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1、第13卷第3期极地研究Vol . 13,No. 32001年9月CH I N ESE JOURNAL OF POLAR RESEARCHSeptember 2001研究论文南极菲尔德斯半岛六种藻类 和地衣植物的X荧光分析沈显生 孙立广 张莉 尹雪斌(中国科学技术大学极地环境研究室,合肥230026) 康士秀 吴自勤(中国科学技术大学天文与应用物理系,合肥230026) 巨新 黄宇营(中国科学院高能物理研究所,北京100039)提要 为了研究南极的植物与环境间的关系,探讨植物在南极环境监测中的作用,在无标样条件下,利用微束X荧光分析法对南极菲尔德斯半岛的6种藻类和地衣植物进行了元素分析。其中藻类
2、植物有孔石莼(U lva pertusa)、 海膜(H alym eniasp. )和大型鞘丝藻(Lyngbya m ajor),地衣植物有筛石蕊(Cladonia borealis)、 喇叭石蕊(C.f im briata)和松萝(U sneasp. )。研究结果发现,不同的藻类植物对各种元素的吸收能力不同,在XRF(X射线荧光)谱中,孔石莼比海膜含有更多的元素,象A s、Br和Rb,Cu和Zn的含量也较高。在大型鞘丝藻中, K比Ca少, Zn的含量较高。 在3种地衣植物中,其XRF谱中的元素种类组成非常相似,只是M n、Fe、Cu和Zn等元素的相对含量有些差异。关键词 南极 藻类 地衣 X
3、荧光分析由于同步辐射微束X荧光分析方法具有能量高、 能谱广、 灵敏度高、 低极限检出率、 低本底和样品损伤小等优点,为生物体内元素的快速分析提供了十分有利条件(章净霞 等, 1996)。目前,同步辐射微束X荧光分析方法,主要用于动物组织和细胞中的元素分析,在分析植物组织和细胞中元素的应用方面也有报道(W inick and Doniach, 1980; Hay2at, 1980; Goldsteinet al. , 1981; Jones and Gordan, 1989)。在国内,把同步辐射微束X收稿日期 2001年4月收到来稿, 2001年7月收到修改稿。基金项目 国家自然科学基金(400
4、76032)和中国科学院创新工程(KZCX22303)资助。作者简介 沈显生,男, 1956年生。1985年毕业于安徽师范大学生物系植物学专业,获华东师范大学理学硕士学位,现为中国科学技术大学生命科学学院和极地环境研究室副教授,主要从事植物学和生态学教学和研究工作。 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.荧光分析方法用于植物学研究刚刚起步(沙因等, 1998;沈显生等, 2001)。 为了研究南极藻 类和地衣植物对环境中元素的吸收和富集作用机制和特点,探讨藻类植物和地衣植物在 南极环境监测中
5、的意义。 笔者在中国科学院高能物理研究所同步辐射微束荧光实验站,利 用连续谱X射线,对南极6种藻类植物和地衣植物进行了X荧光分析。1 材料和方法1. 1 材料实验所用的6种藻类植物和地衣植物标本,由笔者之一于2000年2月采自南极菲尔德斯半岛的海滨及陆地。样品自然干燥,经去离子水洗涤,未经任何化学处理。 经初步鉴定(陈健斌等, 1999),这6种植物是大型鞘丝藻(L yngbya m ajor)、 孔石莼 (U lva pertusa)、 海膜(H alym eniasp. )、 喇叭石蕊(Cladonia f im briata)、 筛石蕊(C.bore2alis)和松萝(U sneasp.
6、 )。它们的简要特征如下。 大型鞘丝藻(L yngbya m ajor)属蓝藻门植物,原植体丝状,单列细胞,不分枝,长1-3mm ,具胶质鞘。细胞极扁平,偶具异形胞,略膨大。藻丝两端的细胞半圆形。未见无性孢 子。生于苔藓丛中或潮湿的地面。 孔石莼(U lva pertusa)属绿藻门植物,藻体碧绿色,片状,长2- 4cm ,无柄,固着器为 盘状。藻体有2层细胞组成,表面有大小不等的孔,边缘不规则。生于潮间带。 海膜(H alym eniasp. )属红藻门植物,藻体淡红色,叶状,长5- 8cm ,具短柄,固着器为小盘状。藻体有皮层和髓。生于潮间带以下,常被海浪带到岸边。 喇叭石蕊(Cladon
7、ia f im briata)属地衣门植物,原植体直立,不分枝,顶端喇叭状,果 柄粗壮,中空,皮层厚50-75m;藻层厚75-100m。子囊未见。生于墙藓(T ortulaf ilaris)丛旁的土壤上。 筛石蕊(C.borealis)属地衣门植物,原植体直立,灌木状,近二叉分枝,高24cm ,枝上有大小不等的孔;果柄中空,皮层中的菌丝平行于果柄,淡黄色,厚50- 100m;藻层厚75- 125m。子囊未见。生于黑藓(A nd reaea regularis)丛旁的土壤上。 松萝(U sneasp. )属地衣门植物,原植体直立,灌木状,高5- 8cm ,固定基膨大,宽3-4mm。主枝暗灰色,粗
8、约3- 3. 5mm ,主枝以上近簇生或近假轴分枝;初生分枝粗2- 2. 5mm ,暗黄色;次生分枝较稠密,粗1. 5- 2mm ,黄色和黑色环状相间排列,色环长1- 1. 5mm;全部分枝有小乳头状突起和疣状物,无纤毛和环裂;粉芽未见。皮层橙黄色,厚75-90m;髓层褐色,疏松,厚100- 120m,髓K+淡黄色;轴略扁,粗约250m,占分枝切面 直径的约40%。生于石上。1. 2 方法同步辐射X荧光分析法实验,于2000年10月和2001年2月两次在北京中国科学 院高能物理研究所同步辐射微束荧光实验站进行。束流能量为2. 2GeV ,流强为110-40mA , X射线能量范围为3. 5-
9、37keV ,光束线4 W 1A ,无反射镜。照射在样品上的X射 线辐照面积由可调狭缝控制,本实验中固定为50- 60mm ,电离室距狭缝为2. 5cm。探测881极地研究 第13卷 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.器为Si(L i),距样品3. 5-4cm ,在液氮条件下工作,能量分辨率约为150-350eVHW FM。探测器的死时间率控制在10% - 25%。2048道脉冲幅度分析器(M CA)用于记 录和分析XRF谱。实验采用连续谱X射线,适用于同时对多元素的分析,速度快,有利于
10、 对样品的定性检测。 实验前将标本固定在样品框架上,距可调狭缝约60 cm ,入射X射线与样品平面的夹角为45,探测器与入射X射线的夹角为90。在探测器内侧的体视显微镜用于校准植 物样品具体照射的位置(沈显生等, 2001)。 在室温下X射线照射有效时间为400s。 由于束 流强度随时在变化,对每个样品的辐照剂量并不完全相同,但因其能量强大,不会影响植 物样品的分析结果。实验数据用专门的计算机软件进行解谱。2 实验结果与讨论2. 1 三种藻类植物的XRF谱在实验中做了孔石莼(样品代码: Shen22)、 海膜(Shen24)和大型鞘丝藻(NJNN 01) 3种藻类植物的样品,其中孔石莼和海膜2
11、个种的样品是片状体,组织结构均匀,由2层或 数层细胞组成;大型鞘丝藻是不分枝的丝状体,其实验样品是由许多丝状体交织在一起 的。 图1是南极菲尔德斯半岛的3种藻类植物的XRF谱,照射时间都是400s,样品距探测 器4cm。 由图1可以看出, 3种藻类植物被检测出的元素有A l、P、S、K、Ca、T i、M n、Fe、Cu、Zn、Br、Rb和Sr。所有谱中的A r是样品附近空气中的成分,与样品本身无关。在3种藻 类植物的XRF谱中, T i、M n、Fe、Cu、Zn的峰较为相似,其中T i和Fe峰都出现了K峰。 在孔石莼和大型鞘丝藻中, Zn峰也出现了K峰。在3种藻类植物中, K、Ca、Br、Rb
12、和Sr 的变化较大。 虽然所有的Ca峰都出现了K峰,但在孔石莼中, K Ca,而海膜和大型鞘丝 藻的K Cu。在3种地衣植物中,喇叭 石蕊的Cu含量较高,而喇叭石蕊和松萝的Zn含量较高,并且都出现了ZnK峰。在喇叭 石蕊的XRF谱中,位于A r前面尚有S和A l,但在松萝和筛石蕊的同样位置上,上述元 素几乎测不出。 地衣植物不与其他植物争夺土壤,它是陆地生态系统中新土地的开拓者,对环境条件的变化是十分敏感的。 这3种不同地衣植物样品中元素种类和含量的差异,可能是因为它 们具有特殊的富集和吸收特性,也可能源于它们生长的岩石、 地表水和土壤条件的不同。 从3种地衣植物的XRF谱的连续X射线特征看,
13、粗细较为均匀,说明这3种枝状地 衣植物体的质地较为均匀一致。3 结论1.在南极菲尔德斯半岛的3种海藻植物中,XRF谱型基本是一致的,M n、Fe和FeK 的峰十分相似。 从被检测出的元素种类看,最多的是孔石莼,同海膜和大型鞘丝藻相比,元 素Rb和A s是特殊的。孔石莼中的Sr和Zn的含量较高,都出现了K峰。在大型鞘丝藻中, Zn的含量较高,也出现了K峰。但仅从K和Ca的相对含量来看,虽然三者的Ca元 素都出现了K峰,但孔石莼的K Ca,而海膜和大型鞘丝藻的K Ca,而在筛石蕊中K Ca。在M n、Fe和FeK峰的结 构上,筛石蕊和松萝较为相似,而喇叭石蕊较为特殊,M n和Fe K峰几乎持平。3
14、种地衣植物在T i、Cu、Zn、Br和Sr元素的含量方面,其差异不是十分突出。3.通过应用同步辐射X射线对南极的6种藻类和地衣植物进行XRF定性分析表 明,这种元素检测方法对于快速检测植物体内的元素组成和相对含量是极其灵敏而有效 的,非常适用于研究南极陆地和海洋生态系统的物质循环,并可作为南极环境监测的有效 手段。地衣是陆地生态系统中的开拓者,海藻是海洋生态系统中的生产者,整个植物体浸 没在海水中,它们对海洋和陆地环境的变化十分敏感。因此,将南极的藻类植物和地衣植物体内的元素组成和含量的变化,作为对南极未来环境污染监测的生物指标,是非常有意 义的。291极地研究 第13卷 1995-2003
15、Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.参考文献沙因等(1998): I AEA微量生物标准参考物的均匀性研究,北京同步辐射装置年报, 246249.沈显生等(2001):南极乔治王岛六种苔藓植物的X荧光分析,极地研究, 13(1), 5056.陈健斌等(1999):南极乔治王岛菲尔德斯半岛和阿德雷岛地衣研究.石蕊属(Cladonia)菌物系统, 18(1), 1- 8.章净霞等(1996):细胞水平元素的同步辐射X荧光定量分析,中华核医学杂志, 16(3), 149151.Goldstein J Iet al.
16、 (1981): Scanning ElectronM icroscopy and X2rayM icroanalysis, Plenum Press, New York andLon2don.HayatMA(1980): X2ray m icroanalysis in biology, U niversity Park Press, Balti more, U. S. A.Jones KW , Gordon BM(1989): Trace element determ ination w ith synchrotron induced X2ray em ission,A nal Chem. ,61, 341.W inick H, Doniach S(1980): X2ray fluorescence m icroprobe for chem ical analysis,Synchrotron R ad iation R esearch,45
