胁迫浓度和胁迫时间对印度芥菜中镉形态分布的影响

杨红霞; 刘崴; 李冰; 魏巍; 张惠娟

胁迫浓度和胁迫时间对印度芥菜中镉形态分布的影响

杨红霞^1,,
刘崴¹,
李冰^1, ,,
魏巍²,
张惠娟²

1.
国家地质实验测试中心，北京 100037
2.
南京农业大学资源与环境科学学院，江苏南京 230026

基金项目:

国土资源部公益性行业科研专项(200911043-26)

国土资源部公益性行业科研专项 200911043-26

详细信息

作者简介:
杨红霞，在读博士研究生，副研究员，地球化学专业。E-mail：yanghongxia1@sina.com

通讯作者:
李冰，研究员，主要从事痕量超痕量元素分析、元素形态分析和环境地球化学研究。E-mail：libinggx@163.com

中图分类号: O614.242;O655.6
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2012-06-05
- 录用日期: 2012-08-17
- 发布日期: 2013-03-31

Effect of Exposure Levels and Exposure Time on Distribution of Cadmium Species in Indian Mustard (Brassica Juncea)

1.
National Research Center for Geoanalysis, Beijing 100037, China
2.
College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agriculture University, Nanjing 230026, China

摘要

摘要: 螯合作用是植物对细胞内重金属耐受的主要方式之一，植物中螯合肽(PCs)在植物耐重金属毒害中的作用己有许多报道，但作用程度并未得出一致的结论，关于PCs是在镉刺激下直接合成还是以谷胱甘肽为底物合成同样存在争议。本文研究了胁迫浓度和胁迫时间对超积累植物印度芥菜(Brassica juncea)中镉形态分布的影响。印度芥菜幼苗分别用0.5、1.0、3.0、5.0、10.0 mg/L镉标准溶液胁迫24 h、48 h、72 h、96 h后收获，用体积排阻高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱技术测定植物体根部和叶部中镉形态的含量。结果表明，在低胁迫浓度下(≤3.0 mg/L)，植物叶中PCs-Cd的含量与胁迫浓度成正比；在高胁迫浓度下，PCs-Cd含量反而降低，根中PCs-Cd的含量持续增加，但叶中PCs-Cd总量高于根部，说明PCs在植物体内会由根部向叶部转移，从而提高了镉耐受性。在持续长时间胁迫下，PCs-Cd含量也降低，表明PCs在镉解毒机制中仅有短暂的作用；持续高浓度胁迫下，植物会引发其他机制来抵制Cd的毒性。研究认为PCs在镉解毒机制中的作用需要考虑胁迫时间和胁迫浓度这两个重要参数。
- 印度芥菜 /
- 镉形态 /
- 胁迫浓度 /
- 胁迫时间 /
- 耐受性
Abstract: Chelation is one of the main ways to tolerate the heavy metals in the cells of plants. Phytochelatin (PCs) was reported to have detoxification and compartmentalization of heavy metals, but no accordant conclusion for its contribution. Whether the PCs were directly synthetized under the stimulation of Cd or synthetized by glutathione is still an unsolved issue. In this paper, a study is described examining the relationship between exposure levels, exposure time and Cd tolerance. Root and leaf samples were placed in 0.5, 1.0, 3.0, 5.0 and 10.0 mg/L Cd standard solutions and harvested after 24, 48, 72, 96 hours. The Cd species in the root and leaf samples were measured by using Size-Exclusion High-Performance Liquid Chromatography and Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry. Results indicated that PCs-Cd contents were positively correlated with Cd exposure levels when the lower Cd exposure levels were less than 3.0 mg/L. Under the higher exposure levels, the contents of PCs-Cd were reduced, the PCs-Cd contents in root samples were continually increasing, but lower than those found in the leaf samples, which indicated that the PCs were transported from root to leaf with a higher tolerance of Cd. Increasing exposure time also reduced PCs-Cd production which indicated PCs may only have a temporary role in metal resistance. Under continuous higher exposure, plants may trigger other mechanisms that tolerate heavy metal toxicity. Our results suggest that concentration and time of exposure are important factors that must be taken into consideration when evaluating the true role of PCs in heavy metal detoxification.
- Indian mustard /
- cadmium species /
- exposure levels /
- exposure time /
- tolerance

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膨润土是一种重要的黏土矿资源。进行膨润土交换性阳离子和阳离子交换容量的测试，是判断膨润土矿品位(蒙脱石含量)和划分膨润土矿属型的主要依据，是评价膨润土矿的主要指标之一。

膨润土中交换性阳离子主要有Ca、Mg、K、Na，这些交换性阳离子及交换容量的测定方法较多。常预先采用氯化铵-乙醇或氯化铵-氨水交换液来交换膨润土中可交换阳离子^[1-3]。其中Ca、Mg的测定方法通常采用原子吸收光谱法或EDTA滴定法(根据含量的高低而定)，K、Na常采用原子吸收分光光度计测定^[4-9]。EDTA滴定法测定Ca、Mg，操作复杂，时间冗长；原子吸收光谱法为单元素测定，且线性范围窄，操作手续复杂繁琐。而且由于各种膨润土的性质不同，不同方法测定结果差异较大，建立一种简单、快速测定膨润土中交换性阳离子的分析方法是必要的。电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)具有操作简单、线性范围宽、灵敏度高、重现性好等诸多优点，而且一次性制备样品，可以同时测定多种元素^[10-13]。张文捷等^[10]用钡离子交换膨润土中交换性阳离子，ICP-AES法测定，取得满意的结果。张旺强等^[11]用ICP-AES法测定富镁岩石矿物中的镁等，取得较好结果。

本文在借鉴前人先进经验的基础上，用氯化铵-乙醇作为交换液来交换膨润土蒙脱石层间的Ca、Mg、K、Na，采用ICP-AES测定，对浸取条件、溶液酸度进行了实验，确定了分析谱线及干扰情况，建立了ICP-AES测定膨润土中交换性阳离子的快速方法。

1. 实验部分

1.1 仪器及工作参数

iCAP 6300全谱直读等离子体光谱仪(美国Thermo Scientific公司)，iTEVA操作软件，仪器工作参数见表 1。

表 1 ICP-AES工作参数

Table 1. perating conditions of ICP-AES

工作参数	技术参数	分析元素	分析波长 λ/nm	背景校正
射频功率	1150 W	Ca	315.887	左，右，自动
雾化气流量	0.7 L/min	Mg	279.079	左，右，自动
辅助气流量	0.5 L/min	K	766.490	左，右，自动
观测方向和高度	垂直，12 mm	Na	589.592	左，右，自动
蠕动泵泵速	50 r/min

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1.2 标准溶液及主要试剂

混合标准溶液：称取0.5005 g碳酸钙、0.2015 g氧化镁、0.1169 g氯化钠和0.1491g氯化钾，置于250 mL烧杯中。用少量盐酸溶解后，加热煮沸赶尽二氧化碳，冷却。将溶液移入1000 mL容量瓶中，用

蒸馏水稀释至刻度，摇匀。此溶液c(Ca²⁺)=0.0100 mol/L，c(Mg²⁺)=0.0100 mol/L，c(Na⁺)=0.00200 mol/L，c(K⁺)=0.00200 mol/L。

25 g/L 氯化铵-80%乙醇交换液：称取25 g氯化铵溶解于1000 mL的80%乙醇中，用50%氨水调节至pH=8.0。

氯化铵、盐酸、硝酸、乙醇：均为分析纯。

实验用水：去离子水(电阻率18.2 MΩ·cm)。

1.3 实验方法

1.3.1 试样制备

称取1.0000 g样品置于100 mL离心管中，放入磁力棒，加入20 mL 80%乙醇，在磁力搅拌器上搅拌20 min，使可溶盐溶解。取下离心并弃去清液。加入20 mL 95%乙醇洗涤残渣和离心管壁一次，搅拌并离心，洗液弃去。然后加入25 mL交换液，在磁力搅拌器上搅拌30 min。取下离心，清液收集于100 mL容量瓶中。再用95%乙醇洗涤残渣和离心管内壁两次，每次约20 mL，合并于已收集交换液的100 mL容量瓶中，用蒸水定容至刻度，摇匀。分取上述溶液5.00 mL于50 mL容量瓶中，加入50 mL 50%盐酸，用水定容至刻度，摇匀。

1.3.2 标准曲线

移取0.00、1.00、5.00、10.00、15.00 mL混合标准溶液，分别置于50 mL容量瓶中，加入5 mL 50%盐酸，加水稀释至刻度。标准曲线系列Ca²⁺、Mg²⁺的浓度分别为0.0000、0.0400、0.2000、0.4000、0.6000 mmol/L，Na⁺、K⁺的浓度分别为0.0000、0.0200、0.1000、0.2000、0.3000 mmol/L，在仪器最佳工作条件下，用ICP-AES测定，绘制标准曲线。

按照下列公式计算各交换性阳离子的量:

式中：E—可交换阳离子量(mmol/100 g)；

n₁—样品的 Ca²⁺、 Mg²⁺、Na⁺、K⁺摩尔量(mmol)；

n₀—空白样品的 Ca²⁺、 Mg²⁺、Na⁺、K⁺摩尔量(mmol)；

V—分取样品溶液体积(mL)；

m—取样质量(g)。

2. 结果与讨论

2.1 浸取条件

交换性阳离子种类及其在蒙脱石层间的排列方式和膨润土的物理状态决定交换活性，对交换反应的进行程度有影响,用不同交换液进行交换测得的阳离子交换量的数值有所差异。本文采用正交设计法，选定交换次数、搅拌时间、交换剂加入量、沉淀洗涤次数共4个因素，其中洗涤次数为4个水平，其余因素为两个水平，对样品1进行实验。选择混合型正交设计表L8(23×4)，此表的4列中，3列为2水平，1列为4水平。设计正交实验见表 2。

根据实验方案，进行了8组实验，每个条件至少进行两次实验，结果见表 3。实验发现：①沉淀洗涤次数和搅拌时间对结果影响不大；②影响实验结果的主要因素是交换液的加入量；③交换次数对实验结果的影响不大；④条件6的重现性最好，条件4和条件5次之。本文确定交换的最佳条件为6，即交换1次，加入25 mL交换液，搅拌30 min，沉淀洗涤2次。

表 2 膨润土中交换性阳离子正交实验

Table 2. rthogonal experiment of exchangeable cation in bentonite

条件	交换次数	搅拌时间 t/min	交换液加入量 V/mL	沉淀洗涤次数
1	2	30	10	1
2	2	50	10	2
3	2	30	25	3
4	2	50	25	4
5	1	50	25	1
6	1	30	25	2
7	1	50	10	3
8	1	30	10	4

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2.2 测定酸度的选择

取混合标准溶液2.00 mL于50 mL容量瓶中，分别加入不同量的50%盐酸或50%硝酸，用蒸馏水稀释至刻度。选择仪器最佳工作条件进行测定，考察不同酸度对测定结果的影响。表 4测定结果，当溶液中盐酸和硝酸的浓度在2%～20%时，对测定结果无明显影响。说明测定酸度范围较宽，但考虑到Ca、Mg、K、Na的测定常用盐酸介质等因素，本文选择5%盐酸作为溶液酸度。

表 3 交换性阳离子测定条件实验

Table 3. Optimization experiment of exchangeable cations

条件	E/(mol·100 g^-1)
	Ca²⁺		Mg²⁺		Na⁺		K⁺
	测定均值	RSD/%	测定均值	RSD/%	测定均值	RSD/%	测定均值	RSD/%
1	2.48	5.3	3.07	4.3	7.24	4.2	0.93	3.4
2	2.50	4.2	2.58	6.4	6.46	4.8	1.18	3.6
3	3.34	6.5	3.70	5.5	7.89	3.8	1.57	2.6
4	3.53	2.2	3.95	1.2	8.57	1.0	1.63	2.2
5	3.35	2.3	4.29	0.9	9.30	0.8	1.71	2.4
6	3.77	1.8	4.37	0.6	9.38	0.4	1.71	0.8
7	2.27	4.5	3.46	3.2	2.16	2.4	1.11	3.0
8	2.63	7.1	2.83	4.1	6.47	3.0	1.11	3.8

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表 4 酸度对测定结果的影响

Table 4. ffect of acidity on determination

酸度/%	E/(mmol·L^-1)
	Ca²⁺		Mg²⁺		Na⁺		K⁺
	HCl	HNO₃	HCl	HNO₃	HCl	HNO₃	HCl	HNO₃
0	0.342	0.345	0.338	0.345	0.055	0.059	0.078	0.081
0.5	0.364	0.368	0.357	0.349	0.061	0.065	0.076	0.074
1	0.367	0.371	0.384	0.394	0.064	0.061	0.085	0.081
2	0.397	0.401	0.405	0.408	0.079	0.084	0.084	0.080
5	0.403	0.405	0.408	0.397	0.078	0.076	0.082	0.084
10	0.391	0.394	0.389	0.401	0.080	0.078	0.080	0.084
15	0.397	0.389	0.402	0.406	0.082	0.080	0.084	0.079
20	0.396	0.399	0.405	0.402	0.078	0.080	0.076	0.078

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2.3 分析谱线的选择及干扰消除

通过对实际样品中被测元素分析线做谱峰扫描，考察各分析线背景和干扰情况。ICP-AES法测定膨润土交换液中交换性阳离子Ca、Mg、K、Na，主要存在光谱干扰和非光谱干扰。选择适宜的波长会避免或减少谱线重叠的干扰和其他光谱干扰，利用炬管垂直观察方式，基体效应小，仪器自带软件校正光谱干扰。非光谱干扰因样品经氯化铵-乙醇交换液进行交换后，交换液中主要元素为Ca、Mg、K、Na，其他元素均因未被交换而分离，不产生干扰。本文经过对样品溶液多次扫描，选择的最佳分析线分别为:Ca 315.887 nm(级次107)，Mg 279.079 nm(级次121)，K 766.490 nm(级次44)，Na 589.592 nm(级次57)。

2.4 方法线性范围和检出限

在仪器的最佳工作条件下测定，绘制各元素的

标准曲线。 Ca²⁺、 Mg²⁺的浓度分别为0.0000、0.0400、0.2000、0.4000、0.6000 mmol/L，Na⁺、K⁺的浓度分别为0.0000、0.0200、0.1000、0.2000、0.3000 mmol/L，并确定其线性范围。对空白溶液平行测定11次，计算标准偏差，以3倍标准偏差计算 Ca²⁺、 Mg²⁺、K⁺、Na⁺的检出限。表 5结果表明，各元素相关系数均大于0.9998，线性范围宽，测定结果可靠。

表 5 线性范围、相关系数和检出限

Table 5. Linear range,correlative coefficients and detection limits

离子	线性范围 c_B/(mmol·L^-1)	相关系数	检出限/ (mmol·100 g^-1)
Ca²⁺	0.0～3.0	0.99998	0.036
Mg²⁺	0.0～3.0	0.99997	0.048
K⁺	0.0～0.6	0.99991	0.012
Na⁺	0.0～0.6	0.99986	0.024

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2.5 方法精密度和准确度

采用国家级标准物质GBW(E) 070049、GBW(E) 070050、GBW(E) 070052和膨润土样品，按1.3节方法独立处理样品并测定11次，用实际样品的测定结果与采用相同的交换方法、不同的样品制备方法、原子吸收光谱(AAS)的测定结果进行比对。表 6的结果表明，该方法的精密度(RSD，n=11)为0.5%～2.5%，准确度(RE)为-6.1％~10%，实际样品的测定值与标准值或AAS法的测定值基本吻合。

采用标准加入法对交换液进行加标试验，分取交换液20.00 mL置于50 mL容量瓶中，分别加入1.00 mL混合标准溶液，以下同标准曲线的绘制。表 7的结果表明，实际样品按本方法处理ICP-AES测定，方法回收率为97.0%~100.0%。

3. 结语

本文从膨润土的浸取出发，开辟了用ICP-AES测定膨润土样品中交换性阳离子Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺的方法，与原子吸收光谱法和容量法相比，简便快捷，结果准确可靠，同时也为其他黏土矿物中交换阳离子和阳离子交换总量的测定提供了新的思路。

表 6 方法精密度和准确度

Table 6. recision and accuracy tests of the method

样品	测定元素	E/(mmol·100 g^-1)		RSD/%	RE/%
样品	测定元素	本法测定值	标准值或 AAS测定值	RSD/%	RE/%
GBW(E) 070049	Ca	1.76	1.80	2.3	-2.2
	Mg	0.43	0.40	1.5	7.5
	Na	0.11	0.10	0.6	10.0
	K	0.11	0.10	0.9	10.0
GBW(E) 070050	Ca	46.9	47.1	2.2	-0.4
	Mg	7.28	7.34	1.3	-0.8
	Na	0.79	0.80	1.0	-1.3
	K	0.42	0.40	0.8	5.0
GBW(E) 070052	Ca	24.0	24.4	2.5	-1.7
	Mg	0.83	0.79	1.2	5.1
	Na	48.5	48.5	2.0	0
	K	1.15	1.12	1.8	2.7
样品1	Ca	3.70	3.94^*	1.8	-6.1
	Mg	4.40	4.50^*	1.2	-2.2
	Na	9.40	9.65^*	1.0	-2.6
	K	1.90	1.90^*	1.6	0
样品2	Ca	1.76	1.80^*	1.4	-2.2
	Mg	0.45	0.47^*	0.8	-4.2
	Na	0.12	0.12^*	0.5	0
	K	0.11	0.11^*	0.7	0
注：带*的数据为原子吸收光谱的测定值。

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表 7 加标回收试验

Table 7. Recovery tests of the method

样品	测定元素	n/mmol			回收率/%
样品	测定元素	加标前测定值	加标量	加标后测定值	回收率/%
GBW(E) 070049	Ca	0.0035	0.02	0.0232	98.5
	Mg	0.0009	0.02	0.0206	98.5
	Na	0.0002	0.001	0.0012	100.0
	K	0.0002	0.001	0.0012	100.0
GBW(E) 070050	Ca	0.0938	0.02	0.1133	97.5
	Mg	0.0146	0.02	0.0342	98.0
	Na	0.0016	0.001	0.0026	100.0
	K	0.0008	0.001	0.0018	100.0
GBW(E) 070052	Ca	0.048	0.02	0.0677	98.5
	Mg	0.0017	0.02	0.0211	97.0
	Na	0.097	0.001	0.098	100.0
	K	0.0023	0.001	0.0033	100.0
样品1	Ca	0.0024	0.02	0.0222	99.0
	Mg	0.0088	0.02	0.0284	98.0
	Na	0.0188	0.001	0.0198	100.0
	K	0.038	0.001	0.039	100.0
样品2	Ca	0.0036	0.02	0.0235	99.5
	Mg	0.0009	0.02	0.0203	97.0
	Na	0.0002	0.001	0.0012	100.0
	K	0.0002	0.001	0.0012	100.0

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图 1 镉形态分离色谱图

Figure 1. Chromatogram of Cd species by SEC-HPLC-ICPMS

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图 2 胁迫浓度对植物体根部和叶部镉形态分布的影响

Figure 2. Effect of exposure levels on Cd species in root and leaf

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图 3 胁迫时间对植物体根部和叶部镉形态分布的影响

Figure 3. Effect of exposure time on Cd species in root and leaf

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1. 实验部分
1.1 仪器及工作参数
1.2 标准溶液及主要试剂
1.3 实验方法
1.3.1 试样制备
1.3.2 标准曲线
2. 结果与讨论
2.1 浸取条件
2.2 测定酸度的选择
2.3 分析谱线的选择及干扰消除
2.4 方法线性范围和检出限
2.5 方法精密度和准确度
3. 结语

胁迫浓度和胁迫时间对印度芥菜中镉形态分布的影响

作者简介: 杨红霞，在读博士研究生，副研究员，地球化学专业。E-mail：yanghongxia1@sina.com

通讯作者: 李冰，研究员，主要从事痕量超痕量元素分析、元素形态分析和环境地球化学研究。E-mail：libinggx@163.com

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