（微生物学专业论文）红树植物秋茄与汞污染土壤相互作用研究.pdf

厦门大学硕士学位论文红树植物秋茄与汞污染土壤相互作用研究 摘要 本文阐述t h g 的影响下，植物各生理生态参数的变化，以及在植物的影响下， 污染土壤中汞、甲基汞以及汞的各种形态的变化，从而揭示了红树植物和汞污染 土壤的相互作用关系，为进一步研究重金属汞和植物之问的内在关系奠定基础。 本研究以红树植物秋茄( k a n d e l i ac a n d e ) 为实验材料，在不同汞含量的土壤 中栽种秋茄，设置三个h g 梯度胁迫组，为5 4 m g k g 、9 3 m g k g 和1 4 5 m g k g ，以未污 染土壤为对照，培养期分为5 8 d 、8 4 d 和1 0 1 d 。实验期间全程记录及观测各胁迫组 秋茄种苗萌发及幼苗生长状况，定期记录幼苗的高度生长、叶片大小，并分别在 胁迫栽培5 8 d 、8 4 d 和1 0 l d 采样测定幼苗根系生长以及幼苗含水量、叶绿素含量、 最大光化学效率和实际光化学效率、可溶性蛋白含量、抗氧化酶活性等指标参数， 测定植物样根、叶的总汞和甲基汞含量。采集植物样的同时，采集各胁迫组的土 样，测定各土样的总汞，甲基汞含量以及汞的不同形态。得出的结论如下： 1 随着栽培时间的延长和土壤汞含量的增加，根端有不同程度的膨大变粗， 主根变细变黑，汞含量高的处理组，甚至出现明显的烂根现象。汞胁迫对秋茄幼 苗苗高生长、叶片大小和各组分含水量均有明显的抑制作用。 2 汞会抑制p s i i 的光合活性，f v f m 和f v f 随着汞胁迫浓度的增加 而降低，呈负相关。叶绿素a 和b 含量以及可溶性蛋白含量均随土壤汞含量的增 加而减少。低浓度的汞胁迫对秋茄幼苗叶片s o d 活性起到一定的促进作用，而高 浓度表现为抑制作用。秋茄叶片p o d 活性和汞含量呈显著负相关。三种保护酶对 汞敏感性表现为c a t p o d s o d ，三种酶与甲基汞敏感性表现为s o d p o d c a t 。三 种酶与汞浓度呈曲线回归关系，其相关性程度依次为c a t p o d s o d 。 3 种植秋茄后，各胁迫组的可挥发态h g 含量增加，均高于对照。随着培养时 间的延长和汞污染程度的增加，b 1 形态汞( 由h g ( i i ) 离子形态和一些简单的有机、 无机h g ( i i ) 络合物以及以弱极性键与土壤组成成分结合的汞) 和铁锰氧化物结合 态汞含量均表现为不断增加而有机质硫化汞的含量先增加后降低。随着秋茄生长 时间的延长，残渣态汞含量呈下降趋势，表明秋茄根际存在着残渣态汞的活化效 应。各胁迫组的土壤中总汞不断下降，甲基汞则表现为先升高后降低。 4 随着栽培时间的延长，秋茄的根汞和叶汞变化趋势类似，都是随着土壤 厦门人学硕士学位论文红树植物秋茄与汞污染十壤相互作用研究 汞含量的增加而增加。秋茄根和叶片甲基汞变化规律相似，不同汞含量土壤中栽 种的秋茄，都是随着培养时间的延长，先增加后下降，下降幅度很大，表明植物 中甲基汞的百分含量与植物的年龄呈负相关。 5 通过相关分析可知，秋茄叶汞和b 1 态汞成呈显著正相关，而秋茄根以吸 收土壤中的可挥发态汞和b 1 态汞为主。叶总汞和土壤总汞也存在显著正相关；根 总汞和叶总汞也存在显著正相关；叶甲基汞和土壤甲基汞的相关程度非常密切， 而根甲基汞和土壤甲基汞不存在显著相关。 关键词：秋茄；汞污染土壤；生理生态；汞形态；甲基汞 a b s t r a c t t h ep a p e rt a l k e da b o u tc h a n g e so fp h y s i o l o g i c a la n de c o l o g i c a lp a r a m e t e r si nk c a n d e lu n d e rt h ei n f l u e n c eo fh g ，a sw e l la sc h a n g e so fm e r c u r y , m e t h y l m e r c u r ya n d m e r c u r ys p e c i e si n s o i l su n d e rt h ei n f l u e n c eo fk c a n d e l ，w h i c hr e v e a l e dt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nm a n g r o v ep l a n t sa n dm e r c u r y c o n t a m i n a t e ds o i l ，w h i c hw o u l dl a y t h ef o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t u d yo ft h ei n t r i n s i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nh e a v ym e t a l s m e r c u r ya n dp l a n t s i nt h i sp a p e r , m a n g r o v ek a n d e l i ac a n d e lw a se x p e r i m e n t a l m a t e r i a l k c a n d e lw e r ec u l t i v a t e di ns o i l sc o n t a i n i n gd i f f e r e n ta m o u n to fh g ，s e t t h r e eh gg r a d i e n ts t r e s sg r o u p ：5 4 m g k g ，9 3 m g k a ga n d14 5 m g k g c u l t i v a t i o nt i m ei s 5 8 d ，8 4 da n d1 0 1 d d u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，r e c o r ds e e d l i n g sg e r m i n a t i o n ，t h eh e i g h to f s e e d l i n gg r o w t h ，l e a v es i z e i n5 8 d ，8 4 da n dlo ld ，s a m p l es e e d l i n g sa n dm e a s u r er o o t g r o w t ha n dw a t e rc o n t e n t ，c h l o r o p h y l lc o n t e n t ，t h el a r g e s ta n da c t u a lp h o t o c h e m i c a l e f f i c i e n c y , s o l u b l ep r o t e i nc o n t e n t ，a c t i v i t yo fa n t i o x i d a n te n z y m e s ，t o t a lh ga n dm e h g c o n t e n to fr o o t sa n dl e a v e s i m u l t a n e o u s l y , c o l l e c ts o i ls a m p l e sa n dm e a s u r et h et o t a l h g ，m e t h y l h ga n dh gs p e c i e sa n dc o n t e n t c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 w i t ht h ee x t e n s i o no fc u l t i v a t i o nt i m ea n dt h ei n c r e a s eo fh gc o n t e n ti ns o i l ， r o o t sb e c a m el a r g ea n dc o a r s e ，e v e nr o t h go b v i o u s l yi n h i b i t e dh e i g h tg r o w t h ，l e a fs i z e a n dw a t e rc o n t e n to fs e e d l i n g s 2 h gi n h i b i tp s i ip h o t o s y n t h e t i ca c t i v i t y w i t ht h ei n c r e a s eo fr i gc o n c e n t r a t i o n ，f v f m ，f v f m a n d c o n t e n to f c h l o r o p h y l l a n ds o l u b l e p r o t e i n d e c r e a s e d l o w c o n c e n t r a t i o n so fh gp r o m o t e ds o da c t i v i t yw h i l eh i g hc o n c e n t r a t i o n so fh g i n h i b i t e ds o da c t i v i t y p o da c t i v i t yo fl e a v ea n dh gc o n t e n tw a sn e g a t i v e l y c o r r e l a t e d s e n s i t i v i t yo f t h r e ep r o t e c t i v ee n z y m e st oh gw a sc a t p o d s o d ，a n dt h e s e n s i t i v i t yo ft h r e ep r o t e c t i v ee n z y m e st om e t h y l h gw a ss o d p o d c a t c u r v e s a n a l y s i ss h o w e dt h e i rr e l e v a n c e 、析t l lh gw a sc a t p o d s o d 3 a f t e rp l a n t i n gc a n d e l ，v o l a t i l eh gi n c r e a s e d ，h i g h e rt h a nt h ec o n t r 0 1 w i t ht h e e x t e n s i o no fc u l t i v a t i o nt i m ea n di n c r e a s eo fh gc o n c e n t r a t i o n s ，b1f o r mo f h g ( c o m b i n a t i o n so fh g ( i i ) i o n sa n ds o m es i m p l eo r g a n i c ，i n o r g a n i ch g ( i i ) c o m p l e x e s ，a sw e l la sc o m p o n e n t so fb o n dp o l a r i t yc o m b i n e dw i t ht h es o i l ) a n df e m n o x i d e b o u n dh gi n c r e a s e d ，w h i l eo r g a n i cs u b s t a n c e - b o u n dd e c r e a s e d t h ed e c r e a s eo f r e s i d u a lh gi n d i c a t e dr h i z o s p h e r eo fc a n d e lc a l la c t i v a t eh g t o t a lh gi nt h es o i l c o n t i n u o u s l yd e c l i n e ，w h l i em e h g d e c r e a s e df i r s ta n dt h e ni n c r e a s e 4 w i t ht h ee x t e n s i o no fc u l t i v a t i o nt i m ea n di n c r e a s eo fr i gc o n c e n t r a t i o n s t o t a lh g c o n t e n to fr o o t sa n dl e a v ei n c r e a s e d ，w h i l em e h gc o n t e n ti n c r e a s e df i r s ta n dt h e n d e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y t h er e s u l t ss h o w e dt h e r ew a sn e g a t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e n m e h g c o n t e n ta n dc u l t i v a t i o nt i m e 5 c o r r e l a t i o nr e g r e s s i o na n a l y s i ss h o w e dh gc o n t e n ti nl e a v ew a ss i g n i f i c a n t l y p o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t hb 1f o r mh g ，w h i l eh gc o n t e n to fr o o tc a m em a i n l yf r o m v o l a t i l eh ga n db1f o r mh g t h e r ew a sas i g n i f i c a n tp o s i t i v ec o r r e l m i o nb e t w e e nt o t a l h gc o n t e n ti nt h es o i la n dh gc o n t e n ti nl e a v e ，h gc o n t e n ti nr o o t sa n dh g c o n t e n ti n l e a v ew a sa l s os i g n i f i c a n t l yp o s i t i v e l yc o r r e l a t e d ；m e t h gc o n t e n ti nl e a v ea n dm e h g c o n t e n ti nr o o t sw a sa l s os i g n i f i c a n t l yp o s i t i v e l yc o r r e l a t e d k e yw o r d s ：c a n d e l ；m e r c u r y c o n t a m i n a t e ds o i l ；p h y s i o l o g i c a le c o l o g y ； m e r c u r ys p e c i e s ；m e t h y l m e r c u r y 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为( 五吣 ) 课题( 组) 的研究成果，获得(m 牛) 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在( j 掘华 ) 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ： 原胁肄 卅年够月知日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：廒确绎 川年哆月州了 厦门大学硕士学位论文红树植物秋茄与汞污染土壤相互作用研究 第一章绪论 2 0 世纪5 0 年代初由甲基汞污染引起的水误病给人类带来的灾害，在世界 范围内引起了人们对汞污染的重视，汞污染的研究日益增多。由于水误病的直接 原因是渔民长期食用汞污染水体中的鱼、贝类而发生，对汞在环境中迁移富集的 研究着重在湖泊、河流的水生态系统中进行，这方面的研究工作内容丰富，并取 得了大量成果( 王德铭，1 9 9 7 ；朱嘉森等，1 9 9 2 ) 。随着研究的深入，人们发现 北欧、北美内陆偏远地区无明显工业污染源的湖泊中鱼体内汞含量升高是由大气 汞经长距离传输和沉降造成的( w a t r a se ta 1 ，1 9 9 4 ；l i n d b e r ge ta 1 ，1 9 9 1 ) ， 大气汞及汞的生物地球化学循环研究才逐渐成为学术界关心的热点之一 ( l a m b o r ge ta 1 ，1 9 9 4 ；方风满，2 0 0 1 ) 。近年来，由于环境重金属污染给人 们的生产和生活带来严重影响，人们的注意力逐渐转向对陆地生态系统汞的研究 ( 方凤满等，2 0 0 0 ；戴前进等，2 0 0 2 ；丁疆华等，2 0 0 1 ：何江华等，2 0 0 1 ) 。 1 土壤中汞对植物的危害 汞是植物非必需的有毒元素，当环境汞污染严重，植物体中汞浓度达到一定 限值时，植物就会受到汞的毒害。有机汞、无机汞化合物和汞蒸气，都会引起植 物汞中毒。其毒害的症状足叶、茎、花蕾等会变成棕色或黑色，严重时会引起叶 片和幼蕾的脱落。在植物细胞内，无机汞的结合比有机汞牢固，植物体内大部分 汞无机汞是与细胞壁结合的，而有机汞主要和细胞质结合等( r u g he ta 1 ，1 9 9 6 ) 。 因此，有机汞如甲基汞、乙基汞对生物的毒性比无机态的汞强。然而，通常的植 物对汞毒害并不十分敏感，在一般污染情况下植物都未能表现出汞的毒害症状， 但此时植物体往往已富集了较高水平的汞，这对主要靠陆生食物链生活的人类来 说，是一个非常严重的问题( 牟树森等，1 9 9 7 ) 。 1 1 汞对土壤理化性质的影响 土壤是植物营养和水分的来源，是植物赖以生存的基础，土壤内部理化机制 的改变会影响植物的生长和发育。土壤中微生物群落对营养元素的来源、物质的 转化起着十分关键的作用( 池振明，1 9 9 9 ) 。汞是重金属中对微生物毒性最强的 一种，会破坏微生物群落的结构和多样性( m i l l e re ta 1 ，2 0 0 1 ) 。汞的污染还 会造成土壤中原生动物物种的减少、多样性下降，进而影响到土壤生态系统物质 的循环和能量的流动( 牛世全等，2 0 0 2 ) 。汞的污染还会严重抑制酶的活性( 和 厦门大学硕十学位论文红树植物秋茄- j 汞污染_ 十壤相互作用研究 文祥等，2 0 0 2 ) ，导致氮、磷和有机物的正常转化失调，影响植物的生长和发育 ( 关松萌，1 9 8 7 ) 。 1 2 汞对植物种子萌发和幼苗生长的影响 低浓度汞( 1 1 0 咕m o l l ) 可一定程度地增强豌豆( 杜兰芳等，2 0 0 4 ) 、拟 南芥( 李伟强等，2 0 0 5 ) 、小麦( 马成仓等，1 9 9 8 ) 种子的活力，促进种子的萌 发，对大豆种子( 马成仓等，1 9 9 5 ) 活力无影响，促进这几种植物幼苗的生长。 但当汞浓度大于一定程度( 1x1 0 叫m o l l ) 时，降低种子活力，抑制幼苗生长； 浓度超过l 1 0 。3 m o l l 时，种子不能萌发。同样，随着胁迫浓度的增加，萝卜( 张 杏辉等，2 0 0 4 ) 和小白菜( 郁达等，2 0 0 4 ) 种子的发芽率和发芽指数均明显下降， 胁迫时间越长，萝卜种子萌发率和发芽指数越低，幼苗的长势和生长量均明显下 降。可能的原因足汞抑制了植物细胞的分裂和根系伸长，刺激和抑制一些酶的活 性：此外汞还能作用于细胞膜上的磷脂，改变细胞膜透性，导致细胞膜脂质过氧 化水平升高，引起细胞膜结构损伤，使细胞膜透性增大。 1 3 汞对植物生长发育的影响 低浓度汞可一定程度地刺激植物的生长( 杨保华等，2 0 0 4 ) ，但高浓度的汞 会抑制种子的萌发，降低根部和茎部的长度和重量，减少叶面积以及植物的干重 ( g a n e s a n & m a n o h a r a n ，1 9 8 3 ) ，同时叶子被破坏的特征更明显( m h a t r e & c h a p h e k a r ， 1 9 8 4 ) 。高浓度汞还会诱导根部表面粘性物质的分泌，抑制根的分化，除此之外， 茎宽和管束的数量，以及表皮和皮下的细胞数量减少，细胞壁增厚( s e t i ae t a 1 ，1 9 9 4 ) 。在低浓度t t 9 2 + ( 2 0 0 m g l ) 处理条件下，随着处理时间的延长和浓度 的增加，油菜根的生长速率递减，抑制作用逐渐增强。在处理7 2 h 时，油菜根长 为0 5 4 c m 0 2 4 c m ，根伸长抑制率为9 0 4 6 ，在高浓度( 5 0 0 m g l ) 条件下处理 至7 2 h 时，根伸长抑制率达9 6 0 2 ，任何浓度的汞处理都使叶绿素含量下降( 张 义贤等，2 0 0 4 ) 。大豆幼苗也有同样反应( 马成仓等，1 9 9 9 ) ：当h 9 2 + 0 i m m o l l 时，随着汞浓度的升高，大豆幼苗根系活力明显下降，除此之外，汞还抑制了根 系发育，使幼苗根鲜重大大减少。王新( 2 0 0 1 ) 等的试验也说明了同样的结论： 当汞浓度大于l o m g k g 土时，大豆根伸长明显受到抑制，且根端形态发生扭曲变 形，根毛稀疏，幼苗地上部生长比根缓慢，叶绿素含量下降。有研究认为有机汞 和无机汞暴露都会导致k 、m g 、m n 等营养元素的损失，而f e 出现累积，根冠细胞 2 厦门大学硕士学位论文红树植物秋茄与汞污染士壤相互作用研究 中k 的急剧减少可能是由于汞损伤细胞膜的完整性( d e a n ，2 0 0 0 ) 。然而，有机和 无机汞对细胞的伤害不一样，无机汞主要影响质膜，有机汞则可能是通过影响细 胞器官的新陈代谢而破坏了膜的完整性。汞对植物叶片生理过程的影响是根部受 损而导致地上部分的营养物质和水分供应减弱。研究发现甲基汞明显地降低了根 的长度，而t i g c l 。对根的长度没有影响( g o d b o l d ，1 9 8 6 ，1 9 9 1 ) 。杨保华( 2 0 0 4 ) 等人的研究表明：随着汞浓度的增加，沼生水马齿的生节量加大，植株增高加快， 在汞浓度为0 0 0 1 m g l 前后增节和增长达到高峰，随后随着汞浓度增加两项指标 迅速下降，当汞浓度为0 o l m g l 时，两项指标均已低于对照组水平，植株鲜重的 增长幅度持续缓慢下降，到汞浓度为0 0 5 m g l 时，植株鲜重增幅约为对照组的一 半。汞胁迫对植物超微结构也有影响，影响线粒体、叶绿体和细胞核结构的完整 性( 尤文鹏等，1 9 9 9 ) 。 高等植物汞暴露，将使叶片光合作用和蒸腾作用减弱，叶绿素合成和吸水能 力降低( g o d b o f de ta 1 ，1 9 8 6 ) ，生物量也会明显降低( s uy t le ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 不同浓度h 9 2 + 处理玉米l o d 后，叶片中的叶绿素a 、叶绿素b 以及叶绿素a + b ，在质 量浓度为0 2 m g l 时，含量均高于对照，这可能是叶绿素合成系统的一种应激性 反应；汞质量浓度大于0 2 m g l 时，叶绿素a 、b 及a 十b 均随浓度的增大而呈下降 趋势，在浓度为5 m g l 时，比对照下降了9 7 5 。且蛋白质的合成速度减慢，根 系活力严重下降( 刘玲等，2 0 0 4 ) 。李大辉等( 1 9 9 9 ) 用不同浓度c d 2 + 、h 9 2 + 处理 菱幼苗，发现c d 2 + 、h 9 2 + 的各处理浓度均抑制菱幼苗生长，使叶绿素含量下降，c d 2 + 、 h 9 2 + 对s o d ( 超氧化物歧化酶) 、p o d ( 过氧化物酶) 活性有不同的影响效果：c d 2 + 处理最初诱导s o d 、p o d 活性升高，但随浓度加大时间延长酶活性急剧下降：h 9 2 + 处理的酶活性变化相对平缓，其中5 m m o l l 和l o m m o l l h 9 2 + 处理的p o d 活性持续上 升。 2 植物生理活动对土壤中汞的影响 植物对金属污染的抗性，多年来直是污染生态学研究的热点。有关植物生 态系统重金属污染的研究主要包括：植物对重金属的耐性和吸收以及植物对重金 属污染的净化作用等。根际环境特别是重金属污染下的根际环境与土体存在着显 著的差异。植物根系分泌物通过改变根际的酸度，螯合、络合和氧化还原电位等 作用直接影响根际的理化性质，并通过改变根际微生物的活性及其群落结构，间 厦门火学硕士学位论文红树植物秋茄与汞污染十壤相互作用研究 接地影响金属离子在根际的溶解和吸收，以及重金属的固定和活化状态，从而关 系到重金属在土壤一植物中的迁移转化行为。同时，植物有机残体能够吸附污染 物。落叶碎屑可以吸附水体重金属，形成高腐殖质的还原环境，从而对重金属的 迁移转化产生影响。 2 1 植物对汞的吸收和累积 土壤中的汞可以部分为植物所吸收( 牟树森等，1 9 9 2 ；王定勇等，1 9 9 8 ) 。 汞在植物体内的富集随土壤污染程度的增加而增加( 王定勇等，1 9 9 8 b ；姜向阳 等，1 9 9 5 ) 。一般情况下，植物主要是通过根系从土壤中吸收汞，但也可以通过 叶、茎的表面直接吸收大气中的汞( w e isqe ta 1 ，1 9 9 7 ；t e m m e m r n ale ta 1 ， 1 9 5 6 ；a m u a rre ta 1 ，1 9 8 5 ) 。植物可以吸收大气中的汞，也可以吸收土壤中 的汞，在大气汞污染比较严重的地区，气汞较土壤汞足植物更为重要的汞源 ( c h i l i sae ta 1 ，2 0 0 0 ；刘德绍等，2 0 0 2 ；王定勇等，1 9 9 9 ) 。在正常的环境 中，蔬菜作物对环境汞的吸收总量中，来自大气的占7 0 - 9 0 ，而来自土壤的仅 有1 0 - 3 0 ( 刘德绍等，1 9 9 8 b ) 。但植物叶片的气孔也具有排汞的能力，它可通 过蒸腾作用将土壤中的汞排放到大气中( 杜式华等，1 9 8 4 ) 。 王定勇等( 1 9 9 8 b ) 采用室内模拟试验的方法，研究了大气汞污染对土壤一 植物系统的危害及其机理。结果表明，植物可吸收大气汞，也可吸收土壤汞。当 植物汞源于气汞时，其地上部汞含量高于根部；源于土壤汞时，则根汞高于地上 部汞。土壤汞累积的来源可通过直接吸附大气汞，也来源于植物汞的输入。 不同植物对汞的吸收能力不同，各种植物中总汞浓度差别较大，如蘑菇中的 平均汞浓度随取样地点和蘑菇种类而变化( j e r z yf a l a n d y s ze ta 1 ，2 0 0 2 ) ； 湿地植物总汞浓度高于水稻和玉米等农作物，按含汞浓度高低顺序依次为苔鲜最 高，藻类次之，再是苔草、禾草和灌木( 刘汝海等，2 0 0 4 ) ；针叶植物大于落叶 植物；粮食作物中依次为水稻、玉米、高梁，小麦最低；蔬菜作物中，叶菜类大 于根菜类( 牟树森等，1 9 9 3 ) ；水稻和小麦体内汞的分布情况相类似；汞在根部 含量最高，叶片次之，叶片由于其生长时间的长短不同，汞的含量自下而上逐渐 递减；在茎中汞含量比叶片要低得多；而在营养贮存部位一籽粒汞含量最低( 陈 业材，1 9 9 4 ；萧蕴英等，1 9 9 7 ) 。总汞在蔬菜各部位的分布量以可食部分为主， 蔬菜根和叶的含汞浓度高于茎和果，但自然条件下，蔬菜所吸收的6 0 以上分布 4 厦门大学硕士学位论文红树植物秋茄弓汞污染土壤相互作用研究 于地上部的可食部分( 刘德绍等，2 0 0 2 ) 。 2 2 植物凋落物对土壤汞积累的影响 凋落物可称为枯落物或有机碎屑，是指在生态系统内，由植物地上组分产生 并归还到地表面，作为分解者的物质和能量来源，借以维持生态系统功能的所有 有机质的总称( 王凤友，1 9 8 9 ) 。它包括林内乔木和灌木的枯叶、枯枝、落皮及 繁殖器官、野生动物残骸及代谢产物，以及林下枯死的草本植物及枯死植物的根 ( 郝占庆等，1 9 8 9 ) 。有些学者认为，直径小于2 5a m 的落枝、落叶、落皮、繁 殖器官；动物残骸及代谢产物；林下枯死的草本和枯死树根归为森林凋落物( 廖 军等，2 0 0 0 ) 。 落叶对重金属元素存在着显著的吸附作用，对g r 和n i 的平均处理效率( 去除 率) 均在6 0 以上，对c u 的吸附效果尤其显著，达到了9 0 以上，由于落叶中富 含某些特殊有机物质和基团，因此对重金属离子具有高吸附特性。对同种元素而 言，吸收效果与处理时间的关系不是很大，单落叶对不同元素的吸收具有一定的 选择性( 潘海燕等，2 0 0 1 ) 。 凋落物淋溶产生的溶解性有机物( d o m ，d i s s o l v e do r g a n i cm a t t e r ) 是土 壤和水体中d o m 的重要来源，凋落物的输入和降解速率最终决定了d o m 的产量 ( m a r s c h n e rbe ta t ，2 0 0 5 ) ，而d o m 是土壤和水体中重要的组成部分，对重金 属迁移和转化都具有重要的影响。d o m 可以直接与重金属发生络合作用，使重金 属更多地被吸附在土壤表面上或存留在土壤溶液中；d o m 可以改变土壤的p h 值和 e h 值，从而影响重金属的沉淀一溶解平衡；d o m 还可以改变土壤中固相物质的表 面活性，从而影响重金属在土壤中的化学行为( 王果等，2 0 0 0 ) 。 2 3 植物根际分泌物对汞生物地球化学行为的影响 根系分泌物的种类繁多，不同植物的种类和数量也有一定的差异。无机离子 ( 如盯、n h 4 + 、n a + 、k + 、c a 2 + 、m 9 2 + 、n o 。一、c 1 一、s o 。2 。、h p 0 4 2 - 等) 是根系分泌物重 要组成部分，这些离子对根际土壤p h 及氧化还原电位有一定的调节作用，进而 可以影响营养元素在根际的有效性( 廖利平等，2 0 0 1 ) 。除了无机离子之外，根 系分泌物中的低分子有机物种类繁多，主要包括低分子量糖和2 0 种氨基酸在根 系分泌物中发现，糖类中以葡萄糖和果糖较普遍。氨基酸除蛋白类氨基酸外，还 包括2 0 世纪8 0 年代后期确定的禾本科植物缺铁根专一性分泌物一麦根酸类植物 厦rj 大学硕士学位论文红树植物秋茄与汞污染土壤相互作用研究 高铁载体等非蛋白氨基酸。有关有机酸的研究近几年相当活跃，它们大部分足三 羧酸循环的低分子中间体，对根际p h 、微生物活性影响很大。某些次生代谢所 产生的有机酸，如苯甲酸、阿魏酸、肉桂酸和某些酚类物质作为自毒物质或他感 物质对植物自身连作或临体生物产生异种克生现象( 曹亨云，1 9 9 4 ) 。脂肪酸在 豆科中出现较多，对固氮微生物活性影响很大。根系分泌物中另一类物质足维生 素类物质，w e s t 发现了亚麻根系分泌物中有生物素和维生素。酶也足根系分泌 物的成分之一，k n u d s o n 发现根系分泌物中转化酶的存在。以后人们又发现了磷 酸酶、蛋白酶、淀粉酶、r n a 酶和d n a 酶等。 当重金属严重污染土壤和水体，植物可能因过量吸收某些有害金属而受害 时，植物可通过体内抗性机制如细胞区间化隔离金属、金属结合蛋白或植络素络 合金属、代谢性排除等机制，把金属的毒性降到最低限度( m u gw i r ae t a 1 ， 1 9 7 8 ) 。从2 0 世纪9 0 年代以来，人们发现，当植物的外部环境有大量的金属聚集 并可能对植物产生毒害时，根际就开始进行能动的生理反应，降低金属的有效性， 减少植物对金属的吸收。 目前关于植物的这种外部抗性机制的研究主要集中在根分泌物的研究上。根 系活动影响着根际环境特征，从而影响根际污染物的化学行为，最终影响根际中 重金属浓度、生物有效性及其生态环境效应。目前在根系分泌物对环境污染的抗 性机理研究主要有以下几个方面：1 ) 根系分泌物改变根际p h 对污染物有效性的 影响。根系分泌的h 和有机酸可使根际p h 值降低，使一些有毒重金属活化，这对 植物排斥金属污染物足不利的。但当植物处于高浓度金属胁迫时，一些耐受性植 物能够主动或被动改变h + 的分泌。如耐a l 植物就能在根际维持较高的p h 以降低a l 的活性。实验证明，植物耐a 1 能力与维持生长介质高的p h 密切相关，这一点在小 麦、黑麦、大麦和豌豆等作物上均以得到证实( t a y l o re ta 1 ，1 9 8 5 ； s h u m a n e ta 1 ，1 9 9 7 ) 。2 ) 根分泌物改变根际氧化还原状态对污染物有效性和毒性的 影响。许多变价金属的溶解度和植物毒性是由其氧化还原状态决定的。还原态f e 、 m n ( f e 2 + 、m n 2 + ) 比其氧化态( f e 3 + 、m n 4 + ) 的溶解度要高。在渍水条件下，根际环 境一般氧化还原电位较低，而一些植物如水稻根系具有向根际环境释放氧气和氧 化物的能力，将f e 、m n 氧化，增2 h f e 、m n 的氧化态，从而降低了其对根系的毒害 ( 刘华等，1 9 9 8 ) 。3 ) 根系分泌物的沉淀、螯合作用对污染物有效性和毒害的 6 厦门大学硕士学位论文红树植物秋茄与汞污染土壤相互作用研究 影响。根分泌的低分子量这些有机酸在根际的浓度与植物的耐a 1 性呈正相关 ( l a r s e ne ta 1 ，1 9 9 8 ；m ae ta 1 ，1 9 9 8 ) 。根系分泌的粘胶状物质能与p b 2 + 、 c u 2 + 、a l3 + 、c d 2 + 等金属离子竞争性结合，使它们滞留于根外而减轻这些金属对植 物的毒害。4 ) 根系分泌物对微生物进而对根际污染物的有效性和毒性的影响。 根系分泌物是土壤微生物的主要能源。植物根系可分泌各种对微生物有益的多种 维生素、酶、植物生长索及氨基酸等多种物质，促进其生长发育。大多数微生物 细胞壁都具有结合污染物的能力。有研究表明，某些酵母菌对重金属离子c u 2 + 、 c d 2 + 、n i2 + 都有不同程度的吸附能力( 李明春等，1 9 9 8 ) 。另一方面，微生物在环 境污染胁迫下，能够从体内分泌某些具有络合或分解转化污染物能力的有机物， 使污染物的移动性降低或极性改变，从而不容易进入植物体内；或者污染物在微 生物分泌的胞外酶的作用下，在体外就被分解转化成无毒的物质( 罗启仕等， 2 0 0 4 ) 。目前关于植物根分泌物、微生物、污染物三者相互之间的调控机理研究 还有待进一步深入。当前土壤和水体污染非常普遍，重金属和难降解有机物污染 是急待解决的问题之一。 3 研究意义 红树林是热带亚热带海湾河口潮间带的木本植物群落，对维护河口区的生态 平衡起着重要的作用。由于红树植物生态系统大多处于城镇边缘地带，随着城市 化建设及地区工业的发展，排入海湾河口区的重金属污染物迅速增多，特别足某 些地方直接把红树植物生态系统作为倾污排废地，大量的污染物汇集于河口海湾 区，给红树植物生态系统造成严重人为污染，使红树植物生态系统面临着越来越 严重的重金属污染冲击( 林鹏，1 9 9 7 ) 。汞足一种有严重生物毒性的环境污染物， 经生物富集和食物链放大后将产生更加严重的后果，因而研究重金属汞对红树植 物生态系统中的作用，在研究红树林污染生态学中具有重要意义。近二十年来， 随着各国对红树植物生态系统的保护和恢复日益重视，重金属污染物对红树植物 的效应分析，及红树植物对重金属的抗性和净化作用等已得到广泛重视。 以往对汞的研究很多都是以外源添) j 【l h g c l 。模拟污染土壤来进行的一系列研 究。但是由于时间( 大部分添加时间只有1 2 个月) 有限，人工模拟污染土壤中 的重金属形态分配及化学行为与自然污染土壤中的不尽相同( 吴龙华等，2 0 0 0 ) ， 所以模拟污染土壤的实验中汞主要以溶液的形式加入往往不能很好地反映或预 7 厦门大学硕士学位论文红树植物秋茄与汞污染十壤相互作用研究 测污染土壤的重金属形态。本实验直接利用汞污染土壤( 沉积物) ，通过按比例 混合未污染土壤，形成不同含汞量的土壤，接近实际汞污染土壤，进而研究其对 秋茄生理生态影响的同时，对植物对土壤中汞污染物环境行为影响进行研究，这 也是本论文的创新之处。在秋茄生长期间，由于植物吸收、根系活动和微生物降 解等作用，可能改变h g 在土壤中的形态，进而影响其迁移活性和生物有效性，因 此研究秋茄影响下h g 的迁移和形态转化具有重要意义。本论文还研究了在h g 的影 响下，植物各生理生态参数的变化，以及各生理生态参数和汞以及汞形态的关系， 为进一步研究重金属汞和植物之间的内在关系奠定基础。 本实验通过栽培实验对汞胁迫条件下红树植物秋茄生理生态特征进行了探 讨。揭示了汞的环境胁迫对秋茄幼苗的生长、叶绿素、可溶性蛋白以及抗氧化酶 系统活性的影响，以及幼苗对总汞、甲基汞的吸收、累积与分布特征，同时，研 究了红树植物的生理活动对污染土壤的各汞形态以及甲基汞的影响，揭示了红树 植物和汞污染土壤的相互作用关系，为红树林湿地的保护和利用提供科学依据。 8 厦f 】大学硕士学位论文红树植物秋茄与汞污染土壤相互作用研究 第二章样品采集与分析 1 实验材料 本文选用红树科的红树植物秋茄( k a n d e l i ac a n d e l ) 为研究对象。成熟的 秋茄种苗繁殖体( 成熟胚轴) 于2 0 0 8 年3 月采自福建九龙江口浮宫红树林国家 级自然保护区。选择生活力强，无病虫害及大小相近的胚轴于自然条件下进行实 验土培。栽培前，用0 1 5 的高锰酸钾溶液浸泡胚轴，处理2 4 小时，清水漂洗 待用。 2 种苗培养及胁迫处理实验 土壤取自某污染地区，经测定其总汞含量为1 4 5m g k g ，为处理组l ，同时， 把原始土样和未污染土样按比例充分混匀，经测定，其总汞含量分别为9 3m g k g 和5 4m g k g ，作为处理组2 和处理组3 。把各处理组土样装入大小相近的塑料盆 中。每盆基高1 4c m ，直径3 0c m ，栽培前，先用1 5 海水活化十天，每盆种植 胚轴1 5 株，共2 0 实验盆栽，3 盆用未污染的土壤用于对照实验( c k ) ，每组3 个重复。每7 天浇注一次培养液，每天用自来水补足散失的水分。实验盆栽放置 阳台、自然光下栽培。实验期间，观察各胁迫级组种苗萌发和生长状况，于5 8d 、 8 4d 和l o l d 分别测定幼苗根数、根长、株高、各组分生物生长量、叶绿素、可 溶性蛋白及抗氧化酶系活性等指标参数，并测定根叶的总汞和甲基汞含量，同时 在相应的同一时问采集各胁迫级组盆中土壤样品，测定总汞、甲基汞和各形态汞 含量。 3 分析样品的制备 酶液的提取：分别取相对稳定的0 1 4 9 叶片和根尖样品，剪碎，在研钵中分 次加入0 0 5m o l l 磷酸缓冲液( p h 7 8 ) 1 4 m l 以及少量的p v p 和少量石英砂于 冰浴下研磨。匀浆在高速冷冻离心机上4 c ，1 9 0 0 0 g 离心2 0 m i n ，上清液用于 酶系活性测定( 蒋立科等，2 0 0 3 ) 。 干样品的制备：将秋茄原胚轴、根、茎、叶清洗干净后，6 0 c 烘干，研磨过 筛，密封备用。 9 厦门大学硕上学位论文红树植物秋茄1 j 汞污染土壤相互作用研究 4 主要试剂和仪器 氮蓝四唑( b b i ) 、蛋氨酸( a c sb b i ) ，愈创木酚( 上海试剂厂) 、硫代巴比 妥酸( 上海化学试剂厂) 、过氧化氢( 上海桃浦化工厂) 、三氯乙酸( 上海化学试 剂厂) 、浓硫酸( 优级纯) 、浓硝酸( 优级纯) 、浓盐酸( 优级纯) 、高锰酸钾 ( 优级纯) 、电子分析d 平( b s l l 0 sb s 2 2 0 s 北京塞多利斯有限公司) 、紫外分 光光度计u n i c a mu v3 0 0 ( t h e r m os p e c t r o n i c 公司) 、高速冷冻离心机 ( c e n t r i f u g e 5 8 0 4 re p p e n d o r fc o g e r m a n y ) 、冷原子吸收测汞仪( f 7 3 2 一y 智能 型) 、便携式荧光仪( p a m 一2 1 0 0w a l zg e r m a n y ) 5 测定方法 5 i 叶绿素含量的测定 叶绿素含量的测定采用混合液法( w i l l e k e n she ta 1 ，1 9 9 4 ) 。选取新鲜 成熟叶片，去除中脉剪碎混匀称取0 1 - 一0 2g 叶片，放入8 0 丙酮抽提液l o m l 中浸泡，定期震荡，至叶片无色。分