利用ICP-MS和LA-ICP-TOF-MS探究上海青中铅的富集与转运特征
引用本文:曹敬文,徐照,刘月月,等.利用ICP-MS和LA-ICP-TOF-MS探究上海青中铅的富集与转运特征[J]. 化学试剂, 2024, 46(4):80-87.
DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2023.0773
背景介绍
Pb作为一种有毒重金属，长期以来被重点关注。饮食摄入是人体Pb暴露的主要途径之一，蔬菜作为人体提供维生素、膳食纤维和矿质元素的主要膳食来源，成为人们暴露Pb的主要途径。上海青是我国种植最为广泛的蔬菜品种之一，研究Pb在上海青各器官中的富集、转运行为以及Pb在上海青叶片中的原位分布特征，阐明上海青对Pb的吸收、富集和转运机制，可为更准确评估Pb潜在的健康风险，针对性制定Pb防范措施提供理论依据。
文章亮点
1.从均质分析和原位分析两个角度研究了Pb在上海青中的富集与转运特征；
2.报道了一种适用于Pb在植物样品中原位分布特征的快速分析技术，获得的分布图能够直观地展示Pb在上海青叶片中的分布特征；
3.为探究Pb在植物样品中富集与转运特征提供了一种新技术与新思路。
内容介绍
1 实验部分
1.1 主要仪器与试剂
1.2 实验方法
1.2.1 盆栽实验
盆栽实验的土壤采自中国科学院合肥物质科学研究院水稻试验基地(31°90′N, 117°18′E)。《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618-2018)规定pH＜5.5的农用土壤中的Pb风险筛选值应小于70 mg/kg，限值应小于400 mg/kg。盆栽实验添加的Pb含量分别是一倍风险筛选值(70 mg/kg)、两倍风险筛选值(140 mg/kg )、一倍限值(400 mg/kg)、两倍限值(800 mg/kg)，未额外添加Pb的土壤作为空白对照组，共计5组，分别命名为F1、F2、F3、F4和CK，大明村(30°94′N , 118°1′E)和张家冲(30°85′N , 117°60′E)采样组分别命名为C1和C2。
2 结果与讨论
2.1 标准曲线与检测出限
利用ICP-MS测定土壤样品与植物样品的标准曲线的相关系数均大于0.9999，测定土壤样品和上海青样品的方法检出限分别为0.003和0.006 μg/kg。重复性测定值的相对标准偏差(RSD)为0.48%~3.90%。
2.2 土壤中的Pb含量
经老化处理后的土壤，利用ICP-MS对Pb含量进行测定，CK、F1、F2、F3、F4、C1和C2的种植土壤Pb含量的平均值分别为：27.00、87.93、133.94、403.67、815.74、58.16和86.13 mg/kg。
2.3 上海青各器官中的Pb含量
上海青根、茎和叶中Pb含量的变化趋势如图2所示。Pb在上海青中含量的高低表现为根＞茎＞叶，并且在盆栽实验中上海青各器官中的Pb含量随种植土壤中Pb含量的增加而增加。铅锌尾矿样品虽然Pb含量也遵循根＞茎＞叶，但根中的Pb含量显著低于F1组（p＜0.001），而叶中的Pb含量显著大于CK和F1组（p＜0.0001）。
2.4 富集系数与转运系数
基于ICP-MS测定的Pb含量结果，按1.2.5中的式(2)~(6)对Pb的BCF与TF进行计算，BCF与TF的变化趋势分别如图3和4所示。上海青各器官对铅的BCF和TF表现为BCF（根-土）＞BCF（茎-土）＞BCF（叶-土），TF（茎-根）＞TF（叶-根）（C1除外），铅锌尾矿样品的BCF（根-土）和BCF（茎-土）显著小于CK和F1组（p＜0.0001），但BCF（叶-土）、TF（茎-根）和TF（叶-根）显著大于CK和F1组（p＜0.0001）。此外，发现在盆栽实验中BCF与TF随种植土壤中Pb含量的增加并不是单调变化。
2.5 叶片中Pb和其余8种元素的原位分布
叶片是上海青的主要食用部位，为探究采自铅锌尾矿周围村庄的上海青叶片中Pb等元素的原位分布情况，利用LA-ICP-TOF-MS获得的原位分布图。如图5所示，Pb在叶脉和叶肉中均有分布，但在叶脉中有明显的富集现象。表明Pb经茎部维管束、气孔吸收和角质层吸附进入叶片后[40,35]，主要被固定在叶脉，只有小部分存在于叶肉组织中。
3 结论
本研究以盆栽和铅锌尾矿采集的上海青为研究对象，通过ICP-MS进行Pb含量测定，计算BCF和TF作为Pb在上海青中富集与转运特征的评价指标。盆栽实验中上海青对Pb的富集能力表现为根＞茎＞叶，转运能力表现为根到茎＞根到叶。与采集样品进行对比，发现种植土壤的Pb含量和pH以及大气中Pb沉降可能是影响Pb富集与转运特征的重要因素。LA-ICP-TOF-MS获得的原位分布图，表明Pb和Al可能有相似的固定和转运机制，而与Fe可能有相似的固定机制和不同的转运机制。
本研究虽然发现种植土壤的Pb含量和pH以及大气中Pb沉降对Pb的富集与转运特征存在影响，但相关机制尚不明确。利用LA-ICP-TOF-MS获得的半定量原位分布图可以为元素在生物体内吸收、富集和转运机制的探究提供新思路。但关于LA-ICP-TOF-MS在植物样品定量成像上的应用，还需要选择与植物样品基质匹配的标准品和具有良好校准作用的内标元素。
