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  土壤  2020, Vol. 52 Issue (5): 1038-1042  DOI: 10.13758/j.cnki.tr.2020.05.023
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引用本文  

陆海龙, 徐仁扣. 玉米和大豆根尖和非根尖部位对Mn(Ⅱ) 的吸附研究. 土壤, 2020, 52(5): 1038-1042.
LU Hailong, XU Renkou. Study on Sorption of Mn(Ⅱ) on Root Tips and Non Root Tips of Maize and Soybean. Soils, 2020, 52(5): 1038-1042.

基金项目

国家自然科学基金项目(41230855)和国家重点研发计划项目(2016YFD0200302)资助

通讯作者

徐仁扣, (rkxu@issas.ac.cn)

作者简介

陆海龙(1988—),男,安徽亳州人,博士研究生,主要从事植物根系表面电荷性质研究。E-mail: hllu@issas.ac.cn
玉米和大豆根尖和非根尖部位对Mn(Ⅱ) 的吸附研究
陆海龙1,2 , 徐仁扣1     
1. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所),南京 210008;
2. 中国科学院大学,北京 100049
摘要:为了探索玉米和大豆根系根尖部位和非根尖部位对Mn(Ⅱ) 吸附的差异及其机制,用砂培试验获取两种植物的新鲜根,将根系分为根尖部位和非根尖部位2部分,用流动电位法和红外光谱法(ATR-FTIR)分别表征了它们根表的zeta电位和官能团;将根系与Mn(Ⅱ) 反应,然后用KNO3、EDTA-2Na和HCl连续提取的方法确定吸附在植物根表Mn(Ⅱ) 的结合形态和吸附量。研究结果表明:吸附在植物根表的Mn(Ⅱ) 主要以交换态存在,根尖部位的交换态Mn(Ⅱ) 和吸附Mn(Ⅱ) 的总量要明显大于非根尖部位。根尖部位所带负电荷和官能团的数量多于非根尖部位,是前者对Mn(Ⅱ) 具有更高吸附容量的主要原因。因此,植物根系的表面电荷特征和官能团数量在根系及根尖部位吸附Mn的过程中起着重要的作用。
关键词根尖部位    zeta电位    表面电荷    Mn(Ⅱ) 吸附    官能团    

大豆和玉米是主要的经济作物和粮食作物[1]。锰(Mn)是植物生长必需的微量营养元素[2],不仅参与调节植物的光合作用,而且在活性氧自由基清除中作为Mn超氧化物歧化酶的成分也发挥重要作用[3]。Mn对污染物迁移、氧化还原反应和土壤有机物质的分解起着重要作用[4-5]。但土壤中活性Mn含量超过一定范围会对植物产生毒害。植物吸收的Mn先积累于叶,过量的Mn对植物的叶片和根均产生不利影响[6]。植物受Mn毒害表现出很多症状,包括叶脉失绿[7]、棕色斑点形成[8]、皱叶[9]、叶子发育迟缓、僵硬和叶尖坏死等[10]

植物主要通过根系来吸附和吸收土壤中的养分元素和有毒金属离子[11-13]。植物根系表面是各种离子进入植物体的第一道屏障,而根尖是植物感受有利(水、养分等)和不利(干旱、重金属等)环境条件的重要部位,能快速响应环境变化,因此根尖对植物的生长和发育至关重要[14]。杨野等[15]研究发现,铝胁迫导致植物根尖尤其是伸长区细胞的细胞壁组成物质含量、比例及结构发生改变,造成细胞壁弹性降低,从而抑制根尖伸长细胞的生长。铁、铜和镉等重金属元素对植物根尖边缘细胞也具有毒害作用[16]

根尖是植物吸收养分的主要部位[17-18]。根尖部位和非根尖部位的表面化学性质不同,从而对养分和有毒物质的吸附和吸收也不同。为了探索这种差异,本文以徐豆14和苏玉20两种作物为研究对象,用流动电位法和衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)技术研究了根系根尖部位和非根尖部位表面电荷的差异及原因,考察了Mn(Ⅱ) 在根尖部位和非根尖部位吸附的差异及其与根表电荷性质的关系。研究结果可为进一步理解植物根尖在吸收养分和缓解有毒金属毒害中的作用提供参考。

1 材料与方法 1.1 试验材料

本研究选用的大豆(Glycine max cv.)和玉米(Zea mays L.)品种分别为徐豆14和苏玉20。选择饱满一致的种子,首先用10% 的双氧水消毒15 min,再用蒸馏水清洗干净后,于蒸馏水中浸泡6 h;然后分别把大豆和玉米种子置于灭菌的砂子中25 ℃避光催芽,砂子覆盖厚度约为2 cm。待种子露芽时,放置在人工生长室(14 h光照,28 ℃;10 h黑暗,20 ℃;光照强度375 μmol/(m2·s);相对湿度70%)中进行培养。2 d后用去离子水洗净植物鲜根进行试验。

1.2 根不同部位流动电位的测定

将植物的根与茎分离,用蒸馏水清洗根系3次后,小心吸干表面水分,用实验室自制的流动电位装置测定植物根系根尖部位和非根尖部位的zeta电位[19]。植物根尖一般指从根系最先端开始0.4 ~ 0.6 cm的幼嫩部分。由于测定条件的限制,在测定根系流动电位时根系的长度不能太短,因此,本研究中以根系的最先端为起点,将新鲜的植物根系剪成0 ~ 3 cm和3 ~ 6 cm两段,分别代表根尖部位和非根尖部位。每一部分混合均匀后填满样品池,向电解质溶液箱中加入1.5 L电导率为80 μS/cm的NaCl溶液,平衡2 h后弃去电解质溶液并更换1.5 L新鲜的同样浓度的电解质溶液,再平衡10 min。通过一对固定于样品池两端的Ag/AgCl电极测定样品的流动电势(ΔE),而通过一对固定于样品池两端的Pt电极测定整个样品池总电导率(κ)。通过恒流泵将电解质溶液泵入样品池,并通过阀门改变驱动力获得不同液压差(ΔP)时的流动电位。根据Helmholtz-Smoluchowski方程,由测定的流动电位计算根尖部位和非根尖部位的zeta电位[20]

$ \zeta = \frac{{\Delta E}}{{\Delta P}}\frac{\mu }{{\varepsilon {\varepsilon _0}}} \kappa $ (1)

式中:ζ是zeta电位(mV);ΔE是流动电位(mV);ΔP是液体压力差(Pa);μ是溶液的黏滞系数(Pa S);ε是电解质溶液的介电常数(F/m);ε0是真空介质的介电常数(F/m);κ是溶液电导率(S/m)。

1.3 根不同部位对Mn的吸附/解吸

取自根尖开始6 cm长的新鲜根,吸附试验前将根放置于去离子水中浸泡12 h以清除根表多余的营养离子。用MnCl2配置Mn(Ⅱ) 溶液,称3 g新鲜根于60目尼龙网袋中,磁力搅拌条件下与500 ml 50 μmol/L的Mn(Ⅱ) 溶液反应2 h。吸附完成后,将根从溶液中取出并用去离子水冲洗3次,小心吸干水分。将每条根分成2段,每段长3 cm(0 ~ 3、3 ~ 6 cm),称重,然后依次放入0.1 mol/L KNO3、0.05 mol/L EDTA-2Na和0.01 mol/L HCl的200 ml溶液中提取根表吸附的交换态、络合态和沉淀态Mn(Ⅱ)[21]。提取完成后,用原子吸收分光光度法(Nov AA350,Analytikjena AG,Jena,Germany)测定3种提取液中Mn(Ⅱ) 的含量。将3种形态的Mn(Ⅱ) 加和作为根表吸附的Mn(Ⅱ) 总量。

我国土壤Mn含量有很大的变异范围,通常在10 ~ 5 532 mg/kg,平均含量为710 mg/kg。表层土壤中Mn的含量主要与降水和风化程度等因素有关[22]。Mn在土壤中主要以Mn(Ⅲ) 和Mn(Ⅳ) 的氧化物存在于土壤固相部分,Mn(Ⅲ) 和Mn(Ⅳ) 离子很难在土壤溶液中长期稳定存在,仅作为一些反应的中间产物而短暂存在[23]。由于Mn(Ⅱ) 的还原能力弱,Mn(Ⅱ) 在酸性土壤中能稳定存在,这也是酸性土壤中容易产生Mn对植物毒害的主要原因。因此,本文选用Mn(Ⅱ) 进行吸附/解吸试验。

1.4 根不同部位衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)测定

将根系的根尖部位(0 ~ 3 cm)和非根尖部位(3 ~ 6 cm)样品用去离子水洗净并风干后,用装配有金刚石探头(ATR探头)的Nicolet iS10红外光谱仪(Nicolet Analytical Instruments,Madison,Wisconsin,USA)测定根表的红外光谱。光谱的扫描范围是650 ~ 4 000 cm–1,扫描分辨率是4 cm–1,每个样品的光谱采集扫描32次的数据。

1.5 统计分析

使用SPSS 20.0(SPSS Inc., Chicago, USA)软件进行数据处理和统计分析。使用t检验检测处理之间的差异在P < 0.05水平上的显著性。

2 结果与讨论 2.1 根尖部位和非根尖部位的表面电化学性质

zeta电位的结果表明,在所测定的pH 4 ~ 7.5范围内,两种植物根系的根尖部位和非根尖部位的zeta电位均为负值(图 1),表明根系表面带净负电荷,与之前的研究报道一致[24-25]。随着电解质溶液pH的升高,两种植物根系的根尖部位和非根尖部位的zeta电位均逐渐变的更负,说明根系表面所带负电荷随pH升高而增加。根系表面负电荷主要来自含氧官能团的解离,随着pH升高,官能团解离程度增加,负电荷增多。

图 1 不同pH条件下玉米和大豆根尖部位和非根尖部位的zeta电位 Fig. 1 Zeta potentials of root tips and non root tips of maize and soybean at various pH values

图 1中可以看出,两种植物根系的根尖部位zeta电位比非根尖部位的zeta电位更负,且随着溶液pH升高,根尖部位和非根尖部位zeta电位的差值变大。如pH 4.5时玉米根系的根尖部位和非根尖部位zeta电位差值为4.8 mV,pH 6.7时相应差值为6.3 mV;pH 4.5时大豆根系的根尖部位和非根尖部位zeta电位差值为5.3 mV,pH 6.7时相应差值为10.1 mV。这些结果表明,植物根系的根尖部位比非根尖部位带有更多的负电荷。

2.2 根尖部位和非根尖部位的红外光谱

由于植物根表含有大量的官能团(–COOH、–OH等),这些官能团解离以后,使得植物根表带负电荷并且为金属阳离子提供结合位点。两种植物根尖部位和非根尖部位的红外光谱见图 2。位于1 633、1 544和1 243 cm–1处的吸收峰分别代表酰胺Ⅰ(蛋白质中C=O的伸缩振动和N–H的弯曲振动),酰胺Ⅱ(N–H的弯曲振动)和酰胺Ⅲ(N–H的弯曲振动和C–N的伸缩振动)[26];1 397 cm−1处的吸收峰是–COO–的对称振动[27];位于1 369 cm–1和1 028 cm–1处的吸收峰分别归属于纤维素中的C–H伸缩振动和糖类的C–OH弯曲振动[28-29]。根尖部位和非根尖部位各吸收峰位置没有明显差异,表明它们根表含有相似的官能团。但是,根尖部位各吸收峰强度均高于非根尖部位(图 2),表明根尖部位官能团的含量多于非根尖部位。这是根尖部位比非根尖部位带有更多负电荷的主要原因。

图 2 玉米和大豆根系根尖部位和非根尖部位的ATR-FTIR光谱图 Fig. 2 ATR-FTIR spectra of root tips and non root tips of maize and soybean
2.3 根尖部位与非根尖部位对Mn(Ⅱ) 的吸附及其与根系电荷性质的关系

当根系与Mn(Ⅱ) 溶液相互作用后,根表吸附的Mn(Ⅱ) 可区分为交换态、络合态和沉淀态3种形态[30]。交换态Mn(Ⅱ) 在根表吸附的Mn(Ⅱ) 总量中占比最大,其次是络合态Mn(Ⅱ) 和沉淀态Mn(Ⅱ)(图 3),因此Mn(Ⅱ) 离子在根表主要以交换态存在。当Mn(Ⅱ) 的初始浓度为50 μmol/L时,玉米根尖部位吸附的3种形态Mn(Ⅱ) 的量要明显高于非根尖部位(P < 0.05)。大豆根尖部位吸附交换态Mn(Ⅱ) 的量显著高于非根尖部位(P < 0.05);吸附络合态和沉淀态Mn(Ⅱ) 的量也高于非根尖部位,但差异不显著。将3种形态Mn(Ⅱ) 求和获得Mn(Ⅱ) 在根表的吸附总量,结果表明,两种植物根系根尖部位吸附的Mn(Ⅱ) 总量也显著高于非根尖部位,与交换态Mn(Ⅱ) 具有相似的变化趋势(图 3)。根尖部位吸附Mn(Ⅱ) 的量高于非根尖部位,表明根尖部位比非根尖部位具有更强的吸附能力。

图 3 吸附于两种植物根尖部位和非根尖部位Mn(Ⅱ) 的化学形态分布(Mn(Ⅱ) 初始浓度为50 μmol/L) Fig. 3 Distribution of chemical forms of Mn(Ⅱ) adsorbed on root tips and non root tips of maize and soybean (Initial Mn(Ⅱ) concentration was 50 μmol/L)

交换态Mn(Ⅱ) 主要通过带负电荷的根表与金属阳离子之间的静电引力作用而吸附在植物根表,其数量主要决定于根系表面的电荷性质。根表所带负电荷数量越多,对Mn(Ⅱ) 的吸附能力越强。由于两种植物根系的根尖部位带有更多的负电荷,因此能吸附更多的交换态Mn(Ⅱ)。吸附于根表的交换态阳离子具有很高的活性,容易被植物吸收利用。因此,根尖部位对Mn(Ⅱ) 有更大的静电吸附量可能是根尖部位能够吸收和积累更多Mn(Ⅱ) 的主要原因。Liu和Xu等[21]研究发现,交换态铝在根尖部位的吸附量高于其他部位,并且随着离根尖距离的增加,交换态铝的含量逐渐降低。Delhaize等[31]也证明铝在根尖部位的吸附总量显著大于其他部位,距离根尖越远,吸附量越少。这些研究结果与本文观察的现象一致,说明植物根尖部位带较多负电荷,导致根尖部位对阳离子有较大的吸附容量是普遍存在的现象。

由于根细胞壁或原生质膜表面含有大量的–COOH、–OH和–H2PO4等官能团,它们通过质子的解离和缔合作用使根表带电,且以负电为主[32]。因此,植物根表的官能团是负电荷的主要来源,也是植物根表对Mn(Ⅱ) 和其他金属阳离子产生静电吸附的主要原因。另外,根表的这些官能团也能与金属阳离子形成表面络合物,是金属阳离子的主要结合位点,是根表能吸附络合态Mn(Ⅱ) 的主要原因。根尖作为根系最活跃的部分,其表面比根系其他部位存在更丰富的–COOH和–OH等官能团[33-34]。因此,植物根系的根尖部位能够吸附更多的交换态Mn(Ⅱ) 和络合态Mn(Ⅱ)。

3 结论

玉米和大豆根系根尖部位和非根尖部位的电化学性质存在明显差异,因而根尖部位和非根尖部位对Mn(Ⅱ) 的吸附能力不同。与非根尖部位相比,根尖部位带有更多的官能团和负电荷,导致根尖部位吸附的交换态Mn(Ⅱ)、络合态Mn(Ⅱ) 以及Mn(Ⅱ) 总吸附量均高于非根尖部位。根尖部位带有更多的官能团和负电荷以及吸附更多的Mn(Ⅱ) 是根尖部位吸收积累更多Mn(Ⅱ) 的原因之一。

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Study on Sorption of Mn(Ⅱ) on Root Tips and Non Root Tips of Maize and Soybean
LU Hailong1,2 , XU Renkou1     
1. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: To examine the differences in surface charge and functional groups of root tips and non root tips of plants and their effects on Mn(Ⅱ) sorption onto plant roots, the fresh roots of maize and soybean were obtained by sand culture experiment and were divided into root tips and non root tips, and then their zeta potentials and functional groups were determined by streaming potential and ATR-FTIR, respectively. The roots were reacted with Mn(Ⅱ) solution, and then exchangeable, complexed, and precipitated forms of Mn(Ⅱ) sorbed on plant roots were extracted with KNO3, EDTA-2Na and HCl sequentially. The results showed that zeta potentials of root tips of the two crops were more negative than those of the non root tips, and the root tips of the two crops carried more functional groups than the non root tips. Mn(Ⅱ) sorbed on the root surfaces of two crops mainly existed as exchangeable form, and the amounts of exchangeable Mn(Ⅱ) and total sorbed Mn(Ⅱ) on the root tips were significantly greater than these on the non root tips. The higher negative charge and the larger number of functional groups on the root tips were responsible for their higher adsorption capacity and greater binding strength for Mn(Ⅱ) than the non root tips. Therefore, surface charges and functional groups play an important role in the sorption of Mn on crop roots.
Key words: Root tip    Zeta potential    Surface charges    Mn(Ⅱ) sorption    Functional groups