（植物营养学专业论文）香根草对碱性土壤难溶性锌镉的吸收利用及edta调控机理.pdf

眄南人学硕十学何论文摘要 摘要 植物修复是一种利用植物来净化、钝化或同定环境污染物从而去除喊减少环境污染的一 种环境治理技术。由于其自身的投资少，不破坏场地结构、不引起二次污染等优点，正日益 成为重金属污染土壤修复与重建的研究热点香根草为多年生禾本科草本植物，对重金属有富 集作用，而且具有生物量大、生长期长，可多次刈割、适应性强等特点，是热带和亚热带地 区重金属污染土壤重建的重要植物之一；e d t a 是一种最普遍的化学螫合剂，它对土壤中各种 金属都有很强的螫合能力能高效率地整合土壤中重金属为了深入探讨重金属富集植物香根 草与e d t a i 陕合修复土壤重金属污染的效果及其机理，本研究采用根袋土培试验在碱性土壤 ( 钙质紫色土) 上研究香根草( v e t i v e r i a z i z a n i o i d e s ) y 时难溶性锌、镉的吸收、利用及e d t a 调控 机制，辅以室内分析香根草根系分泌物及e d t a 对难溶性锌、镉活化的影响，以期为土壤锌、 镉污染植物修复提供理论依据。 1 难溶性锌、镉均不同程度抑制了香根草生长对香根草生长抑制作用大小为锌镉复合( 碰l 1 2 部和根系的生物量下降，7 5 d 时分别为：1 0 9 0 d n1 9 o ，9 0 d 时分别为：9 4 和2 4 2 ) 镉 锌，即随重金属毒性增强抑制作用增大加入外源e d t a 加剧了重金属对香根革生长的影响 ( 地上部和根系生物量分别下降4 6 1 8 0 0 6 和1 0 6 0 w - 7 4 2 ) 2 香根草地上部和根系的s o d 、p o d 、c a t 活性随锌镉毒性增加( 锌镉复合 镉 锌) 均显著 增加，叶片p r o 、g s h 和m d a 含量增加，根系活力、叶绿素a 、b 含量则下降加入外源e d t a 后，酶活性、叶片p r o 、g s h 、可溶性蛋白含量和m d a 含量下降，升绿素a 、b 含量有所上升 3 难溶性锌、镉降低了香根草对n 吸收，锌增加了植物p 、k 的吸收，镉降低了p ，k 的吸 收外源e d t a 抑制p 、k 的吸收和转运，但对n 的吸收影响不大本试验中，在土壤锌镉 浓度比不同时，锌镉表现出了不同的交互效应，土壤中锌、镉浓度差异很大时，锌，镯表现 为抑制作用；当土壤中锌，镉浓度接近时，锌镉就表现出协同效应，e d t a 对这两种重金属的 吸收都有显著的调控作用。 4 香根草根际土中的全n ，碱解n 、有效p 以及速效k 含量均以锌镉交互处理最高，锌单一 或镉单一污染次之。菲根际土壤碱解n 、有效p 以及速效k 含量变化趋势与根际土壤中有类 似规律。外源e d t a 增加了根际土中n 、p 的有效性外，但对k 的有效性影响不大 5 香根草根际土壤有效锌含量以z n z n + c d c d ( 7 5 d ) 或z n + c 抄z n c d ( 9 0 d ) ，根际土 壤有效镉含量以z n + o 争c d z n 。随生长期的推进，锌镉交互处理的根际土壤有效锌含量。 以及锌镉交互和镉单一处理土壤有效镉含量增加加入外源e d t a 后，根际土壤有效锌镉含 量均显著增加。根系分泌物的产生，使香根草根际土壤p h 值 z n i ts u g g e s t e dt h a tt h ei n h i b i t a t i o no np l a n tg r o w t hi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s e s o ft o x i c i t yo fh e a v ym e t a l s t h es u p p l y i n ge d t aa c c d e r a t e e de f f e c t so fh e a v ym e t a l so nv e t i v e r i a z i z a n i o i d e ag r o w t h ( t h ed r yw e i g h t so fs h o o ta n dr o o td e c l i n e db y4 6 “, - - 1 8 o a n d1 0 6 0 r 2 4 2 r e s p e c t i v i l y ) 1 1 嵋a c t i v i t i e so f s u p e r o x i d ed i s m u t a s c ( s 0 1 ) ) ，p e r o x i d a s e ( p o d ) a n dc a t a l a s e ( c a t ) o f t h e s h o o ta n dr o o ts i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n go fz na n dc dt o x i c i t y t h er o o ts y s t e m v i g o ro fv e t i v e r i az i z a n i o i d e sa n dt h ec o n t e n t so fc h l o r o p h y l laa n dbd e c r e a s e dw h i l et h e c o n t e n t so fp r o l i n e ，g l u t a t h i o n e ( g s h ) a n dt h em a l o n d i a l d e n v d e ( m d a ) o fl e a v e si n c r e a s e d a f t e rs u p p l y i n ge i ) 1 kt h ee n z y m ea c t i v i t i e s ，p r o l i n e ，g s ho fl e a v e s ，t h ec o n t e n t so f w a t e r - s o l u b l ep r o t e i n sa n dm d aa l ld e c r e a s e d , w h i l et h ec o n t e n t so fc h l o r o p h y l laa n db i n c r e a s e d m 础o f n d e r c e a s e db yt h ei n s o l u b l ez na n dc d , a n dt h eu p t a k eo fp a n dkd e c r e a s e d b yt h ei n s o l u b l ec d w h i l et h eu p t a k eo f pa n dki n c r e a s e db yt h ei n s o l u b l ez mt h eu p t a k ea n d t r a n s f e r a t i o no f pa n dkw e r ei n h i b i t e db ye d t ai nt h i se x p e r i m e n t 。z na n dc ds h o w e dd i f f e r e n t i n t e r a c t i o nw h e nt h ec o n c e n t r a t i o nr a t i oo fz na n dc di ns o i l t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nz na n dc d s h o w e dr e s t r a i n tw h e nt h ec o n c e n t r a t i o nr a t i oo fz na n dc di i ls o i li ss i g n i f i c a n td i i f e m a t , w h i l et h e r e l a t i o n s h i pb c t w e e nz na n dc ds h o w e ds y n e i g i s t i ca c t i o nw h e nt h ec o n c e n t r a t i o nr a t i oo fz na n d c d i n s o i l i s n e a r e d t a h a d s i g n i f i c a n t r e g u l a t i o n t o t h e u p t a k e o f t h e t w o h e a v y m e t a l s 胝h i # m tc o n t e n t so ft o t a ln , a v a i l a b l en pa n dki nr h i z o s p h e r ew c f o u n di nt h e t r e a t m e n t so fz na n dc di n t e r a c t i o n ，t h es e c o n dw a st h ez no rc dt r e a t m e n lt h et e n d e n c yo f a v a i l a b l en pa n dkc o n t e n t si nn o n - r h i z o s p h e r eh a ds i m i l a rt ot h o s ei nr h i z o s p h e r e t h ea v a i l a b l e na n dpc o n t e n t si nr h i z o s p h e r ei n c r e a s e d ，b ys u p p l y i n ge d t a ，b u tn os i g n i f i c a n te f f e c to na v a i l a b l e kw a so b s e r v e d 1 1 1 两南人学硕十学位论文a b s t r a c t t h ea v a i l a b l e z nc o n t e n t s i nr h i z o s p h e r e w e r e i n t h e o r d e r o f z n z n + g 由c d ( a t7 5 d ) o r z n + c 抄z n c d ( a t9 0 d ) w h i l ec ac o n t c n l si nr h i z o s p h e r e i nt h eo r d e ro f z n + c 曲c d z n n c a v a i l a b l ez nc o n t e n t si nr h i z o s p b e r eo fz na n dc di n t e r a c tt r e a t m e n t sa n da v a i l a b l ec dc o n t e n t so f g na n dc di n t e r a c tt r e a t m e n t sa n ds i n g l ec dt r e a t m e n t si n c r e a s e dw i t ht h eg r o w i n gp e r i o d a f t e r s u p p l y i n ge d t a t h ea v a i l a b l ez na n dc dc o n t e n t si nr h i z o s p h e r eb o t hi n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y p h o f r h i z o s p h e r e w a g l o w e r t h a n t h a t o f n o n - t h i z o s p h e r e b c c a o f t h ee m e r g i n g o f t h er o o t e x u d a t e s t h ep ho f r h i z o s p h e r ed e c l i n e d 谢t l lt h eg r o w i n gp e r i o d , a n dt h ep ho f r h i z o s p h e r ei si nt h eo r d e ro f c k z n c d z na n dc di n t e r a c t i v et r e a t m e n ti nt h e $ a n l eg r o w i n gp m e d t h cr o o te x u d a t e so fv e t i v e r i az i z a n i o i d e au n d e rt h eh e a v ym e t a l ss t l e 5 5h a ds i g n i f i c a n t a c t i v a t i o nt ot h es a m eh e a v ym e t a l s a sf o ra c t i v a t i n gi n s o l u b l ez ni ns o i l , t o o tc x u d a t c so fz n p o l l u t i o n 。z na n dc dc o m p o u n dp o l l u t i o n 懈h i g h e rt h a nt h a to f c dp o l l u t i o n ，w h i l et h ea c t i v a t i n g i n s o l u b l ez no f r o o te x u d a t e so f c dp o l l u t i o n ，z na n dc dc o m p o u n dp o l l u t i o nw c r ch i g h e rt h a nt h a t o f 勐p o l l u t i o nt h ea c t i v a t i o no fe d t a0 1 1i n s o l u b l eh e a v ym c t a l sw a gs i g n i f i c a n th i g h e rt h a nt h a t o ft h eo t h e rt r e a w a e n t s ( i nt h et h r e es o i l s , t h ea c t i v a t i o nt oz na n dc di n c r e a s e da b o u t4 1 7 ，2 8 3a n d 2 6 8t i n s ，1 0 3 ，2 1 8 8a n d1 3 9 2t i m e s , m p e c t i v e l y ) t h ea c t i v a t i o n so fv e t i v e r i az i z a n i o i d e sr o o t e x u d a t c sa n d e rn o r m a li n c u b a t i o nc o n d i t i o n st ot h ei n s o l u b l eh e a v ym e t a l sz na n dc di ns o i lw e r e n o ts i g n i f i c a n t k e yw o r d s ：跆m 咖矗甜棚峨耙a 1 1 c a hs o l l ；i n s o l u b l ez na n dc d ；r o o te x u d a t e s ；e e r r a i v 独创性声明 学位论文题目：叠壑芏壁丛：睦圭蕉笙姿：堕篮堡煎丛些歪9 旦丛 里坠! 垒遢揎垫墨 本人声明所呈交的学位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，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得西南大学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献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 kf 学位论文作者：乃盘 茎叶；在最高浓度时茎叶吸 收p b 的量仅是对照的3 倍，而吸收c d 的量是对照的4 5 倍l l ，j 。周启星等人研究显示，辽宁省 铁岭柴河p b - z n 矿区土壤c d 、p b 、7 _ a 元素含量分别是当地背景含量的1 1 4 、5 、3 倍，大大 超过了当地背景含量水平。c a 元素超过国家土壤环境质量标准5 8 倍，c d 是制约当地农业用 地的限制性元素矿区玉米籽实p b 、c d 分别是国家食品卫生标准1 6 2 1 倍、5 5 9 7 倍【1 6 1 胡勤海等人报道，小麦中铬含量增加可显著降低其子粒中粗淀粉和租蛋白含量，铬还能降低 两南人学硕十学何论文第1 章文献综述 红三n i i 草，紫花苜蓿熊壶草、苏丹草等牧草中粗蚩自手i i 氮丛酸总埘等养分含齄，从而影响 小麦和牧草的品质i l ”我国大多数城市近郊和矿区土壤都受剑不同程度污染，许多地方幸良食、 蔬菜、水果等食物中镉，铬、锌和镪等重金属超标。造成巨大的经济损失，有些污染区生产 的农产品流如市场，给人们健康带来不可估量的伤害 1 2 锌、镉特性 1 2 1 锌、镉基本特性 锌，镉在元素周期表中属于l i b 族元素，在元素地球化学分类中列为亲硫元素。中国主要 土壤类型中锌的平均含量为8 7 1m g k g 。，镉的平均含量为0 0 8 2n a g k g - i 川锌是自然界分布较 广的金属，主要以硫化锌和氧化锌状态存在，在地壳岩石圈中锌的平均含量为7 0 x 1 0 5 m g k 9 1 普通土壤中锌的总含量在1 o x l 酽0 x l 酽m g k g ，平均值5 0 x l o - s n a g k g - 1 。锌通过土壤和植 物进入食物链，直接或间接通过动物进入人类的膳食中在植物体内，锌是多种脱氢酶、蛋 白酶、肽酶的必要组成部分。因此z n 影响到植物体内的许多代谢过程，锌还参于生长素的代 谢和光合作用中c 0 2 的水合作用，促进蛋白质代谢【l ”镉是相对较稀少的元素，在环境中的 浓度较低。b o w e n 估计地壳中平均镉含量为0 1x 1 0 4 m g k g 1 ，地质层中镉含量范围为5 x 1 0 4 2 1 9 x l o - 5 m g k g - t 镉的平均含量在5 x l 矿( 冰川中) 到4 5 x i o r 6 ( 海相有机质颗粒) 之间土壤中 镉残留时问长达3 0 0 0 年，这表明增加土壤镉含量的一切活动都对镉的生物积累具有重要影响 【删 1 2 2 锌、镉在土壤一植物系统中的交互作用 由于锌、镉化学性质与行为的相似性，它们在自然界总是伴生通常锌矿中含有一定的 镉，因而它们常伴随危害1 2 0 1 复合污染在污灌区和城郊的菜田土壤中普遍存在，而复合污染 又以锌、镉复合污染为常见李花粉等认为，碳酸钙吸附锌的作用不仅仅在表面形成溶解度 很小的化合物，而且可能还有同晶置换作用c a c 0 3 是石灰性土壤和施用石灰土壤的吸附和固 定锌的主要载体。另步 p h 值也是一个重要影响因子。随着体系p h 的升高，土壤中的粘土矿物、 水合氧化物和有机质表面的负电荷增加，对z n c d 离子的吸附力加强，同时z n 2 + ，c 矛+ 在氧化 物表面的专性吸附、土壤有机质一金属络合物的稳定性随p h 升高而增强；随着p h 的升高，土 壤溶液中h + ，f 矿、a l ”，m f + 浓度减小，与z n 2 + 、c d 2 + 竞争吸附减少，更利于土壤吸附z n 、 c d 。研究已经证实，在镉污染的土壤中，锅与吸附于壤胶体上的锌竞争吸附点，致使锌从 土壤向土壤溶液中释放，从而大大提高了土壤中锌的有效性1 2 ” 在自然界中，人们已经注意至l j c d 与办的共生状况以及在植物体内相当高的发生交互作用 的机率，许多研究都报道y - - 者共存条件下的环境生态效应2 “。w a l l a c e 等研究c u 、z n 、 c d 、m n 、c o 等重金属培养液对豆类、大麦、蔬菜等幼苗的影响，将重金属复合作用分为协同、 竞争、加和、屏蔽等联合作用口”，但复合污染因浓度变化差异很大，因此，尽管z n 、c d 复合 2 州南人学硕十学竹论文第l 章文献综述 污染有一些报道但研究结果却不一致。有学者认为z n 、c d 之问的复合污染为党争作j i j 口”， 也有人认为是屏蔽效应，还有人认为是拮抗作用陈怀满等通过连续试验表明：莴芭、菠菜、 春小麦、苣荬菜、玉米等对c d 的吸收明显受z n 的影响土壤中z n 的添加减少了植物对c d 的吸 收1 2 6 i 李森林指出当镉处理浓度超过1 0 m g l 1 后，风眼莲叶绿素含量降低，乳酸脱氢酶活性 减弱，细胞膜透性增大根、叶都出现可见的受害症状加入1 0 m g l 。锌后。镉对凤服莲的毒 害作用显著减轻、减缓，毒害阈值明显提高。这就是锌对镉的拈抗作月j 怛“实际上锌与镉的 交互作用是非常复杂的，它因植物种类组织部位、镉与锌的浓度而异周启星指出，在玉 米籽实中，锅锌之问表现为抑制作用，而在大豆籽实中则表现为协同作用 2 5 1 这可能是由 于不同植物对两种结构相似，但离子半径不同的z n 2 + 、c 矛+ ( z n 2 + - - - - o 0 7 4 n m ，c d 2 + = o ，o 矿t m ) 的选择性吸收而造成的呻i 。锌镉之间的作用还取决于它们的浓度和比例华珞 1 3 6 1 通过试验指 出z n 、c 耐小麦耔粒中c d 含量影响的交互效应与土壤中z n c d 比值及浓度组合有密切关系。 z n c d 比较大时( 1 0 0 1 ，5 0 1 ) 时，z a 对c d 有拮抗效应：细，c d 较小时( 1 0 1 ) ，z i l 对c d 有协同效应 贺建群和d u d k a a 孵f 究也证实了z f 耐c d 的协同效i 直1 2 9 , 3 0 ! 叶海波通过试验表明，锌与镉对东南 景天的生长影响具有生理拮抗效应，锌与镉在高浓度的时候都能抑制茎和根的生长，但是1 0 0 0 m n o l z n l - i 处理条件下，适当地提高镉浓度能缓解高锌处理对植物生长的抑制；在4 0 0 u m o l c d l - 1 处理下，提高锌浓度能缓解镉毒，使景天根和茎受抑制的症状减轻l 。锌和镉在植 物地上部的分布不同，镉表现为叶片中的浓度比茎高，而锌在茎中的浓度往往比叶片中豹高， 这表明了镉与锌在景天中积累和运输机制是不同的a d r i a n o 认为，锌抑制根系对镉的吸收从 而减少叶片中的镉积累量p 2 】但叶海波p l l 的试验结果表明，锌处理浓度的提高能促进东南景 天根系对镉的吸收和镉从根部向地上部的转运，与z h o n g r e nn a n 等在小麦和玉米上所得到的结 果相一致p 1 朱波等发现z h 、c d 复合生态效应是协同和拮抗作用矛盾过程的统一体。c d 促进 植物吸收z n 。从而加剧z 1 1 对生物毒害，复合效应为协同作用，但z n 对c d 毒性缓解明显，其原 因在于高浓度z n 抑* o c d 吸收，并且缓解c d 对养分吸收的抑制l 州。 1 3 重金属污染土壤植物修复研究进展 为了控制和治理已被污染的土壤，目前常用的方法有淋滤法、客土法、吸附固定法等物 理方法以及生物还原法、络合物浸提法等化学方法印1 物理方法见效缓慢，化学方法快但易 带来二次污染。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中重金属污染的思想，即植 物修复( p h y t o r c t m d i a t i o n ) p q 。它实际上是指将某种特定的植物种植在重金属污染的土壤上， 而该种植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力，将植物收获并进行妥善处理( 如 灰化回收) 后可将该种重金属移出士体，达到污染治理与生态恢复静目的 3 7 1 ，而且由于它具 有投资少，不破坏场地结构、不引起二次污染等优点，已经成为一种可靠的、相对安全的环 境友好修复技术，正被世界各国政府、科技界、企业界所关注 1 3 1 植物修复的方式 目前利用植物改良土壤环境的方式主要有根部过滤技术( r h i z o f i l t r a t i o n ) 、植物萃取技术 3 两南人学硕十学何论文第l 章文献综述 ( p h y t o e x t r a c t i o n ) 、植物挥发技术”o v o i a t i l i 2 a t j o n ) 和植物稳定技术曲”o s t a b z a t i o n ) 等儿种 1 3 1 1 根部过滤技术 根部过滤技术是指通过耐性植物根系对重金属的吸收并保持在撤部此种方法更多的 利用在水体污染修复之中例如水科植物浮萍和水葫芦可有效吸收消除水体中的镉、铜和 硒；但在土壤污染修复中也有应用，目前常用的植物有各种耐盐的野草如弗吉尼亚盐角草 ( s a l i o r l n i av i r g i n i c a ) 、牙买加克拉莎草( c l a d i u mj a - m a i c e n s e ) ，盐地鼠尾粟( s p o r o b o l u s v i r g i n i c u s ) 、印度芥菜、向日葵等 1 3 1 2 植物萃取技术 植物萃取技术又称植物提取技术重金属经植物根系吸收后，继而转移、贮存到植物茎 叶，然后收割茎叶，从而达到去除土壤重金属元素的目的 4 0 1 植物萃取技术利用的是一些对 重金属具有较强富集能力的特殊植物，要求所用植物具有生物量大，生长快和抗病虫害能力 强的特点，并具备对多种重金属较强的富集能力( 即超积累植物) 胛】。如印度芥菜这样可同 时积累相当浓度的p b 、c r 、n i 、c d 、z n c u 和s c 的植物 1 3 1 3 植物挥发技术 植物挥发技术，是指利用植物根系分泌的一些特殊物质或微生物使土壤中的污染物被植 物吸收，并转化为挥发形态挥发出植物表面，以去除其污染的一种方法。植物挥发要求被转 化后的物质毒性要小于转化前的污染物质减轻环境危害如硒、砷、汞通过甲基化可挥发， 从而达到修复土壤的目的1 4 “啦! 1 3 1 4 植物稳定技术 植物稳定技术指利用植物根际的一些特殊物质使土壤中的污染物转化为相对无害物质的 一种方法适用于固化污染土壤的理想植物，应是一种能忍耐高含量污染物，根系发达的多 年生常绿植物这些植物通过根系分解、沉淀、螯合，氧化还原等多种过程可使污染物惰性 化：实际上，此种方法与植物挥发技术类似，区别在于植物挥发技术将污染物迁出土壤，而 植物稳定技术只是将其转化为相对环境友好的形态如植物通过分泌磷酸盐与铅结合成难溶 的磷酸铅，使铅固化，而降低铅的毒性六价铬具有较高的毒性，而三价铬非常难溶，基本 没有毒性。植物能使六价铬转变为三价铬，使其固化。应用植物稳定原理修复污染土壤应尽 量防止植物吸收有害元素，以防止昆虫、草食动物及牛、羊等牲畜在这些地方觅食后可能会 对食物链带来的污染”3 9 1 也有人认为，植物稳定就是指污染物被植物的根吸收、在体内富 集，或者被吸附到根的表面，或者在根际区沉淀下来；植物及其根部可防止污染物被风或水 侵蚀而迁移，还可防止其在土壤中渗漏及扩散 4 3 1 1 3 2 超积累植物特性及研究进展 用于植物修复技术的植物，应该是一类具有一定特异功能的植物，即重金属超积累植物。 4 两南人学硕十学能论文第l 章文献综述 就植物吸收土壤污染物质的方式可分超姑积累植物和诱导超描积累植物阿人类，前者是贝有 较强的吸收土壤污染物质并运送至地上部积累能力的植物。后者是本身不具备超截积累土壤 污染特殊性，但可以一些方法诱导山超量积累能力的植物州，1 5 8 3 年意丈利植物学家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 ) f 约最早报道；1 8 1 4 年d 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 c r g n a n o 首次测定该植物的叶片中富含n i 达7 9 0 0 9 - k g ；b r o o k s 等在1 9 7 7 年首 先提出重金属超积累植物的概念m j 根据目前的现实需要，超积累植物一般应具有以下几个特性i ”o “。j ：( 1 ) 即使在污染物浓 度较低时也有较高的积累速率，尤其在接近土壤重金属含量永平下，植株仍有较高的吸收速 率，且须有较高的运输能力：( 2 ) 能在体内积累高浓度的污染物，地上部能够较普通作物累积 1 0 - 5 0 0 倍以上某种重金属的植物；( 3 ) 最好能同时积累几种金属；( 4 ) 生长快，生物量大；( 5 ) 具 有抗虫抗病能力 根据野外采集样本的分析，全世界大约发现了4 0 0 种超积累植物；而最重要的超积累植 物主要集中在十字花科，世界上研究得最多的植物主要在芸苔属( b r a s $ i c a ) 、庭芥属似l y s s u n s ) 及遏蓝菜属( 而蛔p 1 ) l 我国在这方面研究起步较晚，但也取得了一定的成果陈同斌等通过野外调查和栽培实 验，在中国境内发现砷超富集植物一蜈蚣革( p t e r i s v r t a t a l ) 4 9 1 田胜尼等人在2 0 0 3 年通过 与鹅观草的比较得出，香根草无论是对c u ，p b 、z n 单一污染还是复合污染都有较好的修复功 能【划；杨兵等也验证了香根草对铅锌尾矿的修复作用聊】周启星等人在2 0 0 2 年对1 8 种杂草 的研究结果表明，小酸浆、龙葵、山苦荬苣荬菜、大剌几菜、欧洲千里光、欧亚旋覆花、 狼把草8 种植物地上部c d 的富集系数均大于l ，狼把草和龙葵对z n 的积累也具有超富集植 物的基本特征，进一步研究的价值很大 4 9 l 。蒋先军等人在2 0 0 0 年通过温室盆栽试验证明了印 度芥菜( b r a s s i c a j u n c e a ) 印度芥菜对z n 、c d 有较强的忍耐和富集能力，是z l i 、c d 污染土壤 修复有潜力的植物p 2 1 刘秀梅等人在2 0 0 2 年利用温室盆载来试验植物对污泥的响应及其根系 对重金属的活化作用，其结果表明：遏蓝菜能富集重金属元素c u 、z n 、p b 。羽叶鬼针草对p b 、 c d 具有富集作用，酸模对z n 、p b ，印度芥菜对c d 有显著的富集作用，其中，遏蓝菜对c u 和z n 的活化率最大，印度芥菜对c d 的活化率最高，对p b 的活化率，各种植物差不多均在 1 o 左右1 5 3 。叶春和在2 0 0 2 年研究了紫花苜蓿对铅污染土壤的修复及活化机理，又因为紫花 苜蓿的高生物量，得出了紫花苜蓿是土壤铅污染的一种理想修复植物，其积累量( m ) 特点为： m _ mt m _ 。另外，在y 微区分析显示：胞问隙铅含量展高。细胞壁和液泡次之， 胞质中最低，铅的存在形式分析表明：铅在紫花苜蓿体内主要以难溶的形式存在，研究结果 还显示紫花苜蓿对p b 的耐受与植物络和索的形成有关州姜理英等人在2 0 0 3 年用水培试验 研究了海州和紫花两种香蔫对c u 、z n 的吸收和积累，得到的结论是。在高c u ( 2 0 0 i t m o l l 1 ) 和高z n ( 2 0 0 p m o l l - 1 1 条件下，对c u 和z n 的积累海州香薷明显高于紫花香薷，在c u 和z n 的修复上表现出优势瞄j 。叶海波等人在2 0 0 3 年用锌超积累植物东南景天来研究其在锌、镉复 合污染下它的吸收和积累特性，结果表明在z n c d 复合水平为5 0 0 l o o p m o l l 1 时，植物生 长最佳。z n c d 在东南景天叶片、茎部和根系中含量随着z n c d 处理水平的提高而增高。 5 两南人学硕十学何论文筇i 章文献综述 住z n c d 复合水平为5 0 4 0 0t t m o l l 时羊州冲c d 含姑达最高其中叶片c d 含城达1 2 1 9 k g ；在z n c d 复合水平为1 0 0 0 5 0 t t m o l l 时茎叶中z n 含姑达最高其中莲中z n 含量达 2 3 2 9 k g 植株各部位c d 含量的分布为：叶片 茎 根系，而z n 在体内的分市为：茎 叶 片 根系z n 、c d 在地上部和根部的积累量也随着处理水平的提高而增加，分别在z n c d 复合水平为2 5 0 4 0 0 和5 0 0 l o o p m o l l - 达高峰值说明东南景天不仅能忍耐高抽c d 复 合污染，还具有超量积累z n 和c d 的能力【卅刘威等在2 0 0 3 年还发现了一种新的镉超富集植 物宝山茧菜( v i p l ab a o s h a n e n s i s ) p ”。 1 3 3 植物修复机理研究进展 随着超积累植物的大量发现以及对这些植物在环境修复中作用的充分认识，人们开始对 其机理进行广泛、深入的研究主要包括：超积累植物对根际土壤中重金属的活化和吸收， 以及吸收后的解毒机理两个过程。目前，后一过程主要集中在金属配位体方面 1 3 3 1 超积累植物对根际土壤中重金属的活化 1 3 3 1 1 超积累植物酸化土壤中不溶态的重金属 植物的根系可以分泌质子，从而促进了植物对土壤中元素的活化和吸收根袋( ， 由o b a g ) 试验【5 8 1 表明，土壤中有效态踟含量的下降占超积累植物lc a e r u l e s c e n s 吸收勐总量中的不 到1 0 ，说明r c a e r u l e s c e n s 可以将土壤中的难溶态z n 转化为有效态，以致土壤中有效态 z n 含量并未下降很多( 仅为l o ) 张淑香等【5 9 1 研究发现作物根系分泌的脂肪酸在根际环境 中的积累，尤其是在还原条件下的积累会造成局部土壤酸性环境。一些学者还提出超积累植 物从根系分泌特殊有机物如有机酸来酸化根际重金属，从而促进了土壤重金属的溶解和根系 的吸收，或者超积累植物的根毛直接从土壤颗粒上交换吸附重金属的观点 1 3 3 1 2 超积累植物螯合土壤中的重金属 超积累植物能分泌某些金属结合蛋白和某些特殊的有机酸来螯合重金属一些单子叶植 物在缺铁条件下能释放植物高铁载体，促进土壤f e ，z n 、c u 、m n 的溶解。超积累植物也可 能分泌金属结合蛋白( 类似于金属硫蛋白或植物螯合肽) 作为植物的离子载体，还可能分泌某些 化合物，促进土壤中金属溶解。蒋先军等旧通过温室盆栽试验证明印度芥菜( b r a s s i c a j u n c e a ) 具有此种能力，但其研究缺乏直接的证据。万敏等1 6 0 通过对不同镉积累类型小麦根际土壤低 分子量有机酸与镉的生物积累的研究，才证实了植物可以通过分泌有机酸来复合或螯合溶解 土壤中的镉。 1 3 3 1 3 超积累植物还原土壤中的重金属 在根细胞质膜上的专一性金属还原酶作用下，土壤中高价金属离子被还原，溶解性增加 一些植物在缺铁或铜条件下，根系还原f c “或c u 2 + 能力增加，吸收的f e 、c u 、m n ，m g 也增 加。此外，f c 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，当这些氧化物还原 时，则导致吸附的重金属释放【6 1 6 2 1 6 州南人学硕十学位论文第1 章文献综述 1 3 3 2 超积累植物对土壤重金属吸收及其解毒机理 1 3 3 2 i 超量积累植物超量吸收重金属的生理学基础 在lc o e r u l e s c e n s 根细胞膜中具有更多的运输位点，根系从土壤溶液中吸收z n 的能力更 强p 。1 植物对z n 的吸收动力学分为两个阶段，开始是快速的线性动力学阶段。与根细胞壁吸 附z n 有关；随后是较缓慢的饱和吸附阶段。与z n 穿过撤细胞原生质膜有关 有研究报道i 。州，脯氨酸、组氨酸等氨基酸中的羧基、氮基、巯基等功能团能与金属结合， 形成稳定的整合物，从而起到钝化解毒作用目前有关氮基酸与超积累植物超量积累金属的 关系的研究报道较多，尤以脯氨酸与重金属解毒机理的研究较多而组氨酸是最早被发现在 超积累植物中与重金属配位的氩基酸嗍因此，脯氨酸、组氩酸等常被作为重金属在植物体 内积累的指标 不同植物种类，品种，甚至同一植物。在同一环境中其组织中有机酸的水平亦不同在 环境胁迫条件下。有机酸的生物合成，积累、运输和根系分泌会显著增加有机酸是一类 重要的重金属配位体，参与重金属的吸收、运输、贮存和解毒等生理代谢过程，但有机酸的 种类因植物种类，金属类型和浓度等因素而异。在2 0 世纪年代。有很多关于这方面的研 究，t o h a 等1 67 j 观察到锌超积累植物遏蓝菜( 砀肠叫c o e r u l e s c e n s ) 地上部可溶性锌浓度与苹果酸 和草酸浓度呈显著正相关，而根系中不存在这种关系，因此认为有机酸的积累可能是阴阳离 子平衡的结果。而不是一种特殊的忍耐机制。s h e n 等即j 的研究也发现，锌超积累植物遏蓝菜 和非超积累植物遏蓝菜属( t h l a s p io c h r o l c u c u m ) 地上部均含有高浓度的苹果酸，但两者差异 不大，且锌处理对苹果酸浓度无显著性影响。s a l t 等 6 9 1 利用x 射线吸收光谱分析遏蓝菜( t h l a s p i c a e r u l e s c e n s ) 体内锌的结合基团，发现地上部锌主要与柠壕酸结合( 占3 8 ) ，其次依次为游离 的水合阳离子( 2 6 ) 、组氮酸结合态( 1 6 ) 、细胞壁结合态( 1 2 ) 和草酸结合态( 9 ) 木质部 的锌主要以水合阳离子形态运输( 占7 9 ) ，其余的与柠檬酸结合( 占2 1 ) z h a o 等l 明( 2 0 0 0 年) 对拟南芥( a r a b i d o p s i ah a l l e r o 的研究也表明，锌处理不影响地上部苹果酸和柠檬酸含量， 相反，当锌浓度从1 p m o i 增加到1 0 0 0p l l l 1 时，其根系苹果酸和柠檬酸含量分别增加4 和6 倍，但还不明确苹果酸和柠檬酸含量增加是为了维持木质部阴阳离子的平衡，还是参与 锌从根系向地上部的主动运输以上研究表明，虽然锌超积累植物一般含有较高浓度的苹果 酸，但苹果酸对锌的亲和力很低( 稳定常数l o g k - - - - 3 5 ) ，不可能成为根系，术质部和地上部锌 的螯合基田；柠檬酸对锌有较高的亲和力( 稳定常数l o g k = 6 1 ) ，可能是锌超积累植物体内的 锌螯合基团 1 3 3 2 2 超量积累植物超星吸收与解毒重金属的分子生物学机理 植物金属硫蛋白( m t s ) 属于金属硫蛋白( m t ) 命名系统中的第类。m t 分子里椭圆 形，分子量为6 5 0 0 道尔顿，直径3 0 - 5 0 埃。分两个结构域，每个分子含弘1 2 个金属原子， 具有特殊的吸收光植物h i t s 也是通过半胱氨酸蛋白酶( c 弼上的巯基与细胞内游离重金属离 子相结合，形成金属硫醇盐复合物，降低细胞内可扩散的金属离子浓度，从而起到解毒作用。 在a t h a l i a n a 中m t s 的m r n a 的表达水平与其耐铜能力之间相关性极强c y s 在不同类型m t 中的位置会影响m t s 所结合的金属，如t y p e l n i t s 可能主要参与铜的代谢，而t y p e 2 m t s 可 7 两南人学硕十学竹论文第l 章文献综述 能士要参与锌的代跚。此外植物m t s 还可能在金属离子的吸收和维持体内平衡中起调订作 瑚1 7 ”目前尽管已经证实n i t 基因存在于许多种植物中，但人多数植物对重金属鄢不表现耐 性，他们在植物中的表达产物和功能仍然不清楚对于m t s 是否是植物高耐重金属的主要机 制仍不明确”“ 植物整合肽( p c s ) 是植物体内一类重要的非蛋白质形态富半胱氨酸的寡肽，被看成是第 三类m b ，参与植物体内重金属解毒过程，因此。近年来p c s 的研究得到了国际上的重视。 自g r i l l 等1 7 3 发现p c s 以来，越来越多的研究者认为植物结合重金属离子的主要化合物就是 p c s 安志装等1 7 4 l 详细阐述了p c s 的结构，组成和合成等方面的研究现状 p c s 通过巯基与金属离子整合形成无毒化合物，减少细胞内游离的重金属离子，从而减轻 重金属对植物的毒窖作用。i n o u h e 等1 7 钉研究发现，赤豆( 确印口a n g u l a r i s ) 删镉敏感，镉处 理不能诱导其合成p c ，原因在于该细胞系缺乏p c 合成酶活性；同时，p c s 在植物中主要是 作为载体将金属离子从细胞质运至液泡中发生解离，因而p c s 对重金属毒性的缓解取决于其 形成复合物的速度或跨液泡膜的转运速度，而非其在细胞中的浓度。此外，p c s 的另一作用是 保护对重金属敏感的酶活性i f 4 但也有报道认为植物重金属耐性与p c $ 无关，而是由于酶系 统对重金属的避性及区域化不同造成的【卅 1 3 4 外源络合剂( 螯合剂) 对土壤内重金属的影响 络合剂的活化作用主要是将重金属从