀況顯著相關(guān)。有研究報(bào)道，加S處理能增加水稻根表鐵膜數(shù)量，加硅處理卻明顯降低其數(shù)量。磷酸根會(huì)阻礙鐵膜在根表的結(jié)晶過程[19]。徐星凱等[20]報(bào)道高濃度的稀土元素能有效地減少水稻對(duì)P的吸收，培養(yǎng)液中的Ce在水稻根表可形成磷酸鈰沉淀。此外，介質(zhì)中還會(huì)形成氫氧化鈰、硫酸鈰沉淀并附著于水稻根表，從而影響根表鐵膜的形成。本研究發(fā)現(xiàn)，Ce處理的水稻其根表鐵膜的數(shù)量均顯著低于CK，說明Ce脅迫不利于水稻根表鐵膜的形成。

表3 Ce由水稻根表鐵膜、根系向莖葉中的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

注：Ce 0.1，Ce 0.5，Ce 1.0表示Ce處理濃度為0.1、0.5、1.0 mmol·L-1。不同小寫字母表示不同Ce處理之間顯著性差異，不同大寫字母表示非誘導(dǎo)組和誘導(dǎo)組之間呈顯著性差異(P<0.05)，ND表示未檢出。

Note: Ce 0.1, Ce 0.5, Ce 1 stand for that the treatment concentration of Ce is 0.1, 0.5, 1 mmol·L-1. Different small letters mean significant difference among different Ce treatment, different capital letters mean significant difference between induced and non-induced group (P< 0.05). ND indicates not detected.

表4 Ce在水稻不同部位的富集系數(shù)

注：不同小寫字母表示不同Ce處理之間顯著性差異，不同大寫字母表示誘導(dǎo)組與非誘導(dǎo)組之間呈顯著性差異(P<0.05)，ND表示未檢出。

Note: Different small letters mean significant difference among different Ce treatment, different capital letters mean significant difference between induced and non-induced group (P<0.05). ND indicates not detected.

鐵膜獨(dú)特的物理、化學(xué)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)影響元素在土壤中的化學(xué)行為和生物有效性，對(duì)植物吸收營養(yǎng)元素、重金屬起著重要作用。本研究中，鐵膜誘導(dǎo)組水稻根系吸收積累Ce比非誘導(dǎo)組顯著降低，當(dāng)溶液中Ce濃度為0.1～1.0 mmol·L-1時(shí)，誘導(dǎo)組水稻根系Ce含量分別比非誘導(dǎo)組水稻根系Ce含量降低32.75%～45.94%，說明根表鐵膜形成對(duì)水稻根系吸收積累稀土元素Ce起著阻礙作用。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水稻、蘆葦、香蒲等植物根表鐵膜形成對(duì)營養(yǎng)元素和重金屬的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)做了大量的研究，得出根表鐵膜對(duì)土壤中重金屬離子有富集作用，尤其對(duì)兩價(jià)重金屬陽離子Cd、Pb等有強(qiáng)烈的吸附作用[21-23]，另外離子與氧化物的共沉淀作用，影響著重金屬在介質(zhì)中的移動(dòng)性和生物有效性。鐵膜還可以吸附介質(zhì)中的陰離子，其吸附的陰離子與其他陽離子結(jié)合，進(jìn)一步改變金屬陽離子的有效性。有研究表明，吸附在鐵膜外表的金屬離子要經(jīng)過解吸和跨越鐵膜等復(fù)雜過程之后才能到達(dá)根表，根表鐵膜是土壤中金屬離子進(jìn)入水稻體內(nèi)的界面。由于鐵膜對(duì)介質(zhì)中的金屬離子的吸附、氧化-還原、固定作用，使其成為這些離子進(jìn)入根系組織的阻礙層，因此根表鐵膜可以減少重金屬向水稻植株體的遷移，使有鐵膜水稻根系的重金屬含量低于無鐵膜水稻根系[24-25]。

我們的研究發(fā)現(xiàn)盡管鐵膜誘導(dǎo)組水稻根系Ce含量比非誘導(dǎo)組顯著降低，但是誘導(dǎo)組水稻莖葉Ce含量卻比誘導(dǎo)組有所提高，這可能是因?yàn)樗厩o葉Ce含量積累除了與水稻根系鐵膜形成有關(guān)外，還與水稻Ce的遷移和轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)雜機(jī)制相關(guān)。與我們的結(jié)果相類似，其他研究者也報(bào)道根表鐵膜形成可促進(jìn)植物對(duì)重金屬元素的吸收積累[19]。由于濕地植物根表鐵膜在近根區(qū)域能富集大量磷、鋅、鎂、錳等植物必須的營養(yǎng)元素，是營養(yǎng)元素的富集庫[26-27]。鐵膜富集的營養(yǎng)元素能夠被植物活化吸收利用，從而提高根系的活力和轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬元素的能力。有研究表明，高濃度的Fe和P能促進(jìn)冷水花植物對(duì)P的吸收，有鐵膜沉積的蘆竹和香蒲P元素利用的有效性比無鐵膜的高[28]。Zhou等[29]對(duì)水稻根表鐵膜吸附Se的研究也得出了相似的結(jié)論。鐵膜一方面可緩解植物缺磷癥狀，另一方面可通過形成氧化物降低根際鐵濃度，從而緩解二價(jià)鐵的毒害[30]。Batty等[31]在蘆葦?shù)乃鄬?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)鐵膜并不會(huì)滲透到組織細(xì)胞內(nèi)部，而是不均勻地沉積在細(xì)胞外，鐵膜的這種分布特點(diǎn)可能不會(huì)阻礙重金屬從植物根系向莖葉中遷移。由于水稻根表鐵膜富集了大量的營養(yǎng)元素，減輕了二價(jià)鐵毒害，提高了根系轉(zhuǎn)運(yùn)稀土元素Ce的能力，促進(jìn)根系中Ce向莖葉遷移，使有鐵膜的水稻莖葉Ce含量反而多于無鐵膜的莖葉。當(dāng)然，根表鐵膜形成對(duì)植物吸收、積累和轉(zhuǎn)運(yùn)稀土元素的機(jī)制非常復(fù)雜，不同的植物種類、不同稀土元素種類、鐵膜量以及不同環(huán)境條件等因素將影響這一吸收、積累和轉(zhuǎn)運(yùn)過程，導(dǎo)致植物不同部位稀土元素含量不一樣。

綜上可知：

1) Ce脅迫可抑制水稻根表鐵膜的形成，而水稻根表鐵膜可吸附溶液中的部分Ce，其吸附Ce量隨著溶液中Ce濃度的增加而增加。

2) 根表鐵膜形成顯著地降低水稻根系對(duì)Ce的吸收積累，而提高水稻莖葉對(duì)Ce的吸收積累。當(dāng)溶液中Ce濃度為0.1～1.0 mmol·L-1時(shí)，誘導(dǎo)組水稻根系Ce含量比非誘導(dǎo)組水稻根系Ce含量降低32.75%～45.94%。

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Effect of Root Surface Iron Plaque on Uptake and Translocation of Cerium (Rare Earth Element) in Rice Seedlings

Pan Huahua1, Jin Shulan1, Huang Yizong2,*, Hu Ying3, Wang Fei3, Li Ji3, Xiang Meng3, Zhang Di sheng1

1. Shang Rao Normal University, Shangrao 334001, China 2. Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191, China 3. Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

Effect of iron plaque formation of root surface on uptake, accumulation and translocation of Ce (rare earth element) by rice seedlings was evaluated by method of solution culture experiment. The result showed that Ce pollution stress could inhibit the formation of root surface iron plaque in rice seedlings, the amount of Ce which was uptaken by root surface iron plaque increased with the increase of Ce concentration in the solution. The iron plaque formation of root surface could decrease the uptake and accumulation of Ce by rice root system, but increase uptake and accumulation of Ce by rice stem and leaves. When Ce concentration in the solution is 0.1, 0.5 and 1.0 mmol·L-1, Ce content by rice roots with iron plaque induced group was decreased by 38.60%, 45.94% and 32.75% respectively when comparing with non-induced group, and Ce content by stem and leaves with iron plaque induced group was increased by 42.37%, 28.87% and 22.62% respectively when comparing with non-induced group. The formation of iron plaque on root surface could influence the accumulation and translocation of Ce in rice seedlings. The ability which rice roots accumulated Ce element was greater than that of the stem and leaves in non-induced group. The ability of accumulating Ce element was the strongest in rice roots in induced-group, followed by root surface iron plaque, and the last was the rice leaves and stem. The enrichment coefficient of rice roots in iron plaque induced group was significantly greater than that of rice roots in non-induced group, which meant iron plaque formation on root surface could increase Ce transfer from rice roots to stem and leaves. Thus, effect of root surface iron plaque on uptake and translocation of Ce element in rice seedlings was comparatively complicated.

cerium; rice; root surface iron plaque; translocation; enrichment coefficient

國家自然科學(xué)基金(41561096)；江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20142BAB203026)

潘華華(1980-)，女，講師，研究方向?yàn)橄⊥猎丨h(huán)境效應(yīng)，E-mail: jsl809@163.com

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: hyz@rcees.ac.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20160111004

2016-01-11 錄用日期：2016-02-25

1673-5897(2016)4-130-08

X171.5

A

簡介：黃益宗(1970—)，男，博士，研究員，主要從事重金屬在土壤-植物系統(tǒng)中的遷移、轉(zhuǎn)化和積累研究，以及污染土壤修復(fù)技術(shù)、污染生態(tài)學(xué)等方面的研究，近年來在國內(nèi)外核心刊物發(fā)表論文150多篇。

潘華華, 金姝蘭, 黃益宗, 等. 根表鐵膜對(duì)水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)稀土元素Ce的影響[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2016, 11(4): 130-137

Pan H H, Jin S L, Huang Y Z, et al. Effect of root surface iron plaque on uptake and translocation of cerium (rare earth element) in rice seedlings [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016, 11(4): 130-137 (in Chinese)