超富集植物龙葵(Solanum+nigrum+L)对镉胁迫的生理响应机制研究.pdf

189 98 04 上海交通大学 博士学位论文 超富集植物龙葵 s o l a n u mn i g r u ml 对镉胁迫的 生理响应机制研究 博士生 郭智 指导教师 奥岩松教授 专业 蔬菜学 所在院系 农业与生物学院 上海交通大学 2 0 0 9 年1 1 月 l s t u d yo nm e c h a n i s m so fp h y s i o l o g i c a l r e s p o n s eo fh y p e r a c c u m u l a t o rp l a n t s d 彳 删川姗 理玎lt oc a d m i u ms t r e s s c a n d i d a t e g u oz h i s u p e r v i s o r p r o f a oy a n s o n g s p e c i a l t y v e g e t a b l es c i e n c e d e p a r t m e n t c o l l e g eo fa g r i c u l t u r ea n db i o l o g y s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y s h a n g h a i c h i n a n o v e m b e r 2 0 0 9 舞 1 1 博士学位论文 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式 标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 移v 哩拳誊军务 b 爹i害 努丕a善嚣氅奎 基蚕 鹭毫 博士学位论文 权书 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 本人授权上海交通大学可以将本学位 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 保密口 在一年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密叼 请在以上方框内打 学位论文作者签名 研丫 指导教师签哗红 日期 咔 月 日日期 咋 月 芦 q l 上海交通大学学位论文答辩决议书 所在 姓名郭智学号 0 0 5 1 5 0 9 0 0 l 蔬菜学 学科 答辩 答辩 指导教师奥岩松2 0 0 9 1 1 1 7 农业与生物学院0 5 0 7 室 日期地点 论文题目超富集植物龙葵 s o l a n u mn i g r u ml 对镉胁迫的生理响应机制研究 f 投票表决结果 j j j 同意票数 实到委员数 应到委员数 答辩结论 囱通过口未通过 评语和决议 论文以重金属污染农田土壤植物修复为出发点 研究了超富集植物龙葵对重金属镉胁 迫的生理响应机制 具有一定的理论研究意义和实际应用价值 该论文重点研究了镉对龙葵幼苗生长及生理特性 抗氧化系统 氮代谢 光合作用 的影响 镉在龙葵体内的分布特性及流动性 龙葵幼苗体内元素互作效应及外源壳聚糖对 土壤镉的钝化效应等 揭示了超富集植物龙葵在镉胁迫下的生理代谢特征及其体内镉与大 量元素和微量元素间的互作效应 为进步了解植物镉耐性机制提供了科学依据 其中 龙葵不同叶位叶片间镉的亚细胞分布及壳聚糖对土壤镉钝化效应的研究结果具有一定的创 新性 论文选题准确 技术路线合理 数据翔实 结论可信 论文写作规范 层次清晰 研 究结果有一定的理论和实用价值 在论文答辩过程中 表达流畅 思路清晰 反应敏捷 回答问题正确 答辩委员会一致同意通过郭智同学博士论文答辩 建议授予博士学位 砷朋 夕日 职务姓名职称单位 签名 主席 黄丹枫教授上海交通大学 锄鼬j 短 喇辩 委员沈根祥教授上海市环境科学研究院 委 委员陈德明研究员上海市农业委员会 f 昴乏 员 厶 委员陆贻通教授上海交通大学 j k 誊 成 上海交通大学 l 边宠瑚 员 委员安渊研究员 签 委员 名 委员 秘书底冻梅讲师上海交通大学农业与生物学院 渣譬拙 摘要 超富集植物龙葵 s o l a n u mn i g r u ml 对镉胁迫的 生理响应机制研究 摘要 镉作为一种毒性较强的重金属污染物 由于长期施用磷肥 金属电镀和塑料 工业发展等原因而在农田长时间残留 对人类健康造成潜在的威胁 针对目前日 益严重的镉污染 植物修复是一种绿色廉价 被人们广泛认可的有效的原位治理 措施 其核心技术在于利用极少数镉超富集植物来去除土壤中的镉以达到修复和 治理环境的目的 本文以新型镉超富集植物龙葵为研究对象 通过营养液培养方 法深入研究了系列镉处理浓度下苗期龙葵植株生长 抗氧化系统 氮代谢 光合 作用参数等生理特性和镉吸收积累特性 探讨镉胁迫下超富集植物龙葵的生理响 应机制 在此基础上 研究了镉在龙葵体内的移动性及其在龙葵不同叶位叶片间 亚细胞分布 化学赋存形态的差异性 部分揭示龙葵的镉耐性机制 并且 对镉 锌单一和复合污染条件下龙葵和茄子对锌 镉的吸收和积累特性的差异性进行了 研究 同时通过人工模拟镉污染土壤研究了镉对大量元素及微量营养元素吸收的 影响 以探讨元素互作的内在机制 另外 本研究通过外源添加水杨酸考察其对 龙葵幼苗叶片镉毒害的缓解效应 通过外源添加壳聚糖考察其对土壤镉的钝化效 应 主要研究内容和结果如下 镉胁迫对龙葵幼苗生长 部分生理特性及镉积累的影响 镉处理使龙葵和茄子幼苗生长受到不同程度影响 并且具有明显的浓度效应 和时间效应 龙葵在镉浓度低于5 0i t m 条件下 地上部干物质量仅下降1 5 4 8 根系则有所增加 低浓度镉 2 5 m 处理显著促进龙葵幼苗根系活力 而高浓 度 1 5 0 m 镉处理1 0d 后达到峰值 茄子地上部干物质量和根系活力在所有镉 处理下均呈下降趋势 镉胁迫还导致龙葵和茄子幼苗叶片色素含量降低 龙葵体 内的s o d p o d c a t 对镉胁迫起到较强的抗氧化保护作用 随着镉浓度的升 高和胁迫时间的延长 龙葵幼苗叶片相对电导率 m d a 含量均显著上升 而可 上海交通大学博士学位论文 溶性糖和脯氨酸含量也相应上升 起到一定的渗透调节作用 镉胁迫对龙葵幼苗叶片抗坏血酸 谷胱甘肽循环的影响及外源水杨酸对镉 毒害的缓解效应 通过营养液培养方法 研究龙葵叶片g s h a s a 循环及其相关酶对c d 胁迫的 响应 并且通过外源添加水杨酸 s a 考察其对龙葵幼苗叶片镉毒害的缓解效 应 结果表明 镉处理显著影响龙葵幼苗叶片还原型谷胱甘肽 g s h 氧化型 谷胱甘肽 g s s g 还原型抗坏血酸 a s a 脱氢抗坏血酸 d h a 含量和谷胱 甘肽还原酶 g r 和抗坏血酸过氧化物酶 a p x 活性 且具有浓度效应和时间 效应 镉处理3d 后 g s h 和g s s g 含量首先小幅下降 镉处理9d 后g s h 含量达到 峰值 g s s g 含量在2 5 镉处理下表现为 降一升一降 的变化规律 1 2d 后含 量最低 而1 5 0 心i 镉处理下则表现为 升一降 升 6d 后达到峰值 2 5 州镉处 理下 a s a 含量随时间延长先升后降 平均含量较c k 均值提高4 8 5 8 而1 5 0 州 镉处理下则呈现 降 升 降 的变化规律 6d 后含量最低 但平均含量较c k 均 值提高4 0 8 8 d h a 含量随镉浓度提高和处理时间的延长逐渐增加 2 5 州镉处 理9d 和1 5 0g m 镉处理1 2d 后均达最大值 g r 活性随镉处理时间的延长先升后降 9d 时达到峰值 同时 2 5p m 和1 5 0 州镉处理下平均g r 活性分别较c k 提高 3 0 9 0 和5 1 6 7 a p x 活性变化规律与g r 有所不同 2 5i t m 镉处理下 a p x 随 处理时间的延长呈现 升一降一升 的变化规律 平均活性较c k 升高4 7 3 7 而 1 5 0 州镉处理下表现为 降一升一降 3d 时达到峰值 较对照增j j l l 3 7 8 1 妒 o 0 5 外源s a 的添加可以显著提高龙葵叶片色素 g s h a s a 和d h a 含量 降 低m d a 含量 也能显著提高g r 和a p x 活性 s a 处理3d 和6d 后 g r 活性 分别较未添加s a 的t 2 1 5 0 小 镉处理增加2 7 5 0 和3 2 0 8 妒 0 0 5 a p x 增加2 3 7 4 和2 2 4 8 尸 茎 根系 同时 龙葵幼苗叶片镉含量依叶位不同呈相应变化 本试验结果表 明第7 片叶镉含量最高 且叶脉部分镉含量较叶片边缘和叶脉间隙部分高 限制 蒸腾处理2 4h 使第7 片叶镉含量下降7 6 7 3 而未影响其他叶片镉含量分布情 况 将龙葵植株移至去镉营养液中继续处理后发现新展开2 片新叶镉含量极低 通过比较加镉 去镉两种处理下龙葵植株各部位镉含量和镉积累量差异 用以考 察镉在龙葵体内的移动性 去镉处理后 各老叶的镉含量均较对照下降 而镉积 累量却有所上升 然而 加镉 去镉两种处理下植株总体镉积累量保持不变 去 镉处理并未改变镉在龙葵体内的分布模式 去镉处理使龙葵根系中约3 7 7 8 的 镉转运至地上部 因此 可以推断在龙葵体内镉离子随蒸腾流较易转运至地上部 一旦进入叶片 镉离子很难通过韧皮部转运至其他组织器官 镉在龙葵不同叶位叶片中的亚细胞分布模式基本相同 主要分布在细胞壁部 分 占6 2 6 6 其次是细胞质可溶部分 而在细胞器组分的分布较少 仅占 5 0 a r 一7 提高镉处理水平 镉向叶片细胞壁部分和细胞器部分的分配比例增加 而向细胞质可溶部分的分配比例相对减少 同时 镉向下位叶细胞器的分配比例 增加幅度较上位叶更大 龙葵叶片中镉主要以氯化钠提取态和醋酸提取态存在 i i i 上海交通大学 博士学位论文 尤其是氯化钠提取态 占4 0 0 9 0 0 5 6 0 9 即主要是果胶酸 蛋白质结合态或吸 附态及难溶于水的磷酸盐类镉 进一步表明龙葵叶片中镉主要分布在细胞壁 镉 锌单一或复合胁迫对龙葵和茄子幼苗生长及镉 锌积累的影响 镉 锌单一和复合污染条件下龙葵和茄子幼苗生长反应及其对锌 镉的吸收 和积累特性的研究结果表明 高浓度镉锌使苗期龙葵和茄子植株生长受到不同程 度的抑制 而低浓度镉处理和部分低浓度镉锌复合处理却具有促进作用 不同锌 浓度处理均能大幅度提高苗期龙葵根 叶的镉含量 并随锌浓度的提高先升后降 均在1 0 0r t m 时达到峰值 龙葵和茄子各器官镉含量高低主要由溶液中的镉浓度 决定 镉锌互作的影响有限 但相同镉浓度下龙葵均以1 0 0p m 锌处理组合最高 而茄子以5 01 t m 锌处理组合最高 从植株整体的镉积累量来看 龙葵地上部镉 积累量是根系的7 1 6 倍多 而茄子主要积累在根系 龙葵各器官的平均锌含量均以5 0 州镉浓度时最高 尤其当c d z n 为5 0 5 0 0 r t m 时 地上部锌积累量高达4 4 5 9i t g 株 而茄子地上部锌积累量在c d z n 为2 5 5 0 0 m 时达到最大值 仅为4 8 3 嵋 株 龙葵和茄子各器官锌含量高低主要由溶 液中的锌浓度决定 镉锌互作对龙葵作用有限 而对茄子具有一定的互作效应 从植株整体的锌积累量来看 锌主要积累在龙葵幼苗地上部 叶片锌积累量是根 系的7 1 7 倍多 而对于茄子而言 锌在叶片中积累量较根系稍高 镉处理还导致龙葵植株营养元素吸收紊乱 镉促进龙葵叶片和根系k 吸收 对n a 吸收影响不显著 同时 镉促进根系m g 吸收 但抑制其向地上部转运 低 浓度镉处理促进叶片c a 吸收 龙葵根 茎 叶z n 含量随镉处理浓度的提高均表 现为低促高抑 根系c u 吸收随镉浓度提高而增加 叶片先增后降 各器官f e 含 量随镉浓度提高逐渐降低 而根系m n 含量受镉抑制 壳聚糖对土壤镉离子的钝化效应 外源壳聚糖对镉污染土壤中有效态镉含量及其垂直分布的研究结果表明 壳 聚糖对土壤中c d 2 含量有较大的影响 施入壳聚糖后 土壤中的有效c d 2 含 量明显降低 并且随壳聚糖施用量的增加而进一步降低 0 9gk g 1d w 壳聚糖施 用量钝化效应最佳 壳聚糖对土壤中重金属离子的作用主要是发生在处理后的 7 d 内 同时 壳聚糖还影响镉离子在土壤中的垂直分布 i v 关键词 龙葵 茄子 抗氧化系统 亚细胞分布 元素互作 生理响应 壳聚糖 镉 v 目录 摘要 i a b s t r a c t 主要中英文缩写 i 第一章文献综述 1 第一节农田重金属污染现状及植物修复策略 l l 重金属污染现状及来源 1 2 植物修复技术 1 3 超富集植物 4 第二节植物对重金属吸收和转运机制研究进展 5 l 植物对土壤中重金属的活化机制 5 2 植物对重金属的吸收机制 1 0 3 植物对重金属的转运机制 l o 第三节植物对重金属胁迫的解毒机制研究进展 1 2 l 根部螯合与区隔化 1 2 2 地上部螯合与区隔化 1 3 3 抗氧化系统在植物忍耐重金属毒害过程中的作用 1 4 4 重金属胁迫条件下植物自身响应机制 1 7 5 国内外研究中存在的问题 2 0 第四节本研究的主要内容及其目的 意义 2 2 l 本研究的目的和意义 2 2 2 本研究的主要内容及其技术路线 2 2 第二章镉对龙葵幼苗生长及生理特性的影响 2 5 1 材料与方法 2 6 1 1 试验材料 2 6 1 2 试验设计 2 6 试验l 浓度效应及植物差异性 2 6 试验2 浓度效应及时间效应 2 6 试验3 光合作用 盆栽试验 2 7 试验4 抗坏血酸 谷胱甘肽循环 2 8 试验5 氮代谢 2 8 1 3 测定指标及测定方法 2 8 2 结果与分析 3 2 上海交通大学 博士学位论文 2 1 镉对龙葵幼苗生长的影响 3 2 2 2 镉对龙葵幼苗叶片色素含量的影响 3 4 2 3 镉对龙葵幼苗根系活力的影响 3 6 2 4 镉对龙葵和茄子叶片膜透性的影响 3 8 2 5 镉对龙葵幼苗叶片抗氧化保护酶的影响 4 0 2 6 镉对龙葵幼苗渗透调节的影响 4 l 2 7 镉处理对龙葵叶片谷胱甘肽和抗坏血酸含量的影响 4 4 2 8 镉处理对龙葵叶片谷胱甘肽还原酶和抗坏血酸过氧化物酶活性的影响 4 6 2 9 镉胁迫对龙葵叶片 根系硝态氮和铵态氮含量的影响 4 7 2 1 0 镉胁迫对龙葵叶片 根系硝酸还原酶 谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脱氢酶活 性的影响 4 9 2 1 l 镉对龙葵叶片氨基酸含量的影响 5 0 2 1 2 镉对龙葵幼苗叶片光合作用及叶绿素荧光参数的影响 5 2 3 讨论 5 2 4d 结 5 8 第三章镉在龙葵体内的分布特性及流动性研究 5 9 l 材料与方法 6 0 1 1 试验材料 6 0 1 2 幼苗培养 6 0 1 3 镉在龙葵体内的分布性研究 6 0 1 4 镉在龙葵体内的移动性研究 6 l 1 5 亚细胞分布模式研究 6 l 1 6 镉赋存形态研究 6 2 1 7 镉含量测定 6 2 2 结果与分析 6 3 2 1 龙葵幼苗地上部和根系对镉的富集效应 6 3 2 2 镉在龙葵叶片的分布情况 6 4 2 3 蒸腾作用对龙葵体内镉分布的影响 6 5 2 4 镉在龙葵不同叶位叶片的亚细胞分布模式 6 6 2 5 镉在龙葵不同叶位叶片中的化学赋存形态 6 7 2 6 镉在龙葵体内的移动性 6 9 3 讨论 6 9 4 j 结 7 3 第四章龙葵幼苗体内元素互作效应及壳聚糖对土壤镉的钝化效应研 究 7 5 1 材料与方法 7 6 2 1 1 镉锌互作效应 7 6 1 1 1 试验材料 7 6 1 1 2 试验方法 7 6 1 2 镉对其他元素吸收的影响 7 6 1 3 壳聚糖对土壤中有效态镉的钝化效应 7 6 1 3 1 壳聚糖 7 6 1 3 2 土壤理化性状 7 6 1 3 3 试验方法 7 7 1 4 测定指标及测定方法 7 7 2 结果与分析 7 7 2 1 镉 锌处理对苗期龙葵和茄子生长的影响 7 8 2 2 镉 锌处理对苗期龙葵和茄子根系 叶片镉含量和积累量的影响 8 0 2 3 镉 锌处理对苗期龙葵和茄子根 叶锌含量和积累量的影响 8 3 2 4 镉对龙葵幼苗叶片和根系镉积累及微量元素含量的影响 8 6 2 5 壳聚糖用量对土壤中有效态镉含量的影响 8 7 2 6 壳聚糖对有效态镉在土壤中垂直分布的影响 8 9 3 讨论 9 0 4d 结 9 4 参考文献 9 6 总结与展望 1 2 0 l 全文总结 1 2 0 2 本研究的创新之处 1 2 1 3 本研究的后续工作 1 2 2 博士期间参与的课题研究 1 2 3 博士期间完成的科研论文 1 2 3 致谢 1 2 5 3 一 文献综述 第一章文献综述 第一节农田重金属污染现状及植物修复策略 1 重金属污染现状及来源 近几年 随着工农业的快速发展 人类赖以生存的生态环境受到严重威胁 目前 比较严重的生态问题包括大气污染 水体富营养化 土壤污染 有机污染 重金属污染等 水土侵蚀等 在环境科学研究领域 土壤重金属污染修复日益 受到全世界科学家的关注 并且取得了较大的研究进展 土壤是人类赖以生存的自然环境和农业生产的重要资源 世界所面临的粮 食 资源和环境问题都与土壤密切相关 在许多发达国家和发展中国家都面临着 土壤污染严重阻碍农业生产的问题 造成土壤污染的重金属主要包括a s c d h g p b c u z n c o m n n i c r 等 其中有部分是植物生长必需的微量元 素 这些金属或类金属元素有的来自于自然碱性岩石的侵蚀 有的来自于人类活 动 包括金属熔炼工业 金矿开采 石化工业以及农业生产过程中杀虫剂 化肥 施用和污水灌溉等 这些污染物不能被生物降解并且移动性很差 因此它们可以 在土壤中残留数千年 m 目前 我国重金属污染的土壤面积已达2 0 0 0 万h m 2 占总耕地面积的l 6 尤其是长江三角洲地区农田重金属污染事件越来越多 严 重影响了土壤质量 土壤污染问题亟待解决 3 一钉 2 植物修复技术 如何消除土壤环境中的重金属污染物已经成为国际性难题 近年来 植物修 复的出现和快速发展为我们提供了一条新的治理途径 即利用植物对重金属污染 物的吸收 富集和转化能力去除土壤或水体中的重金属污染物 相对于传统的重 金属污染土壤治理方法 如换土法 淋洗法 化学氧化法等 植物修复技术具有 经济 环保绿色的优势 因而具有极大的潜力 5 棚 2 1 植物修复概念的提出及种类划分 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 上海交通大学博士学位论文 染物 或消除污染物的毒性 达到污染物治理和生态修复的目的 7 1 s u s a r l a 等嘲 将植物根际微生物的作用也归纳到植物修复的作用中 他将植物修复定义为利用 植物及其根际微生物的转化 积累作用去除土壤 沉积物 地下水 地表水及大 气中的有毒化合物的过程 用于污染环境植物修复的理想植物至少应具备下述条件之一 具有极强重金 属积累能力的低生物量植物 具有潜在诱导提取能力的高生物量植物 此外 植 物的耐性以及积累多种重金属或金属有机物复合物的能力也是一个重要方面 7 1 植物修复技术最早应用芦苇床和漂浮植物系统处理污染的地下水和地表水 植物 修复作用范围非常广泛 其修复对象主要为 石油烃 氯化物 农药 爆炸性化 合物 重金属 核素 垃圾场渗滤液i s 目前 植物修复研究对象以土壤中的重 金属和有机污染物 石油烃 氯化物 农药 爆炸性化合物 为重点 按照被修 复的污染物类型不同 植物修复作用可分为有机污染物的植物修复 金属 包括 重金属和放射性 污染物的植物修复 9 1 按照修复方式划分 植物修复主要有砌 s i t u 植物修复 i nv i v o 植物修复和i nv i t r o 植物修复三种修复方式 8 i ns i t u 植 物修复是将植物直接种植在污染环境中来修复环境 即原位修复 在进行i ns i t u 植物修复前 污染物在环境中是难以移动的 而污染物又可通过植物根系被获取 如果在修复过程中植物仅仅是吸收和积累污染物而没使污染物发生转化 就可通 过收获和转移植物提以去除环境中的污染物 i nv i v o 植物修复即异位修复 就 是将修复对象机械转移 而i nv i t r o 植物修复是利用活体植物的组成部分进行修 复 例如植物体中提取出的酶进行污染环境的修复 这种过程实际上是一种离体 修复方式 由于要鉴定 提取植物中有作用的酶 所以非常昂贵 这种方式的成 功关键在于保持酶在降解污染物活性过程中所持续时间的长短 原位植物修复又可以分为植物提取 p h y t o e x t r a c t i o n p h y t o a e c u m u l a t i o n 根 际过滤 r h i z o f i l t m t i o n 植物固定 p h y t o s t a b i l i z a t i o n 植物转化 p h y t o t r a n s f o r m a t i o n 或植物降解 p h y t o d e g r a d a t i o n 植物挥发 p h y t o v o l a t i l i z a t i o n 植物促进 p h y t o s t i m u l a t i o n 以及联合修复作用等多种类 型 6 一 植物提取指植物把污染物吸收到体内 污染物在植物体中进行转移 积累 2 而积累污染物的植物体最终也能得到有效的利用 这一技术主要用于重金属污染 物的修复 根际过滤是污染物被植物根系吸附或在根系中沉淀 主要用于水渍环 境下的重金属元素的提取 也可应用于亲脂性污染物的处理 植物固定一方面利 用植物根系的作用 改变根系分布范围内土壤的微环境 以及根系分泌物的作用 促进污染物从溶解态向非溶解态转化 降低污染物的生物有效性 另一方面植物 根系的物理 化学作用使土壤性状本身也得到稳定 从而增强对污染物的吸持能 力 当污染物尤其是疏水性有机污染物和金属元素从土壤中难以清除时 可以使 用植物固定技术处理 植物转化是污染物在根系中进行分解 它既可以是微生物 的作用 也可以是根系自身分泌物的作用 另一方面植物使污染物通过转移在植 物体中进行分解 转化 这种植物转化主要用于有机污染物修复 植物吸收污染 物质并转移到地上部 进而挥发到植物体外 即植物挥发 这一技术应用的条件 是污染物在植物体内几乎很少参与代谢 却易被转运 同时 这些污染物的饱和 蒸汽压高 这种方式可用于有机污染物的修复和s e f i g 污染的修复 植物促进 途径是植物本身不能吸收污染物 但植物的根系分泌物如氨基酸 糖 酶等物质 能促进根系周围土壤微生物的活性和生化反应 促进微生物对污染物的吸收和降 解 不同的修复工艺利用不同植物特性来达到修复效果 用于植物提取工艺的理 想植物应具备分布范围广 地上部生物量高 富集系数高 超富集植物 生命 周期短和繁殖速度快等特性 l o l 而植物降解要求植物具有粗大 密集的根系和较 高水平的降解酶 同时根表面积大有利于植物促进 并且根系分泌物可以促进根 际降解l 1 1 j 2 2 植物修复的优点和局限性 植物修复可以进行原位修复 是一个主动吸收的过程 以太阳能为吸收动力 并且费用较低 仅为机械处理的1 0 0 旷2 0 对环境扰动小 保护了自然环境 加快了自然净化的速度 易被公众接受 而且植物生长环境的多样性使其能同时 修复多种环境 并且可以进行大面积处理 但是 原位修复具有一定的局限性 它只能对浅层地下水 表层土壤和沉积物进行修复 因此植物根系类型及其长度 也是限制修复的一个因子 高浓度的有毒化合物会对植物产生危害 只在中等污 3 上海交通大学博士学位论文 染水平下植物才有效 同时 食草动物对修复植物取食易使污染物进入生物链 植物修复处理通常需要数年时间 处理过程比机械处理慢 修复过程中活化的污 染物具有污染地下水的潜在危险 并且对超富集植物富集重金属的分子 生化 生理过程了解不透彻限制植物修复潜力的发挥 且外来修复植物种类会对当地土 壤 气候和资源产生影响 同时 修复过程中收获的植物材料的处置问题尚未得 到有效解决 6 8 2 1 穆 其实 植物修复与传统修复工艺并非相互排斥 因为在许多受污染土壤中污 染物种类是不同的 最经济有效的修复工艺是将这些工艺结合起来 当然 这就 要求不同学科 不同知识背景的科学家能够交叉研究 共同实施才能完成 3 超富集植物界定标准及种类 3 1 概念提出 定义及其界定标准 1 9 7 7 年新西兰科学家b r o o k s 等提出了超富集植物 h y p e r a c c u m u l a t o r 的概 念 用来描述自然界中发现的茎叶中可积累n i 达1 0 0 0 g g 1 干重 以上的植 物 1 3 后来b a k e r 和b r o o l s 1 4 1 定义了重金属超富集植物 即能超量吸收重金属 并将其运输到地上部 在地上部能够较普通植物累积1 0 0 倍以上重金属的植物 通常 超富集植物的界定可考虑以下2 个主要因素 1 植物地上部富集的 重金属应达到一定的量 即富集系数 b i o a c c u m u l a t i o nf a c t o r 即指物体金属含 量与土壤含量之比 以表征植物从土壤中去除金属的有效性 2 植物地上部的 重金属含量应高于根部 即转运系数 t r a n s l o c a t i o nf a c t o r 即植物地上部金属 含量与根部含量之比 以显示根部吸收的重金属向地上部的转运能力 由于各种 重金属在地壳中的丰度及在土壤和植物中的背景值存在较大差异 因此 对于不 同重金属 其超富集植物富集浓度界限也有所不同 目前采用较多的是b a k e r 和 一 b r o o k s 于1 9 8 3 年提出的参考值 1 4 即把植物叶片或地上部 干重 中含c d 达 到1 0 0m g k g 1 含c o c u n i p b 达到1 0 0 0m g k 9 1 m n z n 含量达到1 0 0 0 0 m g k 9 1 以上的植物定为超富集植物 后来 b a k e r 和w h i t i n g t 1 给出了水培试验 证实超富集植物应出现的几点特征 1 植物能耐受极高浓度的金属有效态 2 相对于其他基因型或物种 该植物地上部能富集特别高的金属 3 地上部 根 系金属浓度的比值大于1 实际上 超富集植物浓度特征阈值仅是一个参考值 4 第一章文献综述 而不是绝对的 3 2 超富集植物的种类 超富集植物主要集中在十字花科 研究最多的主要是芸苔属 b r a s s i c a 庭 芥属 a l y s s u m s 及遏蓝菜属 t h l a s p i 植物 重金属种类不同 其超富集植物 不同 当然 部分存在交叉现象 n i 超富集植物 目前发现的超量积累植物大概有4 0 0 多种 其中2 7 7 种是 n i 超富集植物f 1 6 1 n i 超富集植物主要庭芥属植物 n i 超富集植物中体内n i 含 量最高是茜草科九节属的p s y c h o t r i ad o u a r r i 其n i 含量达4 7 5 0 0m g k 分1 d w 1 7 1 z n 超富集植物 z n 超富集植物报道有1 8 种 1 6 1 主要是十字花科的遏蓝菜属 植物 其z n 最高积累量为3 9 6 0 0m g k g 1 聊 1 8 东南景天 幽埘a l f r e d 玎h r i i c e 是在我国东南部地区古老铅锌矿上首次发现的z n 超富集植物 1 9 1 同时对p b 具有 一定的积累作用 2 0 1 另外 通过野外调查发现长柔毛委陵菜 p o t e n t i l l ag r i f i t h i i h o o k 也是一种新的z n 超积累植物 2 1 1 圆锥南芥 a r a b i sp a n i c u l a t al 是国内 首次发现的p b z n c d 多金属超富集植物圈 c u 超富集植物 迄今为止 已发现铜超富集植物2 4 种 主要是甘薯属高山 薯 i p o m o e aa l p i n a 异叶柔花 a e o l l a n t h u sb i f o 删i f o l i u s 星香草 h a u m a n i a s t r u m r o b e r t i i 植物 其中异叶柔花a b i f o 册i f o l i u s 含铜高达1 3 5 0 0m g k f l d 聊 是 当今已知的铜积累量最高的植物 1 印 另外 据报道海州香薷 e l s h o l t z i as p l e n d e n s 瞄 鸭跖草 s i l e n e f o r t u n e i 刚和密毛蕨口5 也是c u 超富集植物 p b 超富集植物 主要为高山漆菇草属高山漆菇草 m i n u a r i t i av e r n a 遏蓝 菜属圆叶遏蓝菜 z r o m n d i f o l i u m 植物 其中m v e r n a 的p b 积累量最大 可达 lr 1 0 1 11 4 0 0m g k g 吖 d 聊u 酬 c d 超富集植物 目前 天蓝遏蓝菜 t h l a s p ic a e r u l e s c e n s 2 6 l a r a b i d o p s i s j 1 2 口胁 严7 和东南景天 幽掰a t f r e d i ih t 2 8 1 被广泛认可为c d 超富集植物 据文献 报道 龙葵 s o l a n u mn i g r u ml 2 9 1 宝山堇菜 v i o l ab a o s h a n e n s 捃 3 0 1 商陆 p h y t o l a c c aa c i n o s ar o x b 3 1 1 圆锥南芥 a r a b i sp a n i c u l a t al 2 2 l 印度芥菜 b r a s s i c a j u n c e a 3 2 1 油菜 b r a s s i c a j u n e e a 3 3 球果焯菜 r o r i p p ag l o b o s a 3 4 1 叶用红恭菜 b e t av u l g a r i sv a r c i c l al 1 3 5 等也是c d 超富集植物 5 上海交通大学博士学位论文 第二节植物对重金属吸收和转运机制研究进展 1 植物对土壤中重金属的活化机制 植物吸收土壤中的重金属大致可分为以下几个阶段 1 重金属离子进入土 壤溶液 2 重金属离子或可溶性金属络合物向根表迁移 3 重金属或可溶性 一 金属络合物跨根细胞质膜运输 4 重金属或可溶性金属络合物在根皮层细胞中 横向运输 5 重金属或可溶性金属络合物从根系的中柱薄壁细胞装载到木质部 导管 6 重金属或可溶性金属络合物在木质部中长途运输 7 重金属或可溶 性金属络合物从木质部运输到叶细胞 8 重金属或可溶性金属络合物跨叶细胞 叶泡膜运输 其中 前两个过程受到土壤理化性质及生物因素的影响 而后几个 阶段主要与植物种类和重金属特性有关 3 6 1 虽然植物修复能够有效去除污染物 但是很多机制尚未明了 6 包括 植物 微生物相互作用及其根际效应 植物吸收 转运机制 忍耐机制 区隔化等 以及螯合剂在植物转运 贮存重金属方面的作 舢 用机理等 1 1 重金属的生物有效性 植物与相关微生物必须与重金属接触并且对其起作用才能达到修复效果 因 此 重金属的生物有效性对于植物修复是至关重要的 生物有效性依赖于重金属 的化学特性 土壤特性 环境条件以及根际生物活性 重金属离子进入土壤环境 其被吸附的形式有4 种 1 被土壤胶体吸附 2 在腐殖质胶体表面发生离子 交换 3 与腐殖酸或富里酸等络合或螯合 4 发生化学反应产生沉淀 前三 种为物理或物化吸附 被吸附的重金属通常能被中性盐或稀酸等所解吸 粘壤土 较砂壤土具有更多的离子结合位点和更高的阳离子交换能力 c e c 3 7 1 土壤中 有机质的含量与阳离子交换量正相关 土壤p h 低时 由于在离子交换位点时 的置换 导致重金属离子的生物有效性提耐3 饥 离子的生物有效性也受到氧化还 原作用的影响 元素的氧化态可能影响其生物有效性 如溶解性等 以及被植物 吸收的能力 同时对植物具有毒性 如f e 3 另外 高温可以刺激土壤中的物 理 化学以及生物活动 高湿促进水溶性污染物的迁移 6 1 同时 由于物理化学 反应 生物活动的影响 污染物的生物有效性会随着时间的推移而下降 因此 6 对于那些古老的污染地而言 可能较新的污染地更加难于修复 i l 植物对金属的吸收依赖于土壤中的金属有效性 土壤中最重要的金属库包括 可交换态 有机物结合态 铁锰氧化物结合态和碳酸盐结合态 金属的植物有效 性决定于这几种重金属状态的动态平衡 而非总的金属浓度 并且植物可以通过 产生根系分泌物或改变p h 的方式来改变根际环境b3 8 1 导致根际土壤金属形态 变化的因素很多 其不仅受根际理化条件和微生物 菌根存在的影响 而且与金 属种类和植物种类有关 其中 土壤p h 是一个调节金属移动性和生物有效性的 重要因素 通常 许多金属随着土壤p h 降低其移动性增强 3 9 1 s i m s 和p a t r i c k 4 0 l 研究表明在低p h 条件下土壤中更多的c u z n m n 以可交换态和有机物结合态 存在 根际重金属发生的各种化学过程最终将表现在重金属的形态转化 改变其 生物有效性 有助于植物的吸收 而有效性降低则减少了重金属在土壤植物系统 中的传递 根际重金属的赋存形态与其毒性 生物有效性密切相关 但目前这方 面的研究还比较粗糙 有待进一步细化和深入 1 2 植物根际环境 根际环境是在植物根系的吸收和分泌两个动态过程作用下形成的在物理 化 学 生物学性质方面不同于土体的 复杂的 动态的微型生态系统 4 1 1 它的范围 一般是离根表数毫米到l 2c m 而根际环境不仅是物质和能量交换的场所 同 时也是养分水分 有益或有害微生物 有机和无机污染物进入植物体的门户 是 一个重要的环境界面 是土壤圈物质循环的重要环节 4 2 1 由于根际环境特别是重 金属胁迫下的根际环境于土体存在着显著的差异 而根际环境中的这些物理 化 学 生物学特性或效应 主要涉及重金属在土壤中形态和迁移转化 根际环境中 p h e h 值 根分泌物和根际微生物 将直接影响到重金属的固定和活化状态 从而关系到重金属在土壤 植物中的迁移转化行为 因此 重金属胁迫下植物根 际效应的机理尤其是超富集植物根际效应及其超积累重金属的机理研究是治理 重金属污染土壤研究中的关键问题之一 1 2 1 根系分泌物 根系分泌物是植物根系在生命活动过程中向外界环境分泌的各种有机化合 物的总称 4 3 广义的根系分泌物包括四种类型 1 渗出物 即细胞中主动扩散 7 上海交通大学博士学位论文 出的一类低相对分子质量的化合物 2 分泌物 即细胞在代谢过程中被动释放 出来的物质 3 粘胶质 包括根冠细胞 未形成次生壁的表皮细胞和根毛分泌 的粘胶状物质 4 裂解物质 即成熟根段表皮细胞的分解产物 脱落的根冠细 胞 根毛和细胞碎片等 根系分泌物也可按照相对分子质量大小分为两类 高相 对分子质量化合物和低相对分子质量化合物 低相对分子质量的分泌物例如氨基 酸 有机酸 糖 酚醛及各种次生代谢产物构成了植物根系分泌物的主要组成部 分 高相对分子质量的分泌物主要包括粘液 高相对分子质量的多聚糖 和蛋白 质 4 4 1 据估计 根系分泌物一般在2 0 0 种以上1 4 3 狭义的根系分泌物仅包括通 过溢泌作用进入土壤的可溶性有机物 植物根系分泌物的分泌是植物根系最重要 的代谢特征 植物光合作用固定的碳有5 艺1 被根系释放到根际环境中 1 1 4 4 植物在生长过程中根系分泌物中含有的碳水化合物 有机酸 氨基酸 糖类 物质 蛋白质 核酸以及大量其他物质 它们不仅作为微生物的能源 还能与重 金属形成配位化合物 并影响根际p h 和e h 环境 在重金属等环境胁迫下 植 物根系分泌的有机酸显著增力1 1 4 5 1 植物通过调节根系分泌物的组成来改变根际状 态以适应外界环境 如在铝胁迫下 耐铝植物可通过分泌有机酸以缓解铝毒害 4 6 1 但p e l l e t 等 4 7 就指出 根系分泌的有机酸不足以植物抵抗灿引起的毒害作用 j o n e s 等 4 8 l 和k r i s h n a m u r t i 等 4 9 1 分别报道 植物根系分泌的低分子量有机酸可以 与土壤中的镉螯合形成 镉 低分子量有机酸 复合物 从而促进了土壤中镉的 释放和植物对镉的吸收 r e e v e s 和b r o o k s 1 8 也指出 z n 超富集植物遏蓝菜属之 所以能超量积累z n 是由于其根系能分泌特殊的有机物 活化土壤中其它植物 不能吸收利用的z n 形态 并促进了其对z n 的吸收 h a m m e r 和k e l l e r t s o 则指出 超富集植物之所以能超量吸收重金属 其可能机理是超富集植物能直接改变重金 属的形态 或者通过其分泌物和对根际p h 的变化促进对重金属的吸收利用 由于目前对根系分泌物在超富集植物积累和忍耐重金属方面仍缺乏直接证 据 而一些超富集植物吸收重金属的机理研究表明 超富集和非超富集植物在根 系分泌有机离子和质子方面没有根本的差异 在促进根际重金属活化和增加植物 对重金属吸收 转运方面的作用不显著 5 1 1 因此 关于超富集植物能否分泌特殊 有机酸 根系分泌物与其超量吸收重金属及其解毒的关系还有待进一步证实 8 1 2 2 根际微生物 土壤中聚居着的微生物包括细菌 放线菌 真菌 藻 原生动物和病毒 5 2 1 它们对于土壤肥力的形成 植物营养的转化起着极其重要的作用 其中也有一部 分土壤微生物是动 植物的病原菌 在土壤中 由于根际是一个特殊生态环境 因此在根际的土壤微生物比根外的土壤微生物在数量和类型上都要多 它们在根 上的繁殖和分布受根系生长发育的影响而表现出较为明显的根际效应 根系分泌 物作用于根系周围环境产生根际效应 同时 根际微生物在植物根系趋向性聚居 并通过各自的代谢活动分解转化根系分泌物和脱落物 对根系分泌物起着重要的 修饰限制作用 p r i k r y l 和v a n c u r a t 5 3 1 研究指出 小麦在自然条件下 其根系分泌 物是灭菌条件下的2 倍 说明根系分泌物的数量与微生物的存在有密切关系 微 生物对根系分泌物的作用大体有4 条途径 1 影响根细胞的通透性 2 影 响根代谢 3 修饰根分泌 4 改变根际营养成分 如小麦根际细菌p s e u d o m o n a s p u t i d a 可转化小麦根系分泌物中的糖等有机物 刺激根系分泌物的分泌 5 3 土 壤微生物对根系分泌物的影响是多方面的 复杂的 除了上述的4 种主要途径外 很有可能还存在其它影响方式 因此尚需深入研究 另外 对具体某种土壤微生 物对根系分泌物影响的机理及方式需要深入探索 根际微生物能够影响重金属的吸收 丛枝菌根真菌 a m f 是目前研究的热 点 菌根真菌剂可以在金属浓度低时提高必需元素的吸收 又能在金属浓度高时 降低对金属离子的吸收 5 4 巧5 1 s h e n g 和x i a t 5 6 1 从南京重金属污染土壤分离出大量的 细菌菌株 通过培养筛选出3 0 个具有c d 耐性的菌株 并且通过溶液培养评价其 对碳酸镉的活化效应 a a s 分析表明这些菌株可以活化碳酸镉 定性分析确认了 在培养c d 耐性菌株过程中存在吲哚乙酸 无菌条件下进行的根系延长试验证实 了接种油菜幼苗其根系延长高达3 1 在镉耐性 生物活化和生长促进试验的基 础上 通过盆栽试验选出3 种促进植株生长和c d 吸收的菌株 接种以后发现增加 根系和地上部干重 并且在1 0 0m g k g 1c d 的土壤中接种以后油菜植株体内的c d 含量有较大幅度的提高 同时 这些菌株可以在油菜根际土壤生长繁殖 根际微 生物通过刺激根系生长而促进植物健康发育 提高水分 矿质的吸收 并且抑制 其他土壤微生物的生育繁殖阳 同时 植物及其根际微生物可以通过释放金属螯 9 上海交通大学博士学位论文 合剂提高金属的生物有效性 如铁载体 有机酸和酚类物质能够解吸土壤颗粒吸 附的重金属使其容易被植物吸收富集 3 7 1 当然也有些情况会阻止植物对重金属的 吸收 5 8 1 然而 在根际修复中往往很难区分修复效果在多大程度上是由于植物本 身的作用 而多大程度上是植物根际微生物的作用 因此 只有在实验室无菌条 件下进行研究才能阐明这些问题 2 植物对重金属的吸收机制 植物吸收环境中重金属有细胞壁等质外空间对重金属的吸收或者重金属透 过细胞质膜进入植物细胞这两种方式 5 9 超富集植物从根际吸收重金属 并将其 转移和积累到地上部分 过程包括许多环节和调控位点 包括根际重金属的活化 跨根细胞膜运输 根皮层细胞的横向运输 从根系的中柱薄壁细胞装载到木质部 导管 木质部中长途运输 从木质部卸载到叶细胞 跨叶细胞膜运输 跨叶细胞 的液泡膜运输 其中金属离子的跨膜运输是一个极其重要的调控机制 6 0 重金属主要以离子状态存在并且其跨膜运输依赖于膜转运蛋白 而这些蛋白 是不连续的 因此 根据米氏动力学方程 植物对重金属的吸收具有饱和效应 4 4 植物体中对于大多数离子存在大量的转运子 模式植物拟南芥体内存在1 5 0 个不 同的阳离子转运子1 6 1 每个转运蛋白都有其独特的特性 表现在转运速率 金属 特异性和金属亲和力等方面 这些特性受到代谢水平和调节蛋白的调控 并且 每个转运子由于组织部位和环境条件的不同而存在差异 这主要是转录水平和细 胞内吞作用的调节 因此 金属离子在植物体内的吸收转运过程是物种 环境依 赖型的 不可能以某种模式来加以解释 6 1 利用c d n a 文库筛选和酵母功能互补技术在超富集植物克隆出多重金属运 载蛋白基因 这些基因的过量表达对重金属的吸收 转运 分布 富集方面发挥 了重要作用 从而在分子水平上对植物重金属超富集特性获得了进一步的了解 目前 已鉴定的金属阳离子运载蛋白家族主要有c d f c a t i o nd i f f u s ef a c i l i t o r p r o t e i 璐 家族 6 2 n r a m p n a t u r a lr e s i s t a n c ea s s o c i a t e dm a c r o p h a g ep r o t e i i l s