（环境科学专业论文）苎麻镉耐性机制及应用研究.pdf

n o v e lb i o a s s a y sb a s e do n f u n c t i o n a l i z e dn a n o p a r t i c l e sa n db i o n i cm a t e r i a l s b y w a n gx i n b s ( c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y ) 2 0 0 4 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro fs c i e n c e e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl i uy u n g u oa n dp r o f e s s o rz e n gg u a n g m i n g n o v e m b e r ，2 0 10 厂 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：王欣 日期：r 口7 年弓月7 日 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，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，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 ， 2 、不保密配 ( 请在以上相应方框内打“巾) 作者签名： 导师签名： 日期：r 。1 1 年岁月7 日 日期：之口降；月7 日弭 次叫 一纠叫 博i 学位论文 摘要 由人类工业和农业生产活动所引起的重金属镉( c d ) 污染j 下在成为一个世界 性的环境问题。由于c d 具有极高的生物毒性以及从土壤向植物体的高度迁移和 富集能力，因此环境c d 污染不仅对生态系统产生了极大的破坏作用，而且威胁 粮食生产安全，直接危害人类生命健康。目前，我围受到c d 、砷( a s ) 、铅( p b ) 等重金属类金属污染的耕地面积近2 0 0 0 万公顷，约占总耕地面积的1 5 ，其中 c d 污染耕地面积近1 3 3 万公顷，污染范围涉及11 个省2 5 个地区，而且污染程 度有逐年加重的趋势，因此c d 污染土壤治理及安全高效利用是目前生念恢复及 可持续发展中所面临的一个重要课题。 苎麻是我国所特有的一种耐c d 能力强、经济价值高的麻类作物，同时具有 很强的耐旱、耐贫瘠能力，在土壤和水体c d 污染修复及矿i i i 废弃地生态恢复中 具有较高的应用价值和丌发潜力。本研究以c d 耐。r 扣植物苎麻为研究对象，重金 属c d 为目标污染物，旨在探明苎麻对重金属c d 的积累模式及生理耐性机制， 明确苎麻在我国南方，特别是湖南省c d 污染农丌高效利用及矿区生态恢复中的 作用。主要研究内容及结论包括： 水培条件下，苎麻对c d 的积累随胁迫浓度的升高而增加，苎麻体内的c d 浓度以根部为最高，茎部次之，叶片最低，在0 卜10m gl jc d 浓度范围内，苎 麻根部c d 浓度为地上部分的4 6 0 倍，且地上部分c d 浓度 叶，c d 转运系数约为0 3 ，这与水培条件下苎麻 对c d 的分布规律相一致。营养生长期苎麻对土壤c d 污染的耐受阈值约为8 0m g k g 。1 左右，当土壤c d 浓度在此范围内时，苎麻通过调节体内叶绿素、类胡萝b 素和可溶性蛋白质含量，维持光合作用的j 下常进行，保持各种代谢酶的数量和活 性，虽然m d a 含量随c d 浓度的增加有所升高，但苎麻通过加速a s a g s h 循环 有效清除活性氧自由基，调节细胞的氧化还原势，因此c d 对苎麻的生理毒害并 不明显；而当土壤c d 浓度高于8 0m gk g 一时，苎麻体内a s a g s h 循环中的四个 关键指标值( a s a ，g s h ，g r ，a p x ) 开始降低，膜脂过氧化加剧，叶绿素、类胡 萝b 素和可溶性蛋白质含量显著下降，j i 理代谢平衡遭到破坏，说明其自身防御 系统的保护功能是有限度的，高于忍耐闽值的c d 胁迫将导致苎麻各项生理活动 受到严重影响。外源喷施精胺( s p m ) 和微量元素s e 4 + 可以显著改善不同c d 浓 度胁迫下苎麻的生理代谢状况，两种外源物质最适宜的浓度分别为o 5x10 。4m o l l 。1 和1 2 6 1 0 。6m o ll 。 通过分析湖南省c d 污染农田及矿业废弃地尾渣的典型代表即七宝山矿区周 边农田土壤和湘潭m n 精炼尾渣的理化特性与重会属含量，发现七宝l i j 矿区周边 农田土壤含有c d 、c u 、z n 等重盒属污染物，其含量已接近或超出国家土壤质量 三级标准，其中c d 含量是国家土壤质量三级标准所允许值的8 倍。湘潭小浒尾 渣库中的m n 精炼尾渣富含氮、磷、钾等植物生长所必需的营养元素，重金属 m n 、c d 、c u 、z n 含量分别为对照土样的2 3 9 倍、1 1 9 0 0 倍、5 9 4 倍和5 8 9 倍， 但与尾渣库边缘有大量植被! l 三长的根际土相比，m n 、c d 、c u 、z n 含量的差异并 不显著。尾渣中含有大量细小颗粒，易于板结，空气通透性差，这是与边缘根际 土的最主要的差异，也足尾渣库实现植被恢复的关键性限制性因素。通过将m n 精炼尾渣与砂子( 1 ：1 ) 混合增加空气通透性，实现尾渣物理结构的初步改良。 苎麻幼苗在c d 污染农f f i 土壤及m n 精炼尾渣改良基质中的成活率均达到 1 0 0 ，且苎麻的生长显著增加了根际土壤中的活菌数量。在m n 精炼尾渣改良基 质中生长的苎麻，其地上部分生物量与对照样相比降低了约3 0 ，但在c d 污染 农田土壤中生长的苎麻，其地上部分生物量没有受到显著影响，说明苎麻作为非 食用性经济作物，可以考虑在c d 污染农罔系统巾推广种植，足同前高效利用c d 污染土壤的一种理想作物。由于苎麻地上部分对c d 的积累浓度较低，苎麻不符 合植物提取的要求，而更适用于植物固定，通过根系的吸收富集作用，避免c d 向地下水渗透或向地上部分迁移而进入食物链，在矿区植被恢复和水土保持中具 有很大的应用潜力。 i v ”j 麻“耐性机制及膨用研究 关键词：镉；苎麻；吸收动力学；抗坏血酸谷胱甘肽循坏：亚细胞分布；化学 形态；农田镉污染；矿山尾渣；植物修复 v a b s t r a c t w o r l d w i d ec o n t a m i n a t i o no fc da sac o n s e q u e n c e o fi n d u s t r i a la n da g r l c u l t u r a l a c t i v i t i e si sb e c o m i n gam a j o re n v i r o n m e n t a lp r o b l e md u et o t h eg r e a tt o x i c i t yo fc d a n di t sh i 曲m o b i l i t yf r o ms o i l t op l a n t sa n df u r t h e rt ot h ef o o dc h a i n i nc h i n a ， p r e s e n t l y ，t o t a la r e ac o n t a m i n a t e db yh e a v ym e t a l sl i k ec d ，a s ，p b a r ea p p r o a c h i n gt o 2 l0 7h m 2 ， a c c o u n t i n gf o r c 2 0 o ft h et o t a l c u l t i v a t e da r e ai n 0 u rc o u n t r y p a r t i c u l a r l v ，t h ec u l t i v a t e dl a n dc o n t a m i n a t e db yc d i sa l m o s t1 33 10 4h m d i s t r i b u t e d i n2 5d i s t r i c t si n11p r o v i n c e s f u r t h e r m o r e ，c dc o n t a m i n a t i o n i sb e c o m i n gh e a v i e r v e a rb yy e a r t h e r e f o r e ，t h er e m e d i a t i o na n d e f f i c i e n tu s eo fc d _ c o n t a m i n a t e ds 0 1 1 1 na s a f bw a va r eo fg r e a ti m p o r t a n c e f o r e c o l o g i c a l r e s t o r a t i o na n d s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t b e c h ，咒p r f 口胛f v p 口( l ) g a u d ( r a m i e ) ，i n d i g e n o u st o c h i n a ，i sa ni m p o r t a n t f i b e r c r o pu s e df o rt e x t i l ew i t hah i g ht o l e r a n c e t oc ds t r e s sa sw e l la st od r o u g h ta n dp o o r n u t r i t i o n i td i s p l a y sah i g hp o t e n t i a li nt h er e m e d i a t i o no fc d c o n t a m i n a t e ds o i la n d w a t e ra n de c o l o g i c a lr e s t o r a t i o no fm i n et a i l i n g s t h em a i ng o a lo ft h i ss t u d yw a s t o i n v e s t i g a t et h ea c c u m u l a t i o no fc da n dt o l e r a n c em e c h a n i s m s i nr a m i e f u r t h e r m o r e ， b a s e do nh y d r o p o n i ca n ds o i lc u l t u r e ，w ea i m e dt of i n do u tt h e r o l eo ft h i ss p e c l e sm t h ee f f i c i e n tu s eo fc d c o n t a m i n a t e da g r i c u l t u r e s o i l sa n dr e _ v e g e t a t i o no fm l n e t a i l i n g s t h em a i nc o n t e n ta n dc o n c l u s i o n s a r ea sf o l l o w s ： i nh y d r o p o n i c s ，c da c c u m u l a t i o ni nr a m i e w a si n c r e a s e dw i t he x t e r n a lc d c o n c e n t r a t i o n s t h eh i g h e s tc dl e v e lo c c u r r e di n r o o tf o l l o w e db ys h o o ta n dt h e 1 e a v e sh a dt h el e a s tc dc o n c e n t r a t i o n s w i t hc dc o n c e n t r a t i o n i nu p t a k em e d l a r a n g i n gf r o m0 1 t ol0m gl 一，c dc o n c e n t r a t i o n si nr o o tw e r e4 _ 6 0t i m e sh i g h e rt h a n t h ea b o v eg r o u n dp a r tw h e r ec dc o n c e n t r a t i o n s w e r el o w e rt h a n10 0m gk g 1 d w ， i n d i c a t i n gt h a tr a m i ei sn o tac d h y p e r a c c u m u l a t o r c dt r a n s l o c a t i o n f a c t o ri nr a m l e w a sd e c r e a s e df r o m0 2 9t oo 0 4w i t he x t e r n a lc di n c r e a s i n gf r o m o 1t o10m gl ， s u g g e s t i n g t h a tt ig h tc o n t r o lo fc di ns e n s i t i v et i s s u e sm a ya c t a sa n1 m p o r t a n t d e f e n s el i n et o c o u n t e r a c tc dt o x i c i t yi nr a m i e c du p t a k eb yt h er o o t o fr a m l e f o i l o w e dm i c h a e l i s m e n t e nk i n e t i c s ，w i t hk m v a l u eo f5 4m gl a n dv m a xv a l u eo f 9 9 3m gk g 。d wh ，i n d i c a t i n gt h a tc du p t a k ew a s at r a n s p o r t e r 。m e d i a t e dp r o c e s sa n d g r a d u a l l ys a t u r a t e d t h e a c c u m u l a t i o no fm a c r o - a n dm i c r o n u t r i e n t sb yr a m l e w e r ea p p a r e n t l ya f f e c t e db yc ds t r e s s ：t h el e v e lo fm ga n dc aw e r es i g n i f i c a n t l y v i ：? 业1 j 一 。 ：”j 麻茸耐中 ： l i b 次j _ j 0 u f 歹c = 詈詈詈= 皇詈詈詈詈詈皇暑鲁暑詈詈暑暑詈= 暑詈= 詈詈詈暑葛暑= 詈詈詈詈詈詈暑= 皇葛皇盲皇詈詈昌皇= 詈詈詈= 暑暑2 富暑昌= 鲁吐曼暑暑量毫! 寡! 穹詈皇= = 暑暑詈! 暑詈詈暑詈皇鼍昌暑詈詈詈= = 皇穹暑詈詈詈詈詈詈詈詈暑詈詈暑詈暑皇= 皇! ! ! 薯 r e d u c e db yc di nl e a v e s l o wc d ( 1m gl - i ) s t i m u l a t e dt h eu p t a k eo fs ，pa n dk ， w h i l ew i t hh i g h e rc d ( 10m gl 。1 ) ，t h ea c c u m u l a t i o no f s ，pa n dki nl e a v e sw e r e m a r k e d l yd e c r e a s e d t h el e v e l so fb 、 m n 、f e 、c ui nl e a v e sw e r ed e c r e a s e da t h i g h e re x t e r n a lc dw i t hz nk e p tu n a f f e c t e d i ns h o o t s ，t h ec o n c e n t r a t i o n so fm ga n d c aw e r eh i g h e rt h a nt h ec o n t r o l sa t1 m gl c d ，w h i l epa n dkw e r eg r a d u a l l y d e c r e a s e di nac dc o n c e n t r a t i o n - d e p e n d e n tm a n n e r t h i sh e l dt r u ef o rt h e m i c r o n u t r i e n t si ns h o o te x c e p tbw h i c hk e p ts t a b l ea tv a r y i n gc dc o n c e n t r a t i o n s i n r o o t s ，a l m o s ta l lt h em a c r o - a n dm i c r o - n u t r i e n t su p t a k e sw e r es i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d a t1m gl c de x c e p tc aw h i c hw a sr e d u c e du p o nc de x p o s u r e 。a t10m gl c d ，t h e i n c r e a s i n gd e g r e eo fe a c he l e m e n tw a ss m a l l e re x c e p tc a t h ep e r m e a b i l i t yo fc e l l m e m b r a n ei nr a m i ec h a n g e dl i t t l ea tl o w e rc dc o n c e n t r a t i o n w h i l et h em a x i m u m c e l lm e m b r a n ep e r m e a b i l i t yu pt o1 6t i m e sh i g h e rt h a nt h ec o n t r o lw a so b s e r v e da t 10m gl c d f u m a r a t ei nl e a v e sa n dr o o t sa sw e l la sc i t r i ca n dm a l i ca c i di nr o o t s d e c r e a s e dw i t hc di nac o n c e n t r a t i o n d e p e n d e n tm a n n e r ，s u g g e s t i n gt h a tt h e yw e r e n o tl i k e l yt ob ei n v o l v e di nc dd e t o x i f i c a t i o nm e c h a n i s m si nr a m i eu n d e rc ds t r e s s c e l l u l a ra c c u m u l a t i o no fp r o l i n ea n ds p e r m i d i n ew e r er a p i d l yi n d u c e db yc d a sa n e f f e c t i v eb u f f e rf o ro s m o t i cs t r e s s ，t h ei n c r e a s eo fp r o l i n ei n d i c a t e dt h ed i s t u r b a n c e o 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w i t h i nt h i sr a n g e ，t h ec h l o r o p h y l l ，c a r o t e n o i da n ds o lu b lep r o t e i nw e r ea l l s t i m u l a t e d ，a n df o u rk e yi n d i c e si n v o l v i n gi na s a - g s hc y c l ei n c l u d i n ga s c o r b i ca c i d ( a s a ) 、g l u t a t h i o n e ( g s h ) 、a s c o r b a t ep e r o x i d a t i o n ( a p x ) 、g l u t a t h i o n er e d u c t a s e ( g r ) w e r ea l le n h a n c e d ，w h i c hi n d i c a t e st h a tr e a c t i v eo x y g e ns p e c i e si n d u c e db yc dc o u l d b ee l i m i n a t e d ：a sm u c ha sp o s s i b l eb yt h i sa c c e l e r a t o r yc y c l e w h i l et h ed e f e n d i n g v i i i ”：麻镉耐忡机：i 】0 度j 闸研九 s y s t e mo fr a m i es u f f e r e da th i g h e rc dc o n c e n t r a t i o n s i tw a sp r o v e dt h a tt h eo p t i m u m e x o g e n o u ss p ma n ds e 4 + c o n c e n t r a t i o n sf o rr a m i ew a so 5 x 10 。4m o ll a n d1 2 6 x10 - o m 0 1l 一w h i c hc o u l dp r o m o t et h ec o n t e n to fc h l o r o p h 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