（环境科学专业论文）井栏边草和蜈蚣草对aspb胁迫的富集作用.pdf

s t l l d i e so na c c u m u l a t i o no fa r s e n i ca n dl e a di n ，纪，括v f 纡口f 口l a n d 尸切括聊扰厉i 疗如p o i r i na s p bc o m p l e xs t r e s s a b s t r a c t i 1 1 i sa r t i c l es t u d yt l l a t 铆ok i n d so f b m 【ef e m s 尸纪，括聊“，够砌p o i r a n dp 纪廊v f 抛幻l w e r er a i s e di nt 1 1 ed i f f - e r e n tc o n c e n t r a t i o n 仃a c ee l e m e n ta r s e i l i ca n dl e a de n v i r o r u n e n t s 钮e s s u t i l i z ep h y s i o l o g ya n db i o c h e m i c a le m 可m es y s t e m sd e t e r m i l l a t i o n ，也em e t h o d so ft l l e e l e m e n tc o n t e n td e t e m i n e db yi c p - m sl a w ，a sw e ua st l l ec e l ls t l m c t u r eo b s e r v a t i o i l so f e l e c 协o nm i c r o s c o p ya n ds oo n ，s t u d y i n ga i l dc o m p a r i n ga c c u m u l a t i o ns i t u a t i o no ft l l ea r s e i l i c a i l dl e a de l e m e n ti i lt h e s et 、ok i i l d so fb r a k ef e m s ，a tm es a m et i m ee x p l o r i n gt h ec h a n g e so f g r o w ma n dd e v e l o p m e n ta n dp 1 1 y s i 0 1 0 9 yo f 尸把，西，豇幻细l 砒l dp 纪，西聊“磨驴矗口p o i r i i lt h c h e a 、可m e t a ls 臼e s s t h es t u d yr e s u l t ss h o w e d ： ( 1 ) w 油a s - p be x p o s u r e ，t h eg r o w c l l 趾dd e v e l o p m e n to f 尸纪廊肌“厅批妇p o i r w a s s u p p r e s s e di nac e r t a i nd e g r e e ，b u tc a ns u 】i v e ；t h eg r o w mo f 尸纪r 函1 ，i f 勿胁li sn o 珊a 1 t 、v o m o n t i l s1 a t e r ，t h er i p ef r o n d sh a i v ev 撕o u sd e g r e et o x i c i 够s y m p t o m st 0a p p e a r ，甜l dp r e s e n t p o s i t i v ec o r r e l a t i o n 晰t hm e d i aa i l dt i m e ，t 1 1 em a i ns y m p t o mc h a r a c t e r i s t i c s 、e r et l l a tw i mt h e i n c r e a s e dc o n c e n t r a t i o na i l dt i m em el e a fe d g ea 1 1 ds u r f a c e 印p e a rm a n yr e d d i s hb r o w ns p o t s t l l r e em o m h sl a t e r ，t h ep o i s o n e dp o s i t i o no fp 纪，括m “缸西妇p o i ra p p e a rp r o 铲a m m e dd e a t h o b s e i n gt h ee l e c t r i cm i c r o s c o p yo f u l 舰s 仇l c t u r eo f 仃o n d so f 似of e m sf o u l l dc e l ls 仃u c t u r e a p p e a ri r r e v e r s i b l ed e s t n l c t i o n ，a i l dt h eh e a 、可m e t a l i sd e p o s i t e do nc e u 、v a ua n dm e m b r a n e 。 ( 2 ) a n a l y z i n gc h a n g e so fp h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a l i nt h eh ea _ v ym e t a ls t i e s sr e v e a l e d 吐l a tm e r ea r em a n yk i n d so fa n t i o x i d a mm e c h a m s mi 1 1n p ，括朋甜厅驴砌p o i r a n d 尸纪，| 括v ，触幻 l i n c l u d i n g a n t i o x i d a n te n z y m e s y s t e mb yc o m p o s e do fs o da n dp o d ，s o l u b l ep r o t e i n a b s o r b i n gt oh e a 、可m e t a l ，t l l ec y c l eo fa s a - g s h n a d p hb yc o m p o s e do fa n t i o x i d a i l tg s h ( g l u t a t h i o n e ) a n da s a ( a s c o r b a t e ) h e a 、7m e t a ls 句r e s sc a u s et l l e s o da i l dp o da c t i v i t i v e st o r i s e ，c o n t e n t so fs o l u b l ep r o t e mt od r o p ，l e v e l so fg s ha n da s a t oi n c r e a s e ( 3 ) b yi c p m se l e m e n td e t e m i n a t i o n ，i tf o u n d 尸幻厂括m “缸f f ；出p o i ra n dp 纶r 括1 ，f f 物f 口l d i dn o th a v es 仃o n ga c c l l 习l b i l i t ：i e st op b ，b u tm ea b l i 够t 0p f p 廊m 甜z f 莎如p o i r 锄dp 把r 妇v 豇细细 l 晰t l la s + p bs t r e s sc o n c e n t r a t i o nw i t h9 0 0 + 1 5 0 0 m g l 【g ，p bc o n c e n t r a t i o n s i nr o o t s ，l e a f s t a l k s ，盘o n d so f 尸纪，括v f 纭口幻l 、a s2 7 3 7 1 士7 0 4 6 ，1 8 2 8 1 士1 2 0 4 8 ，9 9 6 7 士6 8 6m g k gd l y w e t r e s p e c t i v e l y i 1 1t h et h r e em o n t h sl a t e r ，w i l i l e 、) ，i mt h es a m em e d i a ，t 1 1 ec 印a c i 够o fp b a c c u i n u l a t e db y 尸纪，西m z f 厅洳p o 证l l a s7 7 3 0 士64 4 8 ，3 2 9 1 士4 7 3 ，2 0 1o 士0 7 5 m g l ( g 奶州e t r e s p e c t i v e l y 尸纪，西m “厅矽拿如p o i r a n d 尸纪r 捃v f 强口幻l h a v es 仃o n ga b i l i 够t oa c c u m u l a t i n g a s n l cc u l t u r ew i t h 3 0 0 + 5 0 0 m g l ( g ，a s c o n c e n 仃a t i o n si i lt 1 1 e仃o n d so f 尸纪，西1 ，f 力慨幻 l r e a c h el2 3 0 0 8 士5 5 2 2 5 m g l ( g 、凡m e n 廿l e c u l t u r ec o n c e n 协l t i o no fa s + p ba d d e dt 0 9 0 0 + l5 0 0 m g 瓜g ，i tr e a c h3 3 0 3 9 8 士2 2 9 6 8 m g 瓜g d 巧w e te s p e c i a l l y ，a n di sf 打m o r et l 姗m e d i a 埘n l9 0 0 m 眺g ；t h ea c c 啪u l a t e i n ga b i l i 够t oa so fp 纪，括掰甜厉扩洳p o i rw a so b v i o u s l yl o w e r t l l a n 尸胞，括v 所口砌l ，w h e nn l ec u l t u r ec o n c e n m l t i o nw a s9 0 0 + l5 0 0 m g l 【g ，a sc o n t e n to fi t s 疳o n d sr e a c h12 2 0 8 士2 0 6 0 8 m g 瓜g d r y w e t w m c hi l a df e w e rt l l a nm e 尸纪，西v f 弛口砌l w 池 3 0 0 + 5 0 0 m g l ( gm e d i a 。 ( 4 ) h e a v ym e t a lt 1 1 a ta sa 1 1 dp b 、e r ea c c u m u l a t e di nd i f r e r e n to 唱a n so f 尸纪，括聊甜艇力砌p o i r a n d 尸绍廊v f 甜口幻l a sm a i l l l yc o n c e n t r a t c do nb e i l l gd i s t r i b u t e di 1 1t h e 行o r l d so f 尸纪，西 聊z f 碗力砌p o i ra n d 尸耙r 括v f “口胁l ，t l l eo r d e r so fa r s e i l i cc o n c e n t r a t i o n si nd i n e r e n tp a r t so f 廿l e “v o 佗n l sw r e r ea sf o l l o w s ：f 硒n d s l e a fs t a l k s r o o t s ，s oa sw a se a s i e rt om o v et ot h eg r o 切吣 p a n so f 尸纪，括聊“疗驴如p o i ra n d 尸把，括v 讹砌l ；p bm a i l l l ya c c u m u l 砷e di nt h er o o t so ft l l e p l a n t ，d e m o n s 仃a t e sr o o t s l e a f s t a l k s f 吣n d s ，s o 尸纪，括聊“厅恸p o i r a r l d 尸耙廊v f 托口幻l b e l o n gt or o o t h o a r d i n gp l a n t ( 5 ) t h ei o nc o m p 抛e n t a l i z a t i o nw a sae 丘b c t i v em e c h a n i s mo ft h ep l a n tr e s i s t i n gt o x i c i t ) r o f h e a v ) ，m e t a l 1 1 1 er e s u l ts h o 、e d ：p ba b s o r b e db y 尸纪，括v f 砌幻三册d 尸纪r 括聊甜厅循砌尸d 护 m a i n l yc u m u l a t e do nt h ec e l lw a l l ，a 1 1 dm ec e l lw a up r e v e n t e dp bf r o mp e m e a t i n gi nc e l l s ，锄d p l a yc e r t a i np r o t e c t i v er o l e so nt l l en o m a lm e t a b o l i s mo fc e l l s t h ec e u 、v a nh a s m c t i o no f d e p o s i t i n go na sa tm es a i i l et i m e ，i nt h el l i g hc o n c e n t r a t i o no f9 0 0 + 15 0 0 m g 瓜g ，t 量l e r ea r e a p p r o x i m a t e l ym o r et 1 1 a n3 0 a sd e p o s i t e dt h ec e l lw a l lo fp 胞，_ 括v f 勉励l ，a n dm o r et i l a n 4 0 w e r ei s o l a t e db yt h ec e l lw a l li 1 1p 纪，括朋甜厅 ，z 妇p o 试t h ec ) 哟p l a s m i cs u p e m a t a n to f 尸纪，括聊“厅方譬如p o i ra n d 尸纪r 捃v f 盯口幻la c c u m u l a t e dt h em o s tm a s sa s ，t h ed e n s i t 、ra c c o u n t s 6 0 m4 0 t o6 0 d i 鼠r e n t l yb yc a u s eo fm ec u l t u i - em e d i 啪t h ec a p a c 耐o fa c c u m u l a t i n gt 1 1 e l e a da j l da r s e l l i co f 廿1 eo r g 胁e l l ew a sf a rl o w e rt h a nt l l ec e u 、a ua l l dc y t o p l a s m i cs u p e m a t a n t k e yw o r d s ： p 纪r 括m 甜翻岁铴ap o i r ；尸纪，西v f 聪口砌l ；a s p bs n e s s ；a c c u 叫l a t i o n c o m p 咖e n t a l i z a t i o n 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是拳人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由誉人承担。 学位论文作者( 彬塔名) ：唧滔 咿眸易月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。拳人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密日。 ( 请在以上方框内打“ 竹 ) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签名) ： 哏p 涵 而釉睡 佩年5a 移；b 加。阡f 月2 ) 日 致谢 本论文是在导师方炎明教授悉心指导下完成的。从论文的选题、研究内 容到论文的撰写无不倾注着导师的心力。三年中，方老师渊博的学问、一丝 不苟的治学态度以及执着的敬业精神给我留下了深刻的印象，让我受益匪浅， 将时时刻刻激励我不断的努力进取。在此，向我尊敬的导师致以崇高的敬意 和衷心的感谢。同时，还要特别感谢师母对我的关心! 感谢植物组丁雨龙教授、周坚教授、尹增芳副教授在论文开题中的宝贵 指导。实验室的彭冶老师、赵治芬老师在实验上提供了诸多帮助，在此一并 致谢。 本文的电镜实验得到了南京林业大学电镜室杨静师姐的大力帮助，对其 付出的辛勤工作表示衷心的感谢。 在实验采样过程中，得到了王爱霞博士，曹鹏、孟昭娟、高彩云、周楠 楠、李会欣硕士等人的热心帮助，在此要表示特别感谢。同时论文的顺利完 成，还要感谢吕梅博士、肖木珠博士、林书燕博士、陈娜硕士、王挺硕士、 王四川硕士、贾恒硕士、杨美凌硕士提供的宝贵意见和帮助。对实验室的于 芬博士、杨亚君硕士、孙海燕硕士、宁代锋硕士、李虹颖硕士给予的许多帮 助表示感谢。 感谢我室友卢光伟、王珲、吴亮及0 5 级硕4 班的全体同学和我一起度 过了三年愉快的校园时光。 论文完成之际，我要特别感谢我远在家乡的父母三年来给予我关怀、 支持和鼓励，让我得以安心学习，顺利毕业，这种博大的爱，是我一生最大 的动力，伴随我勇往直前，开辟事业之路。感谢我的哥哥，嫂子在我感到困 难的时候，给予我不停的鼓励及默默的支持。 作者：邓滔 二0 0 八年六月于南京林业大学 1 前言 1 1 环境中重金属污染现状 高度的工业化进程，加速了对自然资源的开采，随之而产生的环境污染 对自然生态环境产生了巨大的压力，矿区开采严重破坏生态系统，导致土壤质量 的恶化和野生植物资源数量的减少，使土地失去利用价值。如露天开采会直接摧 毁地表土层和植被，地下开采可能导致地表塌陷，从而引起土地和植被的破坏； 此外，矿山开发过程中的废弃物( 如尾矿、废石等) 需要大面积的堆置场地，从而 导致对土地的大量占用和对堆置场原有生态系统的破坏，引起生态环境恶( w a n g e ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 矿产开采和冶炼产生的废水被农民用来农田灌溉水源，又对农业产生严重 后果。目前我国受污染的耕地面积近2 0 0 0 万h m 2 ，约占耕地总面积的1 5 ( 王先进， 1 9 9 7 ) ，其中工业“三废”污染10 0 0 万h m 2 ，农田污灌面积已达13 0 多万h m 2 ( 高梁， 1 9 9 2 ) 。每年因重金属污染而减少的粮食产量高达10 0 0 万t ，直接经济损失达10 0 多亿元。尤其是我国加入w t o 之后，农产品的重金属超标问题对为我国农业的冲击 更大。因此，环境重金属污染的治理是我国当前急需解决的任务。 而砷和铅的污染主要集中在山林的尾矿区，因此，矿区植被恢复和土地复垦 是目前备受关注的研究领域，也是退化生态系统和恢复生态学研究的重要内容 之一( p e n g ，1 9 9 6 ) 1 2 重金属复合污染研究进展 19 8 9 年以来，周启星从重金属c d z n 和c d a s 复合污染的研究着手，对复 合污染的特点、指标体系、生态学效应及有关研究方法进行了探讨，同时对复合 污染的概念和类型进行了较为系统的分类并给出了较为准确的定义。随后，人们 对复合污染开始了有针对性的研究在周启星( 1 9 8 9 1 9 9 2 ) 研究工作的基础上，何 勇田和熊先哲等( 19 9 4 ) 对复合污染的概念进行了论述，指出复合污染是指两种或 两种以上不同性质的污染物或几种来源不同的污染物在同一环境中同时存在所 形成的环境污染现象。周启星( 19 9 5 ) 对复合污染这一概念进行了扩展，对复合 污染的基本内涵进行了补充和完善他认为：复合污染在概念上，并不等同于“污 染物+ 污染物”；复合污染应该同时具有以下3 个基木条件：一种以上的化学污 染物同时或先后进入同一环境介质或生态系统同一分室；化学污染物之间化学 污染物与生物体之间发生交互作用；经历化学的和物理化学的过程、生理生化 过程、生物体发生中毒过程或解毒适应过程等3 个阶段。 常见的复合污染如矿山开采、污泥农用、废水灌溉、污染灰尘沉降等都将加 重土壤重金属污染( r o ye ta 1 ，1 9 9 2 ) 。在自然界中，重金属因其化学性质相似而常 常伴生，以致容易造成伴随危害而对环境产生威胁( c h e ne ta 1 ，2 0 0 0 ) 。我国铅锌矿 藏丰富，随着矿藏开采规模的不断扩大，矿区周边土地受重金属污染的程度也越来 越严重。由于矿山开采所产生的大量酸性矿毒水和尾矿是造成矿区及其周围地区 生态系统重金属污染的主要原因之一( 蔡美芳等，2 0 0 4 ) 。而且在铅锌矿区周边 土壤中往往还伴生着c d 、c u 、a s 污染，从而表现为多种重金属联合污染土壤的情 况，加重了当地土壤重金属污染治理的难度。据最新研究表明p b 、a s 两种重金属 表现为协同作用( 郑振华等，2 0 0 1 ) 。重金属复合污染现有的研究以下两点是明 确的：1 ) 重金属在复合污染条件下对植物的毒害及其在土壤中的迁移转化，要比 单一因素的污染复杂得多；2 ) 重金属元素之间的交互作用各类型的表现，与各种 重金属在环境中的浓度及其组合关系、植物的种类、植物的部位和暴露方式等因 素密切相关，但有关的生态过程及其微观机理并不清楚。 1 3 重金属对植物毒害研究进展 1 3 1 重金属在植物体内的吸收、分布 重金属主要是以非复合态的自由离子吸收，通过主动吸收或被动吸收，从植 物的根、茎、叶进入，其中根部的吸收是大多数植物的主要方式( 曹洪法，19 8 1 ) 。 重金属离子在植物体内的分布规律与特点，不同的重金属离子和不同种类的植物 均有所差异。一般情况植物吸收的重金属离子主要积累在根系，而在地上部的含 量较低，即根中重金属离子含量最高，在根系中，重金属主要分布在质外体，或 形成磷酸盐、碳酸盐沉淀或与细胞壁结合。但也有例外，b e n n e t t 等( 2 0 0 0 ) 通过 对野生水稻的根、茎、叶和籽实所含重金属的分析，发现a g + 、a s 3 + 、c d 2 + 、c r ”、 h 9 2 + 、p b 2 + 在根的浓度最高；c u2 + 在根和籽实的含量都高；z n 2 + 在籽实的浓度最 高；m 9 2 + 在叶中含量最高。在细胞及亚细胞水平的分布情况，许多研究表明，细 胞内重金属离子主要分布于液泡，以螯合的形式存在，如碱性蛋白质、盐溶性蛋 白质或者与氨基、羧基结合。而a n t o s i e w i c z 等( 19 9 9 ) 对p b 在彳z ，f ”小c p p 口根尖的定 位研究发现，p b 被隔离分布在细胞壁上，c d 和z n 则定位于细胞壁和膜性结构中。 1 3 2 重金属对植物生长发育的影响 重金属的浓度和种类不同，它对植物生长发育的影响也不一样。有些研究 证实低浓度的植物必须的微量元素会促进植物生长发育，但浓度过高则会抑制发 育( 任安芝等，2 0 0 0 ) 。重金属对植物的生长发育的影响是从抑制种子的萌芽开 始，然后影响植物生长发育的整个过程，具体表现为侧根发育受到抑制，数目减 少，根系不发达，根系体积下降，生长缓慢，植株矮小，退绿，产量下降，植物 枯萎甚至停止生长( m o r a le ta 1 ，19 9 4 ；c h oe ta 1 ，2 0 0 0 ) 。对于种子萌芽抑制的报 道有很多，张敏等( 2 0 0 5 ) 对p b 、c d 污染胁迫下苔藓的生长发育的研究发现苔 藓孢子的萌发率降低，原丝体生长缓慢、长度较短、细胞数目减少并且出现分枝 或突起。种子的发芽率随污染浓度的增大而明显下降( 张义贤，19 9 7 ；陈桂珠， l9 9 0 ) 。高浓度汞( 5 0 m gil 1 ) 对萌发期内小麦种子内a 一淀粉酶活性有明显的抑制 作用( 郑玉英，1 9 8 5 ) 。刘东华等人( 2 0 0 0 ) 的实验证明，在一定c d2 + 浓度的范 围内，随着c d 2 + 浓度的增加和处理持续时问的延长，大蒜根的生长速率递减或 2 停止。当p b 2 + 浓度增加大一定量时，玉米的生长受到了严重阻碍，并且随浓度增 大，株长增长幅度也降低( 郑春霞等，2 0 0 5 ) 。 1 3 3 重金属对植物生理生化作用的影响 关于重金属对植物生理生化方面的影响，国内外已有大量的报道，细胞内的重金属 离子不仅能与酶活性中心或蛋自质中的巯基结合，而且还能取代金属蛋白中的必 需元素( c a 2 + 、m 9 2 + 、z n 2 + 和f e 2 + ) 导致生物大分子构象改变、酶活性丧失及必需 元素缺乏。干扰细胞的正常代谢过程( v a na s s c h e ，1 9 9 0 ) ；另外，重金属能干扰物 质在细胞中的运输过程( 如a 1 3 + 能抑制植物对c a 2 + 的吸收和运输) ( r e n g e l ，1 9 9 2 ) ， 并能通过氧化还原反应产生自由基导致细胞氧化损伤( a l s c h e re ta 1 ，1 9 8 9 ；l u n a e ta 1 ，19 9 4 ) ，导致细胞膜透性改变，膜脂过氧化加剧( 马成仓，19 9 8 ；罗立新等， 1 9 9 8 ) 。 重金属污染可引起植物叶绿体含量下降，叶片褪绿( 李元等，19 9 2 ；k l o b u se t a 1 ，19 8 5 ) ，破坏光合系统，影响植物呼吸作用、蒸腾作用等；重金属还抑制植 物体内各种酶( 如s o d 、p o d 、脱氢酶等) 的活性( 陈愚等，19 9 8 ；段昌群等， 19 9 8 ) ，影响可溶性蛋白、糖及脯氨酸含量( 陈朝明等，19 9 6 ；周建华等，19 9 9 ；k a v i k i s h o r 等，19 9 5 ) 。m a t h v s ( 19 7 3 ) 研究等c u 、z n 、c d 重金属对s f 抛刀pc 甜c 甜6 ，甜s 的影响时发现，磷酸还原酶、异柠檬酸脱氢酶等四种酶活性发生了明显的变化。 另外，在遭受重金属胁迫后，植物体内的碳水化合物、矿物元素代谢也会受到影 响。杨居荣( 19 9 6 ) 和孙赛初( 19 8 5 ) 等报道，在遭受c d 胁迫后，植物体内的 多种碳水化合物，如可溶性糖、淀粉等的含量随c d 浓度的增加而降低。杨顶田 等( 2 0 0 0 ) 研究c r 6 + 污染对菱叶矿物元素含量的影响表明：随c r 6 + 浓度的增加， k 、m g 的含量逐渐下降，f e 含量呈现先上升后下降的趋势。重金属还会抑制种子 萌发，王友保等( 2 0 0 1 ) 研究铜、砷对黄豆的影响发现，c u 、a s 污染会抑制黄 豆种子的萌发，对黄豆种子萌发时的呼吸作用、蛋白酶活性有显著的抑制作用， 且与处理浓度呈正相关。重金属对植物生理胁迫所产生的影响复杂多样，目前对 这些生理生化变化还无法作出确切的解释，有更进一步的探索。 1 3 4 重金属对植物超微结构的影响 植物在受到重金属污染的影响未出现外观症状前，在组织和细胞中已经发生 了显微结构的变化。( 丁小余等，19 9 8 ；徐国华等，19 9 8 ) 分别研究了c d 2 + 、c r 6 + 污染对莼菜叶片细胞超微结构的伤害，发现在毒害初期，莼菜叶肉质体中的少数 基粒发生膨胀或解体，线粒体脊出现瓦解。部分核仁裂解成数块大小不等的颗 粒随着毒害程度加深莼菜叶片胞液体中较多的类囊体出现解体，质体、线粒体 的外包膜及核膜、液泡膜等膜性结构均遭破坏。而莼菜冬芽在h g 浓度5m g l 处 理15d 时。细胞中高尔基体消失，核糖体减少，线粒体出现解体。在相同处理时 间中，随着h 9 2 + 浓度增加，细胞出现质膜收缩，胞间连丝断裂，核仁裂解成多 个小核仁、叶绿体膨胀，类囊体解体等受害症状( 施国新等，2 0 0 0 ) 。六价铬对 水车前叶的叶绿体、线粒体和细胞核也有证实了这些变化( 徐勤松等，2 0 0 2 ) 。 h 9 2 + 可诱导大麦体内的核仁结构发生分解，染色体畸变率升高，直接或间接地 影响d n a 和染色体的复制；进入植物细胞内的c d 和p b 还能与带负电荷核酸结合， 降低r n a 和d n a 活性，干扰植物体内的转录和翻译过程，结果导致r n a 的合成 受到抑制，进一步影响蛋白质合成( 张义贤，19 9 7 ) 。 因此，重金属对植物细胞超微结构的伤害并不是破坏某一个或某几个细胞 器，而是对植物细胞的膜结构与非膜结构的整体伤害，只不过一些结构耐受重金 属的能力强，另一些则弱。重金属对植物细胞超微结构的伤害效应与离子浓度存 在明显的剂量关系，而且不同离子或不同植物对同一种重金属胁迫存在差异。 1 4 超富集植物与重金属污染治理研究进展 1 4 1 超富集植物筛选的研究进展 超富集植物的筛选研究在国外起步较早，相继发现了许多超富集植物。15 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 ) 的最早报道。18 14 年，d e s v a u x 将其命名为么咖s s 甜朋6 p ，f d ，d 疗f f 。l9 7 7 年，b r o o k s 提出了超富集植物的概念，当时 用以命名地上部镍含量( 干重) 大于l0 0 0m g k g 的植物。超富集植物( h y p e r a c c u m u l a t o r ) 是指那些能够超量积累重金属的植物，也有称之为超累积植物或超富 集体。而m c g r a h 等( 2 0 0 3 ) 对超富集植物的定义做了修订： ( 1 ) 植株地上部重金属含量满足下列条件：z n 、m n 含量超过1 0 0 0 0m g k g ，p b 、 c o 、c u 、n i 、a s 和s e 含量超过1 0 0 0m g k g ，c d 含量超过1 0 0 m g k g 。 ( 2 ) 地上部生物富集系数( b i o c o n c e n t r a t i o n ，地上部重金属含量与土壤重金属 含量比值) 1 ，这样的植物对重金属有很高的吸收效率。 ( 3 ) 地上部与根系中重金属含量比 1 ，意味着植物对重金属的转运效率很高。 超积累植物往往是长期生长在重金属含量较高的土壤上，经过不断的生物进化而 形成的，或是通过遗传工程或基因工程培育、诱导而成的。自从m i n g u z z i 等1 9 4 8 年在南 意大利c 口玎) ，地区的富镍蛇纹石风化土壤中发现庭芥属的彳6 d 砌肠肋i 植物干叶组织中 n i 的含量达到1 以后，各国科学家陆续发现了许多金属类型的超积累植物。据报道，现已 发现c d 、c o 、c u 、p b 、n i 、s e 、m n 、z n 超积累植物4 0 0 余种，其中7 3 为n i - 超积累植 物。一些超积累植物能同时超量吸收、积累两种或几种重金属元素，如砌肠s p f c 口p ，z f 阳p 一 删彪s c p 船就具有很大的吸收z n 和c d 的潜力( 唐世荣，1 9 9 9 ) ，它是一种可在富锌、铅、镉 和镍的土壤上生长的野生草本植物，是国际上开展重大相关研究项目时经常被选择的研 究对象。j a m e 等( 1 9 7 6 和1 9 9 7 ) 在新喀里多尼亚发现了对n i 、c o 和c u 富集植物；r o b i n s o n 、 b r o o k s 等( 19 9 7 ) 报告了一种高生物量的镍超富集植物曰c d 砌f f ，植株平均含镍量 为7 8 8 0m g k g 叫d w ，植株吸收提取的镍总量达1 6 8k g h m ；d u v i g n e a u d 、s m e t t 和d e n a e y e rd e ( 1 9 6 3 ) 报道了非洲的c o 、c u 富集植物及欧洲的z n 超富集体；r e e v e a 等( 1 9 8 3 ) 曾报道了砌，口s p f 阳胁刀讲加，f 掰( l ) 可吸收p b 达8 5 0 0m g k g 。茎干重。 k u m a r 等( 19 9 5 ) 发现b ，口s s f c 口，” c p 口( l ) 在营养液培养中茎的p b 含量可达1 5 ， 4 它不仅可富集p b ，也可累积c r 、c d 、n i 、z n 。 国内有关重金属超富集植物的筛选研究相对较迟。刘金林( 1 9 8 5 ) 发现原 产北美的一年蓬f ，e ，堙p ，d 以佣刀甜聆s ，对重金属有较强的富集能力。还有的研究人员 发现了风眼莲对放射性核素6 0c o 、6 6z n 的吸收率分别高达9 7 和8 0 ( 周风帆等， 19 8 9 ) 、香蒲对重金属p b 、z n 、c u 、c d 有较强的吸收作用( 李柳川等，19 9 1 ) ， 随着研究的不断深入，陈同斌等( 2 0 0 0 ) 发现砷超富集植物一蜈蚣草( 尸埘一括v f f 砌砌 l ) ，其羽片野外含a s 量超过1 0 0 0 m g k g ，室内栽培羽片的a s 含量达5 0 7 0 m g k g 。 杨肖娥等( 2 0 0 2 ) 发现锌超富集植物一东南景天( & 咖聊口沙p d f fh a n c e ) ，在国内 还发现锰超富集植物商陆( p 砂f d 肠c c 口口c f 刀d s 口r o x b ) ( 薛生国，陈英旭等2 0 0 3 ) ，a s 富集植物大叶井口边草( 尸把，捃c ，口f f c 口) ( 韦朝阳等，2 0 0 2 ) ，c d 超富集植物宝山 堇菜( 所d ，口6 口d s 厅口 p 玎s 妇) ( 刘威等，2 0 0 3 ) 等。 1 4 2 超富集植物的筛选标准研究 超积累植物对重金属很强的吸收和积累能力不仅表现在外界重金属浓度很 高时，而且在重金属浓度相对较低的溶液或土壤中，超积累植物的重金属浓度比 普通植物仍高1o 倍甚至上10 0 倍。有文献( 董社琴等，2 0 0 4 ) 给出了超富集植物 筛选的一些通用标准：超富集植物在重金属含量高的土壤以及在重金属含量低 的非污染或低污染土壤上都要有很强的吸收富集能力：能将所吸收的重金属元 素大量迁移至地上部器官中：地上部可收割的器官必须能忍耐和积累高含量的 污染物；植物在野外条件下生长速度快、生长周期短，而且生物产量高；植物对 农艺调控反应积极，如施肥能使植物生长量增长好几倍，这样才能反复种植多次收 割才具有推广开发价值；具有发达的根系组织。 从上面的条件看，一种植物必须要有较高的富集系数，同时还应该要有较大 的转运系数才可以作为超富集植物。富集系数( 植物地上部元素土壤元素的浓度) 是表征超富集植物对重金属元素富集特征的一个重要参数。转运系数( 植物地上 部浓度地下部浓度) 是表征超富集植物对重金属元素转运特征的一个重要参数 ( 孔繁翔，1 9 9 9 ) 在超富集植物体内，通常其所富集的目标元素的转运系数大 于1 。 1 4 3 超富集植物富集重金属的机制 有关超富集植物吸收富集重金属的机理仍不清楚。大量研究表明可能与重金 属富集部位有关，b r o o k s 等( 1 9 8 1 ) 对庭芥属的么t ) ，s s 甜聊s p ，矽) ，距厂d ，f 疗朋的组织进 行离心分离，发现有7 2 的n i 分布在液泡中。c h a r d o n n e n s ( 1 9 9 8 ) 发现在超积累 植物s 玎p 玎pv “堙口，括中c d 主要积累在下层表皮细胞中，认为液泡储藏c d 可能是其 忍耐c d 的机制。v a z q u e z 等( 1 9 9 2 ) 用电子探针和x 一射线对砌，口s p f c 口p ，c 口p ，甜彪j 的观察表明，根中的z n 大部分分布在液泡中，细胞壁中相对较少，而叶片中的z n 主 要分布在表皮细胞，特别是亚表皮细胞中；在高浓度z n 处理中，叶片的液泡内z n 的浓度高于质外体。由此可见，液泡可能是重金属离子贮存的主要场所。 也有报道，在重金属胁迫下，植物根系分泌的低分子量有机酸如柠檬酸、苹 果酸可与重金属结合，降低重金属对植物的毒性，促进植物对重金属的吸收。s h e n ( 1 9 9 7 ) 发现超富集植物砌，口s p f c 口p ，甜，p s p 刀c p ( 遏蓝菜属) 和非超富集植砌，口印f d c 厅，彪甜c 甜聊地上部柠檬酸和苹果酸含量相近，不同浓度的z n 处理对两种植物的苹 果酸和柠檬酸含量影响也不显著，因此并不能认为柠檬酸和苹果酸在超富集植物 中扮演特殊的作用。k r a m e r ( 1 9 9 6 ) 发现超富集植物砌，口印f c 口e ，- c 口p ，甜彪s p 刀c p s 与组氨酸具有特殊的关系，营养液培养显示当植物吸收富集重金属较高时，其木 质素中的组氨酸含量也高；而在营养液中加入组氨酸也能显著促进植物对重金属 的吸收富集。目前有关超富集植物的耐性与富集机理研究较多，结论普遍认为超 富集植物的耐性与超富集由植物本身不同的生理机制所控制。超富集植物超量吸 收富集重金属与其根部细胞具有与重金属较多的结合位点有关，而耐性则是由于 重金属在植物细胞中分布的区域化相关，即重金属存在于细胞壁和液泡中，从而降 低其毒性( c h a n e ye ta 1 ，19 9 7 ) 。 1 5 凤尾蕨类植物的生物学特性及在重金属污染修复中的应用 1 5 1 凤尾蕨类植物的生物学特性 凤尾蕨属是凤尾蕨科的植物，现已知该属植物在我国有6 6 种，主要分布在 华南和西南，少数种类向北可达华东及秦岭南坡。凤尾蕨利用孢子进行繁殖，因 此可以迅速形成群落优势，同时凤尾蕨属植物具有生长快、分布广、适应性强且 价格低廉，非常适合于植物修复的推广应用。 1 5 2 影响风尾蕨类植物超累积重金属的因素 从目前的研究报道来看，一些植物所需的营养元素对重金属的超吸收有明显 影响。廖晓勇等( 2 0 0 4 ) 通过田间试验研究施用磷肥对砷超富集植物蜈蚣草( j p 饱，括 1 ，f f 幻砌l ) 生长和砷污染土壤修复效率的影响结果表明，适量施用磷肥促进蜈 蚣草的生长，显著提高其生物量，但过量施用磷肥对植物产量无贡献随着磷肥施 用量的增加，蜈蚣草地上部砷含量呈先增加后减少的趋势。但a b i o y e0 等人 ( 2 0 0 6 ) 却发现磷灰石可以增加蜈蚣草对a s 的吸收，而同时降低对p b 和c d 的吸 收。t u ( 2 0 0 5 ) 等人对蜈蚣草的研究也进一步证实了这点。c a i l l e 等人( 2 0 0 4 ) 报 道在有z n 和c u 复合污染的条件下蜈蚣草的生长不仅受到抑制，而且吸收a s 的能 力也下降，石灰或p 含量为5 0 m g k g 的土壤对砷的吸收没有太大的效果。李文学 等( 2 0 0 5 ) 研究了刈割对蜈蚣草的砷吸收和植物修复效率的影响，发现不加砷的 对照处理中，每次收获后的砷吸收速率呈下降趋势，而用砷处理的则正好相反。 1 5 3 风尾蕨类植物在重金属污染修复中的运用 陈同斌等( 2 0 0 0 ) 通过初步筛选后，以室内盆栽试验最终确定砷的超富集 植物种，成功找到三种砷的超富集植物。其中蜈蚣草叶片富集砷达0 5 ，为普通植 物的数十万倍；能够生长在含砷o 1 5 3 的污染土壤和矿渣上，具极强的耐砷毒 能力：其地上部与根的含砷比率为5 ：1 ，显示其具有超常的从土壤中吸收富集砷的 能力。通过植物组织培养技术解决了其种苗的快速繁殖、施肥等技术问题后，陈 6 同斌等人已经将蜈蚣草和大叶井边草( p c ，p f f c 口l ) 等砷超富集植物应用于砷污染 土壤的实地修复，并在湖南省郴州市建立了世界上第一个砷污染土壤的植物修复 示范工程。但是到目前为止，究竟如何进一步提高蜈蚣草对砷污染土壤的修复效 率仍是一个非常值得研究的问题。 1 6 本论文研究内容及意义 重金属a s 和p b 作为环境中的污染物质，已经成为对环境危害极大的一种。 由于人类的活动而使环境中a s 和p b 浓度逐步上升，它不仅对动物植物构成了威 胁，而且通过食物链能够累积到较高的毒性，最终危害人体的健康。植物修复技 术以其具有传统的物理、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等优点，成为世界环境修复技术与工程科学的热点和前 沿领域。而修复工程的关键是筛选出能超量富集重金属的植物品种凤尾蕨属中 的蜈蚣草是最近所发现的第一种对砷有超累积效应的植物，同时对锌也有富集作 用，但由于其分布在长江以南地区，在我国北方的大部分省份没有大量种群分布， 不适合广泛的推广种植，而井栏边草( 尸阳，玲，z “厉圻妇p o i r ) 在江苏、