曹 升 ，羅潔文 ，胡華英 ，張 虹 ，周垂帆 *，劉 博

（1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福州 350002；2.南方紅壤區(qū)水土保持國(guó)家林業(yè)與草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350002；3.福建長(zhǎng)汀紅壤丘陵生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀(guān)測(cè)研究站，福建 長(zhǎng)汀 366300）

伴隨工業(yè)的發(fā)展，許多富含重金屬的污染物隨著未經(jīng)處理的廢氣廢水排放到環(huán)境中。Pb作為常見(jiàn)重金屬污染物之一，隨大氣沉降、廢液滲漏等進(jìn)入土壤。根據(jù)2014年公布的《全國(guó)土壤污染調(diào)查公報(bào)》，Pb在土壤的污染點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到1.1%，是耕地、工業(yè)用地、礦區(qū)等土壤的主要污染物[1]。作為一種生物體非必需微量元素，Pb在土壤中過(guò)量累積會(huì)嚴(yán)重影響土壤質(zhì)量，使土壤生化活性降低。Pb會(huì)隨著食物鏈在生物體中累積并對(duì)生物體產(chǎn)生危害[2]，因此亟需尋找可修復(fù)Pb污染土壤的科學(xué)有效的方法。植物修復(fù)技術(shù)由于所需費(fèi)用低，對(duì)所需修復(fù)場(chǎng)地破壞力小，易于控制等優(yōu)點(diǎn)，已成為重要的重金屬污染土地修復(fù)手段。類(lèi)蘆作為一種優(yōu)良的南方土地修復(fù)植物，其環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、生物量大，在Pb污染嚴(yán)重的礦區(qū)也能生長(zhǎng)良好，對(duì)Pb具有一定的耐性與富集作用[3]。據(jù)研究報(bào)道，一株類(lèi)蘆的根部能吸附Pb達(dá)4 687.87 mg·kg-1，其中根細(xì)胞壁中Pb占總吸附量的90.43%[4]。但目前對(duì)于類(lèi)蘆耐Pb的機(jī)制，特別是根系對(duì)Pb阻隔的關(guān)鍵作用還不夠明確。

根尖細(xì)胞壁是植物最初接觸到重金屬離子的部位，是有毒金屬陽(yáng)離子跨膜進(jìn)入植物體內(nèi)的第一道屏障。其對(duì)重金屬脅迫的響應(yīng)信號(hào)能夠直接干擾植物代謝過(guò)程，進(jìn)而影響重金屬解毒效果和植物修復(fù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[5]。植物根細(xì)胞壁能通過(guò)吸收、累積重金屬離子來(lái)提升植物對(duì)重金屬的耐受性[6]，根細(xì)胞壁通過(guò)增加根部對(duì)重金屬的固存量與降低吸收率，成為植物積累重金屬、降低重金屬對(duì)整株植物毒害的主要器官[7]。研究表明，小麥根細(xì)胞壁吸附Al占植株總吸附量的77%[8]，香蒲在不同生長(zhǎng)期中，根部對(duì)As的吸附量均遠(yuǎn)高于地上部分[9]。由構(gòu)成骨架的纖維素，填充于胞間層的果膠，和含有的蛋白質(zhì)、木質(zhì)素等物質(zhì)共同構(gòu)成的植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜。細(xì)胞壁中多糖上的氨基、羥基、磷酸基等基團(tuán)[10]為帶負(fù)電的官能團(tuán)，其能主動(dòng)將重金屬陽(yáng)離子固定于細(xì)胞壁上，并改變重金屬在植物細(xì)胞內(nèi)的形態(tài)，從而起到隔離作用[11]。應(yīng)對(duì)重金屬毒害時(shí)，細(xì)胞壁各組分運(yùn)用不同機(jī)制抵御，如帶有負(fù)電荷的細(xì)胞壁質(zhì)膜會(huì)吸附帶正電荷的重金屬離子以減少重金屬離子進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)內(nèi)[12]，木質(zhì)素通過(guò)產(chǎn)生不同的酶來(lái)參與抵御[13]。此外，有研究表明，不同品種的玉米根細(xì)胞壁中，果膠能吸附55.6%～79.5%的Pb[14]，Al脅迫下小麥細(xì)胞壁多糖顯著增加，甲基化水平下降，使得小麥細(xì)胞壁中果膠的Al結(jié)合能力增強(qiáng)，耐Al性增強(qiáng)[15]。因此，植物根細(xì)胞壁可通過(guò)固定重金屬提升對(duì)重金屬的耐性，起到降低重金屬對(duì)植物體原生質(zhì)體的毒害作用。關(guān)于Pb2+吸附固定過(guò)程中類(lèi)蘆根細(xì)胞壁哪些組分及組分中哪些官能團(tuán)起到了關(guān)鍵性作用等問(wèn)題并不清楚，這極大制約了我們對(duì)類(lèi)蘆Pb脅迫下的耐性和解毒機(jī)制的認(rèn)知。

本研究通過(guò)對(duì)細(xì)胞壁進(jìn)行不同化學(xué)改性，并通過(guò)吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)探究Pb吸附過(guò)程中起到具體作用的官能團(tuán)。利用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）表征類(lèi)蘆細(xì)胞壁內(nèi)的聚合物和官能團(tuán)信息，定量分析Pb吸附前后細(xì)胞壁中組分及化學(xué)基團(tuán)的信息與作用，揭示細(xì)胞壁內(nèi)各官能團(tuán)參與應(yīng)對(duì)Pb毒害的特征與機(jī)制。本研究為Pb對(duì)植物的毒害作用和植物對(duì)Pb的耐性及解毒機(jī)制提供研究思路，也為類(lèi)蘆應(yīng)用于Pb污染土壤的修復(fù)和治理提供相關(guān)參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

首先將類(lèi)蘆種子在福建農(nóng)林大學(xué)的溫室大棚中進(jìn)行土培，每日用去離子水進(jìn)行澆灌，數(shù)日后挑選長(zhǎng)勢(shì)一致（20 cm左右）的幼苗移至直徑為11 cm的不透光塑料容器中，并用800 mL Hoagland培養(yǎng)液進(jìn)行水培。營(yíng)養(yǎng)液配方為 5.0 mmol·L-1KNO3、2.0 mmol·L-1MgSO4·7H2O、5.0 mmol·L-1Ca（NO3）2·4H2O、1 mmol·L-1Fe-EDTA、46.3 mmol·L-1H3BO3、0.3 mmol·L-1CuSO4·5H2O、0.8 mmol·L-1ZnSO4·7H2O、9.1 mmol·L-1MnCl2·4H2O和0.4 mmol·L-1H2MoO4[16]，每5株種植于一個(gè)容器內(nèi)，置于人工氣候培養(yǎng)箱中，光照時(shí)間為14 h，晝溫25℃，夜溫20℃。試驗(yàn)植株分為空白組（CK）和Pb處理組，空白組溶液中不含有Pb，處理組溶液中Pb濃度為50μmol·L-1，每日更換一次脅迫液，以維持Pb的濃度。14 d后植株根系用洗脫液解析15 min并用蒸餾水洗凈擦干，再用液氮固定后保存于-75℃冰箱。

1.2 類(lèi)蘆根細(xì)胞壁的提取分離

將空白組與Pb處理組的根系樣品分別剪碎置于陶瓷研缽，放入液氮磨碎成粉末后進(jìn)行浸提，浸提順序如下：先加入75%冰乙醇浸提20 min，隨后5000 g離心10 min，抽去上懸液，該操作重復(fù)3次；在離心得到的沉淀物中依次加入體積比為1∶1的冷丙酮與三氯甲烷混合液（體積與根質(zhì)量比例為7∶1）和甲醇進(jìn)行浸提，然后離心20 min，將得到的沉淀物冰凍后進(jìn)行凍干，即得到根細(xì)胞壁，置于4℃保存[17]。

1.3 類(lèi)蘆根細(xì)胞壁的化學(xué)改性

對(duì)未經(jīng)過(guò)處理的空白組類(lèi)蘆根細(xì)胞壁粉末進(jìn)行果膠酶改性、酯化改性和氨基甲基化改性[18]。

果膠酶改性即使細(xì)胞壁中果膠在果膠甲酯酶作用下被酶解，再對(duì)去除果膠質(zhì)后的細(xì)胞壁研究其重金屬吸附能力。處理方法如下：取2 g類(lèi)蘆根細(xì)胞壁的粉末于離心管內(nèi)，加120 mL 1%的果膠酶。為保持果膠酶的活性以及穩(wěn)定性，再加入1%的BSA（Bovine serum albumin）作為穩(wěn)定劑，充分混合后置于30℃水浴消化30 min，離心后的沉淀物用去離子水洗滌3次，凍干，并置于4℃環(huán)境下保存?zhèn)溆谩?/p>

細(xì)胞壁上的羧基在酯化改性后被部分去除，可以通過(guò)對(duì)改性后細(xì)胞壁進(jìn)行重金屬吸附分析來(lái)探究羧基的作用。處理方法如下：稱(chēng)取2 g類(lèi)蘆根細(xì)胞壁的粉末于離心管內(nèi)，加入140 mL無(wú)水甲醇，并加入120 mL濃HCl做反應(yīng)催化劑。離心管在125 r·min-1速度下旋轉(zhuǎn)振蕩12 h使其充分反應(yīng)。離心去除上清液，用去離子水洗滌沉淀物3次后凍干，并置于4℃保存?zhèn)溆谩?/p>

細(xì)胞壁經(jīng)過(guò)甲基化處理，能去除部分氨基，以探究氨基基團(tuán)在根細(xì)胞壁Pb吸附過(guò)程中的作用。處理方法如下：稱(chēng)取2 g類(lèi)蘆根細(xì)胞壁粉末于離心管中，加入40 mL甲醛，再加入80 mL甲酸作為還原劑，混合均勻后125 r·min-1速度下旋轉(zhuǎn)振蕩反應(yīng)6 h，結(jié)束后混合物離心分離，沉淀物用去離子水洗滌3次，冷凍干燥后置于4℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 根細(xì)胞壁Pb吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

分別取空白組與經(jīng)過(guò)不同化學(xué)改性后的根細(xì)胞壁粉末0.05 g裝入交換柱中，上下濾頭有導(dǎo)管鏈接。將吸附液[5 mg·L-1Pb（NO3）2+0.01 mol·L-1NaNO3]從上導(dǎo)管注入，下導(dǎo)管與自動(dòng)收集器連接。將解吸液以5 mL·10 min-1的流速吸出，自動(dòng)收集器10 min收集一管直到無(wú)液體流出。用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定流出液中Pb2+濃度。該實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，得出的數(shù)據(jù)計(jì)算平均值并作圖（因標(biāo)準(zhǔn)差小于5%，為保證圖清晰故未標(biāo)出）[18]。

1.5 根細(xì)胞壁的傅里葉紅外光譜表征

對(duì)經(jīng)過(guò)不同化學(xué)改性、空白組以及在Pb處理前后的根細(xì)胞壁用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行紅外光譜表征。FTIR能記錄樣品4000～400 cm-1范圍的光譜信號(hào)信息，光譜分辨率為4 cm-1。制作檢測(cè)樣品方法如下：分別稱(chēng)取1 mg凍干備用的樣品，再以1∶100比例加入碎晶型溴化鉀（KBr）充分混合，放入瑪瑙研缽研磨充分后壓片進(jìn)行FTIR測(cè)定。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

相關(guān)數(shù)據(jù)使用SPSS20進(jìn)行分析，所有數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)和正態(tài)性檢驗(yàn)。

多組間比較采用單因子方差分析（ANOVA），組間差異分析使用SNK法，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。作圖使用Origin 2018。

2 結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)改性前后紅外光譜分析

根據(jù)類(lèi)蘆根細(xì)胞壁改性前后的FTIR圖（4000～400 cm-1，圖1）可看出不同改性處理后細(xì)胞壁官能團(tuán)發(fā)生的變化，對(duì)其主要的吸光度值進(jìn)行解析后得到前后變化的信息見(jiàn)表1。FTIR圖像反映出根細(xì)胞壁中不同官能團(tuán)在Pb吸附中的作用。通過(guò)觀(guān)察吸收峰位置的偏移與峰形變化，能夠判斷參與反應(yīng)的具體基團(tuán)。

根據(jù)圖1與表1，可得到空白對(duì)照組的類(lèi)蘆根細(xì)胞壁的特征峰：3429 cm-1處羥基（-OH）的對(duì)稱(chēng)伸縮峰和氨基（-NH）的不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰；2922 cm-1處甲基（-CH3）的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰；1720 cm-1處酯基（-C=O）的不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰；1626 cm-1處酰胺Ⅰ帶（-C=O）的伸縮振動(dòng)峰；1605 cm-1處酰胺Ⅱ帶（-CONH）的伸縮振動(dòng)峰；1186 cm-1處硫酸酯（C-O-S）或羧基（C-O）或磷酸鹽（C-O-P）的伸縮振動(dòng)峰；1053 cm-1處纖維素糖鏈（-C-H）或-C-C或-C-O振動(dòng)峰。

圖1 化學(xué)改性前后類(lèi)蘆根細(xì)胞壁傅里葉光譜圖Figure 1 The FTIRspectra of the root cell wall of Neyraudia reynaudiana before and after chemical modification

表1 化學(xué)改性前后類(lèi)蘆根細(xì)胞壁傅里葉光譜分析Table 1 Analysis of FTIRspectra of the Neyraudia reynaudiana root cell wall before and after chemical modification

酯化改性后，類(lèi)蘆根細(xì)胞壁中羥基（-OH）在酯化改性后向低頻移動(dòng)了14 cm-1，表明細(xì)胞壁中的部分羥基基團(tuán)已經(jīng)與甲醇發(fā)生了酯化反應(yīng)被去除。1626 cm-1處酰胺Ⅰ帶（-C=O）與1605 cm-1處酰胺Ⅱ帶（-CONH）代表了細(xì)胞壁中蛋白質(zhì)的特征光譜，果膠酶改性后，兩者分別向高頻移動(dòng)，表明蛋白質(zhì)中果膠在改性后被去除；此外，1186 cm-1處硫酸酯（C-O-S）的伸縮振動(dòng)峰出現(xiàn)了降低，表明果膠中含有的部分羧基（C-O）在改性后被去除，1053 cm-1處纖維素糖鏈（-C-H）的伸縮振動(dòng)峰均降低，推斷纖維素中的果膠在改性處理后被去除，表明果膠改性成功。氨基甲基化改性后，3429 cm-1處氨基（-NH）與2922 cm-1處甲基的伸縮振動(dòng)峰均出現(xiàn)下降，氨基基團(tuán)在改性后明顯下降；此外，根據(jù)圖1，在1626 cm-1處酰胺Ⅰ帶（-C=O）與1605 cm-1處酰胺Ⅱ帶（-CONH）的峰高明顯下降，N-H減少，氨基發(fā)生變化，表明對(duì)細(xì)胞壁的氨基甲基化改性成功。

2.2 鉛吸附動(dòng)力學(xué)及吸附位點(diǎn)分析

圖2 類(lèi)蘆根細(xì)胞壁化學(xué)改性前后吸附Pb的變化Figure 2 The effect of Pb absorbed by cell wall of root of Neyraudia reynaudiana with chemical modification

不同改性處理后細(xì)胞壁對(duì)Pb的吸收率（圖2）能反映參與Pb吸附的官能團(tuán)位點(diǎn)。在初始階段，根細(xì)胞壁對(duì)Pb的吸收速率較大，400 min左右吸附達(dá)到平衡。經(jīng)酯化改性去除部分羥基后，根細(xì)胞壁對(duì)Pb的吸附能力下降幅度最大，達(dá)到68.1%。果膠酶改性后的根細(xì)胞壁中果膠上對(duì)重金屬離子吸附位點(diǎn)減少，對(duì)Pb的吸附能力降低48.9%。氨基甲基化改性后吸附能力相對(duì)下降41.1%。

2.3 類(lèi)蘆細(xì)胞壁吸附Pb前后紅外光譜分析

2.3.1 處理組中類(lèi)蘆根細(xì)胞壁吸附Pb前后的紅外光譜

圖3 處理組類(lèi)蘆根細(xì)胞壁Pb吸附前后紅外光譜圖Figure 3 FTIRspectra of the Neyraudia reynaudiana root cell wall before and after Pb adsorption

對(duì)類(lèi)蘆幼苗用50μmol·L-1Pb營(yíng)養(yǎng)液水培14 d，水培前后分別提取根細(xì)胞壁進(jìn)行FTIR分析（圖3）。當(dāng)官能團(tuán)與Pb2+發(fā)生結(jié)合時(shí)，吸收峰會(huì)向低頻移動(dòng)。結(jié)合表2，能看出3429 cm-1處羥基與2922 cm-1處甲基在吸附Pb后伸縮振動(dòng)峰向低處偏移，說(shuō)明羥基與甲基化合物出現(xiàn)了締合現(xiàn)象，羥基與甲基均參與了Pb的吸附。酯基、酰胺Ⅰ帶與酰胺Ⅱ帶均出現(xiàn)了吸收峰值的上升，其附近峰形也發(fā)生較明顯變化，1186 cm-1處硫酸酯特征峰出現(xiàn)下降，說(shuō)明吸收Pb后細(xì)胞壁硫酸酯化程度降低。1115 cm-1處果膠特征峰變化顯著，說(shuō)明果膠在Pb吸附中發(fā)揮重要作用。以上變化說(shuō)明各官能團(tuán)在類(lèi)蘆根細(xì)胞壁中對(duì)Pb離子均起到了吸附作用。

2.3.2 Pb脅迫處理中類(lèi)蘆根細(xì)胞壁吸附Pb的紅外光譜

用CK與5μmol·L-1Pb的營(yíng)養(yǎng)液分別對(duì)類(lèi)蘆幼苗進(jìn)行水培，14 d后提取其根細(xì)胞壁用FTIR分析。對(duì)照組與Pb脅迫組細(xì)胞壁FTIR結(jié)果見(jiàn)表3和圖4?？煽吹?429 cm-1處羥基的特征峰下降，且偏移量較大，在圖4中反應(yīng)的特征峰也明顯與CK相比更窄更尖，說(shuō)明Pb2+與羥基基團(tuán)發(fā)生了交互作用。酰胺Ⅰ帶與酰胺Ⅱ帶均向高頻移動(dòng)13 cm-1，表明蛋白質(zhì)與親水脂分子在Pb吸附中起重要作用。羧酸鹽與多糖結(jié)構(gòu)的C-H或C-O以及纖維素糖鏈的伸縮振動(dòng)峰向低頻方向移動(dòng)，且峰值強(qiáng)度下降。

3 討論

3.1 類(lèi)蘆根細(xì)胞壁的Pb吸附位點(diǎn)

植物細(xì)胞壁是植物生長(zhǎng)發(fā)育及應(yīng)對(duì)各種逆境脅迫的重要器官，植物細(xì)胞壁通過(guò)隔離機(jī)制或主動(dòng)增加細(xì)胞組分來(lái)抵御重金屬對(duì)植物體產(chǎn)生的毒害。研究表明細(xì)胞壁中含有羥基、羧基和氨基等主要基團(tuán)，它們可與重金屬陽(yáng)離子結(jié)合，從而降低重金屬對(duì)植物的毒害。但是不同植物的細(xì)胞壁組分對(duì)不同重金屬的吸附或絡(luò)合等過(guò)程的貢獻(xiàn)及其機(jī)制存在明顯的差異性。本實(shí)驗(yàn)表明，類(lèi)蘆對(duì)Pb2+的吸附能力主要來(lái)自于根細(xì)胞壁對(duì)陽(yáng)離子的交換能力，-OH、-NH2、-COOH等主要基團(tuán)組成的細(xì)胞壁多糖，能與金屬陽(yáng)離子結(jié)合[19]。本實(shí)驗(yàn)中根細(xì)胞壁在不同改性處理后對(duì)Pb2+的吸附量均有不同程度的降低，表現(xiàn)為酯化改性＞果膠酶改性＞氨基甲基化改性。

表2 處理組類(lèi)蘆根細(xì)胞壁Pb吸附前后的傅里葉光譜分析Table 2 Quantitative analysis of FTIRspectra of the Neyraudia reynaudiana root cell wall before and after treatments

表3 Pb脅迫處理下類(lèi)蘆根細(xì)胞壁紅外光譜分析Table 3 Analysis of FTIRspectra of the root cell wall of Neyraudia reynaudiana under different treatments

圖4 空白組與Pb處理組類(lèi)蘆根細(xì)胞壁的紅外光譜圖Figure 4 The FTIRspectra of the root cell wall of Neyraudia reynaudiana under different Pb treatments

酯化改性主要讓細(xì)胞壁中的羧基與外來(lái)物的羥基發(fā)生酯化反應(yīng)，使類(lèi)蘆細(xì)胞壁上的羧基減少，從而分析羧基在細(xì)胞壁上與重金屬吸附的能力。酯化改性后的根細(xì)胞壁對(duì)Pb2+的吸附量下降了68.1%，這說(shuō)明類(lèi)蘆細(xì)胞壁中的羧基在與Pb2+的吸附中起著重要作用。張虹等[20]的研究表明，小飛蓬根細(xì)胞壁在酯化改性后，對(duì)Cd2+的吸附量相對(duì)降低了39.7%。郭軍康等[21]的研究也表明，番茄根細(xì)胞壁酯化后，Cd吸附量降低了49.51%。以上說(shuō)明酯化改性能減少細(xì)胞壁中羧基含量，是根細(xì)胞壁上重金屬離子的重要吸附位點(diǎn)。

果膠可通過(guò)帶有的負(fù)電荷來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞壁中的離子平衡。果膠類(lèi)多糖的最基本組成結(jié)構(gòu)有Ⅰ型鼠李半乳糖醛酸聚糖（Rhamnogalacturonan-Ⅰ，RG-Ⅰ）、Ⅱ型鼠李半乳糖醛酸聚糖（Rhamnogalacturonan-Ⅱ，RG-Ⅱ）和同聚半乳糖醛酸聚糖（Homogalacturonan，HGAs）[22]。HGAs因能發(fā)生甲酯化而使果膠帶負(fù)電荷，使其與金屬結(jié)合能力增強(qiáng)[23]。Konno等[24]對(duì)劍葉舌葉蘚研究發(fā)現(xiàn)其細(xì)胞壁中43%的Cu結(jié)合于果膠中的HGAs中。本研究中根細(xì)胞壁在果膠酶改性后，對(duì)Pb的吸附量降低了48.9%。與此類(lèi)似的研究有：Eticha等[25]研究不同玉米植株根尖果膠含量顯示，根尖細(xì)胞壁中果膠含量越高，細(xì)胞壁對(duì)Al的吸附量越高。對(duì)植物根細(xì)胞壁使用含有1%濃度的果膠酶溶液處理30 min后，細(xì)胞壁對(duì)Al的吸附降低了50%[26]。以上表明果膠中的多糖物質(zhì)具有螯合金屬的能力，說(shuō)明其在細(xì)胞壁對(duì)Pb的吸收中發(fā)揮了重要作用。

此外，本研究中根細(xì)胞壁在氨基甲基化改性后，對(duì)Pb的吸附量降低了41.1%。相似研究如海州香薷根細(xì)胞壁在氨基甲基化改性后，對(duì)Cu2+吸附量降低了79.4%[27]。說(shuō)明氨基甲基化反應(yīng)能抑制氨基與部分重金屬離子結(jié)合，從而使重金屬離子對(duì)細(xì)胞壁的吸附能力降低，氨基是類(lèi)蘆根細(xì)胞壁上重要的Pb吸附基團(tuán)，但其對(duì)其他種類(lèi)重金屬離子的吸附能力仍需進(jìn)一步討論與研究。

3.2 根細(xì)胞壁Pb處理紅外光譜定性分析

由FTIR譜圖中細(xì)胞壁在吸附Pb前后各官能團(tuán)峰值的偏移量，可判斷在Pb吸附中各官能團(tuán)的作用。本實(shí)驗(yàn)中，3429 cm-1處為羥基（-OH）基團(tuán)，經(jīng)Pb處理后類(lèi)蘆根細(xì)胞壁FTIR圖中-OH吸收峰與空白組對(duì)比向低頻移動(dòng)，高濃度Pb脅迫導(dǎo)致羥基化合物出現(xiàn)締合作用。結(jié)合酯化改性后根細(xì)胞壁在FTIR圖中羥基的吸收峰向低頻遷移量達(dá)到14 cm-1，認(rèn)為羥基是Pb吸附的重要官能團(tuán)。1720 cm-1處酯基（C=O）在Pb處理后吸收峰值向高頻偏移，說(shuō)明Pb脅迫下，類(lèi)蘆細(xì)胞壁中果膠的甲基酯化程度降低，使得帶負(fù)電荷的游離羧基含量上升，對(duì)Pb的吸附能力增強(qiáng)，這被看作是類(lèi)蘆根細(xì)胞對(duì)于Pb脅迫環(huán)境的一種應(yīng)對(duì)行為。與Clemens[28]研究結(jié)果一致，植物細(xì)胞壁的果膠質(zhì)內(nèi)的大部分羧基都以甲基酯的形式存在，通過(guò)降低果膠甲基化程度，使羧基以游離酸和鹽的形式存在，以促使細(xì)胞壁能吸附更多的金屬陽(yáng)離子。Schmol等[29]研究結(jié)果中證實(shí)植物根尖細(xì)胞的Al積累程度與果膠甲基化水平成反比。細(xì)胞壁中纖維素、半纖維素、果膠中含有豐富的羥基與羧基，從而也證實(shí)了類(lèi)蘆根細(xì)胞壁中果膠與纖維素在Pb吸附中的重要作用。

FTIR譜圖中，1626 cm-1附近的酰胺Ⅰ帶（-C＝O）與1605 cm-1處的酰胺Ⅱ帶（-CONH）在Pb處理后與空白相比，吸收峰均向高處偏移13 cm-1，因?yàn)閮烧呔鶠榧?xì)胞壁上蛋白質(zhì)的特征譜帶，推測(cè)由于Pb脅迫使類(lèi)蘆根細(xì)胞壁分泌蛋白類(lèi)物質(zhì)，蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)中肽鍵間氫鍵結(jié)合能力增強(qiáng)[4]，結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。細(xì)胞壁蛋白也能與果膠多糖鏈通過(guò)協(xié)作共同吸附重金屬物質(zhì)以達(dá)到減輕毒害的目的[30]。鳳眼蓮根細(xì)胞壁在Cd脅迫處理后酰胺Ⅰ帶與酰胺Ⅱ帶在FTIR譜圖中的特征峰均上升[31]，劉婷婷等[32]的研究表明海州香薷在受到Cu脅迫時(shí)，其根細(xì)胞壁蛋白能提供結(jié)合位點(diǎn)。苜蓿在Cd脅迫下酰胺Ⅰ帶、酰胺Ⅱ帶均發(fā)生位移，表明其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變[33]，以上說(shuō)明大部分植物在受到不同重金屬脅迫下，在植物耐性范圍內(nèi)其細(xì)胞壁會(huì)伸展蛋白含量來(lái)增強(qiáng)對(duì)重金屬離子的結(jié)合能力，同時(shí)協(xié)同果膠等物質(zhì)增強(qiáng)細(xì)胞壁的穩(wěn)定性。類(lèi)蘆根細(xì)胞壁中的果膠C-C或C-O以及纖維素糖鏈-C-H彎曲或-CC、-C-O伸縮振動(dòng)峰在Pb脅迫后的峰值出現(xiàn)降低，峰形也出現(xiàn)位移，認(rèn)為是類(lèi)蘆根細(xì)胞壁在Pb脅迫環(huán)境下誘導(dǎo)合成多糖類(lèi)物質(zhì)，包括纖維素、果膠、碳水化合物等[34]?？梢?jiàn)Pb脅迫會(huì)對(duì)類(lèi)蘆根細(xì)胞壁的多糖類(lèi)物質(zhì)含量產(chǎn)生影響以降低重金屬毒害的影響。在Pb脅迫試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，類(lèi)蘆在50μmol·L-1Pb脅迫處理時(shí)，根系生長(zhǎng)受到抑制，但植株未出現(xiàn)明顯毒害癥狀。綜上，說(shuō)明類(lèi)蘆對(duì)Pb具有一定耐受性。在受到Pb脅迫時(shí)，類(lèi)蘆能通過(guò)調(diào)節(jié)果膠、多糖和蛋白質(zhì)等物質(zhì)以及羥基、羧基、氨基等官能團(tuán)的含量，來(lái)不斷提高自身適應(yīng)Pb脅迫能力。

4 結(jié)論

（1）類(lèi)蘆根細(xì)胞壁對(duì)Pb具有較高固定能力，Pb脅迫時(shí)其會(huì)通過(guò)改變自身細(xì)胞壁各結(jié)構(gòu)的組分以緩解重金屬毒害的影響。

（2）羧基官能團(tuán)是根細(xì)胞壁進(jìn)行Pb吸附時(shí)的主要官能團(tuán)。羥基與氨基也在Pb吸附中發(fā)揮一定作用。

（3）通過(guò)FTIR譜圖表征的Pb處理后根細(xì)胞壁上的吸附位點(diǎn)信息，細(xì)胞壁內(nèi)纖維素、半纖維素與果膠提供大量羥基、羧基以提高對(duì)Pb的結(jié)合能力，根細(xì)胞壁還會(huì)通過(guò)誘導(dǎo)生成蛋白質(zhì)、碳水化合物等物質(zhì)提升對(duì)Pb的耐性。