（水土保持与荒漠化防治专业论文）白音诺尔铅锌矿铅超富集植物筛选及其耐性研究.pdf

摘要 以白音诺尔铅锌矿区生长的优势草本植物为筛选对象，通过野外调查和室内试验 测定相结合的方法，进行铅超富集植物筛选。并就密毛白莲蒿对铅的富集能力、富集 特性及解剖结构进行了初步研究。研究结果如下： 1 、菊科蒿属中的密毛白莲蒿( a t t e m i s i as s c r o r u ml e d e b v a l m e s s e r s c h m i d t i a n a ( b e s s ) y r l in g ) 和白莲蒿( a r t e m i s i a $ a c r o r u ml e d e b ) 是 铅( p b ) 超富集植物；自然条件下两种植物的地上部分对铅的积累量分别达到 2 2 6 4 4 7 m g k g 和1 5 1 1 9 6 m g k g ，富集系数分别为1 2 4 6 和o 7 0 5 ：转运系数分别为9 2 2 和3 7 3 。 2 、通过密毛白莲蒿对铅的耐性试验表明，密毛白莲蒿根部和地上部分对铅含量 最高分别可达2 9 4 1 7 m g k g 和2 8 5 7 8 6 m g k g ，植株对铅富集系数最高可达3 1 ；植株 对铅的转运系数最高可达l o 3 8 。 3 、通过对密毛白莲蒿矿山生态型和非矿山生态型分别进行铅胁迫实验后发现， 在处理范围内，非矿山生态型能够耐受的最大土壤铅浓度为8 1 2m g k g ，而矿山生 态型即使在铅浓度高达2 3 1 3 3 5 m g k g 的土壤上仍然能正常生长。矿山生态型各处理 地上部的铅含量随着土壤铅浓度的增加而不断增加。非矿山生态型各处理植株地上部 的铅含量差别不大：在2 0 0m g k g 处理水平，矿山生态型地上部铅含量是非矿山生态 型的2 6 7 倍。这说明矿山生态型修复铅污染土壤的潜力高于非矿山生态型。 4 、通过叶片解剖结构观察发现，经过一定浓度铅处理之后，矿山生态型的解剖 结构同正常种区别不大，而非矿山生态型则表现出了严重的受铅毒害症状。具体表现 为叶片组织结构松散，细胞排列不规则，叶绿体和细胞核解体。由此说明，密毛自莲 蒿矿山生态型在铅胁迫下表现出了很强的耐受性，可以为探讨铅在植物体中的超富集 机理和铅污染土壤植物修复的理论研究和技术实施提供一种新的种质资源。 ： 关键词：超富集植物：密毛白莲蒿；铅；富集特性：耐性 s c r e e n i n go fh y p e r a c c u m u l a t o r sa n d t o l e r a n c er e s e a r c hi n ba i y i n u o e rp bz nm i l n u o e r1 - d - l nm i n e b s t r a c t 刀 es t u d yt o o kt h ed o m i n a n th e r b a c e o u sp l a n ts p e c i e sf r o mt h eb a i y i n u o e rl e a d - z i n c m i n eo fc h i f e n gc o u n t yi ni n n e rm o n g o l i aa so b j e c t sa n d t h eh y p e r a c c u m u l a t o r so fl e a d w e r es e l e c t e d f u r t h e r m o r e ，u s i n g a r t e m j s i as a c t o t u m l e d e b v a t m e s s e r s c h m i d t i a n aa ss t u d ym a t e r i a l ，i t sa c c u m u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dp h y s i o l o g i c m m e c h a n i s m sw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r n l em a j o rr e s u l t sw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h er e s u l ts h o w e dt h a ta r t e m i s i as a c t o t u 四l e d e b 矿a re e s s e r s c 咖i d t i a n a ( b e s s ) y r l i n g a n da r t e m i s i a $ a c r o r u ml e d e b w e r ea c c u m u l a t o r so fl e a d ( p b ) b yt h e f i e l ds u r v e ya n dm e a s u r e m e n to fd i f f e r e n th e r b a g e s i nt h en a t u r a lc o n d i t i o n , t h ep b c o n c e n t r a t i o n so fa r t e m l s i as a c f o t u ml e d e b v s i m e s s e r s c h m i d c i a n a ( b e s s ) y r lin g a n da r t e m i s i as a c r o r u ml e d e b w e r e2 2 6 4 4 7m g j k ga n d1511 9 6 m g k g ， e n r i c h m e n tf a c t o r sw e r e1 2 4 6a n do 7 0 5 ，r e s p e c t i v e l y ；p bt r a n s p o r t a t i o nc o e f f i c i e n t sw e r e 9 2 2a n d3 7 3 2 u n d e rt h ed i f f e r e n tp bc o n c e n t r a t i o n s ，t h eh i g h e s tp bc o n c e n t r a t i o ni ns h o o ta n d r o o to f a r t e m i s i as a c r o r u ml e d e 尻v a t m e s s e r s c h m i d t i a n a( b e s s ) y r l in g w e r e2 6 3 7 16m g k g ，2 5 3 9 6 m g k g t h eh i 曲e s tp be n r i c h m e n tf a c t o rw a s1 3 5 i nt h ep l a n t ，w h i l et h eh i g h e s tp bt r a n s l o c a t i o nc o e f f i c i e n tw a s10 38 t h u s ，a r t e m i s i a s s c t o t u 叨l e d e b v a t m e s s e r s c h m i d t i a n a ( b e s s ) y r l in g w a st h o u g h ta san e w p bh y p e r a c c u m u l a t o r 3 a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n to fp bt o l e r a n c eb e t w e e nm i n i n ge c o t y p ea n dn o n - m i n i n ge c o t y p co fa r t e m i s i as a c r o r u ml e d e b v a r m e s s e r s c h m i d t i a n a ；h at h e t r e a t m e n ts c o p e ，t h em i n i n ge c o t y p ec o u l dg r o wi ns o i l ss u p p l i e d 、i t l l2 3 1 3 3 5m g k g ， w h i l et h eg r o w t ho fn o n m i n i n ge c o t y p ew a sr e s t r a i n e da tp b 一81 2 m g k g n l el e a d c o n t e n to fs h o o ta b o u tm i n i n ge c o t y p ei n c r e a s e d 、析t l lt h er i s eo fs o i ll e a dc o n t e n t i n2 0 0 m g l ( gt r e a t m e n tl e v e l ，t h em i n i s t r ym i n i n ge e o t y p et o t a ll e a dc o n t e n ta n da c c u m u l a t i o no f n o n m i n i n ge c o t y p e w a s2 6 7t i m e s t l l i ss h o w st h a tt h e p o t e n t i a lr e p a i r i n go f l e a d c o n t a m i n a t e do fm i n i n ge c o t y p ei sh i g h e rt h a nn o n m i n i n ge c o t y p e 。 4 n l ea n a t o m i c a ls t r u c t u r eo fm i n i n ge c o t y p eo fd r t e m i s i as a c r o r u ml e d e b v a t m e s s e r s c h m i d t i a n ah a dn oo b v i o u sd i f f e r e n c e c o m p a r e dw i t l l c o n t r a s t b u tt h e n o n - m i n i n ge c o t y p es h o w e ds e r i o u ss y m p t o m so fl e a dp o i s o n i n g i ts h o w e dt h a tm i n i n g e c o t y p e h a da s t r o n g t o l e r a n c et op b a r t e m i s i as a c r o t u nl e d e b v a 2 m e s s e r s c h m i d t i a n ac o u l db eak i n do fn e wg e r m p l a s mr e s o u r c e sf o rt h e o r e t i c a lr e s e a r c h a n dt e c h n i c a li m p l e m e n t a t i o no fl e a d c o n t a m i n a t e ds o i l s k e y w o r d s ：h y p e r a c c u m u l a t o r ；a r t e m i s i as a c y o r u ml e d e b v f 3 t m e s s e r s c h m i d t i a n a ( b e s s ) y r l in g ；p b ； a c c u m u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ；t o l e r a n c e dir e c t e db y ：p r o f l u oy u y a n g a p p ii c a n t f o rm a s t e rd e g r e e ：z h a ol e i ( w a t e ra n d i i c o n s e r v a t i o n a n d d e s e r f i f i c a f i o ne o m b m m g ) ( c o l l e g eo f e c o l o g i c a le n v i r o n m e n ti n s t i t u t i o n i n n e rm o n g o l i a a g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y h o h h o t0 1 0 0 1 8 c h i n a ) 内蒙古农业大学 研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢蚵 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡猷均已在论文中作了明确的说。 明并表示谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名：垄也 日期： 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，印：研 究生在攻读学位期闻论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学本 人保证毕业高校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阅学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印，缩印或其他手段保存论文 论文作者签名：垂盘 指导教师签名：翌主攀一一 日 期2 墨笸厶 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 前言 1 1 研究的目的和意义 随着工业快速发展，大量开发矿产资源，导致我国土壤重金属污染程度加剧， 目前，我国将近2 5 0 0 x1 0 4 h m 2 农田土壤受重金属污染，作物生产、农产品的品质和 地下水开采等方方面面均受到很大影响，并危及到人民的生活健康1 2 0 0 x1 0 4 t 粮食 被重金属严重污染。 白音诺尔铅锌矿位于内蒙古自治区赤峰市，为长江以北最大的铅锌矿，但是由 于长年的频繁开采，不可避免地对当地生态环境造成了极大的污染。矿物开采和利 用过程中，p b 、z n 及其伴生的c u 、c d 、h g 等金属，严重污染当地土壤，致使农 田、水体及人类身体健康受到严重威胁。截至目前，关于重金属超富集植物的筛选 及其深入研究还未全面开展，特别是内蒙古地区，相关报道甚是少见，尤其是重金 属超富集植物的富集机理研究还是一片空白。因此，促进该区生态恢复与植被重建， 意义深远而重大。 鉴于此，本研究以白音诺尔铅锌矿区自然植物为研究对象，探讨植物重金属富 集机制，并进行适应性物种筛选试验，从中筛选出抗性较强，适应当地生境的优良 品种：以期为铅锌矿山及其它类地区的生态恢复与植被重建提供种质材料与一定的 理论基础。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 重金属对植物细胞结构的影响 重金属破坏植物细胞超微结构l l 】，魏海英1 2 】研究发现，经过c d ，p b 胁迫7 天后， 大羽醉叶绿体的外膜破裂甚至完全消失：有的高浓度培养中叶绿体完全解体；线粒 体外膜断裂或消失；细胞核遭到破坏，染色质凝聚，核质解体；在c d 浓度为1 0 0 m g k g 时内质网断裂呈片段状同时在p b 的培养液中出现大量黑色颗粒。徐勤松等1 3 ，4 】发现 c d 、c r 对水花生叶片超微结构的损伤作用表现为叶绿体解体；线粒体峭突膨胀和 空泡化；细胞核变形，染色质凝集和核质解体，核膜破裂。李荣春等1 5 一】对c d 、p b 及其复合污染对烤烟叶片细胞亚显微结构的影响进行了研究，发现c d 损伤诱变烟 叶叶肉细胞的亚显微结构，具体表现为叶绿体类囊体肿胀或解体，基粒片层紊乱甚 至消失，类囊体空泡化；细胞核出现明显变形，较严重者则表现出核中央出现较大 的空泡，核膜解体，线粒体空泡化。叶绿体含量不断下降，最终导致死亡。 1 2 2 植物重金属耐性机理 植物耐性是指植物体内具有的某些特定生理机制，使其能生存于高浓度的重金 属环境中而不被伤害。一般认为，耐性具备金属排斥和金属积累两条基本途径。 2 白音诺尔铅锌矿铅超富集植物筛选及其耐性研究 金属排斥性是指植物将重金属吸收后排出体外，或阻碍重金属在植物体内的运 输。从生物体内将重金属排除，是一种很好的解毒方式，这已在许多试验中得到证 实。n i e s t 7 8 】对不同耐性植物的金属离子吸收与代谢关系进行了研究，得出植物原 生质膜能主动排出金属离子。植物还可以通过脱落老叶的方式把体内重金属离子排 出 9 1 。大量的研究认为，有些植物可以将重金属离子大量积累在根部积，减少重金 属离子向地上部分运输，使地上部分免遭伤害，提高了植物的耐性。例如玉米处于 1 0 0 0m g k g 铅处理环境，其根部铅含量可高达1 0 4 3m g & g ，而地上部分为6 8 8m e k 一1 0 j 。s a l t 等j 报道，重金属胁迫条件下，i n d i a nm u s t a r d 的根部重金属含量要明显 高于地上部分。也有相关试验结果表明【l2 。，当铅浓度达到4 0 0 p g g 时，a m a r i n a 根 部可以将铅排出体外，这一过程发生在根的表皮层细胞。 金属积累包括以下几个途径：与细胞壁结合，植物细胞壁是重金属离子进入 植物体的第一屏障，它能沉淀部分重金属，阻止重金属离子进入细胞原生质，使细 胞原生质内的其他细胞器免受伤害。彭鸣等【1 3 】在电子显微镜下观测到，细胞壁对重 金属有沉淀作用。n i s h i z o n o t h l l 9 8 7 年发现，a t h y r i u my o k o s c e n s 的细胞壁中积累有 大量锌( z n ) 、铜( c u ) 和镉( c o t ) ，含量可达整个细胞总量的7 0 9 0 。 隔离并贮存在特殊器官中。重金属可以被一些超富集植物贮存在叶片表皮毛 等不影响其正常生长发育的器官中，这样可以避免重金属离子对其叶肉细胞造成直 接伤害i l 习。s a l t 1 6 】通过c d 处理芥菜( b r a s s i c a j u n c e a ) 后发现，其叶片表皮毛中c d 含 量是叶片组织高5 3 倍。 1 2 3 重金属污染的植物修复技术 关于土地的治理，目前有客土法、石灰改良法、化学淋洗法等【i7 1 。以上方法在 改良和治理污染土壤方面均有明显效果，然而，实际应用也存在某些局限，如淋洗 法造成营养元素的淋失；客土法费用较高，适用面积很小；沉淀法虽然可以降低土 壤溶液中重金属离子的溶解度，却会导致土壤某些营养元素沉淀，从而降低土壤肥 力。 植物修复技术作为治理土壤重金属污染的一项环保措施，为土壤修复开辟了新 的途径。该技术是指通过种植对土壤重金属元素有特殊富集能力的植物( 超富集植 物) ，然后收获植物并妥善处理( 如灰化回收) ，将其中重金属从土体转移，从而清除 土壤中的重金属污染物。该方法不必经历污染物质转移处理环节，能节省大量治理 费用，还可实现废物的资源化。与其他常规方法相比，植物修复技术优势如下：一 是不破坏土壤的物理结构，可完好保存生物功能。种植植物不但修复土壤污染，还 提高土壤有机质含量，恢复土壤肥力，有效改善环境质量，是名副其实的生态修复。 二是成本较低，s c h n o o r 得出，一个5 年期的植物修复项目与同期常规治理的费用 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 比较，节省费用可达3 7 4 。三是易于操作，可以直接在污染地进行处理，基本不 破坏土壤，无二次污染。四是应用时间长，实施范围广。五是对高金属含量植物， 经过一定的技术手段处理，可以回收金属，取得一定的经济效益。 1 2 3 1 超富集植物的概念与发展 1 9 7 7 年，b r o o k s 首次对超富集植物概念进行了定义【l 副；1 9 8 3 年，利用超富集 植物清除土壤重金属污染的思想被提出【1 9 1 。由于不同种类的重金属在地壳中的丰度 不同且在土壤和植物中的含量也存在一定差异，因此，植物对不同种重金属的富集 浓度界限也有所不同。目前对重金属超富集植物的界定主要使用的是1 9 8 3 年由 b r o o k s 和b a k e r l 2 0 】对超富集植物做定义时所提出的富集量的参考值，即地上部或叶 片的干物质中含c d 达到l o o p g g ，含c o 、c u 、n i 、p b1 0 0 0 蚓g ，m n 、z n l 0 0 0 0 1 x g g 以上的植物可认定为超富集植物。因此超富集植物可定义为能够超量吸收重金属并 将其从根部运移到地上部的植物，但这个概念要主要又包含了两个因素：首先是植 物地上部对某种重金属的吸收量应达到一定的数值：其次，植物体地上部所吸收的 重金属量应超过根部。 1 2 3 2 超富集植物的筛选方法 目前筛选超富集植物的主要方法有微量分析法、野外采样分析法、土壤盆栽模 拟法、野外试纸初步诊断法室、内营养液培养法等1 2 t - 2 8 1 。 ( 1 ) 微量分析法 先用去离子水将植物叶片标本洗净，烘干后称重，再放入硼硅酸盐试管中经低 温灰化后放入马福炉在5 0 0 高温持续灰化直至灰烬变成白色，然后用浓度为 2 m o l l 比重蒸纯化的分析纯盐酸溶液浸提，必要时适当加热，用原子吸收光谱分析 滤液。r e e v e s 、b r o o k s 等使用这种方法分析了将近2 0 0 0 份标本，试验标本大部分 采自一些热带和亚热带地区，取样密度5 x 1 0 4 份k m 2 。试验结果证实了所有镍超富 集植物的存在，同时还发现另外5 个属的植物具有超富集特性。 ( 2 ) 野外采样分析 野外采样分析方法相对传统，方便快捷，已发现的4 0 0 多种超富集植物大多数 是采用这种方法得到的。刘成志等通过实地调查取样分析，对辽宁省铁岭柴河铅锌 尾矿库内的土壤重金属含量进行了分析，并对当地9 种植物对重金属的吸收和富集 特征进行了研究，结果发现，在小叶杨和刺玫蔷薇体内z n 的含量较高；c d 主要积 累在在小叶杨和白莲篙体内；p b 主要分布在绣球绣线菊和华北蓝盆花中。 ( 3 ) 土壤盆栽模拟法 土壤盆栽模拟方法是将采回的植物在室内进行盆栽，并模拟其生长地环境进行 4 白音诺尔铅锌矿铅超富集植物筛选及其耐性研究 人工培育。该方法优势如下：试验植物生长的环境条件与自然环境条件比较相似， 较客观地反映植物在污染环境条件下的真实情况；易于鉴定与识别被采集植物 种，供试植物整个生长季都在盆中生长，有利于对植物进行长期观察和记载； 与长期生长在污染土壤环境经过驯化的植物相比，参试植物被驯化的时间短，植物 表现出来的某种特征可能是植物本身就具有的某种特性，有利于植物修复资源的寻 找和利用。应用模拟盆栽试验法筛选超富集植物，己取得了一定的研究成果，魏树 和等利用此法研究了东北地区2 0 科5 4 种杂草植物的重金属耐性及积累能力，发现 龙葵、蒲公英、小白酒花对c d 及c d p b z n 复合污染耐性均较强，能较多地积累 c d 。王激清等也做过类似试验，筛选出了能富集c d 的2 种芥菜型油菜。聂俊华等 通过人工盆栽实验筛选出6 个富集p b 的植物品种：香根草、裂叶荆芥、羽叶鬼针 草、绿叶觅菜、紫穗槐和苍耳。 ( 4 ) 野外试纸初步诊断法 该方法要求将测试纸用镍比色试剂二四基乙二醛肟浸渍过。工作时将测试的新 鲜树叶紧接在潮湿的测试纸上，通过观察试纸颜色变化情况即可了解植物叶中镍的 含量。试纸洋红色愈深，表明叶中镍的含量就愈高。b a k e r 等最先使用这种方法， 同时采集相应的土壤样品，在菲律宾巴拉望岛一次野外调查中发现了4 种镍超富集 植物。 ( 5 ) 室内营养液培养法 目前这是一种比较新的研究方法，通过酮制植物所需营养元素，进行重金属胁 迫试验研究植物的耐性及机理，该法易于控制，受外界干扰较小。汤叶涛等通过该 方法发现，圆锥南芥( a r a b i s p a n i c u l a t al ) 能超量富集p b z n c d ，是国内首次发现的 p b z i l c d 多金属富集植物种。 1 2 3 3 重金属超富集植物的筛选 15 8 3 年，植物学家c e s a l p i n o 发现在意大利托斯卡纳附近“黑色岩石上生长 着一种特殊植物，这是有关于超富集植物( h y p e r a c c u m u l a t o r ) 最早的报道。1 8 1 4 年 d e s v a u x 将其正式命名为a l y s s u mb e r t o l o n i i ( 庭荠属) ，1 8 4 8 年m i n g u z z i 和v e r g n a n o 对该植物叶片中重金属含量进行首次测定，结果发现a l y s s u mb e r t o l o n i i 植物体内的 n i 含量高达7 9 0 0 p g g ( o 7 9 ) 。此后的后续研究研究证明，这些植物属于分布范围 极小的地方性物种，它们的区域分布密度和土壤中几类重会属的含量呈现出明显的 相关性1 2 9 _ o 引i ，对于这类生长于特定重金属分布区的植物，其最明显的作用即是 用于矿藏的开发，因此这些植物种某些重金属矿的勘探过程中发挥了很大的作用 1 3 2 1 。利用指示性植物寻找金属矿的工作在中国也开始较早，例如在铜矿的勘探过程 中，生长于长江中下游的e l s h o l t z i ah a r c h o w e n s i s s u n ( 海州香薷，俗称铜草，主要分 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 布于长江中下游安徽、湖北等区域) 作为一种重要的铜指示性植物，发挥了重要作用 1 3 2 1 大量地方性植物物种的发现促进了耐金属植物的研究，同时重金属超富集植物 也相继被发现。韦朝阳、陈同斌等【3 3 】通过筛选发现大叶井1 2 1 边草是一种a s ( 砷) 的超 富集植物，其植株地上部分舡含量最大高可达6 9 4 m g k g ，其平均值则可达 4 1 8 m g k g ，而富集系数可达1 3 4 8 。韦朝阳等 3 4 1 通过野外调查和栽培实验发现， 蜈蚣草叶片含a s 可达5 0 7 0m g k g ，在含a s 9m g k g 的正常土壤环境中，蜈蚣草地 下部、地上部对a s 的生物富集系数分别为7 l 和8 0 ，是一种a s 的超富集植物。孙 约兵，周启星【3 5 】通过实验发现，球果薄菜对c d a s 复合污染有很强的忍耐力，对修 复c d a s 复合污染土壤有很大的潜力。周守标，王春景p 6 j 发现，菰和菖蒲能富集 c d ，其地上部分( 茎与叶) 和地下部分( 根与根状茎) 的富集系数均大于1 ，作为一种修 复植物可以用于水体污染。 李红艳等1 3 7 】研究发现菊科植物滨蒿和艾蒿对c u 也具有很强的富集能力，滨蒿 地上部分的c u 含量为4 2 - 2 5 9m g k g 艾蒿为9 1 - 6 9 8m g k g 。唐世荣，束文圣等人【3 8 卵j 报道，鸭跖草是c u 的超富集植物，在地上部分和根部的c u 含量分别为1 0 3 4 和 1 2 2 4m g k g 。李华，姜理英【4 0 4 i j 等对海洲香薷对c u 的吸收和积累进行了研究，指 出该植物c u 积累水平虽然地上部分未达到超富集植物要求，但其生物量较大，根 系能超富集c u ，植株c u 总积累较高，因此可以考虑将其用于c u 污染土壤的植物 修复。薛生国等【4 2 j 研究发现，商陆叶片中锰含量最高达1 9 2 9 9 m g k g ，对m n 具有很 强的富集特性，这一是我国第一次发现m n 超富集植物。龙新宪、杨肖娥等f 4 3 】发现 z n 的超富集植物东南景天，自然条件下其地上部分z n 平均含量为4 5 1 5m g k g ，营 养液培养试验表明其地上部分z n 含量最高可达19 6 7 4m g k g 。范稚莲，莫i 是：f , 1 4 4 1 通过对典型矿区的植物进行调查与研究后发现，长期生长于该矿区的香附子、狗牙 根和菜蕨3 种植物均达到m n 超富集植物的标准，是潜在的m n 超富集植物，m n 的含量分别达到5 1 4 、2 7 、1 6 m g k g ，与其相对应的富集系数分别为6 7 、1 1 4 和4 8 。 此后，也有研究发现【4 5 】了一种m n 超富集植物鼠麴草，其地上部m n 含量最高可达 7 8 1 0 2 5m g k g 。有关p b 的超富集植物的筛选研究，国内也有大量的报道。吴双桃 等人研究发现土荆芥是一种p b 的超富集植物，其地上部p b 含量高达3 8 8 8 m g k g 。 柯文山等对十字花科芸薹属5 种植物芥菜、芥兰、鲁白1 5 、竹芥、甘蓝进行温室盆 栽试验，结果发现鲁白和芥菜两个种生长迅速且生物量较高，其地上部p b 含量大 于1 0 0 0 m g k g ，富集量和转运系数都比较高，是潜在的p b 超富集植物。刘秀梅等通 过温室盆栽的方法研究了铅锌尾矿区附近生长的6 种植物( 草木樨、山野豌豆、酸模、 披碱草、紫苜蓿和羽叶鬼针草) 体内p b 的分布与含量、重金属p b 的迁移总量、并 研究了根系的耐性指数，结果发现，羽叶鬼针草和酸模是p b 超富集植物，二者可 6 自音诺尔铅锌矿铅超富集植物筛选及其耐性研究 以作为修复p b 污染的土壤的先锋植物。聂俊华等m j 筛选生了长于铅锌尾矿区的3 6 种植物，对植物的株高、叶片叶绿素含量、植株含p b 量为指标进行了实验，筛选 出了绿叶苋菜、裂叶荆芥、香根草、羽叶鬼针草、紫穗槐和苍耳6 个富集p b 的植 物品种。杨远祥 4 7 1 在四川的普陀山铅锌矿区进行相关试验，筛选出了铅、锌的超富 集植物小鳞苔草，自然条件下其地上部锌积累量可达9 1 8 5 m g k g ，铅积累量为 1 0 1 3 2 3 m g k g ；两种金属的转运系数分别为0 9 9 6 和1 9 6 1 。室内培养实验后发现， 小鳞苔草根部和地上部分对锌的富集量可达4 8 3 9 3 m g k g 和4 ，对铅的富1 62 3 m g k g 集量可达1 3 9 5 9 6 m g k g 和1 , 8 3 4 1 7 m g k g ：植株铅、锌富集系数分别为3 1 和4 7 6 。 目前，全世界已发现的重金属超富集植物有5 0 0 多种【4 8 1 ，其中3 6 0 多种是n i 的超富集植物。国内也发现了不少重金属超富集植物，但是在北方地区所发现的种 类并不多，而内蒙古地区则从未有发现类似植物的报道。表1 1 列出了近年来我国 所发现的一些重金属富集植物及它们的富集特征。超富集植物在植物科属内也有一 定的分布特点。n i 富集植物主要分布在大戟科( e u p h o r b i a c e a e ) 中的叶下珠属 ( p h y l l a n t h u s ) 和l e u c o c r o t o n 属、菊科( a s t e r c e a e ) 中的p e n t a c a l i a 属和千里光属( s e n e e i o ) 以及十字花科( b r a s s i c a c e a e ) 的庭莽属和遏蓝菜属( t h l a s p i ) ；十字花科的遏蓝菜属中 分布有z n 富集植物；而c u 和c o 的富集植物则在唇形科( l a m i a c e a e ) 和玄参科 ( s c r o p h u l a r i a c e a e ) 分布较多。这些科属分布的特点说明，可能某些少数的科属已 演化出特有的超积累重金属或耐重金属的种群，因此，超富集植物的筛选应侧重于 在某些特定的科属中寻找。 表卜1 我国所发现的一些富集、超富集植物及其富集特征 t a b l e1 - 1h y p e r a c c u m u l a t o r si nc h i n aa n dt h e i ra c c u m u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 内蒙古农业大学硕士学位论文 7 r u p r 芥菜b m 髓泐j 聊阳仁加雠2 矽 p b 1 6 5 2 5 m g k g 柯文山等，2 0 0 4 c z e r n a j e w 香根草v e t i v e r i a z i z a n i o i d e s p b 5 4 0 8 2m g k g 聂俊华等，2 0 0 4 绿叶苋菜a m a r a n t h u st r i c o l o r , p b 8 7 0 5 4r h g k g聂俊华等，2 0 0 4 苍耳x a n t h i u ms i b i r i c u m p b 6 5 0 4 2m g ，i 唱聂俊华等，2 0 0 4 裂叶荆芥s c h i z o n e p e t a f e n u i f o l i o p b 6 2 8 5 4m 眺g聂俊华等，2 0 0 4 紫穗槐s o p h o r a j a p o n i c a p b 7 0 0 0 9m g k g 聂俊华等，2 0 0 4 土荆芥pb3 8 8 8m g k g吴双桃，2 0 0 4 c h e n o p o d i u ma m b r o s i o i d e s 鼠麴草g n a p h a l i u ma f f i n e p b 7 2 8 1 0 2 5m g k g 张慧智，2 0 0 4 狗牙根c y n o d o nd a c t y l o nl m n 2 7 51 4m g k g 范稚莲等，2 0 0 7 菜蕨c a l l i p t e r i se s e u l e n t m nl151 6m 眺g范稚莲等，2 0 0 7 香附子c y p e r u sr o t u n d u s m n 161 4 4m g i ( g 范稚莲等，2 0 0 7 小鳞苔草c a r e xg e n t i l i s f r a n c h p b 1 8 3 4 1 7 m g k g 胡宗达，2 0 0 7 菰z 1 a t i f o l i a c d 富集系数大于1 周守标等，2 0 0 7 菖蒲a c o r u sc a l a m u sl i n n c d 富集系数大于l 周守标等，2 0 0 7 球果薄菜r o f i p p ag l o b o s a ( t u r c z ) c d 15 0 1m g k g 孙约兵等，2 0 0 7 ( 注：表中未添加说明的数据均为植物地上部分重金属含量) 1 3 研究内容 ( 1 ) 通过野外采样分析法对该区生长的优势植物进行初步筛选，依照重金属 富集植物的筛选标准，确定出重金属富集植物。 ( 2 ) 进行室内控制性盆栽法研究植物对重金属的耐性并测定其重金属富集阈 值，确定出目标植物的重金属最大富集量以及最佳土壤生长浓度。 ( 3 ) 进行植物重金属胁迫下的耐性研究，从耐受性和解剖结构方面解释其富 集的机理。 技术路线见图1 - 1 。， 8 白音诺尔铅锌矿铅超富集植物筛选及其耐性研究 为矿山土壤植的物修复提供富集植物，为探 索植物对铅的富集机理提供试验材料 图1 1 技术路线 本研究以赤峰市白音诺尔铅锌矿为研究地，旨在初步掌握这类区域铅、锌污染 特征和植被分布及生长情况的基础上，从中筛选出适合当地气候生长的p b 富集植 物，并进一步研究其受p b 影响的形态特征，这为丰富和扩充p b 富集植物种质资源 库，促进西部地区超富集植物的发掘与研究，具有重要意义。 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 2 重金属超富集植物的初步筛选 近几年，由于具有廉价、绿色和潜在经济效益等优点，植物修复技术迅速成为 国际环境修复学术界的研究热点，植物修复的关键是寻找、开发和应用超富集植物。 超富集植物普遍具有很强的重金属富集与忍耐能力，尤其是植物地上部分，其重金 属富集量约为普通植物的1 0 0 5 0 0 倍。目前已发现4 5 0 多种超富集植物，分属于 4 5 个科，其中以n i 超富集植物为多，p b 超富集植物则不是很多，为数不多的p b 超富集植物一般都生长在富含p b 和z n 的矿化土壤、采矿区和冶炼厂废弃物等环境 中。 本研究以赤峰市白音诺尔铅锌矿山为研究对象，采用野外采样分析法掌握该矿 区铅锌污染特征及主要草本植物体内铅锌富集特征，以期在林东矿区野生草本植物 中发现新的铅、锌富集植物，为铅锌矿山植物修复与植被重建提供种质资源和科学 依据。 2 1 研究区自然地理概况 研究区位于白音诺尔铅锌矿区，内蒙古自治区赤峰市巴林左旗白音乌拉苏木境 内，是目前中国长江以北最大最富的多金属矿床，现已探明的铅锌金属储量2 4 8 8 万吨，矿石中含有铅、锌、银、镉等主要金属，铅加锌平均品位7 6 8 。矿区位于 东经1 1 8 。5 l 3 0 1 1 8 。5 4 3 0 ，北纬4 4 。2 6 0 0 - 4 4 。2 7 3 0 。矿区 附近人烟稀少，距最近村庄腰而嘎查1 3 k m ，矿区内山峦起伏，次生林茂密，气温 变化较大，冬季寒冷，夏季凉爽，春秋多风，1 月平均气温1 4 1 ，最低气温达3 9 6 ，七月份平均气温2 2 4 5 ，冰冻期从l o 月至翌年4 月，最大冻土深度2 5 米， 平均年降雨量3 3 7 9 m m ，雨季多在6 - 8 月。 2 2 研究方法 2 2 1 野外植被调查与采样 2 0 0 6 年9 月，对白音诺尔铅锌矿尾矿库坝和矿井口进行生态调查，在植被区随 机设置l m xl m 样方，分别记录样方内植物株数、种类、植物的分盖度和总投影盖 度，采集样方内的完整优势植物及植株下o 2 0 c m 层土壤，每样品3 重复。本研究 共采集到4 科1 0 属1 4 种长势良好的群落优势植物及其下土壤。 2 2 2 土样的分析方法 土壤分析采用湿法消化，主要参考鲍士旦( 2 0 0 0 ) 主编的土壤农化分析( 第 三版) ，将土壤样品在室温下风干后研碎过0 2 5 m m 筛，称取1 0 0 0 9 土壤置于1 5 0 m l 三角瓶中，加1 5 m l 王水( 硝酸：盐酸= l ：3 ) ，盖上漏斗，放置过夜，同时做一份 1 0白音诺尔铅锌矿铅超富集植物筛选及其耐性研究 试剂空白。把三角瓶放在通风橱内的电热板上加热，开始低温，慢慢提高温度，并 保持微沸状态，使其充分分解，当激烈反应完毕，大部分有机物分解后，取下烧杯 冷却，沿烧杯壁加入2 , - 一4 m 1 高氯酸，继续加热分解直到冒白烟，样品变为灰白色， 揭去漏斗，赶出过量高氯酸，把样品蒸至近干，取下冷却，加入5 m l1 的稀硝酸溶 液加热，冷却后用中速定量滤纸过滤至2 5 m l 容量瓶中，定容，原子吸收光谱法测 定。 2 2 3 植物样品的处理 采集的植物样分为地上和地下两部分，分别用自来水充分冲洗以去除粘附于植 物样品上的泥土和污物，然后再用去离子水冲洗，沥去水分，之后在烘干前先在1 0 5 下杀青5m i n ，然后在7 0 下于烘箱中烘2 4 h 至恒重。将样品至于粉碎机中充分 粉碎。 准确称取1 0 0 0 9 已处理好的植物样于1 5 0 m l 三角瓶中，加入混合酸2 0 m l ( 硝酸： 高氯酸= 5 ：1 ) ，放置过夜，同时做一份试剂空白。把三角瓶放在通风橱内的电热板 上加热，当激烈反应完毕，微热至反应物颜色变浅，用少量去离子水冲洗三角瓶内 壁，盖上漏斗，逐步提高温度慢慢消解。如消解不完全，取下三角瓶冷却，加5 m 1 混合酸继续消化，直至试样变白，揭去漏斗，加热至近干，取下冷却，加入少量去 离子水，加热，冷却后用中速定量滤纸过滤到2 5 m l 容量瓶中，再用去离子水稀释 至刻度，摇匀待测。将处理好的样品使用原子吸收分光光度计测定其中的重金属含 量。 2 2 4 富集系数与转运系数 富集系数为植物体内某种重金属含量与相应土壤中重金属含量的比值。转运系 数是指植物地上部分某种重金属含量与根部该种重金属含量的比值。实验中使用以 下3 个公式计算植物的富集系数和转运系数： 地上部分富集系数= 地上部分重金属积累量( a ) 2 = 壤中重金属含量( s ) 。 根部富集系数= 根部重金属积累量( r ) 土壤中重金属含量( s ) ； 转运系数= 植株地上部分重金属积累量( a ) 根部重金属积累量( r ) 。 2 2 5 实验数据的处理与分析 用s a s 9 0 对数据进行统计分析，用e x c e l 2 0 0 3 进行图表制作。 内蒙古农业大学硕士学位论文 2 3 结果与分析 2 3 1 铅锌矿区土壤污染程度分析 经过对采集到的土壤进行重金属含量测定后发现( 见表2 - 2 ) ，白音诺尔矿区土 壤中铅含量范围为7 9 2 6 2 - 3 8 2 2 7 m g k g ，铅含量的平均值则为2 1 4 4 9 6 m g k g ，其 最低值超过土壤污染三级标准( 5 0 0 m g k g ) 1 6 倍