（环境工程专业论文）铬Ⅲ胁迫下李氏禾抗性生理研究.pdfVIP

桂林理工大学硕士学位论文 摘要 本研究通过水培试验，从铬超富集植物李氏禾在铬胁迫下的抗氧化酶系 统和组织结构变化的反应，以及在外源草酸作用下对生长反应、其叶片中叶 绿素含量、细胞膜透性等的生理影响，探讨了外源草酸在李氏禾铬胁迫中的 解毒机制，以期为进一步解释李氏禾对铬的耐性机制提供更多的理论支持。 现将本研究的主要结果总结如下： 1 铬胁迫下李氏禾根叶中草酸含量的变化。 随着铬浓度的提高，李氏禾根部和叶片中草酸的含量呈现出先升高后降 低的趋势，并且都在铬浓度为6 0 m g l 时达到最高值，叶片中草酸的含量高于 根部草酸的含量。 2 外源草酸对高铬胁迫下的李氏禾的有毒作用。 铬胁迫下外加草酸可以缓解铬对李氏禾的毒害作用，但并不是草酸本身 对李氏禾的生长有促进作用，表现在铬、草酸单独作用时，与对照组相比， 李氏禾生物量、根长、分蘖数、植株长、叶绿素含量等各项指标都显著下降， 细胞膜透性增加；当草酸与铬( 摩尔浓度比为l ：o 4 ) 协同作用时，李氏禾生 物量、根长、分蘖数、植株长、叶绿素含量等各项指标都有不同程度的增加， 细胞膜透性减小。 3 c r 胁迫对李氏禾抗氧化酶活性有显著影响。 ( 1 ) 低剂量和中剂量铬胁迫下李氏禾的生长虽然受到抑制，但是还能维持 基本生长，当铬浓度大于6 0 m g l ，其生长受到严重的抑制，植株矮小，叶片 发黄枯萎、卷曲，根短并呈现黑色，其分蘖数及根长仅为对照4 2 和4 2 8 。 ( 2 ) 当浓度在0 6 0 m g l 时，随着铬胁迫浓度的增加，保护酶s o d 、p o d 、 c a t 的活性随之增加，当浓度大于6 0 m g l 后明显下降的动态变化；叶片中 s o d 、c a t 的活性高于根部，而叶片中p o d 的活性低于根部。说明李氏禾在 铬胁迫下启动了保护酶系统来清除细胞内活性氧自由基，增强了机体的防御 功能和抗性，但是这种保护作用是有一定限度的。 4 c r 胁迫对李氏禾组织结构的影响。 相比较受铬污染的根、叶与正常的根的组织结构没有显著差异，但是当 铬浓度为6 0 m g l ，污染茎中的维管束的空腔体积减小，导致维管束缩小； 6 0 m g l 铬处理时叶的平均铬含量比3 0 m g lc r ”处理时有所降低，转移系数 也由0 2l 降到0 0 9 ，茎部减少了铬的输送，从而减少了铬向地上部分运输， 保护地上部分受到高浓度铬的伤害。 关键词：李氏禾：铬；草酸；抗氧化酶 桂林理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t i no r d e rt os t u d yt h ec r ( i i i ) a c c u m u l a t i o nm e c h a n i s mo fl e e r s i ah e x a n d r a s w a r t z ， ac h r o m i u m h y p e r - a c c u m u l a t i v es p e c i e s ，h y d r o p o n i c c u l t u r e e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt os t u d yt h ee f f e c t so fa n t i o x i d a n te n z y m ea n d t i s s u es t r u c t u r eu n d e rt h ec r ( i i i ) s t r e s s c r ( i i i ) a n do x a l i ca c i d s i n g l ea n d c o m b i n e dp o l l u t i o no nt h eg r o w t h ，m e m b r a n el i p da n dc h l o r o p h y l l c o n t e n t ， d i s c u s s e de x o g e n o u so x a l a t ed e t o x i c a t i o nm e c h a n i s m so fl h e x a n d r as w a r t z u n d e rc r ( i i i ) t r e a t m e n t i no r d e rt of u r t h e re x p l a i nt o l e r a n c em e c h a n i s m si n t h e o r e t i c a le v i d e n c eo fl h e x a n d r as w a r t zu n d e rc r ( i i i1 s t r e s s t h em a j o r r e s u l t sw e r e ss m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h ec o n t e n tc h a n g e so fo x a l i ca c i di nl e a fa n dr o o to fl h e x a n d r au n d e r c r ( i i i ) s t r e s s o x a l i ca c i dc o n t e n ti n1 e a fa n dr o o to fl h e x a n d r aw e r eb o t hi n c r e a s e dw i t h t h ei n c r e a s eo fc r ( i i i ) c o n c e n t r a t i o n ，a n db o t hr e a c h e di t sm a x i m u ma t6 0 m g l t h eo x a l i ca c i dc o n t e n ti nt h el e a fw a sh i g h e rt h a nt h a to fr o o t 2 o x a l i ca c i dh a ds o m ed e t o x i c a t i o ne f f e c to nl h e x a n d r au n d e rc r ( i i i ) s t r e s s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea l l e v i a t i n ga c t i o no fo x a l i ca c i dw a sn o ta p r o m o t i n ge f f e c to fo x a l i ca c i di t s e l fo nt h eg r o w t ho fl h e x a n d r a i td i s p l a y e d m a i n l y ：w h e nc r ( i i i ) o ro x a l i ca c i ds t r e s ss i g n i f i c a n t l y ，b i o m a s s ，t h el e n g t ho f r o o t ，t i l l e rn u m b e r ，p l a n th e i g h ta n dc h l o r o p h y l lc o n t e n tw e r es i g n i f i c a n t l y i n h i b i t e d ( p 0 0 5 ) c o m p a r e d t oc o n t r o l ，a n dc e l lm e m b r a n e p e r m e a b i l i t y i n c r e a s e d h o w e v e r ，w h e nc r ( i i i ) a n do x a l i ca c i dc o m b i n e dp o l l u t i o n ，b i o m a s s ， t h el e n g t ho fr o o t ，t i l l e rn u m b e r ，p l a n th e i g h ta n dc h l o r o p h y l lc o n t e n ti n c r e a s e d a td i f f e r e n td e g r e e ，a n dc e l lm e m b r a n ep e r m e a b i l i t yw a sd e c r e a s e ds o m e w h a t 3 c r ( i i i ) h a das i g n i f i c a n te f f e c to na n t i o x i d a n te n z y m ea c t i v i t yo f 三h e x a n d r a ( 1 ) i nl o w - d o s e ( o 一3 0 r a g l ) a n dm i d d l e - d o s e ( 3 0 - 6 0m g l ) c r ( i i i ) s t r e s s ， p l a n t sc o u l dg r o wc o n t i n u o u s l y ，a l t h o u g hs l o w e rt h a nt h ec o n t r o lp l a n t s b u ti n h i g hc o n c e n t r a t i o n ( 6 0 - 10 0m g l ) ，t h ep l a n tg r o w t hw a si n h i b i t e do b v i o u s l y ， d w a r f i s hs t e m ，y e l l o w w r i n k l e da n ds m a l l i s hl e a v e s ，n o d u l e so nr o o td i s e a s e s a n ds p a r s ef i b r e t h er e s u l ts h o w e dt h a tc o m p a r e dw i t ht h ec o n t r o le x p e r i m e n t ， t h es t e mn u m b e ra n dr o o tl e n g t hr e s p e c t i v e l yr e d u c e di n4 2 a n d4 2 8 ( 2 ) t h ea c t i v i t y o f s u p e r o x i d ed i s m u t a s e ( s o d ) ，p e r o x i d a s e ( p o d ) a n d c a t a l a s e ( c a t ) w e r ef i r s ti n c r e a s e da st h ec o n c e n t r a t i o no fc r ( i i i ) w a sg r e a t e ra t i i o 6 0 m g l ，a n dt h e nd e c r e a s e dw h e n t h ec o n c e n t r a t i o no fc r ( i i i ) w a sg r e a t e rt h a n o re q u a lt o6 0 m g l t h ea c t i v i t i e so fs o da n dc a t i nl e a fw e r eh i g h e rt h a nt h a t o f r o o t 0 nt h ec o n t r a r y ，t h ea c t i v i t yo fp o d i nl e a fw a sl o w e rt h a nt h a to fr o o t t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ep l a n tc a ns t a r tp r o t e c t i v ee n z y m es y s t e mt oc l e a ro u t r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e so fp l a n tc e l l ，a n di m p r o v e d d e f e n s ef u n c t i o na n d r e s i s t a n c e b u tt h i sp r o t e c t i v ee f f e c tw a sd e p e n d e n to nt h ed o s eo fc r ( i i i ) 4 t h ee f f e c to ft i s s u es t r u c t u r ei nl h e x a n d r au n d e rc r ( i i i ) s p r e s s t h er e s u t si n d i c a t e dt h a tt h eb i o m a s so fl h e x a n d r aw i t hc h r o m i u ms t r e s s i sn o ta p p a r e n t l yd i f f e r e n tf r o mc o n t r o lp l a n t ，a sw e l la st h ec o n s t r u c t i o no f r o o t a n d1 e a v e h o w e v e r ，s t e mv a s c u l a rb u n d l eo fl h e x a n d r ae x p o s e dt o6 0 m g l c h r o m i u mi ss m a l l e rt h a nt h a to fc o n t r o l ，a n dt r a n s f e ri n d e xd e c r e a s e sf r o m1 0 7 t o0 0 9a c c o r d i n gt oi m p r o v i n gc rc o n c e n t r a t i o n ，w h i c hi n d i c a t e st h a tw h e n l e e r s i ah e x a n d r ai si ng r e a tc o n c e n t r a t i o nc r ，i t st r a c h e aw i l lc o n t r a c t ，w h i c h r e s u l t si nd e c r e a s i n gi nu p t r a n s i t ，s ol h e x a n d r ac a ng r o ws t i l l f r o mh i s t o l o g y ， t h i ss t u d yc a np r o v et h a tl h e x a n d r ai sac h r o m i u mh y p e r a c c u m u l a t o r k e yw o r d s ：l h e x a n d r a ；c h r o m i u m ；o x a l i ca c i d ；a n t i o x i d a n te n z y m e i i i 独创性声明 本人声明：所呈交的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 含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者( 签字) ： 签字日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 桂林理工大学) 有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许 论文被查阅和借阅。本人授权( 桂林理工大学) 可以将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、 汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学 位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：加歹年6 导师签字： 辩嗍可年啪日 茹一丘一量l盈醴鞋 断日障刖 桂林理工大学硕士学位论文 第1 章前言 土壤是人类赖以生存发展所必需的生产资料，也是人类社会最基本最重 要、不可替代的自然资源之一。然而近年来，随着工业化的发展、城市化进 程的深入，土壤环境污染日益严重。重金属污染是当今土壤污染中，面积最 大、危害最严重的环境问题之一。我国土壤环境污染不断加剧，土壤环境质 量变化较大，新的有毒有害化学物质的出现，使土壤环境污染物种类和数量 不断增加、发生的地域和规模在逐渐扩大，危害也进一步深入。因此，土壤 生态环境安全己成为我国可持续发展的制约因素。含重金属污水的农田灌溉、 污泥的农业利用、肥料的土壤施用以及矿区飘尘的沉降，使我们地球上的许 多土壤己经或即将被金属污染。世界上，金属污染的土壤不是在逐渐减少而 是在不断增加，这己成为深受全球关注的环境问题。 土壤中的重金属污染，不仅退化土壤肥力，降低作物产量与品质，而且 参与土壤一一植物系统的循环，通过植物的吸收在植物的根、茎、叶及籽实 中大量积累，还可通过动物的取食进入食物链，严重危及动物和人类的健康； 尤为严重的是，有毒重金属在土壤系统中所产生的污染过程具有隐蔽性、长 期性和不可逆性的特点。随着土壤重金属污染问题越来越突出，重金属在土 壤一一植物系统中的迁移转化规律也日益引起了国内外土壤学家、植物病理 学家、植物生理学家以及环境学家的关注。因此，重金属污染土壤修复技术 的研究具有重大的现实意义。 1 1 铬的性质及污染途径 1 1 1铬的化学性质 17 9 7 年法国n l 沃克兰从西伯利亚红铅矿( 即铬铅矿) 中发现一种新元 素，次年用碳还原法制得这种金属( 铬) 。因为铬可以形成多种颜色的化合物， 便用希腊文c h r o m o s ( 含义是颜色) 命名为c h r o m i u m t 。其化学符号为c r ， 原子序数2 4 ，原子量51 9 9 6 1 ，属周期系b 族。铬是钢灰色有光泽的金属， 熔点l 8 5 7 ，沸点2 6 7 2 ，2 0 时的密度，单晶为7 2 2 9 c m 3 ，多晶为 7 14 9 c m 3 。有延展性，但含氧、氢、碳和氮等杂质时变得硬而脆。铬在地壳 中的含量为1 0 10 q ，最重要的矿物为铬铁矿。 铬的化学性质不活泼，常温下对氧和水汽都是稳定的，铬在高于6 0 0 时开始和氧发生反应，但当表面生成氧化膜以后，反应变缓慢，当加热到l2 0 0 桂林理工大学硕士学位论文 时，氧化膜被破坏，反应重新变快。高温下，铬与氮、碳、硫发生反应。 铬在常温下就能和氟作用。铬能溶于盐酸、硫酸和高氯酸，遇硝酸后钝化， 不再与酸反应。铬能与镁、钛、钨、锆、钒、镍、钽、钇形成合金。铬及其 合金具有强抗腐蚀能力。 铬原子的基态电子构型为 c r 3 d 5 4 s 1 】，原子中的6 个价电子都可以成键， 从一2 到+ 6 都有，但是，最常见的是0 、+ 2 、+ 3 和+ 6 ，其中二价铬离子是强 还原剂，在空气中，二价铬相当不稳定，能迅速地氧化成三价铬，因此，在 生物体内极少可能存在。 常见的铬化合物有三价态和六价态的。六价铬的化合物有：重铬酸钾、 重铬酸钠、重铬酸氨和三氧化铬。三价铬化合物有氧化铬、氯化铬和硫酸铬 等。六价铬离子具有较高地正电荷和较小的半径( 0 5 2xl0 1 1 m m ) 。因此， 不论在晶体还是溶液中都不存在简单的六价铬离子，而总是以酸根阴离子形 式存在。其中，六价铬主要与氧结合成( c r 0 4 2 。) 或重铬酸盐( c r 2 0 72 。) ，是 很强的氧化剂。在酸性溶液中，这些离子很容易还原成三价离子。 铬酸盐在酸性溶液中存在以下平衡： 2 c r 0 4 2 - + 2 h + 与c r 2 0 7 2 + h 2 0 c r 0 4 2 - 是铬酸根离子，在溶液中为黄色。c r 2 0 7 2 - 是重铬酸根离子，在溶 液中为橙红色。此反应的平衡常数k = 1 10 1 4 ，表明在酸性溶液中c r 2 0 72 。占 优势，在碱性溶液中c r 0 4 2 占优势。碱金属的铬酸盐都易溶于水，是强氧化 剂。 三价铬是最稳定的氧化态，也是生物体内最常见的一种。但是，在碱性 溶液中却有较强的还原性，较易被氧化。三价铬离子形成配位化合物的能力 很强，在水溶液和含有结晶水的盐中，c r ”与h 2 0 形成水络离子，c r ( h 2 0 ) 6 ” 是紫色，其盐一般是水溶性的，水溶液亦呈紫色。如果c r ( h 2 0 ) 6 3 + 的l - 2 个 配位水分子被c l 。、或n 0 3 。替代，往往呈绿色。而无水的三价铬盐一般是多 核或复核络合物，在水中溶解速度慢，是难溶的。 1 1 2铬的污染途径 铬盐和金属铬作为重要的工业原料，主要用于冶金、化工、电镀、制革、 制药及航空工业，用作防水、防腐及催化、耐磨剂等，在国民经济建设中起 着重要作用。据商业部门统计，全国有10 的商品品种与铬盐有关【2 1 。这些 2 桂林理工大学硕士学位论文 工业部门分布点多而广，每天排出大量含铬废水。因此污染环境的铬主要来 自含铬金属工业部门排放的三废。大气和水是污染土壤的媒介，大气污染物 通过沉降、降水、溶解进入土壤；水中的污染物通过灌溉、排污及地下水污 染土壤。土壤中重金属污染物来源主要有以下几种： 1 1 2 1 大气中重金属沉降 从铬工业区吹来的大气中含铬颗粒的沉降或被雨水冲刷到土壤中是土壤 中铬污染的主要来源之一。大气中的重金属主要来源于工业生产、汽车尾气 排放及汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘等。它们主要分 布在工矿的周围和公路、铁路的两侧。大气中的大多数重金属是经自然沉降 和雨淋沉降进入土壤的。例如一生产含铬化合物的工厂，日排铬约 15 0 2 0 0 k g ，距工厂5 0 0 m 处，大气含铬约为7 0l ag m j ，到1 k m 处才降到1 0 l a g m 3 以下【3 1 。 1 1 2 2 农药、化肥和塑料薄膜使用 在阿根廷由于传统无机磷肥的放入，进而导致土壤重金属c d 、c r 、c u 、 z u 、n i 、p b 的污染1 4 】。此外1 5 】，重金属元素是肥料中报道最多的污染物质。 我国磷肥中含有较多的有害重金属，其中砷的污染较严重。肥料中c r 、p b 元素以及a s 元素含量较高，且土壤的环境容量( c r 、a s ) 又较低，可能会引起 土壤中c r 、a s 的较快积累。 1 1 2 3 污水灌溉 灌溉用水和河水中铬的沉淀被土壤吸附也是土壤中铬的来源之一。污水 灌溉一般指使用经过一定处理的城市污水灌溉农田、森林和草地。由于城市 工业化的迅速发展，大量的工业废水涌入河道，使城市污水中含有的许多重 金属离子，随着污水灌溉而进入土壤。据统计，19 9 5 年中国工业废水的总排 放量为2 2 2 亿吨，达标率仅为5 5 。工业废水中含有大量的重金属等污染物， 全年共排放汞l3 4 4 吨，锡2 0 2 3 4 吨，六价铬3 3 0 9 3 吨。尤其我国北方地区 严重缺水，北京、天津、沈阳、西安、长春等工业城市周边农田污灌较为普 遍【6 1 。由于城市工业的迅速发展，我国的污灌面积也在迅速地扩大，19 6 3 年 统计我国的污灌面积为4 2x10 4 h m 2 ，而19 91 年就发展到3 0 6xl0 6 h m 2 【7 1 。 其中遭受重金属污染土地面积占污水灌区面积的6 4 8 ，其中轻度污染的占 4 6 7 ，中度污染的占9 7 ，严重污染的占8 4 1 8 j 。 1 1 2 4 污泥施肥、金属矿山酸性废水污染、含重金属废弃物堆积 桂林理工大学硕士学位论文 污泥中含有大量的有机质和氮、磷、钾等营养元素，但同时污泥中也含 有大量的重金属，随着大量的市政污泥进入农田，使农田中的重金属的含量 在不断增高。金属矿山的开采、冶炼、重金属尾矿、冶炼废渣和矿渣堆放等， 可以被酸溶出，形成含重金属离子的矿山酸性废水，随着矿山排水和降雨使 之带入水环境( 如河流等) 或直接进入土壤，都可以直接或间接地造成土壤 重金属污染。同时，含重金属废弃物堆积也可造成土壤、水体污染。我国有 近3 0 家不同类型的铬盐厂，其生产铬渣的污染面积也很广【9 】。 1 2 重金属胁迫对植物的毒害作用 1 2 1对植物根系生长发育的影响 外源重金属进人土壤后，植物受到伤害的首先是其根系，并通过根系吸 收土壤中的重金属进入根细胞内，由于根细胞壁中存在大量交换位点，能将 重金属离子固定在这些位点上，从而阻止重金属离子进一步向地上部分转移。 因此，根是植物体中最重要的结合重金属的部位，也是最易受重金属毒性影 响的部位。重金属能抑制根尖细胞核的分裂，根长的变化是一个重要的指示 植物受重金属毒性影响的指标【l 叫。 1 2 2对植物细胞膜透性的影响 细胞膜是选择透过性膜，它能调节和控制细胞内外物质的运输和交换。 当植物受到重金属毒害时，细胞膜被破坏，其选择透性机能受损，透性增大， 使细胞内一些可溶性物质外渗，破坏了细胞内酶及代谢作用原有的区域性， 这是植物体受害的原因之一。 通过对辣椒、黄瓜和小麦等植物的试验表明 1 1 , 1 2 1 ，在复合污染( c d + p b ) 条件下供试植物叶片的细胞膜透性改变，且随着浓度组合不同而存在差异， 呈一定的相关关系，然而不同的植物其增大程度不同，复合处理条件下的细 胞膜透性表现出了c d 、p b 间的协同效应。叶海波【l3 】曾报道，锌的生物毒性 改变了非矿山生态型东南景天( s e d u m a i f r e d i i ) 的根细胞原生质膜中可溶性部 的渗透性，从而造成细胞的受损，膜体变脆，使铅离子更容易进入根细胞。 1 2 3 对植物抗氧化酶系统的影响 植物体自身存在的抗氧化酶系统( 如超氧化物歧化酶( s o d ) 、过氧化物酶 ( p o d ) 和过氧化氢酶( c a t ) ) 能够维持自由基在植物体内产生和清除的动态平 4 桂林理工大学硕士学位论文 衡，从而排除了自由基对植物细胞膜结构潜在氧伤害的可能性。通常认为， p o d 、s o d 、c a t 活性的维持和提高是植物耐受重金属胁迫的物质基础之一 【1 4 ，”】。过氧化氢( h 2 0 2 ) 在植物体中作为伤害信号分子，当植物遭受重金属胁 迫时，其内源h 2 0 2 含量会迅速升高，促使植物体内抗氧化系统活性发生变 化，引起植物对重金属胁迫产生响应【l6 1 。在低浓度处理时，植物体内抗氧化 酶系统受到活性氧自由基的诱导，活性上升，参与清除自由基，可以认为抗 氧化酶系统活性的增加既是一种保护机制，同时也表明了植物已经受到了重 金属的胁迫【lu ；而长时间受到重金属胁迫，植物体内的抗氧化酶系统就会受 到破坏，p o d 、c o d 、c a t 活性降低，并最终破坏植物细胞。 1 2 4对植物光合作用的影响 研究表明，重金属胁迫能显著降低植物叶绿素含量，加速植物的衰老， 且随着浓度的增加，叶绿素变化趋势为先急速下降，当下降到一定范围后， 速度渐慢，呈现出极显著的负指数相关关系【l8 ”】。这主要是由于重金属通过 于扰光合过程中的电了传递、破坏叶绿体、降低叶绿素含量与破坏叶绿素合 成所需的酶来影响光合系统的完整性，例如抑制了原叶绿素还原酶 ( p r o t o c h l o p h y l l i d er e d u c t a s e ) 和影响了氨基r 酮戊酸( a m i n o l a e v u l i n i ca c i d ) 的 合成，而这两种酶都是合成叶绿素必须的物质【2 ，还可能与酶蛋白的s h 基 或其他侧链结合，取代f e 、m g 、z n 等离子，抑制一系列与叶绿素合成有关 酶的活性，影响叶绿素合成的前体物质形成【z l ，2 2 j 。 1 。2 5对植物生物大分子结构及生理代谢的影响 植物体内的生物大分子在遗传信息的表达以及生理代谢等方面起着重要 的作用。在重金属胁迫下，可抑制核酸的生物合成和破坏蛋白质合成机制以 及破坏植物组织膜的完整性等活动促进植物的衰老。徐勤松等【23 】研究认为植 物体内一定浓度z n 的存在，阻断了c d 2 + 对金属硫蛋白等c d 结合蛋白的诱导 表达的信息传导途径，抑制了镉结合蛋白生物合成的过程，从而加快加重c d 毒害的表现。 1 2 6对植物d n a 的影响 d n a 是植物表达遗传信息的重要载体，在重金属胁迫下，可通过诱导植 物体内氧化胁迫来对植物d n a 产生直接或问接地影响，以及抑制或损伤 d n a 修复系统【2 4 1 。通过彗星实验研究表明，c d 能够引起蚕豆叶片d n a 损 5 桂林理工大学硕士学位论文 伤，但是不同c d 浓度弓 起d n a 损伤的种类不同：5 m g l 处理主要引起单链 d n a 损伤和碱性不稳定位点的形成；10 m g l 处理时开始检测到d n a 双链断 裂：2 0 m g l 处理下，各种类型的d n a 损伤均明显增加，且d n a 双链断裂 尤其明显【2 引。同样，c d 也能明显引起小麦叶片d n a 迁移，且随c d 浓度增 加，d n a 受损程度逐步增加，表现出明显的剂量效应关系 2 6 1 。 1 3 植物对重金属胁迫的抗性反应 植物的抗性表现在避性和耐性两个方面，相应地，植物抗重金属也表现 为两种基本对策即排斥( e x c l u s i o n ) 和蓄积( a c c u m u l a t i o n ) ”j 。植物对重金属的 排斥有以下几种方式分泌化合物降低重金属的有效性。回避摄人环境中 的重金属浓度很高但植物几乎不吸收重金属。限制运输。植物将重金属滞 留在根部限制其向地上部分转移。排出体外。植物对重金属的蓄积是指植 物吸收大量的重金属，但重金属在植物体内以不具生物活性的解毒形式存在。 植物的重金属蓄积又有几种不同的抗性机理。细胞壁和液泡扣留。植物把 吸收的重金属积累在体内一定的部位，避免其进入细胞质，从而减轻该重金 属对植物的直接毒害，细胞壁和液泡是植物积累重金属的主要场所。酶系 统的作用。重金属胁迫下，植物保护酶系统也会发生适应性变化，重金属 结合蛋白的解毒作用。当植物细胞壁上能结合的金属离子的结合点达到饱和 时，重金属离子不可避免的进入细胞质中，此时关键性的抗性机制则由存在 于细胞质中的一些金属络合体承担。 1 3 1重金属络合蛋白 络合是植物对细胞内重金属解毒的主要方式之一，当金属离子进入细胞 后，能和细胞质中的谷胱甘肽、草酸、苹果酸等小分子物质形成复杂的稳定 络合物，它们能使重金属的毒性降低【2 引。重金属胁迫下植物体内合成的金属 硫蛋白( m t ) 及植物络合素( p c ) 能结合被吸收的重金属，转运至液泡储存，使 细胞质中的重金属浓度降低，防止金属敏感酶变性失活，减轻重金属对植物 毒害作用 2 9 , 3 0 1 。c h a n g 等【3 1 1 的研究指出，z n 可诱导具有解毒功能的金属硫 蛋白( m t s ) 的合成，c d 竞争取代z n 在金属硫蛋白中的结合位点，因此，生长 介质中添加z n 元素能够减轻c d 对植物产生的毒害。植物体内半胱氨酸上的 巯基可与金属离子相结合形成金属硫醇盐配位，降低细胞内可扩散的金属离 子浓渡，从而起到去毒作用1 3 2 。c i t t e r i o 3 3 1 在研究大麻( c a n n a b i ss a t i v al ) 对 c d 、c r 、n i 的耐性和累积特性时发现，在c d 、c r 、n i 的胁迫下，提高了大 6 桂林理工大学硕士学位论文 麻根部和地上部谷胱甘肽( g s r ) 和p c z 的含量，并合成了一种新的植物络合 素p c 3 ，他们认为p c 3 的合成能钝化吸收的过量重金属和保护对重金属敏感 的酶，这也是大麻对重金属抗性机制之。 1 3 2 竞争结合位点 重金属元素在土壤、水体、代谢系统及细胞表面结合位点上的相互竞争 必然会影响金属对生物体的作用效果，而这种竞争程度在很大程度上取决于 重金属元素的价态、浓度比和介质特性等i 弘j 。华珞等i 3 5 】研究认为z n 的加入 可使土壤中有效态c d 含量明显增加，促进植物对c d 的吸收，从而提高植物 体内c d 的含量。另外，由于c d 与z n 有相同的价态( + 2 ) 和近似相同的离子 半径，在植物细胞表面发生z n 竞争c d 位的协同作用，导致c d 的溶解性增 强，促使c d 从根部向顶部转移，也会增加小麦籽粒中的c d 含量。李森林等 【36 】从生理学角度研究认为c d 进入细胞后，与z n 竞争z n 酶中z n 的结合部 位，进而取代z n ，使z n 酶的活性降低、甚至完全丧失，但加入锌后，镉含 量相对减少，锌含量增加，镉的竞争能力减弱，锌的竞争能力增强，更多的 锌仍能与z n 酶结合而使z n 酶保持原有的活性，使其免遭c d 毒害；另外锌 能使镉复合物的合成加快，解毒能力增强。 1 3 3重金属细胞分布区域化 研究表明，重金属在超积累植物的叶片中都存在区域化分布，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。细胞壁是重金 属进入植物细胞的第一道屏障，由于细胞壁上的胶质酸、多糖和蛋白质等能 提供大量的配位体和官能团 3 7 - 3 9 ，能通过沉淀、络合、吸附等阻碍重金属进 入细胞内。因此，有人提出细胞壁可以通过“区隔机制 和“适应机制 来 降低重金属带来的伤害【4 叭。但也有人认为细胞壁在超富集植物不可能起到重 要作用 4 1 】。同时有人认为植物对重金属的耐性机制是由于液泡内的分室作用 【4 2 1 ，如有些耐性品种细胞内的重金属可能被固定地“存放在距离其毒害位点， 如细胞核和线粒体，较远的不敏感“自由空间，如液泡，从而降低了重金属 在细胞内的毒性。 研究发现，砷超富集植物蜈蚣草能将吸收的砷贮存在羽叶中，茎部在将 地下部的砷转移到羽叶过程中起着重要作用，它能形成一个羽叶吸收砷的贮 槽，在低砷浓度时，主要将砷转移到幼叶中，在高砷浓度时，将砷转移到老 叶中【43 1 。同时，蜈蚣草在代谢过程中，能通过质膜运输系统将毒性更强的 桂林理工大学硕士学位论文 a s ( v ) 转化成毒性较弱的a s ( i i i ) ，从而降低毒害作用 4 4 , 4 5 1 。这种显著的砷形 态转化说明，蜈蚣草体内存在a s ( v ) 还原过程这可能是蜈蚣草体内砷解毒的 关键步骤之一【4 6 1 。 1 3 4限制重金属离子跨膜运输 细胞质膜是有机体与外界环境之间的一个界面。细胞质膜透性大小是决 定外界重金属离子能否进入细胞和进入多少的主要因素，而质膜组成是决定 质膜透性的关键，所以在重金属污染条件下，植物之间膜组成和变化能力的 差异可能是不同植物对重金属抗性不同的原因之一【4 。7 1 。研究发现，c a 能保 持细胞膜表面紧密和完整或者在细胞膜表面形成一种胶状膜，从而减少了植 物对重金属的吸收 4 a l 。l i 49 】等一在研究砷胁迫下蜈蚣草体内钙离子分布时发 现，在无砷的处理中，叶片中的钙主要沉淀在液泡膜内部以及少量沉淀于细 胞壁外；而在高浓度砷处理中，大量的钙沉淀于细胞膜外和在细胞质内出现 大的颗粒物，同时，沉淀于液泡的钙含量显著减少；钙的分布行为和砷的较 为相似，这可能是由于砷酸盐和亚砷酸盐包含在钙的沉淀中，形成砷酸钙和 亚砷酸钙，从而减低了砷的毒害 1 3 5 诱导产生根系分泌物 在重金属胁迫下，植物可反馈分泌一些物质如柠檬酸、苹果酸、乙酸、 乳酸等，这些物质与重金属离子形成可溶性络合物抑制重金属的跨膜运输， 增加重金属在根际土壤中的移动性，降低植物周围环境中重金属离子的有效 含量，减少植物对重金属的吸收，避免受害。研究表明，在重金属的胁迫下， 玉米根尖和根际微生物及一些藻类能分泌与重金属离子有比较强的亲和力的 粘胶状物质( 主要成分是多糖) ，将大量的金属离子滞留在根外从而降低了金 属离子的活度【5 0 j 。不同的研究均证实，在受重金属胁迫时，根系分泌物中有 机酸种类和数量发生了明显的变化，同时根系分泌物与重金属之间存在着络 合反应，并有可能参与重金属的运输过程”l ，5 2 j 。 1 4 有机酸在超积累植物重金属解毒机制中的作用 随着工农业的发展，土壤重金属污染日益严重。一些植物由于长期生活 在高浓度的重金属离子环境中，不仅产生了抵抗重金属毒害的防御机制，而 且能够在其体内积累比其他植物高百倍以上的重金属，这些植物被称之为超 8 桂林理工大学硕士学位论文 积累植物【53 1 。超积累植物耐重金属毒害的机制复杂多样，其中最主要、最普 遍的机制是通过诱导金属配位体的合成，形成金属配位体复合物【5 引。植物体 内存在着多种金属配位体，主要包括有机酸、氨基酸、植物络合肤( p c ) 和植 物金属硫蛋白( m t ) 55 】。有机酸本身所具有的特性决定了其特有的不可替代 的功能【56 1 ，如作为重金属元素的配基，有机酸与重金属配位结合，参与重金 属元素的吸收、运输、积累等过程，从而促进植物对重金属的超积累，达到 植物体内重金属解毒的目的【57 1 。植物体内或根际区域发现的鳌合重金属的有 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 ) 、柠檬酸( c t i r i ea c i d ) 。 因此，明确有机酸在超积累植物重金属解毒机制中的作用，将有助于深入了 解植物耐重金属胁迫的生理和分子机制，对重金属污染的植物修复技术的成 功应用和推广具有十分重要的作用。现将有机酸在超积累植物重金属解毒机 制中的作用综述如下。 1 4 1有机酸促进超积累植物对重金属的吸收 1 4 1 1 根际分泌有机酸活化土壤中的重金属 在土壤环境中，重金属主要有以下几种形态存在：( a ) 水溶态。指游离于 土壤溶液中的重金属离子或是土壤溶液中可溶性的重金属化合物。( b ) 交换 态。指位于离子交换位点上和专性吸附在无机土壤组分上的重金属离子。( c ) 有机结合态。( d ) 沉淀或难溶态复合物。( e ) 存在于硅酸盐矿物结构中的重金属。 水溶态的重金属，超积累植物可以直接吸收，而交换态、有机结合态和难溶 解的复合物就要通过调节土壤环境来提高重金属的释放 5 8 1 。所以，植物对金 属的修复能力不仅与其从土壤中提取重金属速率有关，而且与土壤中重金属 的有效性相关【59 1 。而超积累植物的根系分泌物( 特别是有机酸) 可以改变土壤 中重金属的有效性，促进植物对重金属的吸收。 目前，大量的研究表明，超积累植物的根系能够分泌大量有机酸，如 m i y a s a k a 等【6 0 】报道耐铝型菜豆品种根系分泌的柠檬酸是铝敏感型菜豆的1 o 倍。i n s k e e p 等】研究指出，根系分泌物中有机酸对结合f e 、z n 有较重要的 作用。土壤溶液中的重金属离子通过与有机酸相结合，降低了土壤液相中的 金属离子浓度，维持了金属离子在土壤液相中和土壤固相中的平衡，使重金 属从土壤颗粒表面解吸，由不溶态转变成为可溶态，提高了重金属在土壤溶 中性。以上研究表明，超积累植物分泌有机酸很可能是其活化土壤重金属、 超积累重金属的一条重要途径。有机酸( 如：草酸、苹果酸、柠檬酸等) 主要 在线粒体中通过三梭酸或k r e b s 循环产生，少量有机酸通过乙醛酸循环体产 9 桂林理工大学硕士学位论文 生，主要储存在液泡中。生长在诵一环境串的不同植物种类、品种，甚至同 一植物的不同组织中，有机酸的水平不同。此外，在环境胁迫条件下，有机 酸的生物合成、积累、运输和根系分泌能力会显著提高【62 1 。但是，超积累植 物如何调控有机酸的分泌，还有待进一步研究。 1 4 1 2 有机酸促进植物对重金属的吸收 土壤溶液中的重金属离子通过与有机酸结合，提高了重金属在土壤溶液 中移动性，而移动性的增加可使通过质流、扩散作用到达根系重金属的量增 加，使根系能有更多的机会与重金属接触。b l a y l o c k 等6 3 1h u a n g 等1 6 4 1 ，w u 等【6 5j 分别证实了柠檬酸可以增加印度芥菜、玉米、豌豆等植物的重金属含量， 促进p b 从根系向地上部运输。 1 4 2有机酸促进重金属从根系到地上部的转运 重金属一旦进入根系，可贮存在根系或运输到地上部。有研究【66 j 表明， 在中度污染的土壤孛，遏蓝菜根系中积累的z n ，约有9 0 可以向地上部运输， 而积累在非超积累植物t h l a s p i o c h r o l e c u m 根系中的z n ，仅有3 2 向地上部 运输。这可能是因为超积累植物组织中的重金属大部分以可溶态存在，很容 易向地上部分运输。究竟是以什么可溶态运输，研究人员也进行了大量的研 究【6 7 】。重金属可以以游离的金属离子形态或以重金属一有机酸络合态进入根 系，但是在此过程中游离的金属离子不仅能与酶活性中心或蛋白质中的琉基 结合，而且还能取代金属蛋白中的必需元素，导致生物大分子构象改变、酶 活性丧失及必需元素缺乏，干扰缅胞的正常代谢过程i 褐l 。另外，重金属还能 干扰其他物质在细胞中的运输过程( 如a 13 + 能抑制c a 2 + 的吸收和运输) 引。因 而细胞质中的重金属可能与细胞质中有机酸、氨基酸、多肤和无机物等结合， 通过液泡膜上的运输体或通道蛋白转入液泡中。据m a t h y s 【70 】报道，遏蓝菜属 的遏蓝菜比非超积累植物含有更高的苹果酸和芥子油贰，并提出了该植物的 耐z n 机制：吸收的z n 首先与苹果酸结合，然后以苹果酸z n 盐形态转移入液 泡，发生解离。解离的z n 离子