（环境科学专业论文）硅抑制小白菜吸收重金属铬的作用机理研究.pdf

硅抑制小白菜吸收重金属铬的作用机理研究 在不同c r 浓度下，除了根外，小白菜茎叶最大c r 含量都小于0 5m g k 9 1 。回归 分析结果表明：地上部c f 浓度极小值时的硅浓度为分别为1 4 1 、1 1 5 、1 2 3 和 1 4 0g k g 1 。c r 吸收量极小值时需硅量为o 5 3 、2 o o 、1 1 0 、1 3 3g k 9 1 ；相关分 析结果表明：随着c r 浓度的增加，生长指标与硅的相关性越来越好，说明在高 浓度c r 处理下，硅的浓度与小白菜的生长关系密切。 关键词：硅；铬毒害；小白菜；土壤污染 a b s t r a c t s t u d i e so nt h em e c h a n i s mo fs i l i c o nc o n t r o l l i n gt h ea d s o r p t i o no f h e a v ym e t a lc h r o m i u mi np a k c h o i ( b r a s s i c ac h i n e n s i s ) b yj i a n g u a n gx u d i r e c t e db ys h u y il i a b s t r a c t t h ep o l l u t i o no fh e a v ym e t a lc h r o m i u mi ns o i lh a sb e e nb e c o m i n gm o r es e r i o u sa t p r e s e n t i th a sa l r e a d yb e c o m eo n eo ft h ep o l l u t i o ne l e m e n t si ns o i la n dw a t e r t h e s u i t a b l em e t h o do fr e g u l a t i o na n dc o n t r o li so n eo ft h ee f f e c t i v em e t h o d st or e d u c et h e c o n t e n to fh e a v ym e t a li ns o i l t h i sr e s e a r c hr e g a r d i n gp a k c h o ia sm a t e r i a l ss t u d i e d t h es i l i c o ne f f e c to l lp a k c h o ig r o w t h ，c h r o m i u ma b s o r p t i o na n dd i s t r i b u t i o n ，a n d p r o b e di n t ot h el a w so fs i l i c o nm i g r a t i o na m o n gh e a v y m e t a lc h r o m i u ma n dp a k c h o i e x p o u n d i n gt h em e c h a n i s mo fs i l i c o ni n h i b i t i n gt h eh e a v ym e t a lc rp o i s o nt ot h e p a k c h o iw a sm a i na i m t h er e s u l ts h o w st h a t ： 1 i nt h et r e a t m e n t so fc r l ( a d d e di nt h ef o r mo fn a 2 c r 2 0 7 ，a m o u n tw a s5 0m gp e r k i l o g r a ms o i l ) ，c r 2 ( a d d e da m o u n tw a s1 0 0m g k g - 1s o i l ) a n dc r 3 ( a d d e da m o u n tw a s 2 0 0m g k g - 1s o i l ) ，t h ef r e s hw e i g h ta n dc h l o r o p h y l lc o n t e n to fp a k c h o iw h i c hw a st h e h i g l l e s ti nt h et r e a t m e n ts i l ( a d d e di n t h ef o r mo fn a 2 s i 0 3 ，a m o u n tw a so 5 9p e r k i l o g r a ms o i l ) r e d u c e da f t e ri n c r e a s i n gw i t ht h ei n c r e a s eo fs i l i c o nc o n t e n t i nt h e t r e a t m e n to fs i lt h ef r e s hw e i g h to ft h ep a k c h o ir o o t ，s t e m ，l e a fa n dt o t a lr e d u c e da f t e r i n c r e a s i n gw i t ht h ei n c r e m e n to fc h r o m i u mc o n t e n t ，w h i l et h e yr e d u c e dg r a d u a l l yi n t h et r e a t m e n t so fs i 2w h i c ha d d e da m o u n tw a s1 0g p e rk i l o g r a ms o i la n ds i 3w h i c h a d d e da m o u n tw a s1 5 9p e rk i l o g r a ms o i l 2 i nt h et r e a t m e n to fc r lc h r o m i u mc o n t e n ti np a k c h o ir o o t ，s t e m sa n dl e a fw i t ht h e i n c r e m e n to fs i l i c o nc o n c e n t r a t i o n ，i nt h et r e a t m e n to fc r 2t h ed i f f e r e n c eo fc h r o m i u m c o n t e n ti np a k c h o is t e m sa n dl e a fw e r ei n s i g n i f i c a n tw h i l ec h r o m i u mc o n t e n ti nr o o t r e d u c e d ，t h em i n i m u mc h r o m i u mc o n t e n ti ns t e mw a si nt h et r e a t m e n to fs i l ，w h i l e 硅抑制小白菜吸收重会属铬的作用机理研究 t h el e a fi si nt h et r e a t m e n to fs i 3 i nt h et r e a t m e n to fc r 3 ，w i t ht h ei n c r e a s eo fs i l i c o n d e n s i t y ，t h ec rc o n t e n to fl e a fd e p a r t m e n tr e d u c e dg r a d u a l l yl e a fc ro ft h ep a k c h o ih a s t h el o w e s tc o n t e n ti nt h et r e a t m e n ts i 3 ；u n d e rt h et r e a t m e n to fc q ，t h ec h r o m i u m u p t a k eo fr o o ta n dl e a fr e d u c e dw h i l ec h r o m i u mc o n t e n ti ns t e mc h a n g e dl i t t l e u n d e r t h et r e a t m e n t so fc r 2a n dc r 3 ，t h et o t a lc h r o m i u mc o n t e n to fr o o ts t e ma n dl e a f r e d u c e d 3 n i n e t yp e r c e n to ft h es i l i c o na d d e di n t os o i le x i s t e di nu n a v a i l a b l es t a t eb e c a u s e o fp r e c i p i t a t i o na n da b s o r p t i o nr e a c t i o nw i t h c l a ym i n e r a l t h ea d d i t i o no f s i l i c o n i n c r e a s e ds o i lp h ，p r e c i p i t a t e df o r mo fc h r o m i u m t h u sr e d u c e dt h eb i o l o g i c a lv a l i d i t y o fc h r o m i u m ，a n di n h i b i t e dt h ep a k c h o i a b s o r p t i o no f t h eh e a v ym e t a lc h r o m i u m 4 t h ea c c u m u l a t i n ga m o u n to fs i l i c o nw a su n e v e ni nt h ed i f f e r e n tp a r t so fp a k c h o i t h el e a v e sd i s t r i b u t e dt h em o s tc h r o m i u m ，a c c o u n t sf o r6 8 1 o ft h et o t a la m o u n t ， s e c o n d l yt h es t e mt o o k2 0 o ft h et o t a la m o u n t ，t h er o o ta c c o u n t sf o r11 9 ；b u tt h e m o s tc h r o m i u ma m o u n ta c c u m u l a t e di nl e a fo fp a k c h o ia c c o u n t e df o r6 8 1 o ft h e t o t a la m o u n t s e c o n d l yi nt h er o o t ( 3 6 1 ) ，s t e ma c c o u n tf o r2 2 4 5 t h ec o n t e n to fc h r o m i u mi na g r i c u l t u r a lp r o d u c tw a sl e s st h a n0 。5m g - k g a c c o r d i n gt o n a t i o n a ls t a n d a r d i nd i f f e r e n tt r e a t m e n t so fc h r o m i u m ，t h el a r g e s tc r c o n t e n ti nt h es t e ma n dl e a fw a sa l ls m a l l e rt h a nt h es t a n d a r de x c e p tr o o t a c c o r d i n g t ot h er e g r e s s i o na n a l y s i sw h e nt h ec h r o m i u mc o n t e n tw a sa tt h em i n i m u mt h es i l i c o n c o n c e n t r a t i o na d d e di n t os o i lw a s1 4 1 ，1 1 5 ，1 2 3a n d1 4 0g - k g 1r e s p e c t i v e l y w h i l e t h em i n i m u mu p t a k eo fc h r o m i u mn e e d e dt h es i l i c o nw a s0 5 3 ，2 0 0 ，1 1 0 ，1 3 3g k g 1 r e l e v a n ta n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a t ：w i t hc h r o m i u mi n c r e a s e d ，t h ec o r r e l a t i o n b e t w e e ng r o w t hi n d e x e sa n dc o n t e n to fs i l i c o na d d e di n t os o i lg o tb e t t e ra n db e t t e r i t s h o w e dt h a ti nt h et r e a t m e n to ft h eh i i g l lc o n c e n t r a t i o no fc h r o m i u m ，t h ec o n c e n t r a t i o n o fs i l i c o nw a sc l o s e dt ot h eg r o w t ho f p a k c h o i k e yw o r d s ：s i l i c o n ，c h r o m i u mt o x i c i t y , p a k c h o i ，s o i lp o l l u t i o n 硅抑制小白菜吸收重金属铬的作用机理研究 论文公开声明 本人郑重声明：所呈交的硕士生学位论文“硅降低铬毒害及促进小白菜生长 效应的研究 是本人在导师李淑仪的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经引用的内容外，本文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表 明。本提交的研究生论文不涉及国家秘密、不牵连单位专利权益、不牵涉同行专 家著作权、不需要行业技术保密，论文可以通过书面或电子出版网络对外交流。 本人同意将自己的研究生博士硕士论文提交给中国国家图书馆、中国科学技 术信息研究所中国学位论文数据库、清华大学中国学术期刊电子图书馆、 中国科学院科学科技图书馆。 5 8 学位论文作者签名 2 0 0 7 年6 月1 8 第一章绪论 第一章、绪论 第一节、重金属铬与硅素营养 硅是地球上丰度最大的元素之一，土壤有效硅含量通常被作为衡量土壤供硅 能力的指标( 戴其根等，2 0 0 3 ) 。自从1 8 0 4 年d es a u s s u r e 首次描述了植物体含有 硅之后，大量的研究发现硅对许多作物的正常生长起到了重要作用，例如增加植 物对病虫害的抵抗力( l e d a m o f f le ta ，1 9 9 7 ) ，减少干旱等非生物胁迫，增加作 物的产量vm a t i c h e n k o ve t 以，2 0 0 2 ) ，同时，施硅能降低重金属对植物的毒害 作用( b a y l i s ，a d e ta ，1 9 9 4 ；y o n g c h a ol i a n g e ta ，2 0 0 5 ；h o r i g u c h i t ，1 9 9 8 ；w a n g l j ，2 0 0 0 ) 。目前，硅对提高铝( b a r c e l oj e ta 1 ，1 9 9 3 ；f o yc de ta 1 ，1 9 7 8 ；g a l v e zl e ta 1 ，1 9 8 7 ) 和锰( h o r s twje ta 1 ，1 9 7 8 ；1 w a s a k ike ta 1 ，1 9 9 9 ) 胁迫研究较多，但 是在硅抑制植物吸收重金属生物机理方面还没形成一个统一的认识。 铬是一种重要的环境污染元素( u s h i m a mte ta 1 ，1 9 9 9 ) ，c r ( v 1 ) 有明显的致 癌和致畸作用，环境中污染源主要是工业排放的“三废”，如果燃烧的废气、电镀、 制革、染料和制药等工厂的废水，某些垃圾焚烧中和煤灰中铬含量也较高，有的 磷肥中也可能含有较多的铬。由于铬在不同的环境中存在价态不同，目前硅肥抑 制作物吸收重金属铬研究不多，而且大部分研究都是集中在粮食作物方面。 小白菜是华南地区最主要的食用蔬菜之一，它的污染与否直接关系到此地区 人们的身体健康。本研究利用硅控制重金属铬对小白菜的毒害研究，了解硅控制 重金属铬进入小白菜体内的生理效应，探讨硅在重金属铬一小白菜之间的迁移转 化规律，将可能揭示硅限制小白菜的重金属铬毒害作用，成为土壤污染控制研究 中值得重视的部分。同时，硅肥抑制小白菜吸收重金属铬的研究，不仅在土壤改 造利用上具有重要的实际意义和应用前景，对粮食、蔬菜生产的持续发展和提高 人们的生活质量具有积极的指导意义和广泛的现实意义。 第二节、硅减轻重金属毒害研究现状 一、重金属对植物的毒害 1 、c r 对植物的毒害 土壤中的c r 常以三价态的一+ 和c r 0 2 和六价态的c r 2 0 7 2 及c r 0 4 2 。存在( 张 定一等，1 9 9 0 ) ，研究发现，微量的c r ( v o 对蔬菜和作物的生长有一定的刺激作用 硅抑制小白菜吸收重金属铬的作用机理研究 ( n e u m a n n de t 口己，2 0 0 1 ；周建华等，1 9 9 9 ；郝泗城等，1 9 9 7 ) ，而大量的c r ( v i ) 对植物 具有很大的毒害作用( d c s h a r m ae ta 1 ，2 0 0 3 ；a r u nk e ta 1 ，2 0 0 5 ) 。c r 进入作物 体内主要积累在根部细胞，并使细胞膜的通透性增大。c r 渗人细胞后可与细胞 核内的核酸等大分子物质结合，抑制了包括a t p 酶在内的多种酶的活性，影响 到细胞正常的有丝分裂，并使d n a 发生凝集，导致染色体发生断裂和畸变，c k v i ) 和c r ( i i i ) 的毒性不相同( 邓波儿等，1 9 9 4 ) ，c r ( v i ) 的毒性明显大于c r 0 u ) ( 张 义贤等，1 9 9 7 ) ，小白菜减产时土壤中的c r ( v 0 浓度是c r ( 1 1 1 ) 浓度的5 倍多。超 过一定浓度的c r 不但对植物的根、茎、叶生长起到一定的抑制作用，而且也会 影响作物种子的发芽、干物质总量，同时也会影响到植物光合作用、水分蒸腾、 营养元素的吸收、很多酶的活性等。 2 、c d 对植物的毒害 c d 是植物的非必需元素，被植物根系吸收后较其他重金属更易向植物体其 它部位转移，与植物细胞质膜等膜上蛋白结合，改变其构型，直接影响膜上结合 蛋白的活性( 张秀玉等，1 9 9 9 ) ，从而对植物产生很强的毒性，c d 能强烈抑制植 株和细胞的生长( p r a s a dm n ve ta 1 ，1 9 9 5 ；t r i v e d is e ta 1 ，1 9 9 2 ) ， 当植物组织中 c d 浓度达1 # m o l l 1 时，就会对植物细胞质膜透性和水分代谢、光合作用、呼吸 作用、碳水化合物代谢、氮素代谢、核酸代谢、酶活性等生理生化过程及土壤微 生物等造成伤害，有些作物还可能出现毒害症状，从而影响植物的生长发育。据 报道( 陶明煊等，2 0 0 2 ) ，不同浓度c d 处理荇菜1 0 天后，叶片中叶绿素a 、叶绿素 b 和叶绿素总含量都随浓度增大而不断下降，光合速率略有提高，但随浓度的增 大迅速下降。用不同浓度c d 2 + 处理的大麦，环式和非坏式光合磷酸化受到抑制。 长期c d 胁迫使幼叶叶绿体发育受影响，并抑制成熟叶的光合作用。同时对分布 在植物细胞质膜、液泡膜、光合膜和线粒体内膜等部位的各a t p a s e 有很大的副 作用，在= 5 m g l - 1 c d 浓度范围内，h + - a t p a s e 、m 9 2 + a t p a s e 、c a “a t p a s e 等活 性都下降。 3 、h g 对植物的毒害 h g 在土壤中易被吸附固定，不易被植物吸收，在h g 污灌区，旱作物不受 污染，但水稻受到污染，在h g 矿地区，旱作物和水稻都易受到污染( 李学垣， 2 0 0 3 ) 。h g 一旦被植物吸收，不但会对细胞的膜结构、非膜结构、生理活动及生 2 第一章绪论 化反应产生整体伤害，而且还影响植物体内很多酶的活性，据报道( 徐楠等，2 0 0 2 ； 李清芳等，1 9 9 8 ) ，随着h g 处理浓度的增加，h g 污染处理后叶片叶绿素含量和呼 吸速率与对照组相比均呈明显下降趋势，抑制植物细胞分裂和根系伸长，降低光 合作用和呼吸作用，另外，随h g 浓度的增大可溶性蛋白含量均呈急速下降趋势。 同时h g 的毒害还表现在影响作物的酶方面，据有关资料报道1 2 4 - 2 5 ，随着汞浓度 的增加，过氧化氢酶和淀粉酶活性降低( 孔祥生等，1 9 9 9 ；赵海泉等，1 9 9 8 ) ， i d a ( 丙二醛) 含量上升，质膜透性增大，小麦幼苗的生长受到抑制，同时，高浓 度h g 处理，小麦幼苗中的超氧物歧化酶和过氧化物酶活性先上升，然后突然下 降，幼苗对h g 毒害的抵御作用减弱，表明细胞毒害加重。 4 、m n 对植物的毒害 m n 是植物生长所必需的微量营养元素之一，但当植物体中含锰量超过 6 0 0 m g k g - 1 时，就可能对植物产生毒害作用，植物对m n 有超过需要量而多余吸 收的倾向( 陆景陵，2 0 0 2 ；生$ 邦基等，1 9 9 8 ) ，m n 吸收过多会对植物产生毒害。m n 毒害一般发生在淹水酸性土壤上，m n 2 + 是致毒的形态，而m n 2 + 只有在较低的p h 和e h 条件下才会出现，并且大量施用磷酸盐和硫酸氨使土壤的p h 降低也会引 起m n 中毒。毒害症状会随着植物种类而异，但毒害症状通常表现为，根部变褐， 幼叶卷曲，叶缘白化或变成紫色，叶绿素不均匀分布，叶片上有棕色斑点，这种 棕色斑点被认为是二氧化锰的沉淀( 侯彦林等，2 0 0 5 ；张宜春等，1 9 8 7 ) 。另外据报 道( 曾琦等，2 0 0 5 ；孑l 祥生等，1 9 9 9 ) ，锰中毒组织的阳离子交换量低于正常组织， 并且在锰中毒条件下钙向生长点移动也受到限制故往往使植物发生缺钼或缺铁 症状，受m n 毒害时，功能叶p o d 活性升高，c a t 活性降低。 5 、f e 对植物的毒害 f c 在地壳中的含量达5 ，仅次于氧、硅和铝。f c 是植物叶绿素形成的必须 元素，对叶绿素结构的形成起很重要的作用，同时适量的施f c 能增加植物对黄 叶病的抗性。但是f e 过量会对植物造成毒害，毒害往往是由于f e 2 + 过多而引起 的，在e h 和p h 低的土壤中，f c 2 + 往往过量积累，因此铁毒害多发生在淹水条件 下或酸性土壤上。我国南方酸性土壤水稻容易发生f c 2 + 毒害。1 9 9 3 年苏以荣报 道( 苏以荣，1 9 9 3 ) ，在r , e 2 + 毒害下，水稻根系总长度和鲜重( 单株) 都与培养液中 的亚铁浓度呈显著负相关，水稻叶片出现褐色斑点，最后扩展到整个叶片，但亚 3 硅抑制小白菜吸收重金属铬的作用机理研究 铁有促进水稻吸收同化氨的作用，只有当亚铁浓度超过一定值时，才会对水稻的 生育产生毒害因。f ，毒害的症状不同植物表现不一样，亚麻产生暗绿色叶片， 地上部和根部生长受阻，根变粗，并且积累大量的无机结合态磷酸盐。菜豆表现 为叶片产生黑色斑点。 6 、柚对植物的毒害 触能抑制植物根系的伸长，在某些干旱的地区，由于越害抑制了根的伸长， 使植物在干旱时不能从土壤中吸收足够的水分而萎蔫。在细胞水平上，有学者认 为触能和细胞壁的果胶结合，从而抑制细胞的伸长，此外，易和磷酸结合， 进入细胞内的脚很可能和核酸结合，严重影响遗传d n a 的合成，阻碍细胞的 分裂。同时，灿还能使植物细胞的原生质脱水，然后破裂而死亡。大多数植物 对触都很敏感，短时间暴露在的条件下，会表现出毒害症状。但并不是所有 的土壤都会发生铝的毒害作用，其毒性随着土壤的类型变化而发生变化，同时 p h 也会影响其毒性，只有在p h 小于5 时其毒性才会很严重。 7 、其他重金属以及复合污染的毒性 除了以上几种重金属外，在环境中还存在铜、锌、镍等重金属对作物的问题， 铜、锌是植物生长发育的必需营养元素，镍、铝、钴的也是植物必需的微量元素， 但是过量的吸入这些重金属，同样会对植物的生长、生理生化有不良的影响，尤 其要注意各种重金属的复合污染。据报道，铬和汞复合污染在高浓度表现出协同 作用，加剧了对叶绿素的破坏作用( 苏以荣，1 9 9 3 ) ，铬和汞及其复合污染对浮萍 叶片的毒害存在典型的剂量效应关系，铬和汞复合污染除对于叶绿素含量表现 为低浓度的拮抗作用外，对于抗氧化酶系统活性，脯氨酸及可溶性蛋白含量均呈 现明显的协同作用，且在生理、生化上测定的结果在细胞结构变化上也得到进一 步证实。可见，复合污染对植物的毒害作用更大。 二、硅对重金属胁迫下抗氧化酶系统的影响 目前，土壤重金属铬污染日趋严重，铬已经成为土壤和水体重要的污染元素 ( u s h i m a r ut e ta 1 ，1 9 9 9 ) ，重金属对作物伤害的主要途径是引起作物体内的过氧 化胁迫。在未受污染的正常植物细胞中，质体、线粒体和微粒体中会不可避免地 产生活性和自由基，这些器官中产生的活性自由基受到很好的稳态调节，以免它 4 第一章绪论 们在体内的过量积累对植物生长造成破坏( a r o sb a r c e l 6 , 1 9 9 8 ) 。如果外界条件发 生变化，这种平衡会被各种胁迫所打破。研究发现，作物体内的过量重金属能导 致大量o f 、h 2 0 2 、o h 的产生和积累( g u p t am e ta 1 ，1 9 9 9 ) ，对植物生长产生不 利影响。在铬( c r - ) 毒害下，小白菜叶片的过氧化氢酶( c a t ) 活性下降，而过氧 化物酶( p o d ) 活性升高( 周易勇等，1 9 9 0 ) ，s h a r m a 和s h a r m a ( 1 9 9 6 ) 用不同浓度的铬 处理砂培小麦，发现c r 处理造成小麦c a t 活性的降低，不同的重金属对c a t 、 p o d 活性影响也不同( 葛才林等，2 0 0 2 ) 。目前土壤污染控制还没有一个很有效的 方法，自从1 8 0 4 年d es a u s s u r e 首次描述了植物体含有硅之后，大量的研究发现 硅在改善植物生长条件( h a n g , 1 9 9 9 ) 、抑制重金属毒害等方面有很重要作用 ( b a y l i se ta 1 ，1 9 9 4 ) ，在水培条件下，施硅处理可以促进黄瓜植株的生长，p o d 和c a t 活性升高( 魏国强等，2 0 0 3 ) 。 三、硅抑制作物吸收重金属的研究 1 、硅抑制作物对重金属c r 的吸收的研究 据报道( 周建华等，1 9 9 9 ) ，s i j j i c r 处理中使受c r 处理的水稻幼苗叶片的光合 速率明显提高，c r 的处理浓度越高，j j i l s i 予处理中的幼苗叶片光合速率受促进越 大。加s i 于c r 处理中使叶绿素a b t t 值升高。同时s i 对c r 影响水稻叶片中的淀粉、 糖分以及可溶性蛋白质含量又很好的改善关系，另外，力i j s i 于c r 处理比不力l j s i 的 c r 处理使叶片可溶性糖、淀粉以及蛋白质含量明显提高。另外在c f 处理中，j h s i 能极明显地降低幼苗叶片的p o d 活性。 2 、硅抑制作物对重金属c d 的吸收的研究 硅能减轻c d 对作物的毒害作用，施硅后水稻根部所吸收的c d 向地上部分迁 移的量明显减少( 秦淑琴等，1 9 9 6 ) 。同时，力l j s i 于c d 处理中，使受c d 处理的水稻 幼苗叶片的光合速率明显提高，c d 的处理浓度越高，加s i 处理中的幼苗叶片光合 速率受促进越大。另外，力l j s i 能够改善叶绿素a b 的关系，使a b t 匕值提高( 周建华 等，1 9 9 9 ) 。据杨超光报道( 杨超光等，2 0 0 5 ) ，在施用等量的c d 时，施硅与不施硅相 比，玉米吸收c d 的绝对量无论是根、茎、叶，还是总吸收量，都显著降低。这 说明硅降低土壤介质中c d 的活性，使镉不易被玉米所吸收。 3 、硅抑制作物对重金属h g 和m n 吸收的研究 5 硅抑制小白菜吸收重金属铬的作用机理研究 h g c l 2 对玉米萌发过程中幼苗呼吸速率有抑制作用，硅可以缓解此抑制，并 且随着硅浓度的增加，缓解效果越好。m n 毒害一般表现为叶片上出现黑褐色坏 死斑，加入硅时大麦叶中出现的黑褐色的坏死斑消失，向h g c l 2 溶液中加人 n a 2 s i 0 3 ，可以缓解h g c l 2 对玉米种子萌发过程中淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶活力的 抑制作用，从而使淀粉、脂肪和蛋白质的分解代谢得以恢复( 朱志等，2 0 0 1 ) ，并 且随着n a 2 s i 0 3 加人浓度的升高，缓解作用增强。由于锰毒而导致的产量下降同 样也因施s i 而消除。在各级锰的浓度下加硅，大麦、小麦和燕麦都增产。 4 、硅抑制作物对重金属f e 吸收的研究 1 9 9 3 年苏以荣报道，同一水稻品种加硅处理的根系氧化力均较无硅处理的 高，这样亚铁可能会被氧化为铁离子，对水稻的毒害会减轻。同时实验结果还得 到，水稻品种威优1 9 在施硅的条件下根系氧化力极大值和极大值对应的亚铁浓度 都要高于无硅时的值，分别高于7 8 和3 0 9 。说明硅减轻了亚铁对根系生长的 毒害作用，因而施硅水稻单株根系的总长度和鲜重都优于未施硅的水稻。另外在 根际区域硅的存在也会减少水稻对f c 2 + 的吸收( 王建林等，1 9 9 1 ) 。 5 、硅抑制作物对重金属舢吸收的研究 2 0 0 2 年顾明华等报道，p h 在4 5 的溶液培养条件下，加入不同形态的硅酸可 有效地减轻趾对水稻的胁迫，根的伸长量接近或达到对照处理的水平。实验结果 显示，加入不同形态的硅酸都明显地降低细胞壁的绝对和相对砧含量，即加入高 分子态硅酸的处理，减少根全a 1 含量的同时也明显地降低了质外体、共质体和 细胞壁a 1 的含量；加入低分子态硅酸的处理，虽然根全舢和质外体的含量增 加，但细胞壁a 1 的含量却明显减少。这些结果表明硅酸的加入改变了水稻根细 胞的分布，明显地减少了a 1 对细胞壁的侵入。 四、硅肥对植物抑制吸收重金属的作用机理 l 、硅肥中的硅能与重金属形成硅酸化合物 增施硅肥后，硅肥中所含的硅酸根离子与c d 、h g 、p b 等重金属发生化学反 应，形成新的不易被植物吸收的硅酸化合物而沉淀下来。杜彩琼等报道，硅的加 入会引起铝聚合作用和沉淀作用( 杜彩琼等，2 0 0 2 ) 。b r o w n e 和d r i s c o l l 的研究 结果表明，硅酸和铝离子在溶液中可形成各种离子形态的硅酸铝盐，其中有部分 6 第一章绪论 以阳离子形态的低分子硅酸铝存在。顾明华等认为，硅酸降低了溶液中毒性离子 浓度，生成的硅酸铝复合物活性低，对植物毒性小，因此显著地抑制了对水稻的 胁迫，根系生长得到明显的改善，其中高分子态硅酸的效应更为明显( 苏以 荣，1 9 9 3 ) 。 2 、通过影响根际的氧化还原力来降低重金属的活性 施硅肥增加了作物和蔬菜根际氧化能力，氧化了c d 、p b 等微量元素，减少 了它们的溶解度，从而抑制了作物对它们的吸收，有效地防止了重金属对蔬菜的 污染。日本科学家首先报道了硅能减轻过量f e 、m n 对水稻的毒害，其机制主要 是硅提高了根系氧化能力使f e 、m n 在根系表面被氧化沉积而防止了它们被过 量吸收，使f e 、m n 在根系表面被氧化成不溶性的形态而沉积，从而降低了水稻 对f e 、m n 的吸收；同时，由于蒸腾率的下降，增强了水稻对f e 、m n 毒害的忍 耐力。同一水稻品种加硅处理的根系氧化力均较无硅处理的高。 3 、通过影响土壤中的p h 值来抑制植物对重金属的吸收 硅肥中的硅能使植物根际p h 增加，这样重金属会形成不溶性化合物沉淀下 来，活性降低，植物吸收量降低。但也有的学者不这样认为，陈晓婷等施用硅肥 略微提高了土壤的p h 值，硅肥促进小白菜生长、抑制小白菜对重金属吸收的主 要机制并不是提高土壤p h 值，而可能是增加土壤对重金属离子的吸附能力，降 低土壤重金属的有效性( 陈晓婷等，1 9 9 3 ) 。顾明华的实验也得到，硅的加入能提 高培养液中p h 而促进离子的沉淀( 顾明华等，1 9 9 1 ) 。 4 、通过改变重金属的在土壤中的形态来抑制植物的吸收 杨超光等认为通过改变土壤中重金属的形态变化来改变其在土壤中的生物 有效性。施硅后土壤中交换态c d 和f e 、m n 结合态c d 占总c d 的比例降低，而碳酸 盐结合态、残渣态的镉的比例却增加了，尤其是残渣态c d 的含量，其增加的幅 度达2 0 左右( 杨超光等，2 0 0 5 ) 。等认为，硅与砧在根的外层细胞沉积，引起植 物体内离子形态发生变化( 黎晓峰等，2 0 0 1 ) 。 5 、硅在植株地上部分的淀积阻碍了重金属向地上部分的迁移 秦淑琴认为，由于硅在植株地上部分的淀积而阻碍了c d 向地上部分迁移， 从而减少了c d 在地上部分的累积，使c d 滞留在植物根部，很少向地上部位迁移， 7 硅抑制小白菜吸收重金属铬的作用机理研究 达到了减少稻米中镉含量的目的。另外还有很多关于硅肥对作物和蔬菜吸收重金 属的影响的报道，例如硅肥的影响会因耕作制度的不同而发生变化，同时硅肥的 施入会对植物根系分泌物产生影响，增加对重金属的络合和吸附。另外土壤中的 有效硅和土壤的阳离子交换量、土壤中的有机质含量、土壤温度、湿度、成土母 质等有很大的关系。 五、国内外研究存在问题 重金属对作物和蔬菜的产量以及品质都会产生很大的负面影响，抑制植物对 重金属的吸收是目前面临的一个亟待解决的问题，前人已经在这方面做了大量的 试验，在硅肥抑制植物吸收各种重金属以及机理上有了很大的进展，但仍然有很 多问题还未解决： ( 1 ) 硅抑制作物吸收重金属的机理。 ( 2 ) 硅在作物根际区域的存在形态。 ( 3 ) 在植物体内是否生成硅一镉、硅一锌等各种重金属复合物而降低其重金属 毒性。 ( 4 ) 土壤中硅的胶体是否吸附一定量的重金属。 ( 5 ) p h 和e h 在硅抑制作物吸收重金属方面起的作用。 ( 6 ) 硅是否通过调节植物生长机理或影响其他元素的吸收进而影响对重金属 的吸收。 ( 7 ) 硅对各种重金属的复合污染起的作用。 基于此，通过盆栽试验研究硅对小白菜生长影响以及硅抑制小白菜吸收重金 属铬机理，旨在阐明硅与重金属作用机理以及对小白菜影响。 第三节、研究目标、内容与技术路线 一、研究目的和意义 铬是一种重要的环境污染元素，c r ( v o 有明显的致癌和致畸作用，环境中污 染源主要是工业排放的“三废”，如果燃烧的废气、电镀、制革、染料和制药等工 厂的废水，某些垃圾焚烧中和煤灰中铬含量也较高，有的磷肥中也可能含有较多 的铬。在土壤中不同的p h 和e h 铬的存在状态不一样，在低氧化还原电位条件 下，铬以三价形态存在，在低p h 时为c r 3 + ，高p h 时为c r 0 2 ，在高氧化还原条 件下，铬以六价形态存在，在低p h 时为c r 2 0 7 冬，在高p h 时为c r 0 4 2 ，三价铬 8 第一章绪论 和六价铬在土壤中可以相互转化，在还原性条件下六价铬可能被f e 2 + ，硫化物以 及某些带羟基的有机物等还原为三价铬，在通气良好的土壤中，三价铬可能被 m n 0 2 或水中溶解氧氧化为六价铬。六价铬的生物毒性很强，在土壤中c q v l ) 以 c r 2 0 7 2 或o o ? 。的形式存在，不易被土壤吸持固定，吸附量较小，具有较高的流 动性和植物有效性，易被土壤植物吸收，且易被还原，c r ( 1 1 1 ) 在土壤中容易被吸 附和沉淀，故游离的c “i l i ) 很少，在土壤中不易迁移，也不易被植物所吸收利用， 生物有效性低【8 l 。土壤中铬大部分是以残渣态和闭蓄态形式存在，很难被植物吸 收、利用，植物体内铬的累积量与土壤总铬量往往并不具有明显正相关。作物吸 收铬的累积系数与作物的生长发育及生长天数有关，土壤中有效态铬含量的变化 也和铬处理土壤后的时间有关( 陈英旭等，1 9 9 5 ) 。 关于铬是不是植物生长所必须的营养元素之一争论了很久，一些学者认为铬 能增加蔬菜和作物的产量( a r u nl ( s h a n k e r ae ta 1 ，2 0 0 5 ) ，而也有很多证据证明铬 对植物很大的毒害作用( b a y l i s ，a d e ta 1 ，1 9 9 4 ) ，最近的研究发现过量的铬会对植 物生长有很大的毒害作用( ( a m nk s h a n k e r ae ta 1 ，2 0 0 5 ) 。c 避入作物体内主要积 累在根部细胞，并使细胞膜的通透性增大。c r 渗人细胞后可与细胞核内的核酸等 大分子物质结合，抑制了包括a t p 酶在内的多种酶的活性，影响到细胞正常的有 丝分裂，并使d n a 发生凝集，导致染色体发生断裂和畸变( 戴其根等，2 0 0 5 ) ，c r ( v 0 和c r ( 1 l i ) 的毒性不相同，c r ( v i ) 的毒性明显大于c r ( 1 l i ) ( 邓波儿等，1 9 9 4 ) 。超过一 定浓度的c r 不但对植物的根、茎、叶生长起到一定的抑制作用，而且也会影响植 物种子的发芽( 张义贤，1 9 9 5 ) 、干物质总量，同时也会影响到植物光合作用、水分 蒸腾、营养元素的吸收、很多酶的活性等( h r u ni ls h a n k e r ae ta 1 ，2 0 0 5 ) 。关于铬 的吸收也存在很大争议，b o u r q u e ( 1 9 6 7 ) 等认为小麦根部吸收的铬酸根而不是铬离 子，1 9 7 4 年m y t t e n a e r e 和m o u s s n y 通过水稻实验发现在水稻根部吸收铬酸根时会 把铬酸根还原为三价铬离子。s k e f f i n g t o n 等在1 9 7 6 年指出植物拥有这两个吸收机 制。同时研究还发现微量的铬酸根吸收是一个主动过程，而铬离子的吸收是被动 吸收。最近的研究证明铬不是植物生长所必需的营养元素，缺少必要的运输途径， 所以大量的铬会积累在根部，根部吸收主要通过其他元素的转运蛋白例如铁、硫、 磷等1 1 3 】。关于铬的吸收机制还需要进一步的研究。 本研究利用硅控制重金属铬对小白菜的毒害研究，了解硅控制重金属铬进入 9 硅抑制小白菜吸收重金属铬的作用机理研究 小白菜体内的生理效应，探讨硅在重金属铬一小白菜之间的迁移转化规律，将可 能揭示硅限制小白菜的重金属铬毒害作用，成为土壤污染控制研究中值得重视的 部分。同时，硅肥抑制小白菜吸收重金属铬的研究，不仅在土壤改造利用上具有 重要的实际意义和应用前景，对粮食、蔬菜生产的持续发展和提高人们的生活质 量具有积极的指导意义和广泛的现实意义。 二、技术路线 三、研究目标内容 1 、研究目标 本项目通过小白菜的盆栽实验分析重金属c r 在小白菜中的分御形态，探讨 c r 在小白菜中的迁移转化规律，观察和分析c r 对小白菜的生理效应，同时通过 施硅肥来抑制小白菜对c r 的吸收，减轻c r 对小白菜的毒害作用。并通过分析硅 肥减轻c r 毒害的作用机理。找到硅肥施用的正确途径和方法，为土壤改造利用 和粮食、蔬菜生产的持续发展和提高人们的生活质量打下基础。 2 、研究内容 本研究主要有三个部分，分别为：c r 在土壤中的存在形态和小白菜的吸收 1 0 第一章绪论 和分布、c r 对小白菜的毒害作用机理、硅对小白菜吸收c r 的抑制作用与机理。 其中c r 在土壤中的存在形态和小白菜的吸收和分布主要研究：( 1 ) 土壤中c r ( 1 l i ) 和叫v 1 ) 的量；( 2 ) 小白菜根、茎、叶中c r 的含量。c r 对小白菜的毒害作用机理 主要研究：( 1 ) 不同c r 处理硅肥对照中小白菜的鲜重、干重、株高、主根长度、 小白菜叶部过氧化氢酶( c 卸和过氧化物酶( p o d ) 活性；( 2 ) 小白菜中叶绿素含 量。硅对小白菜吸收c r 的抑制作用与机理主要研究包括：( 1 ) 施硅处理的小白 菜根、茎、叶中c r 的含量；( 2 ) 土壤和小白菜根际土壤的p h 值；( 3 ) 土壤中 c f 存在的形态。 硅抑制小白菜吸收重金属铬的作用机理研究 一、试验材料 第二章、材料与方法 第一节、试验材料与设计 1 、供试土壤 本试验土壤为水稻土，采自未受c r 污染的广东省增城市镇龙镇大涵村，土壤 经风干、粉碎后过2 m m 筛备用。土壤基本理化性质见表1 。 2 、供试植物 供试小白菜品种为矮脚奶白，是华南主要栽培品种之一，由广州长合种子有 限公司提供。 3 、供试肥料 c o ( n h 2 ) 2 、k 2 s 0 4 、n a h 2 p 0 4 、n