（环境科学专业论文）滨海盐生植物净化海水重金属能力研究.pdf

一i - i 一 in er e s e a r c n0 1 a e c o n t a m in a tio nf o rh e a v ym e t ais o fs e a w a t e rb yh alo p h y l ：ef r o mc o a s l ：ala r e a a b s l ：r a c l ： p h y t o r e m e d i a t i o ni san e wt e c h n i q u et oc l e a nu pc o n t a m i n a t e ds o i l sb ys o m e a c c u m u l a t o r so rh y t m r a c c u m u l a t o r sw h i c hc a l la b s o r be x c e p t i o n a l l yl a r g ea m o u n to f h e a v ym e t a l sf r o mt h ee n v i r o n m e n ta n dt r a n s l o c a t et h e mi n t op l a n t s p r e s e n t l y , t h e r e s e a r c h e so fp h y t o r e m e d i a t i o nf o rh e a v ym e t a l sf o c u so nf r e s hw a t e ra n di n l a n ds o i l ，b u tn o te s t 唧t h em a j o ro b j e c t i v e so ft h i ss t u d yw e r et e s t i n gt h es a l i n i t yt o l e r a n c eo f d i f f e r e n th a l o p h y t e si nk a 诎o uc o a s t a la r e a , t h e nc h o o s i n gt h ed u r a b l ep l a n tt o i d e n t i f yt h et o l e r a n c ea n dh e a v ym e t a lb i o a e c u m u l a t i o no fp b ，c a , c t hz nb y h a l o p h y t e sb o t hi ns t a t i ca n dd y n a m i ce x p e r i m e n t a t i o n s b a s e do i lt h ed a t a , t h em a i n r e s u l t sc a l lb es u m m a r i z e db e l o w i t h eg e r m i n a t i o nr a t eo fs u a e d as a l s a , s u a e d ah e t e r o p t e r ak i t a g , k o c h i a s c o p a r i aw a sh i g h , w h i l et h a to fa r t e m i s i aa n n u a , a p o c y n u mv e n e t u ma n dd a t u r a i n n o x i aw a st o ol o w m o r e o v e r ，c o m p a r e dw i t hs u a e d ah e t e r o p t e r ak i t a ga n dk o c h m s c o p a r i a , s u a e d as a l s ah a sh i g h e rs a l i n i t ye n d u r a n c ea n dc a ng r o wi nt h es e a w a t e r w i t ht h es a l i n i t yb e l o w10 2 s u a e d as a l s as e e d l i n g sc a n n o r m a l l yg r e w i nl o wc o n c e n t r a t i o n s ( e n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r df o rs u r f a c ew a t e r ( v ) ) o f s e p a r a t ep b ，c d ，c u , z n i n a l le x p e r i m e n tl e v e l s ，t h eb i o a c c u m u l a t i o no fh e a v ym e t a l si np l a n ti n c r e a s e dw i n lt h e i n c r e a s i n gc o n c e n t r a t i o n so fh e a v ym e t a l si nt h ew a t e r ，a n dt h ec o n t e n t so fh e a v y m e t a l si nr o o t sw e r eh i g h e rt h a nt h a t i ns h o o t s 3 t h ef o l l o w i n ge i g h t w e e k s t u d y o ft h et o l e r a n c ea n d h e a v y m e t a l b i o a c c u m u l a t i o no fs e p a r a t ep b ，c d ，c u , z nb ys u a e d as a l s ai n d i c a t e dt h a tt h ep l a n t c a ng r o wn o r m a l l yi ns e a w a t e ra tas a l i n i t y o f10u n d e rl o wc o n c e n t r a t i o n so f h e a v y m e t a l s ( s e aw a t e rq u a l i t ys t a n d a r di v ) c o n d i t i o n s t h eb i o a c c u m u l a t i o no fh e a v ym e t a l si n r o o t sa n ds h o o t si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fh e a v ym e t a l si nt h es e a w a t e r a st h e b i o m a s si n c r e a s e d ，t h eg r o s sh e a v ym e t a l si np l a n tw a sh i g h e rt h a nt h a ti nf r e s hw a t e r 4 s u a e d as a l s ac a l la l s oe n d u r es a l ta n dh e a v ym e t a l sm i x e ds t r e s s e si nt h e d y n a m i ce x p e r i m e n t a t i o n t h ec o n c e n t r a t i o no fh e a v ym e t a l si ns e a w a t e ra tas a l i n i t y o f10d e s c e n d e do b v i o u s l y t h er e m o v a lr a t e so fc d ，c u , z nw e r em o r et h a n7 5 ， s e p a r a t e l y 5 a n a l y z i n gt h et o l e r a n c ea n da c c u m u l a t i o no fs a l i n i t ya n dh e a v ym e t a l sb y s u a e d as a l s ab o 也i ns t a t i ca n dd y n a m i c e x p e r i m e n t a t i o n s s u a e d as a l s aw a s c o n s i d e r e dt oh a v ep o t e n t i a lf o r p h y t o r e m e d i a t i o no fe s t u a r yc o n t a i n i n gh e a v ym e t a l s k e y w o r d s ：h a i o p h y t e ：p h y t o r e m e d i a t i o n ：h e a v ym e t a i ：t o i e r a n c e ： a c c u m u i a t i o n 独创声明 本人声明所呈交的学位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，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 注；翅没直甚他盂要挂别岜明的：奎栏豆空或其他教育机构的学位或证书使 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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： i 、 剖旨 签字日期：川年6 月，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，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校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。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者躲刨琦 签字日期：矽睁月f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签字： 溉夺 j 签字日期：加多年莎月，日 电话： 邮编： 滨海盐生植物净化海水重金属能力研究 1绪论 1 1 研究背景和选题依据 随着工农业生产的发展，金属开采和熔炼、化石燃料燃烧、杀虫剂、废水以 及污泥等的排放，使大量重金属进入水体，导致水体重金属的污染日益严重【1 捌。 大量富含重金属污染物的污水排入河流中，不但污染了水体，而且对人类的生存 和发展也会造成巨大的威胁。江河等水体中的大量重金属污染物不断积累并向下 游迁移，最终汇入河口和海洋，对近海环境尤其是河口水环境造成污染。河口是 海陆交汇的桥梁，是一个复杂而又特殊的自然综合体，对流域的自然变化和人为 作用响应最敏感，且与近岸海域环境变化密切相连【3 4 1 ；同时，河口地区又是具 有重大资源潜力和环境效益的生态系统，除了向人类提供大量食物、原料和水资 源外，在维持区域生态平衡、保持生物多样性和珍稀物种资源以及涵养水源、蓄 洪防旱、降解污染物和提供旅游资源等方面均起到重要作用，成为人类活动最为 频繁、环境变化影响最为深远的区域【5 】。 近年来，随着经济的飞速发展和人口的剧增，我国河口普遍受到点源和面源 污染，河口污染也不断加剧，总体上呈恶化趋势。据2 0 0 7 年中国海洋环境质 量公报，我国海域总体污染状况仍未好转，近岸海域污染形势依然严峻，严重 污染海域仍主要分布在辽东湾、渤海湾、莱州湾、锦州湾、长江口、杭州湾、江 苏近岸、珠江口等河口区域。河口水体虽然对污染物有一定的自净能力，但是由 于含重金属污水的大量长期排放，河口实际上已成为工业污水、生活污水和农田 退水的承泄区域，河口水域的重金属污染仍呈加剧趋势，成为我国面临的严重环 境问题之一，治理河口污染已成为当务之急。 重金属污染来源广泛，又有高稳定性和难降解性，使受到污染的水体难以治 理【6 , 7 1 。在重金属污染水体的修复工程中，所采用的物理及化学修复方法如化学 沉淀、溶剂萃取、离子交换、膜分离、活性炭和硅胶吸附等虽然具有一定的效果， 但需要先将土壤或水体转移再进行金属离子的去除，不仅成本高、操作复杂，而 且对设备及技术要求高1 8 , 9 】。植物修复是2 0 世纪8 0 年代初期发展起来的环境污 染治理技术，它是一类以植物为修复主体的新兴的修复技术，广泛利用绿色植物 的新陈代谢活动来固定、降解、提取和挥发环境中的污染物质，将污染物转化成 滨海盐生植物净化海水重金属能力研究 可直接去除的物质形态或毒性小甚至无毒的物质，改善受污染环境的质量【1 0 , 1 1 】。 与传统的化学修复、物理和工程修复等技术相比，它具有投资和维护成本低、操 作简便、不造成二次污染、更适应环境保护的要求，且具有潜在或显著经济效益 等优点，因而越来越受到世界各国政府、科技界和企业界的高度重视f 1 2 - 1 4 1 。 在河口地区种植某些对重金属耐受性强和富集能力高的植物，建立生态截污 带，可有效减轻河口污染程度，恢复受重金属污染水体的水质。由于河口土壤、 水体含盐量高，所以用于河口植物修复的植物除了要具有较强的污染净化能力， 还必须具有一定的耐盐性。利用盐碱地自然生长的杂草进行植物修复有着巨大潜 力，因为杂草是在人为与自然选择压力下产生的高度进化的植物类群，经过优胜 劣汰的人工与自然的共同选择，杂草的生态适应性及竞争能力极强，具有顽强的 生命力和抗逆境能力，常常表现为生长迅猛，如幼苗及根系生长发育快、光合速 率高、营养生长向生殖生长过渡快，能够在较短时间内完成其生活史【1 5 1 7 1 。这类 在逆境中能够顽强生存的草本植物中，很有希望筛选出符合河口地区重金属污染 水体修复要求的植物种类。 1 2 植物修复的研究现状 1 。2 。1 植物修复的定义和类型 植物修复( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 是指利用特定植物实施污染环境治理的技术统 称，通过植物对重金属元素或有机物质的特殊富集和降解能力来去除环境中的污 染物，或消除污染物的毒性，达到污染治理与环境修复的目的【1 8 】。近年来，植物 修复理论与实践的蓬勃发展赋予植物修复技术以新的内涵，根据国内外研究现状 和发展趋势，可将植物修复的定义扩展为：直接利用绿色植物在原位去除或控制 土壤、沉积物、污泥、固体废弃物、地表水、地下水和大气环境中的污染物，如 重金属、类金属、放射性元素和有机污染物( 杀虫剂、有机溶剂、炸药、原油和 多环芳烃) 等，从而最大限度地降低其环境风险的一类环境友好技术【19 1 捌。按重 金属植物修复的机理和过程可将其分为以下几类：植物提取、植物挥发和植物稳 定。 ( 1 ) 植物提取( p h y t o e x t r a c t i o n ) 植物提取也称为植物积累或植物富集，由c h a r l e y l 2 1 】最早提出，是目前研究 较多的一种利用植物去除环境污染物的方法。植物提取主要是利用金属积累植物 一一 滨海盐生植物净化海水重金属能力研究 ( a c c u m u l a t o rp l a n t ) 或超积累植物( h y p e r a c c u m u l a t o r ) 将土壤中或水体中的重金属 转运到植物的地上部分，再通过收获植物将重金属移走，以降低土壤或水体中的 重金属含量瞄 2 3 】。有些植物本身可以连续吸收土壤或水体中的重金属，而另一些 植物则需要通过某些特殊过程诱导出积累重金属的能力，因此植物提取可分为两 种策略：连续植物提取和诱导植物提取。 连续植物提取( c o n t i n u o u sp h y t o e x t m c f i o n ) 是利用一些特异性植物( 主要指 超累积植物) 在其整个生命周期吸收、转运、积累和忍耐高含量的重金属 2 4 , 2 5 1 。 运用植物持续提取技术实施重金属污染修复的关键是植物生物量和富集重金属 的能力，室内实验和田间试验均证明，超累积植物在重金属污染土壤修复方面具 有极大的潜力。b a k e r 等 2 6 1 首次田间试验显示，生长在含z n 4 4 4 m g k g 的土壤中， 超累积植物天蓝遏蓝菜( t h a l a s p ic a e r u l e s c e n s ) 的地上部分z n 含量是土壤全z n 的 1 6 倍。依据r o b i n s o n 等【2 7 】的研究成果，仅种植n i 超累积植物b e r k n e y a c o d d i i 两年，就可把中度n i 污染的土壤( 含n i ) 中的n i 含量由l o o m g k g d 降低到 5 9 m g k g ；对于n i 含量2 5 0 r a g k g 1 的土壤，也仅需种植丑c o d d i i4 次即可使土 壤n i 含量降低到欧盟允许标准以下。采用植物基因工程技术，培育一些生物量 大、生长速率快、生长周期短的超累积植物也是提高植物连续提取重金属能力的 方法，例如，将天蓝遏蓝菜( zc a e r u l e s c e n s ) 的超累积基因转入其它植物，得到的 转基因植物个体比遏蓝菜高，且能忍耐高浓度的z n 2 8 】；用化学诱变剂处理豌豆 ( p i s u ms a t i v u m ) ，其中一个隐性基因突变体对f e 的积累能力增加了1 0 1 0 0 倍， 其体内螯合铁还原酶活性也较高【2 9 】。 诱导植物提取( i n d u c e dp h y t o e x t r a c t i o n ) 是利用螯合剂促进植物吸收重金 属【3 0 1 。诱导植物提取适于土壤中极难移动的污染元素，通过施用螯合剂使土壤固 相键合的金属释放，增加土壤溶液中的重金属浓度，大幅度提高植物对重金属的 吸收和富集能力【3 1 翊。由于已发现的超累积植物种类有限，而且生物量较小，因 而螯合诱导植物提取比持续植物提取更受到人们的关注。螯合剂能提高金属的有 效性，使植物的地上部分积累更多重金属，但是由于金属与螯合剂的复合物为水 溶性，在田间应用时，易发生淋漓作用，可能带来新的环境安全和健康问题【3 3 ，3 4 1 。 已发现具有高生物量的可用于诱导植物提取的植物有印度芥菜( b r a s s i c a j u n c e a ) 、 玉米( z e a m a y sl ) 和向日葵( h e l i a n t h u sa n n u u s ) 等，lo m m o l k 9 1 的乙二醇二乙醚二 滨海盐生植物净化海水重金属能力研究 胺四乙酸( e g t a ) 可使印度芥菜植株的地上部分s n 含量提高l o 倍、达到 2 8 0 0 r a g k g - 1 【3 5 1 ，而1 0 m m o l 蚝1 的e d t a 则可使印度芥菜植株地上部分的p b 含 量高达1 5 0 0 0 r a g k g 1 ，并可显著促进p b 从根系向地上部的运输【3 6 】。螯合剂的施 用可使玉米( z e a m a y sl ) 、豌豆( p i s u ms a t i v u m ) 地d = 部p b 含量从小于5 0 0 r a g k 9 1 增加到1 0 0 0 0 m g l k f l 以上【3 7 】。植物的重金属积累效率与螯合剂和金属的亲合力 直接相关，不同螯合剂对土壤p b 的解吸率顺序为：乙二胺四乙酸( e d t a ) 羟乙 基乙二胺- - 7 , 酸( h e d t a ) ( - - 乙烯三胺五乙酸) d t p a e 叽垆8 】。螯合剂的效果 还与植物种类有关，e b b s 等【3 9 】的研究发现，e d t a 能促进印度芥菜对z n 吸收， 但对燕麦和大麦无明显效果。 ( 2 ) 植物挥发( p h y t o v o l a t i l i z a ：t i o n ) ， 植物挥发是利用植物去除环境中的一些挥发性污染物，即通过植物及根际微 生物的作用，将环境中挥发性污染物吸收到体内后将其转化为毒性小的挥发态物 质，再通过蒸腾作用由叶片蒸发释放到大气中，不需收获和处理含污染物的植物 体即可清除重金属1 4 0 - 4 2 。 目前在这方面研究最多的是非金属元素s e 、a s 和类金属元素汞，这些元素 可以通过甲基化挥发，大大减轻土壤中重金属的含量，例如，烟草能使毒性较大 的二价汞离子转化为气态汞 4 3 4 5 1 。h e a t o n t 等【钓1 等利用携带细菌h g 还原酶基因 m e r a 的植物去除土壤中的无机h g 和甲基h g ，这些植物能将根系吸收的k g + 转化成低毒的h g ，并从植物中挥发出来。一些农作物如水稻( o r y z as a t i v a ) 、花 椰菜( b r a s s s i c ao l e r a c e ab o t r y t i s ) 、卷心菜( b r a o s s i c ao l e r a c e ac a p i t a t a ) 、胡萝卜 ( d a u c u sc a r o t a ) 、大麦( h o r d e u mv u l g a r e ) 和首稽( m e d i c a g os a t i v a ) 等有较强的吸收 并挥发土壤和水体s e 的能力1 4 7 1 。实际上，根际微生物在植物挥发过程中扮演着 重要角色，利用氨苄青霉素研究发现，根际微生物对印度芥菜富集和挥发s e 的 贡献分别达到7 0 和3 5 ，而且用特定微生物包被种子能增加印度芥菜对s e 的 挥发【4 引。 植物挥发的结果虽然使得转化后的物质毒性小于转化前的污染物质，污染物 挥发到大气中也无需处理原植物体，但是这一方法只适用于挥发性污染物，而且 污染物转移到大气中易造成二次污染，对人类和生物都有一定风险，因此它的应 用受至0 限帛0 。 一4 一 滨海盐生植物净化海水重金属能力研究 ( 3 ) 植物稳定( p h y t o s t a b i l i z a t i o n ) 植物稳定是利用耐性植物的机械稳定作用以及吸收和沉淀作用来固定环境 中的重金属，使土壤中的重金属流动性降低，生物可利用性下降，防止其进入水 体和食物链，从而减少其对环境和人类键康的风险，其中包括分解、沉淀、螯合、 氧化还原等过程【4 9 】，如植物枝叶分解物、根系分泌物对重金属的固定作用和腐殖 质对金属离子的螯合作用过程等【5 0 1 。植物在这一过程中有两种主要功能：一是保 护污染土壤不受侵蚀，减少土壤渗漏以防止重金属的淋溶；二是通过在根部积累 和沉淀或通过根表吸收金属来加强对污染物的固定。 此外，植物还可以通过改变根际环境( p h 、氧化还原电位等) 来改变污染物的 化学形态，减少可溶性金属的迁移和运输，例如，c ，具有较高的毒性，而通过 耐重金属植物的根系可转化为低毒的c r 3 + 【5 1 】。c o t t e r 等嗍研究指出，施用磷酸盐 可以促使盹在彳g r o s t i s c a p i l l a r i s 根际形成磷氯铅矿，从而使土壤中的p b 固化。 重金属污染土壤植物稳定技术的研究实践对象主要是矿业废弃地、冶炼厂废 弃物、清淤污染和污水处理厂污泥及各种污染土壤的复垦【5 3 , 5 4 ，适于土壤粘性重、 有机质含量高的污染土壤修复f 5 5 】。现在，人们致力于发展植物根系，键合或滞留 有毒金属于根土环境中，使得转移到地上部分的金属控制在最小范围。但是， 该技术并没有彻底清除土壤中的重金属，而只是暂时将其固定在环境中，一旦周 围环境发生变化，重金属的生物有效性可能会随之变化，再加上相应的预警装置 不完善，有毒金属随时可能进入食物链从而威胁人类健康。 1 2 2 植物吸收重金属的过程 根表面具有非常大的表面积和高亲和性的化学位点，因此能从土壤与水中吸 收一些特定的营养元素。在吸附营养元素的过程中，根表面也能吸附一些污染元 素。重金属由根系进入植物体可以通过共质体( 细胞内) 或质外体( 细胞外) 两个途 径实现【5 6 1 ，但是在内皮层由于凯氏带的存在，重金属主要通过共质体运输进入木 质部，这至少需要三个过程：进入根细胞，由根细胞运输到中柱，再装载到木质 部【5 7 1 。 ( 1 ) 根系吸收重金属的过程 环境中的大部分金属离子通过专一或通用的离子载体或通道蛋白进入根细 胞，该过程为一个依赖能量的饱和过程【5 8 】。非必需的重金属与必需金属元素竞争 一5 一 滨海盐生植物净化海水重金属能力研究 膜转运蛋白，并以离子态或金属螯合物形态进入根细胞。植物根系中的重金属离 子很容易与细胞壁结合，而进入根细胞中的重金属也可以通过液泡膜上的转运蛋 白进入液泡而储存在液泡中【5 9 1 。 ： l a s a t 等【删研究发现，z n 超累积植物天蓝遏蓝菜( zc a e r u l e s c e n s ) i 对z n 的最大 吸收速率为2 7 0 m m o l g - 1 h - 1 ，是非超累积植物罗汉菜：( t a r v e n s e ) 的4 5 倍，这是由 于前者在根细胞膜中具有更多的运输位点，使得根系吸收z n 的能力更强。s a l t 等 【6 1 】报道，印度芥菜幼苗中细胞c d 的积累主要通过可饱和运输系统调节，c a 2 + 、 z n 2 + 、m n 2 + 对地上部c d 的积累有竞争性抑制，对根系c d 的积累有非竞争性抑制。 某些重金属富集植物对重金属的吸收具有很强的选择性，只吸收和富集生长 介质中一种或几种特异性金属【6 2 1 。例如，对n i 超累积的贝托庭芥( a l y s s u m b e r t o l o n i o 优先吸收n i ，而对c o 和z n 的富集能力差【6 3 】。而z n 超累积植物天蓝遏蓝 菜( t c a e r u l e s c e n s ) f i 邑够富集z n 、m n 、c o 、n i 、c d 和m o ，而不能富集a g 、c r 、 c u 、a i 、f e 和p b ，这种选择性富集的可能机制是：金属离子经根细胞膜进入根 细胞共质体或经木质部薄壁细胞的质膜进入木质部导管时，由专一性运输体或通 道蛋白调控1 6 叼。 ( 2 ) 重金属在植物体内的迁移 植物茎部重金属的浓集是植物提取的关键。重金属离子向地上部的转运过程 主要发生在木质部。木质部存在大量能够与金属离子结合的有机酸和氨基酸，这 种络合态是重金属离子在木质部中运输的主要形式【6 5 】。重金属离子进入木质部的 过程包括从土壤溶液中进入根部共质体，然后脱离木质部的薄壁组织进入成熟的 木质部，再随蒸腾流进入茎部，所需的能量来自木质部薄壁细胞膜上的氢一钾三 磷酸腺昔酶( h - a t p a s e ) 产生的负性跨膜电势断，6 7 1 。由此可见，重金属离子从根 向茎迁移主要受两个过程制约：一是进入根部木质部的运动；二是通过叶部叶肉 细胞随蒸腾流吸收重金属【6 引。 k r a m e r 等【6 9 】对香雪球属( a l y s s u m ) 的) l 种n i 超累积植物研究发现，木质部氨 基酸组氨酸的浓度与n i 含量具有线性关系，表明组氨酸可能通过形成n i - 组氨酸 而使木质部负载n i 更容易。由于组氨酸容易结合n i 而不易结合z n 2 + 、c 0 2 + ：等其 它二价离子，所以n i 的组氨酸诱导作用可能是这些超积累植物选择性地将n i 迁移至茎的原因。s a l t 等【7 0 】研究z n 超累积植物天蓝遏蓝菜( t c a e r u l e s c e n s ) 根部 一6 一 滨海盐生植物净化海水重金属能力研究 发现，组氨酸可能与大部分z n 结合，而且z n 在木质部的运输多为水合阳离子 的形式。目前有关有机酸或氨基酸等在木质部重金属的转移和运输中的作用只是 一种推测，尚需深入研究。 1 2 3 植物对重金属的耐性机理 ( 1 ) 根系细胞壁的固定作用 根系细胞壁是抵御重金属毒害的第一道屏障【7 1 1 。细胞壁上一些带负电的基团 对阳离子的吸附作用造成重金属的固定沉淀，阻止重金属离子进入细胞原生质而 使其免受毒害1 7 2 , 7 3 】。这是一些植物能够耐受重金属的原因之一。 n i s h i z o n o 等【7 4 ，7 5 】分析了蹄盖蕨属0 咖垆f 材my o k o s c e n s e ) 根细胞壁在重金属耐 性中的作用，该植物所吸收的c u 、z n 、c d 总量中大约有7 0 , - - 9 0 位于细胞壁， 且大部分以离子形式存在或结合到细胞壁结构质( 纤维素、木质素等) 上。因此， 根部细胞壁可视为重要的金属离子贮存场所。 ( 2 ) 限制重金属的吸收和主动外排作用 质膜是一种选择透过性膜，是控制离子进入原生质体内的真正关卡。在重金 属胁迫下，对重金属耐受性大的植物可以保持细胞膜的完整性，以防止细胞内物 质的外渗和有毒物质的进入【7 每7 引。 金属离子在原生质膜土壤溶液界面的排除、主动结合以及原生质向外的 溢泌，将导致金属离子的净吸收量下降，这在原核生物的试验中己得到证实【7 9 1 。 l o l k e m a 用水培法对采自铜矿山遗址的具有重金属耐性的石竹科麦瓶草属 ( s i l e n e ) 植物和非耐性系列进行对比研究，结果表明，耐性系列根中c u 的浓度要 比非耐性系列明显降低，由此推断耐性系列具有降低c u 吸收的机制。 ( 3 ) 区域化分布 重金属区室化是植物重金属抗性的重要机制之一，植物细胞质膜将有毒离子 转运至液泡内是植物降低有毒离子在细胞内含量的重要途径。b r o o k s 等f 8 l 】用离 心的方法对植物组织进行分离，然后测定各部分n i 含量，结果显示，在条叶庭 芥口s p 璎珈z f 绷) 细胞组分中，有7 2 的n i 分布在液泡中。v a z q u e z 8 2 , 8 3 用电 子探针观察天蓝遏蓝菜( zc a e r l u l e s c e n s ) 植株中的离子分布状况，根中的z n 大多 数分布在液泡中，细胞壁中相对较少。该植物还能使z n 有效地分布在液泡中， 从而使液泡成为z n 向地上部运输的贮存库【8 4 1 。这些结果表明，液泡可能是重金 一7 一 滨海盐生植物净化海水重金属能力研究 属贮存的主要场所。 金属在植物组织中的典型分布有可能论证了超累积植物的特征，因为 s e v e r n e 8 5 1 等人很早就发现，在n i 的超累积植物中，n i 大量存在于叶组织的表皮 层与亚表皮层中。k u p p e r 等f 8 6 】利用能谱x 射线微分析法和单细胞液提取法，研 究了z n 在天蓝遏蓝菜( t c a e r u l e s c e n s ) 组织中的区室化分布，结果发现，当地上 部的含z n 量为2 时，叶片表皮组织液泡汁液中的z n 浓度平均可达 3 8 5 m m o l l 1 ，是叶肉细胞汁液中z n 浓度的5 - - 6 5 倍，可见z n 主要积累在表皮 细胞中；表皮细胞中z n 的相对含量还与叶细胞长度呈线性正相关，显示表皮细 胞的液泡能促进z 1 1 的积累。与此相对，芥子科植物圆叶南芥( a r a b i sb a l l e r il ) 含有许多叶面表皮毛状体，表皮细胞很小，z n 、c d 则优先积累在体积较大的叶 肉细胞中。 ( 4 ) 螯合作用 当植物细胞壁上能结合重金属离子的位点达到饱和时，重金属离子将不可避 免地进入细胞质中，此时重金属耐性机制则与细胞质中一些金属络合体有关【8 5 】。 所以，重金属与小分子配体形成毒性较小的螯合物是植物减轻重金属毒害的重要 途径之一。草酸( o x a l i ca c i d ) 、苹果酸( m a l i oa c i d ) 、组氨酸( h i s ) 、丙二酸( m a l o n i o a c i d ) 、柠檬酸( n i t r a t e ) 等小分子有机酸以及谷胱甘肽( g s h ) 及植物螯合素( p c s ) 和 金属硫蛋白( m t s ) 都能螯合重金属【8 7 - 9 0 。 重金属在植物体内主要与蛋白质结合。许多实验表明，植物在受到重金属胁 迫时会产生重金属结合蛋白来缓解重金属的毒害。1 9 5 7 年m a r o s h e s 和v a l l e e 9 1 1 首次由马的肾脏中提取出一种金属结合蛋白，命名为“金属硫蛋白 ( m e t a l l t h i o n e i n ，简称m t ) ，并对其性质、结构进行了分析。当大量金属进入体 内时，就会诱导大量m t 的合成，与重金属结合而使其失去毒性。c a s t e r l i n 和 b a r n e t t 9 2 】首次从大豆( g ? 如妇m a x ) 根中分离出富含c d 2 + 的复合物镉结合蛋 i 圭t ( c d - b p ) ，由于其与动物体内的m t 极为类似，故称为类m t 。此后，很多研 究者从水稻、玉米、卷心菜和烟叶中分离得到c d 诱导产生的结合蛋白【9 3 】， m i r a n d a 9 4 也从高等植物分离并鉴定了受c u 调节的金属硫蛋白基因，因此这类 蛋白可能是植物耐受重金属的重要原因。 g r i l l t 9 5 1 从经重金属暴露的蛇根木( o p h i o r r h i z am u n g o s ) 悬浮细胞中分离提取 一8 一 滨海盐生植物净化海水重金属能力研究 了一组重金属络合多肽，其分子量、氨基酸组成、紫外线吸收峰等性质不同于通 常所认为的类m t ，故将其命名为植物络合素( p h y t o e h e l a t i n ，简称p c ) 。p c 也是 由重金属诱导而合成的，它与重金属离子的络合也能够降低其毒性 9 6 1 。z h u 等1 9 7 1 研究表明，增加植物体p c s 的生物合成能增加金属积累；但是也有研究表明，植 物螯合肽并不是耐性植物中所特有的，非耐性植物中也含有植物螯合肽，植物螯 合肽的含量与植物对重金属的耐受性并不成正比【9 8 朋。 g s h 是植物体内另一种与重金属耐受性有关的巯基化合物，在植物耐受重 金属方面有很大作用。大量的研究证明，g s h 和半胱氨酸( c y s ) 等小分子巯基化 合物的存在可以缓解重金属的毒害，同时，g s h - a s a ( 抗坏血酸) 途径可以降低植 物体内重金属引起的活性氧。作为一种重要的巯基化合物，g s h 还可以通过与 重金属的结合，促进植物对重金属的吸收【1 0 0 , 1 0 1 】。还有研究表明，g s h 可以作为 p c s 合成的底物，通过转肽反应合成p c s ，从而螯合重金属以达到解毒效果 1 0 2 】。 1 3 盐生植物与耐盐机理 l - 3 1 盐生植物的种类与分布 植物按其对盐分环境的反应可分为盐生植物( h a l o p h y t e ) 和非盐生植物 ( n o n h a l o p h y t e ) 1 0 3 】。非盐生植物在盐渍的土壤上往往生长不良，甚至无法生长。 而盐生植物，则能够在盐渍土壤上正常生长并完成其生活史。 早在1 9 7 2 年，w a i s e l 就在他的专著( ( b i o l o g yo fh a l o p h y t e s ) ) 中提出：“在 高含盐量生境中生长并能完成其生活史的植物，称为盐生植物 。这个定义不够 严谨，既没有阐明盐生植物的生物学特点，也没有规定生境中的盐度范围。1 9 7 6 年j e n n i n g s 提出“盐生植物是盐渍生境中的一类天然植物区系”，这个定义的特 点是从生态学的角度指出它是一类盐渍生境中的天然植物区系，已说明这类植物 可以在盐渍生境中完成其生活史和繁殖后代，但也未提出生境中的盐度。 g r e e n w a y 等8 0 年代初综合上述概念及前人研究结果，提出一个较完整的盐生植 物的定义，即“盐生植物是生长在渗透压至少为3 1 3 巴( 等于7 0 m m o l l 。1 单价盐) 盐渍土壤中的天然植物区系0 0 4 1 。 人类受到土壤盐碱化危害曰益加剧，盐生植物因其可在高盐环境中正常生长 并完成其生活史，对其研究工作也就逐渐受到重视。根据不完全统计，全世界盐 生植物的种类已超过1 5 6 0 种【1 0 5 1 。根据赵可夫等的调查，中国的盐生植物种类超 9 - 滨海盐生植物净化海水重金属能力研究 过5 0 0 种【1 0 6 1 ，山东盐生植物共有2 9 个科，5 9 个属，8 1 种，其中自然分布有2 6 科，5 4 属，7 4 种，盐生植物的多分布于滨海盐渍土区域【1 0 7 , 1 0 8 】。 1 3 2 盐生植物的耐盐机理 盐生植物最大的特点就是能够在高盐生境下正常生长，盐生植物的这一特性 并不是由单一的适应机制或新陈代谢来控制，生物化学机制起着重要的作用，这 使得盐生植物有着比其它植物更强的耐盐性【1 0 9 。盐生植物主要采取两种方式去 适应盐胁迫避盐和耐盐。 ( 1 ) 盐生植物的避盐方式 稀盐 稀盐的盐生植物( e u h a l o p h y t e ) ，也称为真盐生植物。稀盐盐生植物对盐渍生 境的最大适应特点之一，就是叶片或茎的肉质化作用。其抗盐的主要手段是在不 断从外界吸收大量盐离子的同时，其叶或茎不断地肉质化，即薄壁细胞大量增加， 以吸收和贮存大量水分，将吸入茎和叶的盐分，借体内肉质化的结构将盐稀释， 降低盐离子的危害。盐愈多肉质化愈增加，使吸收和运输到植物体内的盐离子被 稀释到不会产生伤害的浓度。稀盐盐生植物肉质化的启动因子是n a + 离子，其它 离子无此作用或作用很小，这与n 矿离子诱导a t p 合成，促进薄壁细胞分裂和原 生质膨胀有关【u0 1 。叶肉质化的种类如碱蓬属( s u a e d a ) 、猪毛菜属( s a l s o l a ) 、滨藜 属( a t r i p l e x ) 植物等；茎肉质化的种类如盐穗木( h a l o s t a c h y s ) 、盐节木属 ( h a l o c n e m u m ) 、盐爪爪属触“聊) 植物等【l l j 】。稀盐盐生植物对盐渍生境的第二 个适应特点，就是其细胞的强大区域化能力。它能将细胞从外界吸收进来的盐离 子区域化到液泡中，从而增加液泡的浓度，既降低了细胞水势，又降低了细胞质 中盐离子浓度，避免盐离子对细胞质的毒害作用。细胞区域化作用的机理主要是 依靠液泡膜上的一a t p a s e 和p p a s e 提供的离子转运的动力，以及其他液泡膜上的 载体如c a 2 + n + 逆向传递体实现的【1 1 2 1 。 泌盐 泌盐盐生植物( r e c r e t o h a l o p h y t e ) ，包括利用盐腺泌盐的盐生植物和利用囊泡 泌盐的盐生植物。常见的有补血草属( l i m o n i u m ) 、柽柳属( t a m a r i x ) 、米草属 ( s p a r t i n a ) 植物等。具有盐腺的泌盐盐生植物，它们能大量吸收盐分，但盐分进入 根后便通过木质部的导管向上运输到叶片内，再通过叶片上的盐腺重新排出体 滨海盐生植物净化海水重金属能力研究 外，达到抗盐目的。盐腺有单细胞和多细胞两类，例如滨藜属植物的盐腺由一个 细胞组成，而补血草的盐腺则由2 0 个细胞组成【1 0 4 。胞内盐离子通过盐腺的分泌 细胞分泌到胞外，其分泌过程是：叶肉胞内盐离子共质体主动过程_ 收集细胞共 质体主动过程一分泌细胞流体静压力主动和物理过程一胞外。囊泡的作用主要是 将叶片中盐分运输到囊泡中贮存起来，以降低叶片细胞中盐浓度，如遇到外界破 坏因素，囊泡也会破裂，将泡内盐分释放到外界【1 1 3 1 。 拒盐 拒盐盐生植物( p s e u d o h a l o p h y t e ) ，也叫假盐生植物，这种盐生植物不如前两 类多。常见的种类有芦苇属( p h r a g m i t e s ) 、蒿属( a r t e m i s i a ) 及灯芯草属( d u n c u s ) 植 物等。拒盐盐生植物主要避盐手段是不让外界盐分进入植物体，或进入植物体后 贮存在根部而不向地上部分运输，或只运输一部分，从而降低整体或地上部分的 盐浓度，免遭盐离子伤害，同时大量合成有机可溶性渗透剂以及吸收和贮存一定 量的无机离子，以降低植物组织水势来避免渗透胁迫。拒盐盐生植物的类型可分 为根系拒盐和地上部分拒盐两类，根系拒盐植物的根细胞质膜具有强大的选择性 吸收能力，它吸收k + 而不吸收n 矿，是由喜k + 恶n a + 基因控制：地上部分拒盐 植物是由植物体内的脉内再循环和其他机制控制【1 1 4 1 。有的盐生植物根系允许土 壤中的盐分进入根部，但进入根部后大部分贮存在那里，不再向地上部分运输， 使地上部分盐浓度仍保持较低水平，这也是一种拒盐类型，芦苇就是这样的植物。 一般认为拒盐植物拒盐与其质膜组成有关。细胞膜脂中单半乳糖二甘油脂 ( m g d g ) 含量高，则质膜透性大，盐离子容易通过；相反盐离子则不易通过，以 利植物抗盐。另外，膜脂脂肪酸饱和度也与质膜透性有关，不饱和脂肪酸指数小 的质膜，盐离子不易通过【1 0 3 1 。 ( 2 ) 盐生植物的耐盐方式 耐盐主要是指植物对盐分胁迫的忍耐特性，其中包括对渗透胁迫的忍耐和对 离子胁迫的忍耐。渗透胁迫对植物的作用是使植物脱水，植物忍耐脱水的有效方 式就是避脱水，即植物在渗透胁迫下不发生脱水，或者在失水后短期内迅速恢复 膨压，继续正常生长。避脱水最有效的措施就是渗透调节，即处于渗透胁迫下的 植物细胞内，渗透上有活性而无毒害作用的溶质的主动净增加过程。对盐生植物 而言，主要是从外界吸收和积累大量盐离子和合成一些可溶性有机物质，以降低 滨海盐生植物净化海水重金属能力研究 细胞水势，使细胞水势低于外界生境中的水势。这样不但避免细胞脱水，而且可 以不断地从外界吸收水分，以维