（环境工程专业论文）紫茉莉富集土壤中镉的机理及强化修复技术研究.pdf

摘要 紫茉莉一种观赏性植物，他是一种新发现的镉的超富集植物。本论文以紫茉莉 ( m i r a b i l i si a l a p al ) 为材料，进行了磷镉交互作用对紫茉莉富集镉的影响机制和氮肥、 有机肥强化紫茉莉修复镉污染土壤的实验等，探讨能有效提高紫茉莉富集镉能力的强化修 复方法，目的在建立以紫茉莉进行镉污染土壤修复时的肥培管理准则，以期早同达到恢复 污染的可利用性。 ( 1 ) 对不同磷镉水平下紫茉莉吸收镉的研究中发现，相同浓度镉处理下，当磷的添 加浓度为1 0 0m g k g 。时，紫茉莉的生物量达到最大值。不同浓度镉处理下，紫茉莉地上部 镉浓度和镉富集量均随磷添加浓度的升高而下降。从紫茉莉对镉的富集系数和转移系数来 看，磷处理为2 0 1 0 0m g k g 。1 时，紫茉莉对镉的转移系数提高较大，而富集系数则表现为随 磷浓度增加而降低。通过同步辐射x a n e s 技术对镉处理下紫茉莉根、茎、叶内磷的形态 进行了研究，发现紫茉莉体内不同部位的磷的形态与标准样品中磷的形态接近，但并非钙 的磷酸盐。同时，紫茉莉根部磷的形态有别于其茎部和叶部的形态，其中紫茉莉颈部的白 线峰和白线峰后的振荡均较叶部和根部强烈，表明磷可能参与了镉胁迫下植物体内的某种 生理机制。 ( 2 ) 通过土壤培养的方式研究了硫酸铵、氯化铵、硝酸铵三种氮肥对紫茉莉修复镉 污染土壤的效率的影响。研究结果表明，不同的氮肥处理下，紫茉莉的地上部生物量均随 着氮肥的添加量的增加而增加。但是，紫茉莉的生物量在相同的氮肥浓度下，随氮肥的种 类变化并未表现出明显的差异。从三种氮肥对紫茉莉富集镉的影响来看，硫酸铵和氯化铵 效果较硝酸铵明显。对于氮肥强化紫茉莉修复镉污染土壤的机制，一方面由于紫茉莉的富 集能力没有下降的情况下紫茉莉的生物量增加了，从而导致镉富集量增加。另一方面，随 着氮肥浓度的增加，n h 4 + 的含量也不断增加，这样n h 4 + 可以将土壤上吸附的c d 2 + 释放 出来，导致镉的有效态含量增加，但是这种交换作用可能起到的作用较小。另外铵态氮肥 的酸化作用本身也可以提高土壤中镉的活性而利于紫茉莉富集吸收。 ( 3 ) 在施加鸡粪强化紫茉莉修复污染土壤中镉的实验中，施加鸡粪后紫茉莉对c d 污染的耐性有较大程度的提高，但是植物在c d 浓度为1 0 、5 0m g k g _ 处理下对c d 积累的 特性不能很好的符合。而在镉投加浓度为1 0 0m g k g 。1 时则符合c d 超富集植物的基本特征。 施加鸡粪后，植物地上部c d 浓度有较大下降，但由于其生物量增加了1 6 8 1 倍，因此， 紫茉莉对c d 的提取率并未降低很多。同时在镉浓度为1 0 0m g k g 1 处理下其地上部对镉的 修复效率显著增加。这说明在高浓度镉污染区施用鸡粪具有明显提高植物提取效率的作 用。 关键词：紫茉莉、镉、超积累、强化修复、x a n e a b s t r a c t m i r a b i l i s j a l a p al h a sb e e ni d e n t i f i e da san e wc d h y p e r a c c u m u l a t i n go fo r n a m e n t a lp l a n t s p e c i e s p l a n t so fm i r a b i l i sj a l a p al w a su s e dt oi n v e s t i g a t et h ee n h a n c e m e n to fc d p h y t o r e m e d i a t i o n t h ee x p e r i m e n t si n c l u d et h ei n t e r a c t i o no fc da n dp ，a n dt r e a t m e n t so f d i f f e r e n tn i t r o g e ns p e c i c e s ，o r g a n i cm a n u r e t h ea i mo ft h i ss t u d yw a st oe n h a n c ec d p h y t o e x t r a c t i o n ( 1 ) t h er e s u l t so fp o te x p e r i m e n t st ot h ee f f e c to fpa n dc do nt h ec da c c u m u l a t i o na n d i t sm e c h a n i s mi nm i r a b i l i s j a l a p al i ns u m m a r y , i ti ss t a t e dt h a tb i o m a s s ( d r ym a t t e r ) o fl e a v e s ， s h o o t sa n dr o o t so fm i r a b i l i sj a l a p al i n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gps u p p l i e sf r o m2 0t o10 0 m g k g a tv a r i o u sc dl e v e l se x c e p t10m g k g 。1 ；c dc o n t e n t sa n da m o u n t so fc da c c u m u l a t e di n l e a v e sa n ds h o o t so fm i r a b i l i s j a l a p al s i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gpc o n c e n t r a t i o n s f r o m2 0t o5 0 0m g k g a tc dc o n c e n t r a t i o n s10a n d5 0m g k g ，b u tc dl e v e la t10 0m g k g 。1 h a v ed i f f e r e n tc h a r a c t e r s ；i tw a sa l s of o u n dt h a tw h e nc o n c e n t r a t i o n so fpw a s10 0m g k g ， t r a n s l o c a t i o nf a c t o ro fc di nm i r a b i l i sj a l a p al r e a c h e dm a x i m u ma td i f f e r e n tc dl e v e l s ，b u t b i o a c c u m u l a t i o nf a c t o rd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n go fp , i ti sm a yb ea sar e s u l to fpi m m o b i l i z i n g c d t h er e s e a r c ho fpk e d g exr a ya b s o r p t i o nn e a re d g es t r u c t u r es p e c t r a ( x a n e s ) o n m i r a b i l i sj a l a p al s h o w e dt h es p e c t r af o ra d s o r b e dp h o s p h a t ei ns h o o td i de x h i b i tas t r o n g e r w h i t e l i n ep e a kt h a nt h o s eo ft h el e a v e sa n dr o o t s ，a n dt h eo s c i l l a t i o nn e a r216 5e vw a sm o r e i n t e n s e b e s i d e s ，pke d g ex a n e ss p e c t r af o rm i r a b i l i s j a l a p al i n d i c a t e dpm a ye x i s ti ni ta s c d p h o s p h a t e i ns u m m a r y ，t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ea d d i t i o no fpa ta p p r o p r i a t ec o n t e n t sm a y b eu s e f u la p p r o a c ht o e n h a n c i n gt h eg r o w t ha n de f f e c t i v ei ni m m o b i l i z i n gc di n t h ec d c o n t a m i n a t e ds o i l s ，a n dpa n dc dm a yf o r m u l a t ed e p o s i ti np l a n t st ot o l e r a t ec dt o x i c i t yf o r r e d u c i n gt h ed e g r e eo ft h es t r u c t u r a ld a m a g e ( 2 ) t h er e s u l t so fp o te x p e r i m e n t st ot h ee f f e c to fa m m o n i u mc h l o r i d e ，a m m o n i u ms u l f a t e a n da m m o n i u mn i t r a t eo nt h ec da c c u m u l a t i o n ，i ns u m m a r y , i ti ss t a t e dt h a tb i o m a s s ( d r ym a t t e r ) o fm i r a b i l i s j a l a p al i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fd i f f e r e n tn i t r o g e nf e r t i l i z e rc o n t e n t s b u t d i f f e r e n tn i t r o g e nf e r t i l i z e rs p e c i e ss h o w e dn oo b v i o u sd i f f e r e n c eu n d e rt h es a m en i t r o g e n f e r t i l i z e rc o n t e n t s t h ee f f e c to fa m m o n i u mc h l o r i d ea n da m m o n i u ms u l f a t eo ne n h a n c i n gc d a c c u m u l a t i o ni nt h ea b o v e g r o u n do fm i r a b i l i sj a l a p al a r eo b v i o u sb e t t e rt h a na m m o n i u m n i t r a t e ，b u tf u r t h e rs t u d ys h o u l db et a k e nt op r o v et h ed i f f e r e n c e t h ep r e s e n te x p e r i m e n t i n d i c a t e dt h a tt h em e c h a n i c so fd i f f e r e n tn i t r o g e nf e r t i l i z e rs p e c i e se n h a n c i n gc da c c u m u l a t i o n s i na b o v e g r o u n do fm i r a b i l i sj a l a p al h a v et w op o s s i b l ei n t e r p r e t a t i o n o n er e a s o ni sw i t ht h e i n c r e a s i n gb i o m a s so fm i r a b i l i sj a l a p al t h ea c c u m u l a t i o n so fc di n c r e a s e d a n o t h e rp o s s i b l e e x p l a n a t i o ni st h a tt h ei n c r e a s e dc o n c e n t r a t i o no fn h 4 + i o n sr e d u c e dt h eb i n d i n go fc d 2 + a ts i t e mt h er o o tc e l lw a l l s t h en h 4 i na m m o n i u mf e r t i l i z e rm a y a l s oh a v ea 1 1e x c h a n g ee 脏c to n c d z * ，b u ti ti sp r o b a b l yl e s sf o ra m o n o v a l e n t h o w e v e r , a n yn i t r i f i c a t i o no ft h en h 4 + h a sa 1 1 a c i d i f y i n ge f f e c t ，w h i c hm a ye n h a n c ec d s o l u b i l i t y 【j ，r h er e s u l t so fp o te x p e r i m e n t st ot h ee f f e c to fc h i c k e nm a t u r eo n t h ec da c c u m u l a t i o n mm l 阳b i l i sj a l a p al s h o w e dt h a t ，f i r s t l y , t h eb i o m a s so fm i r 曲i l i s j q l 口阳l i n c r e a s e dw 1 n c r e a s l n gc h l c k e nm a t u r el e v e l ，a n di ti n d i c a t e dt h a ta d d i t i o no fc h i c k e nm a t u r ee n h a n c e dt h e a b l l l t yo fm i r a b i l i sj a l a p al t ot o l e r a n tc dt o x i c i t y s e c o n d l y , u n d e rc d 3t r e a t m e n t s w i t h a d d l 1 0 no fc h l c k e nm a t u et h ec da c c u m u l a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ( s u c h a st fa n db fe ta 1 1o f 朋2 阳删s ，啦阳l w e r ei na c c o r d a n c ew i t hc o n t r 0 1 b u tu n d e rc d la n dc d 2t r e a t m e n t s c d a c c u m u l a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f m i r a b i l i s j a l a p al s h o w e dd i 舵r e n c ew i t hc o n t r 0 1 t h i r d l v c d c o n c e n t r a t l o nd e c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n gc h i c k e nm a t u r ea p p l i c a t i o ni na b o v e g r o m l do f 慨6 船 酬印口l , b u ta c c u m u l a t i o n so fc dw e r en o tr e d u c e da sar e s u l to f i n c r e a s i n gb i o m a s s o nt h e b a s l so fa l la b o v em v e s t i g a t i o ni t c a nb et h o u g h ta d d i t i o no fc h i c k e nm a t u r en o t0 1 1 l vc a l l e n n a n c ec da c c u m u 上a t i o ni nm i r a b i l i sj a l a p al b u t a l s oc a nd e c r e a s e dc dp l a n t - a v a 【i l a b l e l ( e yw o l i d s ：m i r a b i l i s j a l a p 口l c d h y p e r a c c u m u i a t o ri n t e n s 岍n g r e m e d j a t i 蚰x a n e s 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 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，也不包含为获得吉林农业大学或其它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己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 学位论文储答名：j 志、回 答字嗍：kg “月媚 关于论文使用授权的说明 本人完全了解吉林农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。同意吉林农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文 的全部或部分内容。 学位论文作者签名：j 糸闺 签字日期： 瑚留年月d 日 导师签名： 签字r 期：五加g 年石月尼日 吉林农业大学硕士学位论文紫茉莉富集土壤中镉的机理及强化修复技术研究 1 前言 1 1 选题背景 c d 是一种稀有分散元素，它在地壳中镉平均含量为o 1 5m g k g 。未受污染的土壤中 c d 主要来源于其成土母质。在世界范围内，土壤中c d 的含量范围为0 0 1 - - - 2 m g k g ，中值 为0 3 5 m g k g 。其中r 本和英国土壤的背景值分别为0 4 1 3 m g k g 和0 6 2 m g k g ，我国的土 壤的背景值为0 0 1 7 - 0 3 3 m g k g 。 重金属进入土壤主要有两种途径：一是通过采矿、冶炼等工业产生的含重金属废弃物 进入土壤，另一是通过含重金属的工业污水灌溉、农药化肥的施用、固体废弃物堆放、粉 煤灰及污泥不合理使用。在我国，重金属己引起大面积土壤污染，辽宁、山东、河北、湖 南、江苏、安徽等省均受不同程度土壤重金属污染危害。从世界范围看，土壤受重金属污 染面积呈逐年扩大的趋势【l 】。我国江西大余矿区，株州冶炼厂和沈阳冶炼厂附近，北京东 南郊灌区和东北沈抚灌区都是十分严重的重金属污染区，主要的污染物有镉、铅、铜、锌、 汞、铬、砷等【2 1 。周秀艳等人对辽东湾潮间带采集的底质样品的c d 、p b 、c u 和z n 污染 程度进行了评价，结果表明，辽东湾潮间带重金属污染物主要是c d ，其次是c u 、z n 和 p b 。其中葫芦岛地区属于重金属污染较严重的地区。在沈阳张士灌区，农产品受重金属污 染的状况亦较严重【3 j 。 辽宁省是我国重要的老工业基地，其有色金属开采及冶炼在国民经济中占有很大比 重，其生产和加工过程中引发的重金属污染土壤问题具有以下两个突出的特点：一是铅锌 矿开采活动造成的环境污染，具有代表性的是辽宁风城青城子铅锌矿，污染类型主要有坑 口周围土壤中矿床矿物在水、气、热等环境因素长期作用下而形成的重金属污染较严重的 土壤，采矿废石堆放过程中因淋滤等原因造成的重金属污染土壤；含有较高浓度重金属的 矿山废水对土壤造成的污染等，其主要重金属污染物是c d 、p b 、z n ；二是工业污水灌溉 农田引发的重金属污染土壤，具有代表性的是我国发现最早，面积较大，而且污染又十分 严重的沈阳张士灌区污染土壤，其主要重金属污染物是c d 。因此，c d 是辽宁地区具有代 表性和急需治理的污染物【4 j 。 如此大面积的污染土壤采用传统的物理和化学方法均因经济或技术等原因难以实施， 而利用超积累植物修复重金属污染土壤的技术具有成本低，操作方便，可以大面积实施等 优点，是一项十分有前途的修复技术，因此开展超积累植物筛选、强化措施及耐性机理等 相关研究势在必行。 利用植物进行环境修复这一理论思想很早就存在了，大约3 0 0 年前，人们就认识到利 用一些水生或半水生维管植物吸收污水中p b 、c u 、c d 、h g 等重金属1 5 】。虽然植物学家很 早就发现了在富含重金属环境条件下生长着一些特殊植物，其中一些植物体内积累的重金 吉林农业大学硕士学位论文紫茉莉富集土壤中镉的机理及强化修复技术研究 属量远远超过了土壤中重会属的含量，但并未意识到将这类植物应用于环境污染的修复。 1 8 8 5 年b a u m a n n l 6 】手艮道了遏蓝菜属( t h l a s p ic a l a m i n a r e ) 植物茎叶中的z n o 含量达1 7 灰分，这是有关超积累植物的最早报道。1 9 3 5 年b y e r s 报道了紫云英属a s t r a g a l u s 的植物 地上部干物质中s e 含量可达0 6 。此后m i n g u z z i 和v e r g n a n o 在1 9 4 8 年报道了一种布氏 香芥( a l y s s u mb e r t o l o n i i ) 植物干物质中n i 的含量达1 ，灰分中则高达1 0 。以后的研 究证明这些植物是一些地方性的物种，其区域分布与土壤中某些重金属含量呈明显的相关 性，这些植物作为指示植物在矿藏勘探中发挥了一定的作用，同时重金属污染土壤上大量 地方性植物物种的发现也促进了耐金属植物的研究。在2 0 世纪5 0 - - 7 0 年代，植物的耐性 机理研究成为当时的研究热点【7 8 】，同时更多的能够富集重金属的植物相继被发现，例如 许多s e 、s i 、c d 、c u 和c o 的富集性植物远在植物修复概念出现以前就已为科学家所知。 1 9 7 7 年b r o o k s 等首次提出了超积累植物( h y p e r a c c u m u l a t o r ) 的概念。后来，随着重 金属超积累植物的陆续发现，b a k e r 和b r o o k s 在1 9 8 9 年重新定义了“h y p e r a c c u m u l a t o r 。 2 0 世纪8 0 年代前期，利用超积累植物清除土壤重金属污染这一思想提出后【9 j ，有关耐重 金属植物与超积累植物的研究逐渐增多，人们充分认识到超积累植物在环境修复中的作 用，植物修复作为一种治理污染土壤的技术被提出，应用范围逐渐扩及到空气与水体，并 以其安全、廉价等特点在国际上掀起了研究植物修复技术的高潮，一系列国际学术交流会 相继召开。以美国环保局公布的p h y t o r e m e d i a t i o nb i b l i o g r a p h y 为例，1 9 7 7 年相关文献仅7 篇，到1 9 9 7 年已增长到2 1 4 篇。1 9 9 9 年c r c 开始出版“p h y t o r e m e d i a t i o n ”国际期刊。美 国、英国都先后设立了植物修复公司，如美国的e d e n s p a c e 公司，专门从事土壤、水体中 重金属及放射性元素的植物修复商业化工作。目前，植物修复技术的市场以每年翻一番的 速度迅速发展。 花卉植物具有其它植物所不具备的特点，除了能够起到装饰和美化环境的作用，一些 具有特殊功能的花卉，如能够超量积累重金属的花卉，能够应用于重金属污染的土壤修复。 特别是现在，人们对环境的要求较高，不仅要满足人居要求，而且还要达到一定的美学标 准，因此，研究花卉在植物修复中的应用较有价值。但是，这方面的研究刚刚起步，相关 文献较少。刘云引1 0 1 对1 0 种花卉c d 积累情况的研究结果表明，在3 0 m g k g 。1 c d 的土壤中， 月季平均每天能积累1 7 8 7 6 m g k g c d ，且抗性好，可作修复植物，栀子、金盏菊、铺地 柏、夜来香的富集能力次之，只能作为土壤c d 污染修复的辅助修复植物；菊花、金橘、 六月雪的富集能力和抗性均较差，不宜作c d 污染修复植物。王晓飞，周启星等【l l 】通过1 4 种花卉盆栽实验发现，黄蜀葵、醉蝶、金盏菊、凤仙、蜀葵和紫茉莉6 种植物对c d 表现 出较强的耐性，说明花卉植物在整体上较有耐重金属的潜力，对重金属污染土壤修复在资 源上具有较大潜力。 将花卉植物应用于污染土壤修复方面的研究应该说是刚刚兴起，但是我f f - 去n 看到了巨 吉林农业大学硕士学位论文紫菜莉富集土壤中镉的机理及强化修复技术研究 大的潜力。花卉植物由于可以美化环境，且种植在污染土壤后不会进入食物链，因此，如 果发现其对污染物耐受性良好或是能够在体内积累某种污染物，可以说是比较理想的修复 植物，尤其是针对中等或大面积的土壤污染。 紫茉莉现己被确定为镉的超积累植物【1 2 1 ，紫茉莉对镉的耐性较强，富集浓度最高可达近 5 0 0m g k g ，紫茉莉在中、低浓度镉污染土壤中可取得较好的修复效果。因此对其吸附机 理的研究意义十分重要，从而为提高植物的富集效率提供基础。 1 2 目的和意义 1 2 1 超积累植物数量和种类有限 已发现4 0 0 多种，但n i 约为3 0 0 多种，c o2 6 种、c u2 4 种、s e1 9 种、z n1 6 种、 m n11 种，c d6 种：天蓝遏兰菜、拟南芥、宝山堇菜、龙葵( s o l a t l u mn i g r b l ml ) 、球 果萍菜 ( r o r i p p ag l o b o s a ( t u r c z ) t h e l l 】、紫茉莉( m i r a b i l i s j a l a p al ) 。 1 2 2 现有超积累植物存在的问题 修复效率低、植物积累的重金属有限、修复周期长、植物修复的生物量处理是世界性 难题，利用转基因技术构建理想的修复植物的研究进展缓慢，植物修复技术进行大面积的 污染土壤修复。 1 2 3 紫茉莉用于修复镉污染土壤的特点 紫茉莉为紫葳科、紫茉莉属的一年生草本植物，实验结果表明，紫茉莉能够在被重金 属c d 污染的土壤上j 下常生长，没有任何中毒症状，不但具有很强的耐性，而且土培盆栽 实验条件下紫茉莉的地上部c d 含量最大值为1 1 3 5 4 m g k g ，超过了c d 超积累植物应达 到的临界含量标准1 0 0m g k g ；水培条件下地上部c d 含量最大值更高，达到了5 3 9 8 7 m g k g ，说明紫茉莉对c d 具有非常强的积累能力。更重要的是，它还具有较强的转移能 力，可将土壤中的重金属污染物c d 有效地转移到地上部，尤其是对于紫茉莉来说叶子的 积累能力最强，而紫茉莉的叶子占其地上部干重的4 5 6 ，可见叶子是紫茉莉积累c d 的 最重要器官，这对花卉植物来说是非常难得的。紫茉莉还具有较强的富集能力，各个处理 的富集系数都大于1 。因此实验结果证明，紫茉莉为镉超积累花卉植物。其在整个瓮栽实 验生长期间没有发生任何病虫害现象，具有较强的抵制自然灾害能力，这有利于提高修复 效率，并且它属于常见花卉植物，栽培方法也较简单，方便了修复工作的实施。紫茉莉为 观赏性植物，一般情况下不会进入食物链，可避免食用造成对人体健康的危害。由此可见， 紫茉莉在污染土壤修复中的应用应该是完全可行的。人类在长期的农业生产中，积累了丰 富的花卉栽培经验，如果在栽培花卉时能够与经典的花卉栽培工艺或能改善生物量的调控 措施相结合，有望提高籽实的重金属含量。这样，地上部的重金属含量还可以增加。紫茉 莉在进行土壤修复的同时美化了环境，一举两得。随着人民生活和社会消费水平的不断提 吉林农业大学硕士学位论文紫菜莉富集土壤中镉的机理及强化修复技术研究 高，紫茉莉的商品价值将会越来越大。 1 3 国内外研究进展 1 3 1 超积累植物吸收重金属的生理及分子机制 重金属跨根细胞膜运输土壤中的重金属离子进入植物体内的第一步是根系吸收，无论是 普通植物或是超积累植物，大部分金属离子都是通过专一或通用的离子载体如( 转运蛋白) 进入根细胞的。l a s a t 等l l3 j 通过比较超积累植物t h l a s p ic a e r u l e s c e n s 和非超积累植物t h l a s p i a r v e n s e 对z n 2 + 的吸收动力学，研究发现两者的根系在z n 2 + 吸收的饱和吸附阶段具有相似 的米氏常数( k m ) ，但两者的最大吸收速率( v m a x ) 差异明显，前者是后者的4 5 倍，进 一步研究发现，两种植物对z n 2 + 具有相似的亲和力，不同的是t h l a s p ic a e r u l e s c e n s 在单位 鲜重的根系细胞膜上分布更多的z n 2 + 转运蛋白，从而使植株具有对z n 的超积累特性。此 外，超积累植物对重金属的吸收有很强的选择性，只吸收和积累生长介质中一种或几种特 异性金属，解释这种选择性积累的可能机制是：在金属跨根细胞膜进入根细胞共质体或跨 木质部薄壁细胞的质膜装载进入木质部导管时，由专一性转运蛋白或通道蛋白调控。 重金属在根共质体内运输及分室化重金属进入根系后，可贮存在根部或运输到地上部。 重金属由根系进入木质部至少需要3 个过程：进入根细胞，由根细胞运输到中柱，装载到 木质部。在内皮层由于凯氏带的存在，离子不能通过，只有转入共质体后才能进入木质部， 因此重金属在内皮层的共质体运输是转运到地上部的限制性步骤。重金属进入根细胞质 后，与细胞质中的有机酸、氨基酸、植物螯合肽等结合，然后通过液泡膜上的转运蛋白转 入液泡中。例如z r c l 和c o t l 蛋白是z n 区室化相关蛋白，可以把z n 运输到液泡中，从而 起到解毒的作用。超积累植物的液泡膜上可能存在一些特殊运输体，可以把暂时贮存在液 泡中的重金属装载到木质部导管以利于向地上部运输。总之，在根共质体运输中起关键作 用的是跨膜的金属转运蛋白。 木质部运输金属离子从根系转移到地上部主要受两个过程调控：从木质部薄壁细胞转载 到导管和在导管中运输，后者主要受根压和蒸腾流的影响。目前对于阳离子在木质部的装 载过程还不十分明确，但研究者一致认为，它是与根细胞吸收离子相独立的一个过程。有 资料表明，木质部装载过程的能量来自木质部薄壁细胞膜上的h + a t p a s e 产生的负性跨膜 电势，阳离子在木质部的装载可能通过阳离子质子反向运输体、阳离子a t p a s e 和离子通 道。在超积累植物中，可能存在更多的离子运输体或通道蛋白，或者存在一种专一的膜转 运过程，促进重金属向木质部装载，但目前还缺乏直接证据。 通常木质部细胞壁的阳离子交换量较高，阻碍重金属离子的向上运输，但在超积累植 物木质部内存在大量的有机酸和氨基酸，它们能够与金属离子结合，是重金属离子在木质 部中运输的主要形式，并且这种复合体在蒸腾流中的运输速率很高。譬如在木质部，f e 主要是以柠檬酸铁的形式存在，z n 主要是与柠檬酸或节果酸结合，而c u 随着植物不同可 4 吉林农业大学硕士学位论文紫茉莉富集土壤中镉的机理及强化修复技术研究 与天冬酰胺酸、谷氨酸、组氨酸或炯碱结合，x 一射线吸收精细结构分析表明印度芥菜中有 机酸参与了c d 在木质部的运输，当然也有许多是以离子形态存在的，如c a 、m g 、m n 。 在超富集植物中研究较多的为组氨酸。k r o n e r 等【1 4 】发现，在1 0 - 3 _ 1 0m m o l l 。1 n i 处理范围 内，香荠a l y s s u ml e s b i a c u m 木质部n i 含量与组氨酸含量呈直线正相关，并通过扩展x 射线吸收精细结构光谱直接证实木质部n i 与组氨酸结合在一起。然而，最近的研究表明， 组氨酸反应很可能并不是n i 超积累植物的普遍机理。p e r s a n s 纠”】在研究n i 的超累积植 物t h l a s p ig e o s i n g e n s e 时并没有发现h i s 反应，同时他们克隆了控制h i s 合成的关键酶基 因t h g l 、t h b l 、t h d l ，其表达丰度与n i 处理水平和时间无关；而且n i 处理后，植物根系、 地上部和伤流液中组氨酸含量并没有增i i i ；x 射线吸收光谱分析也表明，遏蓝菜和非超积 累植物遏蓝菜属t h l a s p ia r v e n s e 的根系和地上部组织中n i 与组氨酸的大量合成无关。 重金属在叶细胞中运输及分室化在组织和细胞水平，重金属在超积累植物的叶片中都存 在区隔化分布。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；在 细胞水平，重金属主要分布在质外体和液泡中。k r a m e r 等【l6 】研究表明，在非致死的n i 供 用水平下，n i 超积累植物遏蓝菜( t h l a s p ig o e s i n g e n s e ) 液泡和胞质中n i 分别主要与柠檬 酸和组氨酸结合，这可能是胞质中的n i 与组氨酸或组氨酸类似物结合形成复合物，然后 在液泡转运蛋白作用下跨液泡膜运输，转移到液泡后以n i 柠檬酸复合物形式贮存，从而 起到解毒的作用。利用电子探针和x 射线微分析法发现t h l a s p ic a e r u 胞s c e n s 叶片中z n 主 要以晶粒形态积累在表层细胞和亚表层细胞的液泡中。s a l t 等【l7 j 利用x 射线吸收光谱分析 zc a e r u l e s c e n s 体内z n 的结合基团，发现地上部z n 柠檬酸结合态占3 8 ，草酸结合念占 9 ，组氨酸结合态占1 6 ，细胞壁结合态占1 2 ，其余则以游离的水合阳离子形态存在。 k i p p e r 等i l8 j 最新研究结果表明，在7 = c a e r u l e s c e n s 成熟及衰老的叶片中，所积累的c d 大 部分以c d 有机酸复合物的形式贮存在表皮细胞的液泡中。以上研究说明，z n c d 跨细胞 质膜运输并贮存在液泡中，是zc a e r u l e s c e n s 超积累z n c d 的一个重要机制，但z n c d 以 何种形态、方式跨叶细胞质膜和液泡膜运输，其在液泡中贮存形态等方面还不明确。 以上研究表明，跨膜的金属转运蛋白可能决定性的参与了重金属在根部的吸收、木质 部的装载与卸载以及液泡的区室化，特别是在叶片的表皮细胞、表皮毛及气孔保卫细胞， 但在木质部中尚未克隆到与重金属离子运输相关的基因。现在转运蛋白的研究主要集中于 根系，叶片中转运蛋白研究相对较少，对超积累植物而言，重会属离子在叶片的含量要远 远高于根系，叶片中的转运蛋白可能起到更为主要的作用。 1 3 2 对重金属的解毒 有机酸有机酸是一类重要的金属螯合物。它是一种带有一个或多个羧基功能团的低分子 量的碳氢氧化合物，广泛存在于植物体内和根际环境中，作为金属元素的配基与之形成稳 定的复合体，将离子态的金属转变成低毒或无毒的螫合态形式，参与金属的吸收、运输、 贮存和解毒等生理代谢过程。另外在植物体外环境，特别是根际环境中，植物根系分泌的 气 吉林农业大学硕士学位论文紫茉莉富集土壤中镉的机理及强化修复技术研究 低分子量有机酸( 1 0 w m o l e c u l a r - w e i g h to r g a n i ca c i d s 、l m w o a ) 在土壤中金属离子的可 溶性和有效性方面也起着重要作用。植物体内或根际区域发现的螯合金属的有机酸主要包 括：草酸( o x a l i ca c i d ) 、苹果酸( m a l a t ea c i d ) 和柠檬酸( c i t r i ca c i d ) d 9 1 。 根系分泌有机酸解毒机理根系分泌的有机酸在金属污染的土壤中可以改变金属的化学 行为与生态行为，从而改变金属的有效性和对植物的毒性。一方面，有机酸与根际中某些 游离的金属离子螯合形成稳定的金属螫合物复合体，以降低其活度，从而降低土壤中金属 的移动性，达到体外解毒的目的，这是植物对金属避性机制的体现；另一方面，有机酸可 以通过多种途径活化根际中有毒的金属，使之成为植物可吸收的状态，有利于植物吸收利 用，增强植物抗环境胁迫的能力，这表现为植物对金属的积累性，是植物耐性机制的体现。 根系分泌物中有机酸活化有毒金属的可能机理有以下几个方面：( 1 ) 络合溶解作用，在溶 解时节果酸和柠檬酸都能与某些会属离子如c d 2 + 、p b 2 + 、c u 2 + 、z n 2 + 形成稳定的络合物， 增加金属的生物有效性和毒性，但有机酸和金属之间的络合反应与土壤类型有十分密切的 关系；( 2 ) 酸溶解作用，由于植物分泌有机酸，使根际p h 明显降低，从而促进了难溶性矿 物的溶解，提高金属元素的有效性；( 3 ) 还原活化作用，包括根际土壤中微生物的活动明 显高于非根际土壤，使根际土壤的氧化还原电位明显低于非根际土壤，由于氧化还原电 位的下降，使土壤中如f e 、m n 的变价金属还原，提高了它们的有效性1 2 。 最近的研究发现，有机酸在植物耐铝胁迫( 分为外部解毒和内部解毒机制) 中发挥重 要作用。在铝存在条件下，植物根系产生许多种有机酸，但仅一些专一性的有机酸被分泌 到根际区域。不同的植物种类其分泌的有机酸种类不同，如在铝处理下，荞麦( f a g o p y r u m e s c u l e n t u mm o e n c hc v j i a n x i ) 和芋头( c o l o c a s i ae s c u l e n t a ) 根系分泌草酸，玉米( z e am a y s ) 分泌柠檬酸，油菜( b r a s s i c ac a m p e s t r i s ) 、燕麦( a v e n as a t i v a ) 、萝卜( r a p h a n u ss a t i v u s ) 分泌苹果酸和草酸。在铝的体外解毒过程中，许多植物种类，例如小麦( t r i t i c u ma e s t i v u m ) 、 黑麦( s e c a l ec e r e a l e ) 、菜豆( p h a s e o l u sv u l g a r i s ) 、玉米、荞麦和芋头等根系均能分泌有 机酸，如柠檬酸、草酸、苹果酸等螯合根际区域中的a 1 3 + ，与之形成稳定的复合体，阻止 其进入植物根尖，从而达到植物体外解除铝毒害效应的目的【2 1 。2 引。目前从有机酸在根系分 泌位点的研究报道来看，普遍认为根尖是有机酸的主要分泌位点，同时也是铝毒害的最初 位点。在某些情况下，铝可刺激耐铝型植物种类和作物品种分泌有机酸，且随着外界铝浓 度的增加，分泌的有机酸呈现增加的趋势【2 3 】。g a l l a r d o 等【2 4 】研究发现在铝胁迫下，耐铝型 大麦h o r d e u mv u l g a r e 品种根系分泌的柠檬酸和节果酸含量均大幅度增加。p e l l e t 等1 2 5 j 报道 耐铝型玉米品种分泌的柠檬酸是敏感型的1 0 倍。l a r s e n 等1 2 6 j 研究发现与a r a b i d o p s i s t h a l i a n a 野生型相比，a t h a l i a n a 的耐铝型突变体可分泌更多的苹果酸和柠檬酸。z h e n g 等 1 27 j 在5 种植物的8 个品种内对铝的忍耐程度和铝诱导的有机酸分泌的数量间关系进行检 验，结果发现高水平有机酸的连续分泌与作物对铝的高度忍耐有关。p a p e m i k 等1 2 8 j 在中国 春小麦对铝抗性的研究中发现，不同基因型的小麦品种对铝的忍耐程度与铝诱导根系分泌 6 吉林农业大学硕士学位论文 紫茉莉富集土壤中镉的机理及强化修复技术研究 的苹果酸的数量呈极好的相关性。f u e n t e 等1 2 9 1 将从细菌中分离的柠檬酸盐合酶基因转入烟 草( n i c o t i a n at a b a c u m ) 和番木瓜树( c a r i c a p a p a y a ) 中，在3 5 s 启动子控制下使之过量 表达，结果发现两种转基因植物根系中柠檬酸盐含量增加，根系分泌的柠檬酸盐量也随之 增加，从而极大的增强了两种植物对铝的耐性，证明过量表达金属螫合物基因足以得到从 根部分泌出大量金属螯合配位体。 根系分泌的有机酸如草酸、柠檬酸、酒石酸和琥珀酸可以活化污染土壤中p b 、z n 、 c d 和c u 等重金属，各种有机酸对c d 的活化能力最