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吴川t 中山大学硕士学位论文 铅、锌以及镉在宝山堇菜和紫花地丁中的积累特征研究 专业：生态学 硕士生：吴川 指导教师：束文圣教授 摘要 超富集植物是能超量吸收重金属并将其运移到地上部的植物，可以用于治 理环境污染的植物修复技术。本文通过水溶液培养和土壤培养实验，研究宝山 堇菜( 踟肠b a o s h a n e n s i s ) 和紫花地丁( w d 肠y e d o e n s i s ) 对p b 、z n 和c d 的积 累特征。结果表明：营养液培养条件下，低浓度重金属刺激了宝山堇菜的生长， 而紫花地丁的生长受抑制。宝山堇菜在c d 和p b 浓度分别为5 0 0 u m 和8 0 0 u m 时，地上部分可吸收大于2 干重的c d 和大于1 干重的p b 。在所有的c d 处 理中，地上部分对根部重金属含量的转运系数都大于1 ；在所有p b 处理中转 运系数在o 2 0 3 之间。在所有z n 处理中，宝山堇菜地上部对z n 的积累最高 达4 7 0 2m g , k g 。紫花地丁在高浓度c d 和z n 的溶液中未能存活整个实验周期， 但在p b 处理中，显示了较高的耐性。土壤培养实验发现，宝山堇菜对重金属 也显示了很强的耐性，而在添加高浓度重金属的土壤中紫花地丁不能存活。宝 山堇菜在添加c d 、p b 和z n 分别为1 0 0 、5 0 0 和1 0 0m e , & g 的人工污染土壤中 生物量增长最大，且高于对照土壤，明显高于对照植物紫花地丁。宝山堇菜地 上部和根部重金属含量随土壤重金属含量增加呈直线增加，在土壤c d 、p b 和 z n 含量分别1 0 0 、1 0 0 0 和1 0 0 0m g k g 时，宝山堇菜地上部c d 、p b 和z n 含量 分别达到1 5 3 8 ，2 1 2 和5 5 1 3m g k g 。宝山堇菜对c d 、p b 和z n 的平均转运系 数分别为6 3 5 、o 8 9 、2 0 4 ，地上部分对土壤重金属含量的平均富集系数分别 为1 3 4 3 、0 2 1 、6 6 3 。 本文通过土壤培养和营养液培养实验，证实宝山堇菜似b a o s h a n e n s i s ) 为 c d 和p b 的超富集植物，同时对z n 也有很高的耐性和富集能力；堇菜属另一 吴川t 中山大学硕士学位论文 种植物紫花地丁( v y e d o e n s i s ) 对c d 和z n 较为敏感，但对p b 有较高的耐性 和富集能力。实验采用的宝山堇菜来自实验室组织培养，实验结果表明组织培 养方法得到的宝山堇菜和野外宝山堇菜对重金属的耐性和富集能力没有差异。 本研究为宝山堇菜进一步的植物修复应用和对超富集植物耐性和富集机理的 研究打下了基础。 关键词：超富集植物；宝山堇菜；植物修复；c d ：p b z n 吴 l h 中山大学硕士学位论文 a c c u m u l a t i o n so fc a d m i u m ，l e a da n dz i n ci nv i o l a b a o s h a n e n s i sa n dv i o l a y e d o e n s i s m a j o r ：e c o l o g y n a m e ：c h u a nw u s u p e r v i s o r ：p r o f w e n s h e n gs h u a b s t r a c t h y p e r a c c u m u l a t o r s a l ep l a n t s p e c i e st h a t a c c u m u l a t e e x c e p t i o n a l l yl a r g e a m o u n t so fh e a v ym e t a l si nt h e i rl e a v e so rs h o o t s ，w h i c hc a nb eu s e dt or e m e d i a t e h e a v ym e t a lc o n t a m i n a t e de n v i r o n m e n t t h ea c c u m u l a t i o n so fc a d m i u m ，l e a da n d z i n ci nh o l ab a o s h a n e n s i sa n dh o l ay e d o e n s i sw e r ei n v e s t i g a t e du n d e rh y d r o p o n i c a n ds o i lc u l t u r ec o n d i t i o n s t h eg r o w t ho f 矿y e d o e n s i sw a si n h i b i t e da th i 【g h c o n c e n t r a t i o n so fh e a v ym e t a l si nh y d r o p o n i cm e d i u m , w h i l el o wh e a v ym e t a l c o n c e n t r a t i o n ss t i m u l a t e dt h eg r o w t ho f b a o s h a n e n s i s t h em a x i m u mc aa n dp b c o n c e n t r a t i o n si nt h es h o o t so f 矿b a o s h a n e n s i sr e a c h e d 2 d wa t5 0 0p mc d s o l u t i o na n d l d wa t1 0 0 0 t mp bs o l u t i o n t h er a t i o so fc dc o n c e n t r a t i o n si n s h o o t st ot h o s ei nr o o t s ( t r a n s l o c a t i o nf a c t o r , t f ) i ni f b a o s h a n e n s i sw e f eg r e a t e r t h a n1 a ta l lc at r e a t m e n t s ，w h i l et h et f so fp bw e r oa m o n g0 2t o0 3 t h e m a x i m u mz nc o n c e n t r a t i o ni ns h o o t sw a s4 7 0 2m g k gi nwb a o s h a n e n s i s w y e d o e n s sc o u l dn o ts u r v i v ea th i g hc o n c e n t r a t i o n so fc da n dz n , b u ts h o w e dh i g h t o l e r a n c ea n da c c u m u l a t i o no fp b i nt h ep o te x p e r i m e n t , 1 4 b a o s h a n e n s i sa l s os h o w e d h i g h e rt o l e r a n c et oh e a v ym e t a l st h a n 矿y e d o e n s sd i d w ef o u n dt h a t b a o s h a n e n s 妇 c o u l dg r o ww e l li nt h es o i lw i t hc dc o n c e n t r a t i o n so fu pt o1 0 0m g k ga n dp b c o n c e n t r a t i o n so f 叩t o1 0 0 0m g k g 矿b a o s h a n e n s 捃c o u l da c c u m u l a t e1 5 3 8m g k g c d ，2 1 2m g l 【gp ba n d5 5 1 3m g k gz ni ns o i l sa m e n d e dw i t h1 0 0m g k gc d ，1 0 0 0 m g & gp ba n d1 0 0 0m g k gz nr e s p e c t i v e l y t h em e a nr a t i o so fc d ，p ba n dz n m 墨业! ! 坐查兰塑主兰堡垒茎 c o n c e n t r a t i o n si ns h o o t st ot h o s ei nr o o t sw e r e6 3 5 ，0 8 9a n d2 0 4r e s p e c t i v e l y t h em e a nr a t i o so fc d , p ba n dz nc o n c e n t r a t i o n si ns h o o t st ot h o s ei ns o i l sw e r e 1 3 4 3 、0 2 1 、6 6 3r e s p e c t i v e l y t h ef i n d i n g sd e m o n s t r a t et h a tfb a o s h a n e n s i si sah y p e r a c c u m u l a t o ro fc d , p d a n da l la c c u m u l a t o ro fz n wy e d o e n s sc a l ln o tt o l e r a t ec da n d7 - ，b u tc a nt o l e r a t e a n da c c u m u l a t ep b t h em a t e r i a l so fkb a o s h a n e n s i su s e di nt h ee x p e r i m e n t sc a m e f r o m m i c r o p r o p a g a t i o n i nt h el a b o r a t o r y w ef o u n dt h a tc o m p a r e dw i t h i f b a o s h a n e n s 捃g r o w i n gi nt h ef i e l d ，p l a n t sw h i c hc o m ef r o mt i s s u ec u l t u r eh a v et h e $ a m eh e a v ym e t a lt o l e r a n c ea n da c c u m u l a t i o na b d i t y wb a o s h a n e n a i sh a sg r e a t p o t e n t i a lt or e m e d i a t eh e a v ym e t a lc o n t a m i n a t e ds o i l sa n d c a l lb eu s e da sam o d e l p l a n t f o ri n v e s t i g a t i n g h e a v ym e t a lu p t a k e ，t r a n s l o e a t i o n a n dd e t o x i f i c a t i o n m e c h a n i s m si np l a n t s k e y w o r d s ：h o ab a o s h a n e n s i s ；h y p e r a c e u m u l a t o r ；p h y t o r e m e d i a t i o n ；l e a d ；c a d m i u m ； z i n c 吴川t 中山大学硕士学位论文 一、刖置 土壤重金属污染对环境产生危害主要有下列途径：土壤中的重金属通过雨 水淋溶作用向下渗透，导致地下水的污染；受污染的土壤直接暴露在环境中， 通过土壤颗粒物等形式能直接或间接地为人或动物所吸收；外界环境条件的变 化如酸雨、施加某些土壤添加剂等提高了土壤中重金属的生物可利用性，使得重 金属较容易为植物吸收利用而进入食物链，对食物链上的生物产生毒害。如日本 2 0 世纪初发生的“痛痛病”就是因食用含c a 大米所致。有些重金属还有“三 致”效应( 致畸、致癌、致突变作用) ，因而使重金属污染成为重要的环境问题 之一 据农业部组织的全国污水灌区调查结果显示：我国目前污水灌区面积约1 4 0 万公顷，遭受重金属污染的土地面积占污灌总面积的6 4 8 ，其中轻度污染占 4 6 7 ，中度污染面积9 7 ，严重污染面积占8 4 ，并且以h g 和c d 的污染面积 最大。我国每年因土壤污染而减少的粮食产量高达1 0 0 0 万吨，直接经济损失达 1 0 0 多亿元( 中国农业持续发展和综合生产力研究组，1 9 9 5 ) 。导致土壤污染的 重金属主要包括舡、c d 、c o 、c r 、c u 、h g 、m n 、n i 、p b 、z n 等，一般为几种 重金属的复合污染( 谢正苗等，1 9 9 7 ) 。重金属污染不仅给环境经济带来巨大的损 失，而且对人体健康造成的潜在危害不容忽视。 由于土壤中的重金属具有生物不可降解性和相对的稳定性，使得重金属污染 土壤的修复比较困难。传统的污染土壤修复方法有客土法、化学冲洗法、电化学 法等。这些方法在污染土壤的改良和治理方面虽然具有一定的理论意义，但在实 际应用上往往都存在某些局限。如加入土壤改良剂的沉淀法虽然在一定时期内可 以降低土壤溶液中重金属离子的溶解度，但同时却会导致某些土壤营养元素的沉 淀：淋洗法会同时造成营养元素的淋失：客土法虽效果较好，但费用昂贵，难以大 面积工程推广。植物修复技术普遍被认为具有物理、化学修复方法所无法比拟的 费用低廉、不破坏场地结构、不造成地下水的二次污染、能起到美化环境的作用、 易于为社会所接受等优点，是一项很有发展前途的修复技术，正成为研究和开发 吴j l h 中山大学硕士学位论文 的热点，以美国环保局公布的数据为例，1 9 7 7 年有关文献仅7 篇，到1 9 9 7 年已 增长到每年2 1 4 篇；美国v i r i d i a n 环境公司对加拿大o n t a r i o 镍污染土壤的治理， 每年可以从重金属回收当中获得2 5 0 0 美元公顷的收益，显示了较好的商业化 应用前景。 1 1 植物修复技术 1 1 1 植物修复技术的产生与发展 1 5 8 3 年意大利植物学家c e s a l p i n o 首次发现在意大利托斯卡纳“黑色的岩 石”上生长的特殊植物，这是有关超富集植物( h y p e r a c c u m u l a t o r ，超富集植物 指能超量吸收重金属并将其运移到地上部分的植物) 的最早报道。1 8 1 4 年 d e s v a u x 将其命名为a l y s s u mb e r t o l o n i i ，1 8 4 8 年m i n g u z z i 和v e r g n a n o 首次测定该 植物叶片中( 干重) 富含n i 达7 9 0 0m 班g ( 0 7 9 ) ( b r o o k s ，1 9 8 9 ) 以后的研 究证明这些植物是一些地方性的物种，其区域分布与土壤中某些重金属含量呈明 显的相关性( b a k e r , 1 9 9 0 ) 。这些植物作为指示植物在矿藏勘探中发挥了一定的 作用( b r o o k s ，1 9 8 3 ) 。在中国，利用指示植物找矿的工作也开展较早，如在长 江中下游安徽、湖北的一些铜矿区域分布的海州香薷( e l s h o l t z i ah a r c h o w e n s i s ) 在铜矿勘探中发挥了重要作用( 谢学锦等，1 9 5 2 ) 重金属污染土壤上大量地方 性植物物种的发现促进了耐金属植物的研究，同时某些能够富集重金属的植物也 相继被发现。1 9 7 4 年，在j a f f r 6 和s c h m i d 的文章中用“h y p e m i c k e l o p h o r e s ”和 “e x t r e m en i c k e l - b e a r e r s ”的概念来描述那些对重金属吸收异常的植物。 j a f f r 6 ( 1 9 7 6 ) 第一次在他的文章中用h y p e r a c e u m u l a t o r 来描述s e b e r a aa c u m i n a t a 吸 收n i 到一个非常高的程度。b r o o k s ( 1 9 7 7 ) 在讨论来自世界各地的植物种对n i 的超 量吸收时，也使用t h y p e r a c c u m u l a t o r 。1 9 8 3 年c h a n e y 提出了利用超富集植物清 除土壤重金属污染的思想( c h a n e y ，1 9 8 3 ) 。随后有关耐重金属植物与超富集植 物的研究逐渐增多，植物修复作为一种治理污染土壤的技术被提出。 1 1 2 植物修复基本概念及主要作用方式 植物修复就是利用植物来治理污染了的环境，即利用植物及其根际圈微生物 体系的吸收、挥发和转化、降解等作用机理来清除污染环境中的污染物质 2 吴川t 中山大学硬士学位论文 ( c h a n c y , 1 9 8 3 ；c h a n e y ，1 9 9 7 ) 。广义的植物修复包括利用植物净化空气( 如室 内空气污染和城市烟雾控制等) ，利用植物及其根际圈微生物体系净化污水( 如 污水的湿地处理系统) 和治理污染土壤( 主要包括重金属、放射性核素及有机污 染物等) 。狭义的植物修复主要是指利用植物及其根际圈微生物体系清洁污染土 壤( 包括无机和有机污染物) 。 植物修复的作用方式主要分为6 种类型( u s e p a , 2 0 0 0 ) ：植物净化主要是 通过叶片吸收及根系的滤除作用来清洁污染空气和水体；植物降解是利用植物根 系分泌物和特有酶系的转化和降解作用去除土壤中的有机污染物；根际圈生物降 解是利用根际圈内菌根真菌、细菌等微生物的新陈代谢活动来转化和降解有机污 染物；植物提取、植物挥发、植物固定主要是利用植物的吸收积累、挥发及根系 分泌物的螯合沉淀作用来去除和固定重金属。其中利用超富集植物的提取作用去 除土壤中超量重金属被认为是最有前途的植物修复技术。 图1 - 1 植物修复机制 f i g u r e1 - 1m e c h a n i s m sf o rp h y t o r e m e d i a t i o n 3 吴川t 中山大学硕士学位论文 1 1 3 植物提取 植物提取是利用植物根系提取污染物质并在植物内转运，通常通过收获植物 来达到去除污染物的目的。植物提取可用于土壤、淤泥以及小范围水体的污染治 理。植物提取必须选取适当的植物，如t h l a s p ic a e r u l e s c e n s 能超富集勖和n i ( b r o w ne ta 1 ，1 9 9 4 ) ；印度芥菜( b r a s s i c a j u n c e a ) 能大量积累p b 、c r ( v i ) 、c a 、 c u 、n i 、z n 、9 0 s r 、b 和s e ( r a s k i ne t a l ，1 9 9 4 ；k u m a r e t a l ，1 9 9 5 ；s a l te ta 1 ，1 9 9 5 ) ； a l y s s u mw u l f e n i a n u m 能积累n i ( r e e v e sa n db r o o k s ，1 9 8 3 ) ；s u n f l o w e r s 积累s r ( a d l e r , 1 9 9 6 ) 。 利用植物提取治理污染的优点是：含有污染物的植物收割后可作为一种有用 的资源，如含s e 的植物可转运到缺s e 的地区并用于动物养殖( b a f i u e l o s ，1 9 9 7 ) 。 但植物提取也存在一些缺陷：重金属超富集植物通常生长缓慢，且生物量较小根 系不发达；提取污染物后的植物存在一个处理的问题；目前关于重金属超富集植 物的研究多在实验室水溶液培养条件下人为添加污染物进行，不能反映在土壤中 应用的真实情况和结果。 调整土壤p h 值和添加有机螯合剂能增加土壤溶液中有效态金属含量，且 能促进金属在植物体内运输。b l a y l o c k 等( 1 9 9 7 ) 的研究发现，e d t a ( 乙二胺四 乙酸) 不仅促进印度芥菜对p b 的吸收，且同时促进c a 、c l l 、n i 、z n 吸收。另 外，选取适当的植物，利用基因工程手段培育高生物量生长迅速的植物可提高修 复效率。目前，人们已运用转基因技术或细胞融合技术培育出几种对重金属耐性 提高的大生物量植物，有一些还成功运用到修复实践中( k a r e n l a m p i e ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 如c h a n e y 等将zc a e r u l e s c e n s 的超积累基因转入其它植物，得到的转基因植物 的个体比zc a e r u l e s c e n s 大，且能忍耐高浓度的z n 1 1 4 植物修复技术研究展望 利用植物提取修复土壤重金属污染的主要问题是如何提高植物修复效率和 速率，在植物提取的实际操作中，植物体内金属含量高低比植株生物量的大小更 有意义( c h a n e y e ta 1 ，1 9 9 7 ) 。 从总体来看，目前植物提取技术还仍然处于田问实验和示范阶段，对所产生 的信息也尚未进行系统评价，还需要不断的、更多的田间结果来支撑这种技术的 发展。同时还需大力开展相关基础性研究工作，近期要继续筛选新的超富集植物 4 吴j i b 中山大学硕士学位论文 种质资源，将金属积累植物与新型土壤改良剂相结合使植物高产和植物对金属积 累速率和水平的提高( b l a y l o c k , 1 9 9 9 ；m c g r a t he ta 1 ，1 9 9 9 ) 是另一种研究趋势； 从长远看，要深入了解植物超富集重金属的机理，利用分子生物学的手段，通过 改良遗传特性来提高植物对重金属的富集能力以及提高超富集植物的生长速度 或生物量。 1 2 重金属超富集植物 1 2 1 重金属超富集植物的特点和分布 通常所说的植物修复主要是指利用超富集植物( h y p e r a c c u m u l a t o r s ) 的提取 作用去除污染土壤中的重金属，亦即通过重复种植和收获超富集植物将污染土壤 中重金属浓度降低到可接受水平。 通常，超富集植物的界定要考虑以下两个主要因素：1 ) 植物地上部富集的 重金属应达到一定的量；2 ) 植物地上部的重金属含量应高于根部( 韦朝阳、陈 同斌，2 0 0 1 ) 。目前已发现的大部分超富集植物的鉴定主要是依据第一个因素。 由于各种重金属在地壳中的丰度及在土壤和植物中的背景值存在较大差异，因 此，对不同重金属，其超富集植物富集浓度界限也有所不同。目前采用较多的是 b a k e r 和b r o o k s 在1 9 8 9 年提出的参考值，即把植物叶片或地上部( 干重) 中含 c d 达到1 0 0m g k g ，含c o 、c u 、n i 、p b 达到1 0 0 0m 班g ，m n 、z n 达到1 0 0 0 0m g k g 以上的植物称为超富集植物。但这个标准有时过于严格，特别是重金属z n ，一 般生长于富z n 土壤中的植物体内只能富集5 0 - 5 0 0m g k g 的z n ，能富集3 0 0 0 m g k g 的z n 的植物更少见，因此把3 0 0 0m g k g 定为办超富集植物的标准更合 适( r e e v e s b a k e r , 2 0 0 0 ) 。 已发现的超富集植物有4 0 0 多种( a s s u n e a oe ta 1 ，2 0 0 3 ) ，大多数为n i 的超 富集植物，超过3 0 0 种( b a k e re ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 超富集植物不仅在时空上有一定的分布特点，而且表现在植物科属内也有一 定的分布特点。发现的n i 超富集植物主要分布于“五科”、“十属”内。“五 科”是指大戟科、十字花科、大风子科、堇菜科和苦脑尼亚科，分布在这些科内 的n i 超富集植物占已发现的n i 超富集植物总数的8 0 以上；“十属”是指庭荠 属、叶下珠属、l e u c o c r o t o n 属、黄杨属、遏蓝菜属、柞木属、天料木属、g e i 船o i s 5 吴) l h 中山大学硕士学位论文 属、b o r n m u e l l e r a 属和鼠鞭草属。r h l a 晒属( b r a s s i c a c e a e 科) 中有许多种对n i 的积累可以达到0 1 3 之间，并且有些种可以超量吸收历、c d ( r e e v e se ta 1 ， 1 9 8 3 ) 。 1 2 2z n 、c d 的超富集植物 表1 - 1z n 、c d 超富集植物 t a b l e1 - 1h y p e r a c c u m u l a t o r o f z na n dc d 注：来自文献b a k e r 和b r o o k s ( 1 9 8 9 ) 表1 - 1 总结了部分z n 和c d 的超富集植物。 一些z n 的超耐性植物能积累大量z n 在其地上部分，这样的植物第一次报 道是在靠近比利时和德国边界的a a c h e n 地区的菱z n 矿区植被上，在h o l a c a l a m i n a r i a 的于重中有大于百分之一的z n 存在( r e e v e s & b a k e r , 2 0 0 0 ) 。大约 1 0 - 2 0 种植物被报道为z n 的超富集植物，其中有一小部分植物同时能积累很高 6 吴i l l , 中山大学硕士学位论文 浓度的c d 。z n 的超富集植物主要分布于受p b 、z n 、c d 污染的炉甘石质矿土中 ( a s s u n c a oc ta 1 ，2 0 0 3 ) 。已报道的z n 的超富集植物大部分为t h l a s p i 属和 a r a b i d o p s 括属植物。已发现并确认的c d 超富集植物更少，仅4 种为z c a e r u l e s c e n s 、a r a b i d o p s i s h a l l e r i ( b r o w n e ta 1 ，1 9 9 5 ：k u p p e r e t a l ，2 0 0 0 ) ，v w a b a o s h a n e n s i s ( 刘威等，2 0 0 3 ) ，s e d u ma l f r e d i i ( 杨肖娥等，2 0 0 2 ) 。 1 2 3p b 的超富集植物 目前，p b 的超富集植物被发现的并不多( r e e v e se ta l 。，2 0 0 0 ) 。自然界中多 数植物对p b 的吸收能力很低，普通植物一般p b 含量为1 0m g k g ( m c c r r a t he ta 1 ， 2 0 0 0 ) 。而且，由于p b 特殊的化学性质( p b 有很高的负电性，被认为是弱l e w i s 酸，易与f c 、a i 、m n 氧化物、有机质和碳酸盐形成共价键) ，土壤中的p b 不易 被植物吸收，即使p b 进入植物根系也只有很少部分能向地上部转移。之前鉴定 的4 0 0 多种超富集植物，特别是铜和p b 的超富集植物，需要重新评价，运用适 当的重复以及标准有效的冲洗步骤来避免来自土壤颗粒的污染( r d r e e v e s ， p e t s c o m m ) 。对于自然生境条件下的超富集植物的定义不能用于生长在实验条 件下的植物。对于后者，一个植物可以被称为超富集植物，首先必须在没有出现 任何毒性症状的情况下其地上部分最大重金属含量达到超富集植物的水平，而且 其中金属含量必须比相关的非积累植物对照和未处理对照的重金属含量高一个 数量级。 表1 2 为已报道的超量积累p b 的植物，是否为p b 的超富集植物还有待进一 步证实，在后文中分别讨论。 本研究室在湖南省宝山金属矿废弃坑口发现堇菜科的一新种一宝山堇菜( 矿 b a o s h a n e n s 豇) ，地上部和根部对p b 的富集量分别为1 5 8 3 1 0 6 1 5m g k g ， 3 9 8 7 - 1 4 9 4 5m g k g ( 刘威，2 0 0 4 ) ，初步认定为一种新的p b 超富集植物。 1 2 4 多金属超富集植物 大部分超富集植物只对一种重金属有超富集能力，但也有多重金属超富集植 物的报道。在已发现的c u 超富集植物中，有9 种同时超富集c o ，如a e o l l a n t h u s b i f o r m i f o l i u s ；t h l a s p i 属植物常富集多种重金属，如zc a e r u l e s c e n s 能超富集z n 、 7 n0()z，言苗nz )i、g戋n 善，哥苗nz 芒gh旨 善，鼍苟iz宕)罱暑gnci ”oon，i苗畚n暑1奇暑小昏寸”o|冠言苗函曲善暑昌n寸nn殓)0n，名苟盎n睁奇昌卜o”吣 n8n，i苗暑茸盘 嘲cn印高吕n葛 萋，ib苗uri专酋=苦星 徊器交蕊 栅罾畚留 徊器畚留徊骘畚留黼晷畚簖徊罂畚簖匾辫斟 ”寸h9n= 时口一tiu lo善盘若hte戛苴岫 峙n一，6口【 膏眉i i u 量釜08so 96i，i_【譬 g q 3 菩s盘日弋 2n巡n卜_【 时u l 量u 逞是飞薹2星譬寒飞 8 8 n 蜓n n o n i i ! i i u e 埘 o 8 誊矗吒 9stdt_【noon 盏召 蔷星s巍导邑暑罨嚣毒葛葛u基芒襄且q 蔷宕”譬一 徊器交簖 08导i，o譬_【n膏昌i!日ill 曼q暑薹连墨意 h，tb苗鲁iiq昌，葛flo_ 帐” 【辫繁 ”路s，乙r一 墨i!一盆 昱昱。甚暮姜。譬童5 拦qe 翳鬃箍“ 言_id， 日go舀 蛭巾v一霉科 目宝、g口；lo 1 9 8 q d 一如岔 鬻瓣鼍群刊 口890 2 9 _ j 棼媾撩晕f 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b 超富集植物t h l a s p ig o e s i n g e n s e 对所富集金属的解毒机制可能相同，但这些研 究都不够深入，近年来只有对n i z n c d 超富集植物t h l a s p ic a e r u l e s c e n s 的研 究较深入，结果表明这种协同性并非所有多超富集植物共有，对重金属富集能 力不同的种群为这些研究的深入进行提供了材料。 zc a e r u l e s c e n s 广泛分布于欧洲，从西班牙，法国，英国直到波兰东部， 种群众多，但实验常用的种群不多，l o m b i 等( 2 0 0 0 ) 研究发现，t h l a s p i c a e r u l e s c e n s4 个种群对z n 的超富集能力相似，但其积累c d 的能力有显著差 异，其中来自法国的两个种群( g a n g e 种群和v i v i e z 种群) 对c d 的富集能力 显著高于另两个种群( p r a y o n 种群和w h i t c s i k e 种群) 。a s s u n c a o 等( 2 0 0 3 ) 利用水溶液培养方法研究了7 个r h l a 卿c a e r u l e s c e n s 种群对c d 的耐性和积累， 结果与此相符，发现c a 能抑制大多数种群的生长，但对来自南法国南部的 v i v i e z 种群和g a n g e 种群的生长有促进作用，这两个种群c a z n 含量比也高于 其他种群，其地上部分z n 、c d 含量无正相关关系，而其他种群地上部分历、 c d 含量总有正相关关系，分析木质部径流液中z n 、c d 含量得到相同结果。 利用放射性示踪技术对z n 的吸收相近但c d 耐性和积累显著差异的g a n g e 种群和p r a y o n 种群进行了进一步的研究，表明有可能存在专一的c d 转运系统 ( l o m b ie ta 1 ，2 0 0 1 ；z h a oe ta 1 ，2 0 0 2 ) 。l o m b i ( 2 0 0 2 ) 等也调查了f c 缺乏 状态和这两个种群富集c d 差异间的关系，结果表明，f e 缺乏状态能促进g a n g e 种群对c d 的吸收富集，而对p r a y o n 种群中c d 的吸收，及两个种群中勖的吸 收都无影响，f c 转运蛋白基因腰刀的表达研究验证了生理实验结果。 此外，土壤环境下，不同种群的t h l a s p ic a e r u l e s c e n s 对中z n 、c d 的吸收 富集也不相同。c h r i s t o p h e ( 2 0 0 3 ) 等用室内盆栽及在田问实验的方法评价了 p r a y o n 种群和v i v i e z 种群等对z n 、c d 复合污染土壤的修复潜力，研究了不同 种群的根际活动，并选育出适合复合重金属污染的最适植物种群；对z n 、c d 超富集的v i v i e z 种群生长于z n 、c d 复合污染土壤时植物体内z n 、c d 的分布 也有研究( p e t t o n n e t 等，2 0 0 3 ) 中山大学磺士学位论文 1 3 本研究的目的、意义、主要研究内容和创新点 从目前国际研究进展看，所发现的多为n i 超富集植物( b r o o k se ta 1 ， 1 9 8 9 ) ，p b 和c d 超富集植物很少，而已经证实的c d 超富集植物只有z c a e r u l e s c e n s ( b a k e re ta 1 ，2 0 0 0 ) ，a h a l l e r i ( z h a oc ta 1 ，2 0 0 6 ) 、& a l f r e d i i ( 杨j 肖娥等，2 0 0 2 ) ，其它发表的一些可能的c d 超富集植物尚未得到试验证实 ( l o m b ie ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 迄今为止，我国境内的重金属超富集植物资源的调查、鉴定和研究甚少， 已报道的有a s 超富集植物一蜈蚣草( p t e r i sv i t t a t a ) ( 陈同斌等，2 0 0 2 ) 和大 叶井口边草( p t e r i sn e r l _ , o s a ) ( 韦朝阳等，2 0 0 2 ) ，m n 超富集植物一商陆 ( p h y t o l a c c aa c i n o s a ) ( 薛生国等，2 0 0 3 ) ，c d 超富集植物一宝山堇菜( h o l a b a o s h a n e n s i s ) 和z 1 1 超富集植物一东南景天( s e d u ma l f r e d i i ) ，其中东南景天由 杨肖娥( 2 0 0 2 ) 等在我国东南部浙江古p b z n 矿首次发现，也是目前已确认的 唯一分布于中国的z i l 超富集植物，水溶液条件下，其地上部分积累的c d 含量 也达c a 超富集植物标准( 倪天华和魏幼章，2 0 0 3 ) 。 因此，发现和证实新的重金属超富集植物，尤其是p b 、c d 超富集植物 对于推动p b 、c a 污染环境的植物修复研究具有重要意义。 基于上述原因，本研究希望通过室内营养液培养和土壤培养实验，发现并 验证新的重金属超富集植物，验证通过组织培养获得的宝山堇菜与野外宝山堇 菜相比对重金属的耐性和积累能力是否产生差异，以及为植物修复的应用和对 重金属超富集机理的进一步研究提供基础，主要研究内容包括： 通过水溶液培养实验，研究了宝山堇菜和紫花地丁对p b 、z n 和c d 的耐 性、富集和转运能力；通过盆栽实验，研究了宝山堇菜和紫花地丁在人工污染 土壤和自然污染土壤培养条件下对p b 、z n 和c a 的耐性、富集和转运能力；研 究实验室组织培养得到的宝山堇菜与野外自然生长的宝山堇菜在对重金属的 耐性和富集能力方面是否存在差异。 本研究的创新处： ( 1 ) 验证了宝山堇菜为c a 的超富集植物： ( 2 ) 证实宝山堇菜为新的p b 超富集植物，同时对z n 也有很高的吸收和 转运； 中山大学磺士学位论文 能力。 ( 3 ) 首次采用土壤培养方法探讨宝山堇菜对p b 、z n 和c d 的富集和转运 ( 4 ) 证实了实验室通过组织培养再生的宝山堇菜与野外的宝山堇菜相比， 对重金属的耐性和富集能力没有差异。 中山大学硕士学位论文 二、材料与方法 2 1 实验材料 紫花地丁( h o l a y e d o e n s i s ) ，采集自广州中山大学校园。 宝山堇菜( h o l ab a o s k a n e n s i s ) ，种子采集于湖南桂阳宝山多金属矿区，在 实验室进行组织培养后得到的组培苗用于实验。 2 2 实验方法 2 2 1 宝山堇菜野外生长环境调查 湖南省郴州市桂阳县宝山多金属矿( e l l 2 。3 5 ，n 2 5 0 4 2 ) ，位于桂阳县西 南约3k m 。该矿蕴含p b 、z n 、c u 、c d 等多种金属，1 9 9 6 年由于经济原因 废弃。野外条件下宝山堇菜就生长在此地点。该地区最突出的特征是土壤中 的c d 、c u 、p b 、z n 含量非常高。p b 在土壤中含量最高，其余依次为z n 、c u 、 c a 。2 0 0 7 年4 月对该地区进行了野外调查，下图是调查地点的地图： 图片来源：h t t d ：w w w 2 0 2 m a p c o m g o o g l ee a r t h 中山大学硪士学位论文 2 2 2 宝山堇菜实验用苗的准备 2 2 2 1 外植体准备 尽管野外条件下宝山堇菜能产生很多种子，但种子发芽率低，萌发时间 长，严重限制了实验材料的获得。选用组培苗，可以取得大量一致的实验用 苗和避免野外采集幼苗可能造成的本底污染。 宝山堇菜种子采集地点为湖南桂阳宝山矿污染区，采集的种子用流水冲洗 干净，水浸泡1 0 小时后，置于紫外灭菌的超净工作台下，7 0 酒精中浸泡3 0 秒，再在0 1 的h g a 2 溶液中消毒5 分钟，用无菌水冲洗5 次，然后在无菌 条件下接种在1 2m s 培养基上萌发。培养瓶先在暗处放置4 周，待萌发出小 苗后，置于光下继续培养4 周后，选较健壮的无菌小苗，取其叶片作为叶外植 体的材料，进行下一步实验。 2 2 2 2 愈伤组织培养 取无菌条件下培养的宝山堇菜苗中较大且较健康的叶片，切去外缘，把靠 近主脉的部分切成0 5c m 2 左右的小片状，接种于添加1m g ln a a + 1m g l 6 - b a 的基本培养基中，每瓶接8 个外植体遮光培养。基本培养基为m s 培养 基，其中琼脂8 9 a