高浓度U胁迫下植物物质成分的FTIR

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摘 要 用FTIR对500 mg U·kg-1土壤胁迫下空心莲子草、落葵和菊苣茎叶和根系的物质成分进行测定,用半定量法分析3种植物茎叶和根系红外光谱的差异,探讨高浓度U胁迫对植物物质成分的影响.结果表明:(1)3种植物茎叶和根系吸收峰峰形未发生较大改变,但吸光度变化明显,说明该浓度U对这3种植物的物质成分改变较小,含量改变较大.(2)羟基、羧基和酰胺基吸收峰发生明显位移,说明U胁迫对这些基团有明显影响,它们可能与U的吸收、络合、运输密切相关.(3)半定量分析表明,该浓度U使3种植物羟基、羧基等基团及蛋白质和糖类物质有明显的数量变化,不同植物变化不同,这可能由植物耐受U能力不同所致.因此,FTIR能快速、灵敏地检测植物在高浓度U胁迫下物质成分的变化,能解释植物吸收积累U的影响机理,可作为一种有效手段应用于U等核素对植物效应的研究.

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关 键 词 高浓度U胁迫;空心莲子草;落葵;菊苣;FTIR;半定量分析

中图分类号O657.3 文献标识码A 文章编号10002537(2013)05005906

核能利用的发展促进了铀矿的大量开发,铀矿的开发和加工,导致铀尾矿及铀废物的大量污染.我国湖南铀尾矿库矿渣及土壤的U含量变化[15]在26.11~122.1 mg·kg-1.污染环境中的铀,因生物富集作用在人体中积累,人体肾中铀含量超 3 mg·kg-1,就会产生损害[6].人们通过各种技术来治理铀污染,植物修复是最简洁有效并对环境污染最小的生物修复技术[7].植物在吸收和富集铀的同时,铀对植物种子萌发、幼苗生长和酶活性[810]以及叶绿素含量、植株体积大小等产生影响[11],但对植物体内物质成分有无影响,目前尚未见报道.

傅里叶变换红外光谱法(FTIR)是一种基于化合物中官能团和极性键振动的结构分析技术,可以帮助判断分子中含有何种官能团,更重要的是可以比较不同样品的红外光谱差异,从而反映样品在植物化学组成上的差异程度[12].目前,FTIR已广泛应用于许多研究领域,如中药材的质量鉴别[13]、高等植物的系统分类研究[14]以及重金属胁迫对植物的影响[1518].本研究采用FTIR法分析高浓度U胁迫下空心莲子草、落葵和菊苣茎叶和根系的化学组成变化,探讨高浓度U胁迫对植物物质成分的生物学效应,为铀污染土壤的植物修复提供相关参考.


1研究材料与方法

1.1实验材料

苋科的空心莲子草(Alternanthera philoxeroides),落葵科的落葵(Basella rubra),菊科的菊苣(Cichorium intybus L.).U以UO2(CH3CO3)2·2H2O的形式加入.

1.2实验方法

盆栽试验,每盆土壤1 kg.按U元素含量500 mg·kg-1土壤溶解于350 mL水(预备试验得到的土壤饱和持水量)中,均匀浇淋于每盆,以清水为对照(control),重复5次.在阴凉干燥处放置8周[19],待土壤充分吸附后播种,播种2个半月后分茎叶和根系收获,在105 ℃下杀青20 min,80 ℃烘干至恒重,研磨粉碎.

1.3测定方法

1.3.1FTIR测定在西南科技大学分析测试中心,准确称取1.5 mg样品粉末与300 mg KBr在玛瑙研钵中混匀研磨,全部转移到模具中用压片机制备出均匀、透明锭片,用美国P.E.公司的Spectrum one FTIR (扫描范围4 000~400 cm-1,分辨率为4 cm-1)测定3种植物茎叶和根系的傅里叶变换红外光谱信息.

1.3.2U含量测定将干燥碾磨好的样品,准确称取0.3 g,加入7 mL浓硝酸,2 mL 30%双氧水,于微波消解仪中(Mars,美国CEM 公司)消解,消解好的样品,在西南科技大学分析测试中心采用ICPMS(Agilent 7700x,美国安捷伦公司)测定U含量.

1.4数据分析

根据空心莲子草、落葵、菊苣吸收峰的吸光度值特点筛选出11个比较典型的吸收峰,并记录不同波数的吸光度.原始数据采用Origin 7.5软件作图, Nicolet Omnic 8.0软件对不同样品的FTIR谱图进行数据处理.

2结果与分析

2.13种植物茎叶和根系的FTIR图谱分析

红外光谱分析(FTIR)显示,空心莲子草在高浓度U处理和对照组的峰形基本保持不变,茎叶和根系的吸光度在高浓度U胁迫下都低于对照,根系的吸光度低于茎叶(图1);落葵(图2)和菊苣(图3)与空心莲子草类似.

3结论

(1)空心莲子草、落葵和菊苣在高浓度U胁迫下和对照相比,吸收峰峰形基本未发生较大改变,吸收峰波数相对固定,说明高浓度U胁迫并未改变3种植物的基本化学组分,但吸光度有较大差异,说明高浓度U对3种植物各化学成分含量有所影响.

(2)3种植物的羟基、空心莲子草和菊苣的孤立羧基、3种植物的酰胺基吸收峰发生了明显位移;半定量分析发现:空心莲子草、菊苣的羟基含量增加,空心莲子草、落葵的孤立羧基含量减少,落葵的蛋白质二级结构中肽键间氢键的结合力减弱、蛋白质含量减少,菊苣的蛋白质二级结构中肽键间氢键的结合力增强、蛋白质含量增加,说明这些基团与U的吸收、络合、运输密切相关.这些变化阐明了U对这3种植物物质成分的影响机理.

(3)空心莲子草和菊苣糖类物质降低,而落葵根系糖类物质大量增加,说明落葵抗高浓度U胁迫较其他两种植物更强,植物的耐高浓度U的能力越强,则通过生理生化反应来抵御不良环境的迫害能力也越强.

(4)FTIR能够作为探究植物对高浓度U胁迫下物质成分响应的一种快速、灵敏的检测手段,可以应用于U等核素对植物物质成分的生物效应研究.

致谢西南科技大学分析测试中心贾茹博士和王树民博士帮助进行样品测试,特表谢意. 参考文献:

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(编辑杨春明)

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