（生态学专业论文）水稻根系渗氧和铁膜对其cd、pb吸收和耐性的影响及机理.pdf

摘要 水稻根系渗氧和铁膜对其c d 、p b 吸收和耐性的影 响及机理 专业：生态学 硕士生：王茂意 导师t 叶志鸿教授 摘要 近年来，由于矿山开采、工业废物排放、污水灌溉以及长期施用磷肥等，使 得农田重金属污染越来越严重。镉( c d ) 和铅( p b ) 作为其中最主要的两种重 金属元素，其造成的农田土壤污染及随之而来的食品安全等问题已经受到广泛关 注。水稻是我国第一大粮食作物，也是人体摄入c d 、p b 最重要的途径。研究表 明：水稻根系渗氧是其适应淹水环境的决定性因素，同时在其对重金属的吸收、 积累和耐性方面可能起重要作用，研究其机理对筛选和培育c d 、p b f 氐积累、高 耐性的水稻品种具有重大的指导意义。本研究选取2 0 个水稻品种，首先在广东韶 关上坝村污染稻田种植，研究其对c d 、p b 的吸收和积累，并引入靶标危害系数 ( t h q ) 作不同水稻品种c d 、p b 污染对当地居民健康风险评估；其次，通过土 培盆栽试验和琼脂营养液培养实验，研究水稻根系渗氧对其c d 、p b 吸收和耐性 的影响；最后通过河砂土壤联合根际袋实验，进一步研究水稻根系渗氧、铁膜 形成对其c d 、p b 吸收和积累的影响和机制。实验结果表明： 1 在广东韶关上坝村重金属污染稻田条件下，2 0 个水稻品种糙米c d 含量范围 为0 1 1 0 2 9m gk g 一，均值为0 2 4m gk g 一：p b 含量范围为0 6 7 一1 8 3m gk g 一，均值 为0 9 7m gk g - 1 ，两者均已超出我国大米食品卫生标准限值( 0 2 0m gk g j ) 。靶标 危害系数( t h q ) 风险评估结果表明：通过食用这些大米进人体c d 、p b 的t h q 值均大于l ，说明该大米中c d 、p b 已对当地居民健康已构成巨大的风险。 2 在琼脂营养液培养实验与c d 、p b 单金属处理土培盆栽实验中，2 0 个水稻 品种根系渗氧率以及谷粒和茎叶对c d 、p b 的吸收、积累和耐性都存在显著性差 l 中山大学硕士学位论文 异( p 0 0 5 ) 。相关性分析结果表明：水稻根系渗氧与谷粒和茎叶c d 、p b 耐性 成显著负相关( p 0 0 1 ) ；与水稻茎叶对c d 吸收成显著负相关( p o 0 5 ) ，而 与谷粒( p 0 0 5 ) 和茎叶( p 0 0 1 ) 对p b 的吸收成显著正相关，说明渗氧率 较大的水稻品种其c d 、p b 耐性较小，另外，根系渗氧还可以抑制水稻对c d 的 吸收，但促进对p b 的吸收。 3 在河砂土壤联合根际袋实验条件下，2 5 个水稻品种根系渗氧量、渗氧率 及根表铁膜形成程度都存在显著性差异( p 0 0 5 ) ；同样，c d 、p b 在水稻茎叶、 根和根表铁膜中的含量和分配也存在显著性差异( p 0 0 5 ) 。相关性分析结果表 明：水稻根系渗氧率与根表铁膜的形成程度以及根表铁膜中c d 、p b 、f e 、m n 含 量之间都成显著正相关关系( p 0 0 1 ) ；另外，渗氧率与c d 、p b 在水稻茎叶和根 中的分配成显著负相关( p 0 0 1 ) ，与c d 、p b 在根表铁膜中的分配成极显著正相 关( p 0 0 0 1 ) 。结果表明：渗氧率较大的水稻品种能够在根表形成较多的铁膜， 进而富集较多的c d 、p b ，最终降低其在水稻体内的分配比例。 总之，本研究发现水稻根系渗氧、铁膜的形成对其c d 、p b 的吸收、积累和 耐性有着重要的调控作用，渗氧率较大的水稻品种能形成较多的铁膜，进而吸附 大量c d 、p b ，从而降低其在水稻地上部的积累和分配。 关键词：水稻，渗氧，铁膜，镉，铅 l l a b s t r a c t e f f e c t so fr a d i a lo x y g e nl o s sa n di r o np l a q u eo n m e t a l ( c d ，p b ) u p t a k ea n dt o l e r a n c eo fr i c e ( o r y z a s a t i v al ) m a j o r ：e c o l o g y n a m e ：w a n gm a o y i s u p e r v i s o r ：p r o f y ez h i h o n g a b s t r a c t d u et oa n t h r o p o g e n i ca c t i v i t i e s ，s u c ha sm i n i n g ，d i s p o s a lo fi n d u s t r i a le f f l u e n t ， s e w a g es l u d g e a n da p p l i c a t i o no fp h o s p h a t e f e r t i l i z e r s ，m e t a l c o n t a m i n a t e d a g r i c u l t u r a ls o i lh a sb e e nw i d e l yi n c r e a s e di nm a n yc o u n t r i e s a st h em o s tp o p u l a r c o n t a m i n a n t si na g r i c u l t u r a ls o i l , c a d m i u m ( c d ) a n dl e a d ( p b ) h a v ep o s e dag r e a t t h r e a t e nt of o o ds e c u r i t ya n dh u m a nh e a l t h r i c ei sas t a p l ef o o da n di sa l s oam a i n p a t h w a yf o rc do rp be n t e r si n t oh u m a nb o d ye s p e c i a l l yi na s i ac o u n t r i e s i tw a s r e p o r t e dt h a tr o o tr a d i a lo x y g e nl o s s ( r o l ) i sac r u c i a lf a c t o rf o rw e t l a n dp l a n t s g r o w ni nw e t l a n de n v i r o n m e n t s ，a n dm a yp l a ya ni m p o r t a n tr o l e si nh e a v ym e t a l u p t a k e ，a c c u m u l a t i o na n dt o l e r a n c e ，b u tt h em e c h a n i s m sa r es t i l lp o o r l yu n d e r s t o o d i nt h i ss t u d y ，af i e l de x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t et h ev a r i a t i o no fc d , p bu p t a k ea n da c c u m u l a t i o n su s i n g2 0r i c ec u l t i v a r s t a r g e th a z a r dq u o t i e n t s ( t h q s ) w e r ea l s oi n v i t e dt oa c c e s sc da n dp bp o t e n t i a lr i s kf o rl o c a lp o p u l a t i o n s h e a l t h t h e n , t w op o tt r i a l si ng r e e n h o u s ew e r ec o n d u c t e dt of o u n do u th o wr o la f f e c tc d ， p bu p t a k e ，a c c u m u l a t i o na n dt o l e r a n c ei nd i f f e r e n tr i c ec u l t i v a r s a tl a s t ，as a n d s o i l r h i z o b a ge x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fr o l a n di r o np l a q u e o nc d ，p bu p t a k e ，a c c u m u l a t i o n , d i s t r i b u t i o na n dt h e i rr e l a t i o n s h i pa m o n g2 5r i c e c u l t i v a r s t h er e s u l ts h o w e d ： i i i 中山大学硕士学位论文 1 i nt h ef i e l de x p e r i m e n t ，c da n dp bc o n c e n t r a t i o n so fb r o w nr i c er a n g e df r o m 0 1 1t o0 2 9a n d0 6 7t 0 1 8 3m gk g ，w i t ha v e r a g e so f0 2 4a n d0 9 7m gk g - 1 ， r e s p e c t i v e l y t h et a r g e th a z a r dq u o t i e n t s ( t h q s ) v a l u e so fc da n dp bb a s e do nt h e2 0 r i c ec u l t i v a r sc o n s u m p t i o nf o rt h er e s i d e n t si n s h a n g b aw e r e a l l h i g h e rt h a n1 ， i n d i c a t e dt h a tc o n s u m p t i o no ft h e s er i c ew o u l dl e a dt oh i g hp o t e n t i a lh e a l t hr i s k s 2 t h e r ew e r es i g n i f i c a n td i f f e r e n c e si nr a t e so fr o lo f2 0r i c ec u l t i v a r su n d e r d e o x y g e n a t e dn u t r i e n ta g a rs o l u t i o n , a n dc do rp bc o n c e n t r a t i o n sa n dt o l e r a n c ei nt h e p o tt r i a l sw i t ha d d i t i o no fc do rp bp o 0 5 ) n e g a t i v er e l a t i o n s h i p sw e r ef o u n d b e t w e e nr a t eo fr o la n dc do rp bt o l e r a n c ep o 0 1 ) ，a n dr a t eo fr o lw a sa l s o n e g a t i v e l yr e l a t e dt os t r a wc dc o n c e n t r a t i o np 0 0 5 ) ，b u tp o s i t i v e l yr e l a t e dt og r a i n 仞 0 0 5 ) a n ds t r a wp bc o n c e n t r a t i o n sp 0 01 ) ，w h i c hm e a n sr i c ec u l t i v a r sw i t h h i g h e rr a t eo fr o lc a nr e s u l ti nl o w e rc do rp bt o l e r a n c ea n dc o n c e n t r m i o no fc di n s t r a w , b u th i g h e rp bc o n c e n t r a t i o n si nb o t hg r a i na n ds t r a w 3 i nt h es a n d s o i lc o m b i n a t i o nr h i z o b a ge x p e r i m e n t ，g r e a tv a r i a t i o n sw e r ef o u n d i nr a t e so fr o l ，d e g r e eo fi r o np l a q u eo nr o o ts u r f a c e ，c do rp bc o n c e n t r a t i o n si n s h o o t ，r o o tt i s s u e sa n di r o np l a q u eo f2 5r i c ec u l t i v a r s c o n c e n t r a t i o n so ff ea n dm n i nr o o td c b - e x t r a c tw e r ep o s i t i v e l yr e l a t e dt or a t eo fr o o tr o l p 0 0 5 ) s i g n i f i c a n t p o s i t i v ec o r r e l a t i o n sw e r ef o u n da m o n gr a t e so fr o la n dd c b - e x t r a c t a b l ec d ，p b ，f e a n dm no nr o o ts u r f a c ep 叶 谷粒( 或糙米) 的顺序递减( y u e ta 1 ，2 0 0 6 ) 。对不同水稻进行研究发现，糙米中的c d 浓度和积累速率与水稻产量 呈显著正相关( 吴启堂等，1 9 9 9 ) 。另外，l i u 等人( 2 0 0 3 ) 在对2 0 个水稻品种的 p b 吸收研究中也发现，水稻在不同时期以及不同器官组织对p b 的吸收和积累都存 在较大的差异。 1 3 2 4 其他 此外，影响水稻吸收c d 、p b 的因素还有淹水时间，土壤类型及其有机质含 量、其他金属元素( 如f e 、c u 、a i 等) 、非金属元素硅、微生物活动等等。研 究发现，长时间淹水或增加有机质含量都会降低水稻土壤中可溶性c d 、p b 浓度 ( k a s h e ma n ds i n g h , 2 0 0 0 ) ；土壤中不同类型有机质可以通过与重金属螯合成复 杂的化合物影响c d 、p b 的可溶性( l i ne ta 1 ，2 0 0 3 ) 。l i u 等人( 2 0 0 8 ) 对铁膜 的研究中发现，水稻对铁的吸收可以降低c d 毒害效应。土壤中存在由一些有机 质( 腐殖酸、多糖、糖醛酸、蛋白和d n a 等) 组成且具有重金属结合位点的胞 5 中山大学硕七学位论文 外聚合物。研究发现在，在p h4 8 范围内，聚合物上的c u 、c d 、p b 结合位点 显著减少( c o m t ee ta 1 ，2 0 0 8 ) 。另外，施加硅肥可以显著降低水稻对c d 的吸收 ( l i ue ta 1 ，2 0 0 9 ) 。根际微生物的活动也会影响到水稻对c d 的吸收积累，微生 物丛枝菌根真菌( a m f ) 可以减少水稻对c d 吸收，研究发现接种a m f 植株的c d 积累要低于没有接种的植株( k a r a g i a n n i d i sa n dn i k o l a o u ，2 0 0 0 ) 。 1 4 水稻c d 、p b 毒害和耐性 1 4 1 水稻c d 、p b 毒害 c d 、p b 都是植物非必需元素，当它们在水稻体内积累到一定程度后，水稻 就会表现出一系列毒害症状，如：根茎生长缓慢、叶片变黄、生长迟缓、产量下 降等( l i ue ta 1 ，2 0 0 3 ；2 0 0 7 ) ，目前，已有研究者从不同层次，如基因、细胞、个 体及品种水平研究c d 对水稻的毒害机制。 ( 1 ) c d 、p b 对水稻不同部位产生毒害 c d 和p b 对水稻不同部位的毒害都主要是通过抑制该部位关键酶活动来作用 ( a s s c h ea n dc l i j s t e r s ，1 9 9 0 ) 。首先，在根部，c d 对水稻根的伤害首先表现为损 伤根尖细胞核并抑制核糖核酸酶的活性从而抑制烈a 的合成( s h a ha n dd u b e y , 1 9 9 5 ) ，p b 可以与带负电荷的核酸结合引起染色体畸变、降低d n a 和r n a 的活性 ( 张义贤，1 9 9 7 ) ；在茎部，c d 和p b 可以抑制茎部细胞的分裂及延长，从而抑制 了正常生长以及输水管的形成，其中c d 的抑制程度大于p b ( a i d i da n do k a m o t o ， 1 9 9 3 ) ；在叶片中，c d 和p b 可以抑制植物的光合作用( k r u p a , 1 9 8 8 ；v a na n dc l i j s t e r s ， 1 9 9 0 ) ，c d 可以破坏植物叶片中的光合系统，尤其是捕获光能的光系统i i 的作用， 同时增加非光化学猝灭等降低光合作用效率( k r u p a ，1 9 8 8 ) ：另外，c d 还可以抑 制气孔的开放，可能机制是：c d 干扰了k + 、c a 2 + 在植物体内的活动以及脱落酸的 代谢，c d 经c a 2 + 通道进入保卫细胞后，通过脱落酸途径引起气孔关闭，从而抑制 光合作用和蒸腾作用( h s ua n dk a o ，2 0 0 3 ) 。c d 、p b 等重金属还大大减少了旷k + 交换，抑制质膜a t p a s e 、葡萄糖6 磷酸脱氢酶、谷氨酸脱氢酶、苹果酸酶、异 柠檬酸脱氢酶等正常的物质传递，有机物合成分解的活性，造成一系列新陈代谢 紊乱，致使植物的生长发育受阻( a s s c h ea n dc l i j s t e r s ，1 9 9 0 ；o b a t ae ta 1 ，1 9 9 6 ) 。 6 第一章研究背景 ( 2 ) 活性氧自由基伤害机制 活性氧( r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s ，r o s ) 是指分子氧在还原过程中的一系列 中间产物包括超氧阴离子自由基( 0 2 。) 、单线激发态氧( 1 0 2 ) 、羟自由基( o h ) 、 过氧化氢( h 2 0 2 ) 和过氧化物( r o o h ) 等。这类自由基往往会对破坏细胞膜结 构等对动植物产生伤害，在正常情况下，植物体会产生一些抗氧化酶如超氧化物 歧化酶( s u p e r o x i d ed i s m u t a s e ，s o d ) 、过氧化氢酶( c a t a l a s e ，c a r ) 和愈创木酚 过氧化物酶( g u a i a c o lp e r o x i d a s e ，g p o d ) 等，使植物体内地活性氧的产生与清 除处于平衡状态，不会导致植物细胞受到伤害。研究表明，c d 、p b 等重金属能 够导致水稻体内产生大量的0 2 一、o h 、h 2 0 2 和1 0 2 等活性氧自由基( c h e ne ta 1 ， 2 0 0 7 ；h s ue ta 1 ，2 0 0 7 ) 。0 2 和h 2 0 2 可以反应生成羟自由基( o h ) ，它能转化脂 肪酸为有毒的过氧化物，破坏生物膜，造成肝脏丙二醛( m d a ) 累积，其积累 随胁迫浓度的增加而升高，m d a 可以与膜上的蛋白质、酶等结合，引起蛋白质 分子内和分子间的交联，最终可以导致膜完整性的破坏和选择透性的丧失，同时 它还可以与核酸反应修饰其特性，从而抑制蛋白质的合成。 1 4 2 水稻对c d 、p b 耐性机制 植物对重金属的耐性主要包括两方面：一是对重金属的的排斥性，即阻止吸 收或吸收后排出体外；二是通过基因调控其内部生理生化，降低重金属有效性， 减轻或消除其毒害。 ( 1 ) 对重金属元素的排斥。在植物体对c d 、p b 的吸收和迁移上，细胞壁和 胞外糖对c d 、p b 有钝化作用。有报道称，在植物体内，大量c d 、p b 以与细胞壁 上的木质素或纤维素结合形式存在( n i s h i z o n o ，1 9 8 7 ) 。在植物幼苗时期，重金属 ( 如：c d 、p b ) 可以从植物根部经质外体与共质体向地上部分传输，但是当幼 根内皮层上的凯氏带形成以后，c d 、p b 就不能再通过质外体途径，而必须经过 共质体途径进行跨膜转运向地上部运输，这大大阻碍了重金属向地上部分迁移， 跨质膜和液泡膜的c d 、p b 传输对c d 、p b 分布起着重要的隔离和分配作用( 杨居 容，2 0 0 1 ) 。 ( 2 ) 通过基因调控降低重金属毒害。近年来，大量研究表明，植物体内s 7 中山大学硕士学位论文 代谢与植物对c d 等重金属吸收的胁迫反应机制有密切关系( h e i s se ta 1 ，2 0 0 3 ) 。 植物在c d 胁迫条件下通过多种调节机制，增强对硫酸盐的吸收和还原，迅速合 成半胱氨酸( c y s t e i n e ，c y s ) 、谷胱甘肽( g l u t a t h i o n e ，g s h ) 和植物螯合肽等代谢 物，在植物螯合素合酶的催化作用下合成植物螯合素( p h y t o c h e l a t i n s ，p c n ) ，在 c d 处理条件下，b r a s s i c a j u n c e al 叶中的p c s 蛋白含量显著提高( h e i s se ta 1 ， 2 0 0 3 ) 。另外，低分子量的p c 会和c d 、p b 分别形成p c c d 、p c p b 螯合物，从而 减少细胞质中游离c d 、p b 的含量，同时低分子量p c c d 、p c p b 复合物还可以进 入到液泡中，并与液泡中的硫化物形成高分子状态的p c c d 、p c p b 复合物，存 储在液泡中，起到了解毒效应，从而提高了植物抗c d 、p b 耐性( z e n k ，1 9 9 6 ；h e i s s e ta l 一2 0 0 3 ) 。 1 5 水稻根系渗氧和铁膜 1 5 1 水稻根系渗氧 为了适应缺氧的水淹环境，湿地植物( 如水稻) 在长期的进化过程中形成强 大的不定根和通气组织( a r m s t r o n ge ta 1 ，1 9 9 4 ；c o l m e re ta 1 ，2 0 0 3 b ) ，用于根系 与地上部分之间的0 2 、c 0 2 、c h a 等气体的运输，对于0 2 的运输，这些组织除了 输送0 2 到根部满足根部的有氧呼吸外，还有一部分0 2 的释放到根际环境，这种释 放0 2 的过程我们称之为渗氧( r a d i a lo x y g e nl o s s ，r o l ) ( a r m s t r o n ge ta 1 ，1 9 9 2 ) 。 报道显示，湿地植物在水生环境中，3 0 4 0 的0 2 通过根系渗氧释放到根际土壤 中( a r m s t r o n g ，19 7 9 ) 。渗氧的发生会使水稻根际环境处于氧化状态，并导致根 际多种土壤化学性质的明显变化，如营养的可利用性、潜在毒性和还原性物质的 含量及微生物种群等都会明显受到渗氧的影响( a r m s t r o n g ，1 9 7 9 ；b e g ge ta 1 ， 19 9 4 ；c o l m e r , 2 0 0 3 b ) 。 不同植物或植物不同品种渗氧量存在显著性差异( c a r p e n t e re ta 1 ，1 9 8 3 ； c o l m e re ta 1 ，2 0 0 3 a ) ，c a r p e n t e r 等人( 1 9 8 3 ) 发现沉水植物放氧量显著小于挺水 植物；不同生长条件下的同一个品种植物，其渗氧也有显著差异，c o l m e r ( 2 0 0 3 a ) 从对浅水稻、普通稻和深水稻通气组织和渗氧的研究中发现，它们的根系渗氧存 在显著差异。整个鲜根的放氧量称之为渗氧，而单位根干重的渗氧量，我们称为 8 第一章研究背景 渗氧率( r a t eo f l 的l ) ，不同种植物或者相同植物不同品种渗氧率之间也存在显 著差异( c o k n e re ta 1 ，1 9 9 8 ；c o l m e r , 2 0 0 3 a ) ，m e i 等人( 2 0 0 9 ) 研究的2 5 个水稻 品种渗氧率范围为7 4 0 1 3 2 4m m o l0 2k 9 1r o o td w h 1 ，平均渗氧率为9 7 5m m o l 0 2k g r o o td wh 。 渗氧大小主要有植物基因型( 如植物根系形态结构、生理生化特性) 和环境 因素( 如根际环境含0 2 量) 共同决定( a r m s t r o n ge ta 1 ，1 9 9 4 ；c o l m e r ，2 0 0 3 b ) 。 水稻的渗氧会随着土壤氧化还原强度( e h ) 值的降低而升高( k l u d z ee ta l ，1 9 9 4 ) ， 另外缺氧的根际环境会促进渗氧的增大( c a r p e n t e re ta 1 ，1 9 8 3 ；c o l m e re ta 1 ， 19 9 8 ) 。m o i l e ra n ds a n d j e n s e n ( 2 0 0 8 ) 报道，湿地植物l o b e l i ad o r t m a n n a 根表 含有铁膜时的渗氧小于没有铁膜的渗氧，而且其根系渗氧会随着铁膜厚度的增大 而变小。 1 5 2 铁膜的形成 由于湿地植物( 包括水稻) 根系渗氧的产生以及根际微生物的活动等，导致 根际环境中的f e 2 + 氧化成f e 3 + ，并形成红棕色的铁锰氧化物胶膜附着在根系和根 际土壤颗粒的表面，将这些铁锰氧化物胶膜称之为铁膜( c r o w d e ra n ds t c y r , 1 9 9 1 ) 。不同水稻品种根表、根际环境所形成的铁膜量具有显著性差异( l i ue ta 1 ， 2 0 0 6 ，2 0 0 7 a ) 。刘敏超等人( 2 0 0 0 ) 报道了1 4 个水稻品种间根表铁膜的数量相 差2 6 倍。 影响铁膜形态和数量的因素有很多，包括植物根系渗氧、温度、p h 、c 0 2 、 土壤通透性以及土壤中的f e 、m n 、a i 含量以及一系列微生物活动等。根际中可 利用性f e 含量的多少是决定铁膜形成数量的最主要非生物因素( l i ue ta 1 ，2 0 0 8 ) ， 根系渗氧被认为是控制铁膜形成的最重要的生物因素( m e n d e l s s o h ne ta 1 ，1 9 9 3 ； c o l m e r , 2 0 0 3 ) 。但目前，关于水稻的渗氧能力与根表、根际铁膜形成的相互之间 的相关关系还不清楚。 1 5 3 铁膜对重金属移动性的影响 目前，关于根表铁膜对根际环境中c d 、p b 的吸收的影响已有大量研究( s t c y r a n dc a m p b e l l ，1 9 9 6 ；y ee ta 1 ，1 9 9 7 ；l i ne ta 1 ，2 0 0 1 ；l i ue ta 1 ，2 0 0 8 ) 。研究发现，铁 9 中山大学硕+ 学位论文 膜既可以促进水稻根系对c d 的吸收，也可以抑制水稻对c d 的吸收，起作用程 度决定于水稻根表铁膜的厚度( 李花粉，1 9 9 6 ；刘敏超等，2 0 0 1 ；l i ue ta 1 ，2 0 0 7 a ) 。 李花粉( 1 9 9 6 ) 的研究表明，当根表铁膜较薄时，铁膜会促进水稻对c d 的吸收， 在铁膜数量达到2 08 2 5n 培f ek g j 根干重时，这种促进作用达到最大，而后随着 铁膜数量的继续增加，铁膜反而会抑制水稻根系对c d 的吸收，原因可能在于根 铁膜界面的c d 的数量有限，吸附于铁膜外表的c d 需要经过解吸附跨越铁膜等复 杂过程之后才能到达根表进而被根系吸收，故吸收反而下降。l i u 等人( 2 0 0 7 a ) 通过对水稻的水培实验，发现铁膜中和植株中c d 的含量明显受到营养液中铁的 增加而降低，铁膜中c d 的比例明显低于植株中c d 的比例，认为铁膜不是阻止c d 的吸收和转运的主要屏障。c d 的吸收和转运与植物的铁营养水平相关，植株中 的高铁浓度会对过量的重金属造成耐性，因为在叶片中铁与重金属竞争代谢敏感 位点。刘敏超( 2 0 0 0 ) 认为根表铁膜是土壤中c d 进入水稻体内的界面，铁氧化 物胶膜的物理化学性质直接影响土壤中的c d 进入植物体内。根系氧化能力不同 的水稻其根表的铁氧化物胶膜数量存在差异，这种差异直接影响到水稻根表铁氧 化物胶膜对c d 的富集、吸收和运输。有研究表明，铁膜可以富集大量的p b ，从 而在一定程度上促进p b 向水稻根内的转运( 刘艳菊等，2 0 0 7 ) 。在水培条件下， 铁膜并不是影响c d 、p b 的吸收和转运的隔层，根系组织才是水稻吸收c d 、p b 的 主要屏障( y ee ta 1 ，1 9 9 8 ；l i ue ta 1 ，2 0 0 7 a ，2 0 0 8 ) ，l i u 等人( 2 0 0 4 ) 实验发现 随着铁膜数量的增加，铁膜对a s 的吸附增加，但不会影响地上部位舡含量，说 明铁膜作为a s 的一个“库”，在水稻对a s 的吸收过程中起缓冲作用。 湿地植物根表沉积的铁锰氧化膜是客观存在的，作为营养物质和污染物进入 植物体内的门户，研究铁锰氧化物的作用机理及其形成的调控机制有重要的经济 及生态意义，并可为正确评价养分和污染物迁移转化行为提供合理的依据。 1 6 本论文选题依据、主要内容和意义 水稻是世界上第二、亚洲第一大粮食作物，在我国有2 1 3 以上人口以稻米为 主食，稻米也是人体摄入c d 、p b 的最主要的途径( i k e d ae ta 1 ，1 9 9 9 ；w a t a n a b ee t a 1 ，2 0 0 0 ；n a k a d a i r aa n dn i s h i ，2 0 0 3 ) 。农田c d 、p b 重金属污染不仅抑制水稻生长 发育、降低产量，更重要的是通过在可食部位积累，进入食物链，对人和动物健 1 0 第一章研究背景 康形成威胁。如何治理农田的c d 、p b 污染，减少和控制水稻c d 、p b 的积累及 提高作物的c d 、p b 耐性等问题同益受到人们的重视。面对大面积重金属污染的 水稻田，利用物理、化学的修复方法去清除和减少土壤中的重金属，因其成本高 等问题，难以大面积应用( c h a n e y e ta 1 ，2 0 0 4 ) ：而生物修复法最致命的弱点是 时间长，目前的研究基本停留在室内和田间示范阶段( b r o w ne ta 1 ，1 9 9 5 ；e e b b se t a 1 ，1 9 9 7 ) 。而通过筛选和培育对重金属高耐性、低积累的水稻品种，以达到稳产 和食品安全的目的被认为是目前最为经济有效的解决途径。 不同水稻品种对c d 、p b 的吸收和耐性存在着差异性。水稻对c d 、p b 的吸 收和耐性除了受基因调控外，也受其它环境因素影响，如p h 、e h 、z n 、淹水环 境、有机质等。另外，水稻在进化和发育过程中会形成的通气组织和渗氧被认为 是它们能适应和生存于淹水环境条件的重要因素。通气组织和渗氧作用导致根际 f e 2 + 的氧化和铁膜的形成及根际环境( 如p h 、e h ) 的改变，随之改变根际c d 、 p b 在土壤中的生物活性，进而影响植物对它们的吸收和耐性。 但是，水稻根系渗氧对c d 、p b 在根际中起了怎样的作用，又如何影响其对 c d 、p b 吸收和耐性等，到目前还不清楚。根据已有知识，本实验提出假设：具 有较高的渗氧能力的水稻品种，可能会在根际产生更宽的氧化带，使更多的f e + 会被氧化为f e 3 + ，更多的铁氧化物被吸附沉积在水稻根表面而产生更高程度的 铁膜，这些铁膜会吸附、固定更多的c d 、p b 或者减少它们的移动性，进而降低 其生物可利用性和毒性。所以，这些具有高渗氧能力的品种有较大的能力将重金 属固定在根表和根际。因此，我们选择这些渗氧能力大的水稻品种种植在重金属 污染的水稻田时，它们对毒性元素具有更大的排斥力和耐性，减少这些金属在地 上部的积累，从而保证稻米的产量和品质。 本研究通过不同水稻品种的野外重金属污染农田种植实验、室内人工添加重 金属污染实验、琼脂培渗氧测定实验，在不同条件下研究和分析c d 、p b 在不同 水稻品种不同组织中的含量与根系渗氧之间的关系，并揭示渗氧对水稻c d 、p b 分配和耐性的影响和作用。并通过砂土联合根际袋实验，探索其内在机制，为 c d 、p b 低积累、高耐性水稻品种的筛选提供理论依据。 中山大学硕+ 学位论文 第二章不同水稻品种对c d 、p b 吸收及对人体健康风 险评价一田间试验 2 1 前言 c d 、p b 都是动植物体非必需元素，同时也是环境重金属污染( 水污染、大 气污染及农田重金属污染) 和食品重金属污染( 如稻米，小麦，蔬菜等农产品) 的主要元素( l i ue ta 1 ，2 0 0 5 ；z h o ue ta 1 ，2 0 0 7 ) 。环境中c d 、p b 很容易从土壤被 植物根系吸收转移到植物体内，通过食物链进入动物和人体，并在食物链各个营 养级积累，导致：( 1 ) 植物生长受到抑制，造成粮食减产等；( 2 ) 引起人和动物 各种急性及慢性的器官病害，如c d 容易在肾脏中积累，造成肾损伤( n a k a d a i r a e ta 1 ，2 0 0 3 ) 。p b 很容易破坏人的神经系统和骨髓造血系统，严重影响人的智力 和骨骼发育等( l ie ta 1 ，2 0 0 7 ) 。 近年来，由于矿山开采、工业和城市废水排放、污水灌溉等活动，使得农田 c d 、p b 污染越来越严重( m a r c h i o le ta 1 ，2 0 0 4 ；w i l l i a m se ta 1 ，2 0 0 9 ) 。我国是一 个矿产资源丰富的发展中国家，大规模的开采为我国经济带来高速发展的同时， 也使得环境重金属污染日趋严重，越来越多的农田土壤及粮食作物被报道受到严 重的c d 、p b 污染( z h o ue ta 1 ，2 0 0 7 ；z h ue ta 1 ，2 0 0 8 ；h a n ge ta 1 ，2 0 0 9 ) ，另外， 血铅、血镉事件也频繁见于报道，c d 、p b 污染已严重威胁并危害着我国居民的 身体健康，并逐步转化为社会公共安全问题，引起国家的高度重视。因此，必须 建立重金属人体安全风险评估体系，采取措施有效降低环境和粮食重金属污染， 以保证食品安全和人体健康。大量研究表明，不同水稻品种，对c d 、p b 吸收和 积累存在显著差异( l i ue ta 1 ，2 0 0 3 ；l ie ta 1 ，2 0 0 5 ；y ue ta 1 ，2 0 0 6 ) ，通过筛选c d 、 p b 低积累高耐性水稻品种是一种有效的降低水稻重金属的途径。 本研究选择2 0 个水稻品种，种植于广东省韶关市上坝村重金属污染农田， 研究和比较这些水稻品种对c d 、p b 的吸收和积累特性，并且针对不同水稻品种 对当地居民作大米c d 、p bt h q 健康风险评估，为筛选对重金属低积累、高产量 的水稻品种提供基础。 1 2 第二章不同水稻品种对c d 、p b 吸收及对人体健康风险评价一田问试验 2 2 材料与方法 2 2 1 实验地点 本实验在广东省韶关市翁源县新江镇上坝村( 11 3 0 4 7 e ，2 4 0 2 8 ，n ) 进行，位 于大宝山矿区下游位置( 图2 1 ) 。该地区属亚热带气候，年平均气温2 0 6 c ，降 水量1 ，7 6 2n l m 。大宝山矿区位于翁源与曲江交界处，是一座以褐铁矿、铜铅锌 矿为主体的大型多金属矿床，主体储量约为4 8 x 1 0 7 吨。2 0 世纪6 0 年代末兴起的 大量国有和私有露天采矿场和金属冶炼厂，由于长期不合理的开采和未经处理污 水的排放，使得大量的携带毒害重金属( p b 、c d 、a s 等) 的酸性采矿废水排出， 沿河谷流入一条长约16 蛔二级河流，在翁源县上坝村凉桥处汇入横石水河。在 中下游与陈公湾的河流汇合，最终流入渝江。 本实验所选试验田位于新江镇上坝村( 即横石河与陈公河汇合处) 稻田，由 于当地居民长期使用横石河河水污水灌溉，加上雨季来自上游洪水覆盖，使得河 岸周边农田受到不同程度的重金属如c d 、p b 污染，其稻田土壤物化性质如表2 1 所示。 3 畎埘一 夕 褥 。症、矗， 翳。端驸泌 、 ? 1 0 嚣科 肛舭嗣习 2 多 一 图2 1 试验田所在地：广东省韶关市新江镇上坝村稻田 f i g , 2 - lf i e l de x p e r i m e n tl o c a t i o n ：s h a g n b a ，x i n j i a n gt o w n ，s h a o g u a n , g u a n g d o n g 中山大学硕十学位论文 表2 1 上坝村污染稻田土壤与广州华农非污染土理化性质 t a b l e2 - 1p h y s i o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fs o i lu s e di nf i e l de x p e r i m e n ta n dp o tt r i a l s 2 2 2 水稻品种 本实验选取2 0 个水稻品种( 表2 2 ) ，其中8 个杂交稻( “优”系列) 购与广 东省金稻种业有限公司，其余水稻品种：8 种常规稻( “占”系列) ，3 种糯稻( 航 香糯和南丰糯) 和1 种有色稻( 软红米) 均来至广东省农科院水稻研究所。 2 2 3 水稻种植 本实验从2 0 0 8 年3 月育种到7 月收获均在当地进行，2 0 个品种水稻种子经 浸种、播种、育苗4 周，选取大小一致的秧苗，转移到试验田，每个品种作4 个 重复，每个重复1