（分析化学专业论文）铬诱导的李氏禾生理响应及模拟生物膜电化学行为.pdf

桂林理工大学硕士学位论文 摘要 概述了超富集植物及植物修复技术领域的发展过程及研究现状，介绍了超富集植物 的生理特性和富集机理。宏观方面，从超富集植物李氏禾幼苗耐受和富集重金属铬的生 理特性研究入手，探究外源物质对李氏禾富集铬的强化效果；利用自组装技术在铂电极 上制备了磷脂双层膜( s b l m ) ，以此为生物膜的简单模型，采用电化学监测方法从微 观层面进行分析、模拟和验 芷主要结果如下： l 、用水培法研究不同质量浓度、价态的铬及不同处理时间下，李氏禾幼苗各部位 抗氧化酶( s o d 、p o d 、c a t ) 活性及丙二醛( m d a ) 含量的变化：随时间和铬质量浓 度的增加，m d a 含量升高，三种酶活性先升后降，c r ( i i i ) 为4 0 m g l 1 和c r ( v i ) 为2 0 m g l 1 时分别出现峰值。c r ( i i ) 低于4 0m g l - 1 ，c r ( v i ) 低于2 0 m g u 1 时，酶系统在李 氏禾应答铬胁迫的反应中起重要作用，超过此范围，酶系统将受到损害。 2 、通过循环伏安法( c v ) ，交流阻抗法( e i s ) 和扫描电化学显微镜( s e c m ) 研 究o f 与s b l m 的作用及抗氧化酶清除o f 的效果：0 f 与磷脂发生过氧化作用，对 s b l m 产生不可逆的破坏作用，对o f 生产体系浓度和作用时间具有依赖性；随铬胁迫 程度的加深，李氏禾体内抗氧化酶活性逐渐升高，对o f 清除及对磷脂膜的保护作用加 强。抗氧化酶系统对李氏禾耐受和富集重金属铬起重要作用。 3 、施加表面活性剂，螯合剂对李氏禾生理特性和铬的富集产生不同的的影响。e d t a 使叶绿素含量上升，酶系统平衡略有恢复，m d a 含量降低，促进c r ( ) 向地上部分运 输及积累，铬总含量提高：c w 国使叶绿素含量减少，酶活性比值升高，酶系统失衡加 剧，m d a 含量增加，有效促进根部对c r ( v i ) 的吸收和积累，铬总含量有提高：水杨酸 使叶绿素含量、酶活性比值有所恢复，减少m d a 的积累，对c r ( v i ) 的吸收和运输无显 著影响。 4 、通过c v 、e i s 、s e c m 对c r 与s b l m 作用的电化学行为进行监测和分析：c r ( i i i ) 与磷脂极性头部键合，改变磷脂双层膜的有序结构，增加 f e ( c 6 ，4 。探针分子与电极 间的电子跨膜传递，使膜电容增大，膜电阻减小，对c r ( i i i ) 浓度和作用时间具有依赖性， 且不可逆。与c r ( v i ) 相比，经c r ( i i b 溶液处理后的s - b l m 呈现的氧化还原峰电流较大。 5 、通过c v 、e i s 、s e c m 研究螯合剂、有机酸、表面活性剂与s - b l m 的作用：螯 合剂d t p a 以及螯合物c r ( i i i ) d t p a 不与s b l m 作用产生被动运输；乙酸溶液易通过 扩散方式透过s - b l m ，而螯合物c r ( i i i ) 乙酸不与s b l m 作用；d t a b 和s d s 均可以与 s - b l m 作用，破坏s b l m 结构，增加膜透性，且d t a b 作用效果更为明显。 关键词：超富集植物；李氏禾；铬：生理特性：固体支撑磷脂双层膜：铂电极：电化学 行为 桂林理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h e p r o g r e s s o ft h er e s e a r c ho fh y p e r a c c u m u l a t o ra n d p h y t o r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nr e v i e w e d s o m ef u n d a m e n t a lp r o p e r t i e sa n dt h e o r i e s i nt h i sf i e l da r ei n t r o d u c e d i nm a c r o s c o p i ca s p e c t ，b y s t a r t i n gw i t ht h em e c h a n i s m so f c h r o m i u mt o l e r a n c ea n da c e u r n u l a t i o ni nl e e r s i ah e x a n d r as w a r t ，t h es t r e n g t h e n i n ge f f e c to f e x o g e n o u ss u b s t a n c e so nc h r o m i u mb i o a c c u m u l a t i o nb yl e e r s i ah e x a n d r as w a r th a sb e e n f u r t h e ri n v e s t i g a t e d ；e l e c t r o c h e ，6 i i c a ln 庇t h o d sh a v eb e e nu s e dt o s t u d yt h ee l e c t r o c h e m i c a l b e h a v i o ro fb i l a y e rl i p i dm e m b r a n e s o np te l e c t r o d ef r o mm i c r o s c o p i ca s p e c t t h em a i n r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 、ah y d r o p o n i ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fc h r o m i u mo n a n t i o x i d a n te r t z y m e sa c t i v i t i v e sa n dm d ac o n t e n to f l e e r s i ah e x a n d r as w a r t i tw a so b s e r v e d t h a t 谢t ht h ei n c r e a s i n go ft i m ea n dc h r o m i u mc o n c e n t r a t i o n s ，m d ac o n t e n ti n c r e a s e d c o n t i n u o u s l y , a n t i o x i d a n t e n z y m e sa e t i v i t i v e sr e a c h e dap e a ka t4 0m g l 1 o fc r ( i h ) a n d 2 0 m g l 1o fc r ( v i ) ，t h e nd e c r e a s e d t h er e s u l t ss u g g e s tt h a tt h ea n t i o x i d a n te n z y m e sm a y p l a yi m p o r t a n tr o l e st ol e e r s i ah e x a n d r as w a r tt oc h r o m i u ms t r e s su n d e r4 0m g l 1o fc r ( i h ) o r2 0m g l 1o fc r ( v i ) ，o t h e r w i s et h ea n t i o x i d a n te n z y m e sw i l lb ed e s 仃o y e d 2 、t h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ro fb i l a y e rl i p i dm e m b r a n e so np te l e c t r o d ei n t e r a c t e d w i t hs u p e r o x i d ea n i o nw a si n v e s t i g a t e du s i n gc y c l i cv o l t a m m e t r y ( c v ) ，e l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c es p e c t r o s c o p y ( e i s ) a n ds c a n n i n ge l e c t r o c h e m i c a lm i c r o s c o p y ( s e c m ) t h e p o s s i b l em e c h a n i s mo f a c t i o nw a sa l s od i s c u e s s e d t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e d - o 于c a ni n d u c ep o r eo rd e f e c to ns - b l mt h r o u g hc h e m i c a li n t e r a c t i o nw i t hl e c i t h i n ，t h e d e s t r u c t i v ee f f e c ti sn o tr e v e r s i b l ea n dd e p e n d so nt i m ea n dc o n c e n t r a t i o n ；t h ea n t i o x i d a t a n t e n z y m e so fl e e r s i ah e x a n d r as w a r tc a l lp r o t e c t b i l a y e rl i p i dm e m b r a n e sb ys c a v e n g i n go f ， t h ep r o t e c t i v ee f f e c td e p e n d so nt i m ea n da c t i v i t i v e s 3 、ah y d r o p o n i ce x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tt os t u d yt h ee f f e c t so fe d t a ，c t a ba n ds a s u p p l yo nt h ec h a n g e so fc rc o n t e n ta n dp h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c si nl e e r s i ah e x a n d r a s w a r t t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta p p e n d i n g e d t a , t h ec h l o r o p h y l l si nl e a v e si n c r e a s e d s l i 曲t l y ，t h er a t i oo fs o d p o da n ds o d c a td e c r e a s e d ，t h eb a l a n c eo fp r o t e c t i v ee n z y m e s y s t e mw a sh o l d ，m d ac o n t e n td e c r e a s e d ，e d t ac o u l ds i g n i f i c a n t l ya c c e l e r a t et h ea b s o r p t i o n a n dt r a n s l o c a t i o no fc r c t a bc o u l dd e r e a s e dt h ec o n t a i no fc h l o r o p h y l l s ，t h eb a l a n c eo f a n t i o x i d a t a n te n z y m e ss y s t e mw a sb r o k e n ，m d ac o n t e n ta n dt h ec rc o n t e n ti n c r e a s e d t h e c h l o r o p h y l l sc o n t e n ta n dt h eb a l a n c eo fa n t i o x i d a t a n te n z y m e ss y s t e mw a sr e c o v e r e d ，m d a c o n t e n td e c r e a s e db yt l l es a t h e s er e s u l t sw e r ev a l u a b l ea n di m p o r t a n tt ot h es t u d y o f i i 桂林理工大学硕士学位论文 p h y t o r e m e d i a t i o nt e c h n i q u ea n db i o l o g i c a lm e c h a n i s mo fh y p e r a c c u m u l a t o r 4 、t h ee l e c t r o e h e r n i c a lb e h a v i o ro fb i l a y e rl i p i dm e m b r a n e so np te l e c t r o d ei n t e r a c t e d w i t hc rw a s i n v e s t i g a t e du s i n gc v , e i sa n ds e c m t h ep o s s i b l em e c h a n i s mo fa c t i o nw a s a l s od i s c u e s s e d e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tc r ( i i i ) c o u l di n t e r a c tw i t hl i p i dm e m b r a n e s ，c h a n g e t h es t r u c t u r eo fs b l m d u et ot h ep o r e s ，t h em a r k e ri o n s f e ( c n ) 6 】3 - 74 。c a nr e a c ht h e e l e c t r o d es u r f a c ea n d s h o wi t sr e d o xb e h a v i o u r , t h em e m b r a n er e s i s t a n c ei n c r e a s e sw h i l et h e m e m b r a n ec a p a c i t a n c e d e c r e a i 矗s 、c o n i | f i n u 。u s l y t h e i n t e r a c t i 。nd e p e n d so nt i m ea n d c o n c e n t r a t i o no fc r ( i i i ) ，m o r e o v e r , h 、i sn o tr e v e r s i b l e f u r t h e r m o r e ，t h ee l e c t r o c h e m i c a l b e h a v i o ro fc r ( i i i ) i sm o r es e n s i t i v ec r ( v 1 ) 5 、t h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ro fb i l a y e rl i p i dm e t n b r a n e so np te l e c t r o d ei n t e r a c t e d w i t hd i f f e r e n ts u b s t a n c e sw a si n v e s t i g a t e d ，t h ep o s s i b l em e c h a n i s mo fa c t i o nw a sa l s o d i s c u e s s e d e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h ea c e t i ca c i di se a s yd i f f u s i o ni n t oc e l l ，d t p ai sn o t ； t h ec h e l a t ec o m p o u n do fc r ( i i i ) 一d t p a 、c r ( i i i ) 一a c e t i ca c i dw e r ef o r m e d ，b u tn e i t h e ro ft h e m c o u l db ep a s s i v et r a n s p o r t e d ；d t a ba n ds d sc o u l di n t e r a c tw i t hl i p i dm e m b r a n e s ，c h a n g e t h es t r u c t u r eo fs - b l ma n di n c r e a s ec e l lm e m b r a n ep e r m e a b i l i t y f u r t h e r m o r e ，t h e e l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ro fd t a bi sm o r es e n s i t i v et h a ns d s k e yw o r d s ：h y p e r a c c u m u l a t o r ：l e e r s i ah e x a n d r as w a r t ；c h r o m i u m ；p h y s i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ；s u p p o r t e db i l a y e rl i p i dm e m b r a n e ；p l a t i n u md i s ke l e c t r o d e ：e l e c t r o c h e m i c a l b e h a v i o r i 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是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的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对论文的 完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者( 签字) ： 签字日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权( 学 校) 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的 学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 导师签字： 签字日期：年月 桂林理工大学硕士学位论文 1 1 超富集植物 第一章绪论 超富集植物亦称超积累植物或超累积植物。1 5 8 3 年意大利植物学家c c s a l p i n o 首次 发现在利托斯卡纳“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 啪u l a t o r ) 的最早报道。1 9 7 7 年，b r o o k s 提出了超富集植物的概念。超富集植 物是指能从土壤中超量富集重金属并能将其转移到地上的植物，吸收量要超过一般植物 的1 0 0 倍以上，且不影响正常生理活动【l 】。超富集植物通常具有如下特点【2 】：( 1 ) 在重金 属重污染或弱污染土壤上，都有很强的吸收富集能力；( 2 ) 吸收的重金属元素可大量迁 移至地上部分；( 3 ) 地上部分能耐受和积累高含量的重金属：( 4 ) 生长速度快，生长周 期短，生物产量高；( 5 ) 能反复种植、多次收割；( 6 ) 具有发达的根系组织；( 7 ) 具有抗 虫、抗病能力；( 8 ) 最好能同时积累几种金属。 2 0 世纪7 0 年代末，人们开始注重研究超富集植物，迄今为止，已报道的重金属超 富集植物有4 0 0 多种【3 1 ，广泛分布于植物界4 5 个属，主要集中在十字花科，且大多分布 在国外，研究最多的植物主要是芸苔属( b r a s s i c a ) 、庭芥属( a l y s s u n s ) 及遏蓝菜属( t h l a s p i ) 【4 1 。我国境内发现报道的超富集植物较少，有砷超富集植物蜈蚣草( p t e r i sv l t a t al ) 【5 j 和大叶井口边草( 尸c r e t i c a ) 1 ，锌超富集植物东景南天( s e d u ma l f r e d i i h a n c e ) 1 7 1 和宝山 堇菜( v i o l ab a o s h a n e n s i s ) 【引，锰超富集植物商陆( p h y t o l a c c aa c i n o s a ) 【9 l ，铬超富集植 物李氏禾( l e e r s i ah e x a n d r as w a r t z ) 0 0 ! 。东景南天( s e d u ma l f r e d i i h a n c e ) 可以富集z n 和c d 】，凤眼莲( e i c h h o r n i ac r a $ $ i p 船s o l m s ) 可富集p b 和c d ，圆锥南芥( a r a b i s p a n i c u l a t a l ) 为p b 、z n 、c d 的多超富集植物孙。 大多数超富集植物同时具有耐性和超富集性【1 3 l ，但二者是独立遗传控制的【1 4 1 ， a r a b i d o p s i sh a l l e r i 对z n 的耐性和超富集性就是两个独立的遗传特性【1 5 1 ：二者在生理机制 上也是不相同的，耐性与重金属在植物细胞的区域化分布有关；超富集性与植物根部提 取重金属功能有关【1 6 】。笔者总结了迄今为止报道的超富集植物，并对超富集植物的耐性 和超富集机制进行一定的阐述。 1 2 超富集植物对重金属的耐受机制 重金属元素一般是指相对密度等于或大于5 0 的金属，包括f c 、m n 、c u 、z n 、c d 、 h g 、n i 、c o 等4 5 种元素。过量的重金属会影响植物的正常生长发育，主要表现在：( 1 ) 抑制植物对水分的吸收和运输；( 2 ) 抑制光合作用：( 3 ) 抑制呼吸作用；( 4 ) 抑制 桂林理工大学硕士学位论文 碳水化合物代谢、蛋白质代谢、核酸代谢、氮素代谢等植物正常代谢形式；( 5 ) 破坏 细胞膜的透性；( 6 ) 影响细胞的生理变化，如可溶性碳水化合物、叶绿素含量、酶和 蛋白质的活性变化等 1 7 , 1 8 。 超富集植物能在重金属污染的环境中生存，对重金属有很高的耐性，其主要耐受机 制如下。 1 2 1 细胞壁沉淀作用 重金属离子进入植物体内时会有一部分沉淀在细胞壁上，从而阻止过多的重金属离 子进入细胞原生质使其免受伤害【l9 1 。超富集植物a t h y r i u my o k o s c e n s e 根吸收的c d 有 7 0 9 0 累积在根尖细胞壁上【2 0 】，zc a e r u l e s c e n s 根细胞中3 0 的z n 存在于细胞壁上 f 2 l 】；t h l a s p ig o e s i n g e n s e 叶中6 7 7 3 的镍结合在细胞壁上【2 2 1 。但细胞壁对重金属的容量 是有限的，因而其并非超富集植物耐受重金属的主要机制【2 3 1 。 1 2 2 细胞区室化作用 细胞内区室化作用与超富集植物耐受和超富集重金属密切相关。在组织和细胞水 平，重金属在超富集植物内呈区室化分布【2 4 j 。组织水平上，重金属大多积累在表皮细胞、 亚表皮细胞和表皮毛中，一定程度上减轻叶片细胞结构及生理功能所受的伤害：至于细 胞内，重金属贮存在液泡中，减少了重金属对细胞质及细胞器中各种生理代谢活动的伤 害。 锌超富集植物zc a e r u l e s c e n s 的根系和叶片中，z n 大部分积累在表皮与亚表皮细胞 的液泡里【2 5 1 ，液泡成为向地上部分运输的贮存库【2 6 】；在n i 超积累植物a l y s s u m 叶组织 的表皮层与亚表皮层中也发现大量n i 2 7 1 ，含量要高于非n i 超富集植物【2 2 1 ；c d 主要积 累在超富集植物s v u l g a r i s 的下层表皮细胞中，叶泡中存储的c d 可能与s v u t g a 胁耐 受c d 的机制f 2 8 】相关。 1 2 3 重金属螯合作用 重金属螯合作用在超富集植物耐受和富集重金属过程中起重要作用。目前在超富集 植物体内发现的螯合重金属的物质有草酸( o x a l i ca c i d ) 、苹果酸( m a l i ca c i d ) 、柠檬酸 ( c i t r i ca c i d ) 、组氨酸( h i s t i d i n e ) 和谷胱甘肽( g s h ) 等小分子物质和重金属结合蛋白 ( m b p ) 等大分子物质。 有机酸螯合重金属，使重金属离子的浓度降低，从而降低重金属毒性。研究表明， n i 以n i 草酸和n i 柠檬酸复合物【2 2 j ，a l 以a l 。草酸盐复合物形式存在于超富集植物中 口w 。重金属能与氨基酸( 脯氨酸、组氨酸) 中的羧基、- 氨基、羟基等功能团结合形成稳 2 桂林理工大学硕士学位论文 定化合物，从而达到钝化解毒。 g s h 是含非蛋白硫基的小分子量多肽，在植物螯合肽合成酶催化下，聚合形成对重 金属亲和力较强的植物螯合肽( p c ) ，将重金属离子螯合成无毒螯合物，减轻重金属离 子对植物的毒害3 0 1 。外源g s h 的加入可增强超富集植物对镍的耐性【3 1 1 ；a r a b i d o p s i s 的 突变异种实验【3 2 】和s e d u m 口黝耐受和超富集z n 、p b 的过程实验【3 3 】均证实了g s h 在 植物抗重金属毒害中的重要作用，但g s h 在超富集值物zc a e r u l e s c e n s 耐性机制中作用 的不大【3 4 1 。 重金属结合蛋白( m b p ) 对重金属的螯合能力远远大于上述小分子物质【3 5 】。根据合 成和性质差异，可将m b p 分为类金属硫蛋( m e t a l l o t h i o n e i n l i k e ，简称m t - l i k e ) 、植物 螯合肽( p h y t o c h e l a t i n ，简称p c ) 等。 m t 是一类低分子量的富含半胱氨酸的多肽，通过巯基与重金属结合形成无毒或低 毒络合物，高等植物中有一种与m t 结构和功能相似的m t - l i k e t 3 们，将超富集植物紫羊 茅草( f e s t u c ar e b r a ) 中m t - l i k e 基因克隆到缺失此基因的酵母细胞中，可提高酵母对c u 、 c d 的耐性【3 7 1 ，从而证实m t - l i k e 与植物的耐性机制相关。 植物螯合肽( p c ) 是高等植物中一类由酶促反应合成的低分子量的富含半胱氨酸的 多肽，可由多种重金属离子诱导合成。当重金属离子进入细胞后激活p c 合成酶，催化 g s h 转化成p c ，金属离子在产生毒害之前即被p c 螯合成无毒复合物【3 引，金属p c 复 合物主动运输进入液泡后，p c 多肽降解，重金属贮存在液泡中【3 9 1 。例如c d 结合p c 形 成c d p c 复合物，依赖a t p 转运至液泡膜，使植物耐受镉毒害【2 3 1 。但近来也有学者认 为超富集植物体内合成的p c 与其对重金属的耐性和超富集性无关1 4 0 l 。 1 2 4 酶系统保护作用 重金属进入植物体内，破坏了细胞内氧自由基产生与清除之间的平衡，导致大量的 活性氧产生，引发膜中不饱和脂肪酸产生过氧化反应，破坏膜结构和功能，导致植物的 损伤【4 1 1 。超富集植物在重金属胁迫下，由超氧化物歧化酶( s o d ) 、过氧化物酶( p o d ) 、 过氧化氢酶( c a t ) 组成的抗氧化酶系统是一个有效的活性氧清除系统，可减轻重金属 对植物的毒害【4 2 1 。耐性和非耐性植物中提取的抗氧化酶在体外对重金属的耐性相同，在 体内，耐性植物的酶活随重金属浓度升高而增加，非耐性植物酶活则明显降低【4 3 1 ，因而 保护酶活性机制在植物耐受重金属毒害中起重要作用。 1 2 5 其它耐受机制 玫瑰属植物初生根皮层能形成内周皮和重金属高积累根毛，局部累积重金属，减少 重金属向地上转移，即依靠新器官来积累过量的重金属【删：转基因芥菜通过快速生长降 3 桂林理工大学硕士学位论文 低重金属浓度，即以稀释作用提高对重金属的耐性【4 5 1 ；蜈蚣草则通过调节磷、钙在亚细 胞水平上的分布，阻止过多的砷进入细胞器，来降低砷对细胞器的伤害【4 6 】；还有一些植 物能够修复被重金属离子破坏的细胞膜，恢复其正常的生物学功能，即细胞修复机制 【1 8 】 o i 3 超富集植物对重金属的富集特性及机理 重金属在土壤中以水溶态、交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物 结合态和残渣态等多种形态存在f 4 7 】：水溶态和交换态是非超富集植物吸收重金属的主要 来源，超富集植物除直接吸收水溶态的重金属外，还可以调节土壤环境释放其它形态的 重金属，酸度影响土壤重金属的迁移，降低p h 值可以增加土壤对重金属的溶解和释放 4 8 1 o 1 3 1 超富集植物对土壤中重金属的活化 在重金属重污染和弱污染的土壤中，超富集植物富集重金属的能力都比普通植物高 1 0 0 以上，这种现象与超富集植物根系生长、形态有关，且超富集植物体内可能存在活 化根际土壤重金属的机制【4 9 1 。 1 3 1 1 超富集植物根系及根系分泌物 超富集植物根系发达，根毛稠密，有利于其对重金属的吸收。如遏蓝菜利用其发达 的根系和稠密的根毛主动向土壤中的污染区伸展，并通过根毛直接接触土壤颗粒，吸取 重金属【5 0 1 。 植物根系和土壤环境之间的作用复杂，如根系向土壤分泌释放各种根系分泌物饼1 ， 包括小分子化合物( c 0 2 、单糖、氨基酸、脂肪酸等) ，大分子化合物( 多糖、聚乳糖、 植物络合素、植物高铁载体、类金属硫蛋白、黏液等) 。 1 3 1 2 超富集植物酸化土壤中的重金属 超富集植物根系分泌物可酸化土壤环境，促进植物对土壤中重金属的活化和吸收 1 5 2 。植物组织中c d 含量与根际土壤中低分子量有机酸的含量成正比【5 3 】：有机酸含量增 加可提高铀在b r a s s i c a j u n c e a 中的积累【5 4 l ，但p h 值对超富集和非超富集植物的根系分 泌质子数量的影响差异很小【5 5 1 ，n i 超富集【5 6 】和z n 超富集【5 7 1 也与根酸化无关，因而土 壤的酸化与植物超富集重金属的关系有待进一步研究。 1 3 1 3 超富集植物螯合土壤中的重金属 4 桂林理工大学硕士学位论文 超富集植物根系分泌物能螯合重金属。镉超富集植物能够分泌有机酸来螯合土壤中 的c d ，c d 有机复合物占土壤中c d 总量的4 0 【5 8 】；燕麦酸( a v e n i ca c i d ) 和麦根酸 ( m u 百n e i ea c i d ) 作为禾本科植物的含铁细胞的，在缺乏f e 条件下可被释放以促进土壤 中些重金属( f e 、z n 、c u 、m n ) 的溶解【5 9 1 。 1 3 1 4 超富集植物还原土壤中的重金属 土壤中高价金属离子被根细胞质膜上的专一性金属还原酶还原，增加重金属溶解 性。豌豆等植物在缺乏f e 或e u 时，根系对f e 3 + 或c u 2 + 的还原能力增强，以便吸收更多 的f e 、c u 唧】。f e 或m n 水合氧化物的吸附作用影响土壤中重金属的可移动性，重金属 可随着这些氧化物的还原而被释放【6 1 1 。 1 3 2 超富集植物富集重金属的过程 1 3 2 1 重金属吸附在根系细胞表面 超富集植物根系细胞表面吸附重金属离子有两种方式，一是根系呼出c 0 2 形成碳 酸，或直接分泌出柠檬酸、草酸等有机酸，与土壤中的重金属离子进行交换：二是发达 的根系和稠密的根毛主动向土壤污染区伸展，根毛直接接触土壤颗粒，吸取其中重金属。 1 3 2 2 重金属跨根细胞膜运转 大多数金属离子通过离子载体进入根细胞内【6 2 1 。超富集植物zc a e r u l e s c e n s 和非超 富集植物za r v e n s e 对z n 的吸收具有相似的米氏常数，说明二者中存在同一类离子载体： 而前者的最大吸收速率是后者的4 5 倍，说明zc a e r u l e s c e n s 根细胞膜上具有更多的锌 离子载体【2 6 1 。c d 在zc a e r u l e s c e n s 和za r v e n s e 根中的迁移规律，也揭示了c d 离子载 体存在的可能【6 ”。 离子载体对运输的金属离子具有很高的选择性，因而超富集植物选择性吸收一种或 几种特异性金属【鲫，如t h l a s p ic a r u l e s c e n s 只选择吸收锌与镉【2 5 1 ；t h l a s p ig o e s i n g e n e s e h a l a c s y 选择吸收镍【2 2 】：i n d i a n 聊瑚细曰选择吸收镉【6 5 】。 1 3 2 3 重金属在根共质体内运输 质外体和共质体是重金属离子由根系表面进入根系内部的主要途径。在重金属进入 木质部过程中，共质体运输起主导作用。 重金属离子与有机酸、氨基酸、多肽和无机物等结合，通过液泡膜上的运输体转入 液泡，隔离在液泡内，在根共质体内形成区室化分布：超富集植物体内一些特殊的运输 体，将这些暂时贮存在液泡中的金属转载到木质部导管。非超富集植物za r v e n $ 根系内 桂林理工大学硕士学位论文 z n 的含量比超富集植物zc a e r u l e s c e n s 高6 倍【鲫，而zc a e r u l e s c e n s 茎叶的z n 比za r v e n s 高1 0 倍，说明za r v e n s 内的z n 多数存储在根系液泡中，而7 = c a e r u l e s c e n s 已通过某 些运输体将大部分z n 转移到茎叶中【2 6 】。 1 3 2 4 重金属在木质部运输 重金属离子从根系转移到地上部分，一是通过木质部薄壁细胞释放到导管：二是受 根压和蒸腾流的作用在导管中运输j 阳离子在木质部的运输要通过阳离子a t p a s e 通道，多以螯合态形式在木质部中运 输【6 7 1 。木质部蒸腾流的作用使超富集植物将重金属运输到地上部分。如锰在超富集植物 pa c i n o s a 的蒸腾作用下被运输到叶表皮细胞中【6 8 】。 1 3 2 5 重金属在叶细胞中贮存 重金属在超富集植物的叶片中呈区室化分布。在组织水平上，重金属主要分布在表 皮细胞、亚表皮细胞和表皮毛中；而在细胞水平，重金属主要分布在质外体和液泡中【2 4 1 。 如舡就贮藏在蜈蚣草叶细胞的液泡中【6 9 1 。 综上所述，超富集植物富集重金属的过程包括诸多的环节和控制位点【6 1 】：( 1 ) 跨根 细胞质膜运输；( 2 ) 根皮层细胞中横向运输：( 3 ) 从根系的中柱薄壁细胞装载到木质部 导管：( 4 ) 木质部长途运输；( 5 ) 从木质部卸载到叶细胞；( 6 ) 跨叶细胞的液泡膜运输。 1 4 超富集植物研究存在的问题及展望 我国对超富集植物富集重金属生理机制研究处在起步阶段，许多问题尚有待研究， 这需要环境、土壤、植物、遗传、生物化学和分析化学等多学科的通力合作，采用先进 的分析仪器和技术，在以下方面开展研究：( 1 ) 对除z n 和n i 以外的超富集植物的生理 机制进行研究；( 2 ) 从植物生理学角度阐明重金属在植物体内的运输的形态、方式、途 径及储藏机制：( 3 ) 从分子生物学角度研究超富集植物中重金属的载体和耐性基因：( 4 ) 在超富集植物耐受和富集重金属的分子遗传机制上有所突破；( 5 ) 发现不同种类超富集 植物在重金属富集过程和机制上的差异。 1 5 超富集植物在植物修复重金属污染上的应用 随着工业化、城市化的快速进行，重金属污染已成为倍受重视的一类污染。不同于 一般有机物污染，重金属污染难以生物降解，因此其修复上存在诸多困难，传统修复方 法通常采用物理、化学的方法，如排土填埋法、稀释法、淋洗法、物理分离法、稳定化 6 桂林理工大学硕士学位论文 及电化学法等 7 0 , 7 1 】，原理主要是通过减少土壤表层污染物的浓度，或增强土壤中的污染 物的稳定性使其水溶性、扩散性和生物有效性降低，从而减轻其危害。传统修复方法虽 然治理效果较好，历时较短，但这些方法往往有许多缺陷，如成本高，难于管理，易造 成二次污染，对环境的扰动大等。 1 9 8 3 年，c h a n c y 首次提到将超富集植物用于去除受污染土壤中的金属的可能性， 1 9 9 3 年m c g r a t h 等也提出了这一观剧7 2 j 。重金属污染土壤的植物修复技术可分为两类： 植物萃取技术( p h y t o e x t r a e t i o t i ) ，利用金属积累植物或超积累植物将土壤中的金属提取出 来，富集并搬运到植物根部可收割部分和植物地上的枝条部分【7 3 】；植物固化技术 ( p h y t o s t a h i l i z a t i o n ) ，利用耐金属植物或超积累植物降低有害金属的活性，从而减少有害 金属被淋滤到地下水或通过宅气载体扩散进一步污染环境的可能性【7 4 】。 超富集植物修复技术具有高效低耗、绿色环保的特点，引起国际环境科学界的浓厚 兴趣和政府部门的高度重视，成为一项具有广阔应用前景的治理重金属污染的全新技 术。 1 6 强化超富集植物修复重金属污染的研究 超富集植物在修复重金属污染上的应用越来越受到人们的广泛重视，但由于其自身 存在一些缺点，它使该技术的工程应用受到很大限制。目前有两种途径可以保证超富集 植物将重金属超量富集在其地上部位。一条是广泛从自然界现有资源中筛选野生超富集 植物，但超富集植物区域性分布较强、生长缓慢、周年生物量小、且移植本地时，其生 态位低于本土植物，处于竞争劣势；另一条是利用物理、化学、生物、农艺等技术诱导 超富集植物和本地优势植物，提高植物的吸收效果、缩短修复周期，其中化学诱导是植 物修复中最活跃、最有效的技术。化学诱导的原理包括土壤和植物两个方面。从土壤入 手，通过向土壤施用化学物质，改变土壤中靶重金属的赋存形态，使之从与土壤的结合 态向水溶态、交换态转换，从而提高重金属的植物可利用性【7 ”。从植物入手，在保证 植物不出现毒害的前提下，一方面根据植物吸收、转运重金属的机制，提高植物地上部 分对靶重金属的牵引力，促使土壤重金属顺利完成从土壤一植物根际一植物根系一植物 茎叶的传输过程；另一方面通过化学手段调控植物的生长发育，以获得较高的生物产量， 最终获得较高的植物修复效率。 提高超富集植物在修复重金属污染的应用效果方面，表面活性剂和螯合剂以其特有 的增溶、增流、螯合、络合等特性而倍受人们青睐。 表面活性剂具有亲水亲脂两亲性。能够明显改变体系的界面性质与状态，因而在环 境科学中常用来去除环境中难溶解、难降解、难利用的有机污染物。近来表面活性剂己 7 桂林理工大学硕士学位论文 陆续应用修复土壤重金属污染相关方面。表面活性剂强化植物对土壤或沉积物的作用机 理主要体现在表面活性剂、重金属、土壤、植物等四者之间关系的基础上。 表面活性剂由极性的亲水基团和非极性的亲油基两部分组成，投加到水中后，如浓 度极低，则表面活性剂分子均匀地分散在水溶液中，近似于理想溶液。此时如增大表面 活性剂的投加量，部分表面活性剂分子将聚集在溶液的表面，形成疏水基向上、亲水基 向下伸向水中的定向吸附状态；当浓度增大时，表面活性剂分子将覆盖在溶液表面形成 单分子层，表面活性剂浓度继续增犬，超过临界胶束浓度时，剩余的表面活性剂分子将 在溶液内聚集，形成疏水基向内、亲水基向外的胶团，这种胶团通常由几十到几百个表 面活性剂分子组成，其分子量相当大，粒径为0 0 0 5 - 0 0 1 p m 。离子型表面活性剂分子 所形成的胶团表面带有电荷，能通过静电作用将反离子吸附或束缚于表面，即阴离子型 表面活性剂形成的胶团能吸附废水中阳离子z n 2 + 、c u 2 + 、n i 2 + 、f e ”等，阳离子型 表面活性剂则能吸附废水中的多价阴离子如c r 0 4 2 。当重金属废水通过超滤膜时，