【摘要】： 植物修復(fù)(phytoremediation)是指利用植物清除土壤和水體中的污染物或降低污染物的毒性，使被污染環(huán)境得到恢復(fù)的一種技術(shù)。植物采礦(phytomining)是指利用超量積累植物從富含金屬的土壤中提取金屬并通過焚燒獲得“生物礦砂”進(jìn)一步提煉金屬的技術(shù)。超量積累植物是指能超量吸收并積累重金屬的植物。超量積累植物是植物修復(fù)和植物采礦的基礎(chǔ)。本研究的主要目的是篩選出具有重金屬耐性或超積累特性的植物，并研究其耐性或超積累機(jī)理，為重金屬污染土壤和水體的植物修復(fù)提供理想的植物材料和可靠的理論依據(jù)。 為了全面了解湖南湘西礦區(qū)土壤的重金屬污染程度及污染區(qū)的植被組成和植物對重金屬的積累特性，并篩選出理想植物修復(fù)材料，我們采用樣方法于2003年秋、冬兩次在湘西礦區(qū)進(jìn)行調(diào)查采樣。共調(diào)查4個(gè)地點(diǎn)，采集土壤樣品20份，植物樣品363份，植物樣品分別屬于125種、42科、102屬。結(jié)果表明，植物葉片(或地上部)鎘、鉛、鋅和銅的平均含量分別為19、81、637和8 mg kg~(-1)。鎘含量最高的是半邊蓮(Lobelia chinensis)地上部，達(dá)到287 mg kg~(-1)，其次為龍葵(Solanum nigrum)、滿天星(Hydddrocotyle sibthorpioides)和美洲商陸(Phytolacca americana)葉片的鎘含量分別達(dá)到99、75和71 mg kg~(-1)。在調(diào)查區(qū)內(nèi)，一些重金屬含量較高的優(yōu)勢和次優(yōu)勢植物如美洲商陸、馬蘭(Kalimeris indice)、龍葵等可以用于重金屬污染土壤的植物提��；一些重金屬含量較低的優(yōu)勢和次優(yōu)勢植物如白茅(Imperata cylindrical)、五節(jié)芒(Miscanthus floridulus)等因?yàn)橛邪l(fā)達(dá)的根系可以用于污染土壤的植物固定。 為了進(jìn)一步證實(shí)半邊蓮、龍葵和美洲商陸對鎘的積累能力，我們于2004年7-10月再次在湘西地區(qū)重金屬污染嚴(yán)重的礦業(yè)廢棄地，對這三種植物和相應(yīng)的土壤樣品進(jìn)行了全面調(diào)查和元素分析，共采集美洲商陸、龍葵、半邊蓮樣品數(shù)量分別為43、26、11份，相應(yīng)的土壤樣品65份。分析結(jié)果表明，美洲商陸葉、龍葵葉和半邊蓮地上部鎘的平均含量分別為55.2、36.9和141 mg kg~(-1)。所有樣品中鎘含量最高的是大田灣D17號美洲商陸葉的樣品，鎘含量達(dá)到402 mg kg~(-1)。三種植物葉或地上部鎘含量與土壤中鎘含量呈顯著正相關(guān)。美洲商陸、龍葵、半邊蓮植株中鎘的平均富積系數(shù)分別為1.19、2.63、1.63。室內(nèi)溶液培養(yǎng)的結(jié)果顯示，美洲商陸葉、龍葵葉及半邊蓮地上部鎘含量最高分別達(dá)到了1150 mg kg~(-1)、1110 mg kg~(-1)、414 mg kg~(-1)。野外采集和室內(nèi)水培結(jié)果都表明美洲商陸、龍葵和半邊蓮是三種新的鎘超量積累植物。相比而言，三種植物中美洲商陸生物量大、鎘含量高、耐性也強(qiáng)，而且對鋅、錳、鉛、銅也有很強(qiáng)的耐性和積累能力，更重要的是美洲商陸具有肉質(zhì)化的宿根，能進(jìn)行營養(yǎng)繁殖，種植一季可收獲多茬，可能更適合于重金屬復(fù)合污染土壤的植物修復(fù)。 對野外34個(gè)樣點(diǎn)的美洲商陸根、莖和葉及相應(yīng)土壤樣品錳含量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)美洲商陸對錳也有很強(qiáng)的耐性和積累能力。34個(gè)不同采樣點(diǎn)的美洲商陸葉片錳的平均含量為2020 mg kg~(-1)，其中大田灣Ⅱ樣區(qū)的D26號美洲商陸樣品葉片中的錳含量最高，為13400 mg kg~(-1)。相關(guān)性分析的結(jié)果表明，美洲商陸葉片中錳含量與相應(yīng)土壤中總錳的含量在對數(shù)范圍內(nèi)呈顯著正相關(guān)。此外，美洲商陸葉片對錳的平均積累因子為0.58，變化范圍為0.60-3.90。水培試驗(yàn)結(jié)果也表明，在錳濃度為10 mM的營養(yǎng)液中生長15天的美洲商陸幼苗其葉片中錳含量可達(dá)到11600 mg kg~(-1)。再生苗水培試驗(yàn)也表明，在錳濃度為5mM的營養(yǎng)液中培養(yǎng)90天的美洲商陸，其葉片錳含量也可達(dá)11600mg kg~(-1)，而且刈割后培育出的再生苗在錳濃度同樣為5mM的處理液中生長24天，其葉片中錳含量還高達(dá)9700 mg kg~(-1)，該處理的三生苗葉片中的錳含量仍然高達(dá)10200 mg kg~(-1)。這些結(jié)果說明，美洲商陸也是一種錳的超量積累植物。由于美洲商陸同時(shí)具有鎘和錳超積累特性，并能進(jìn)行營養(yǎng)繁殖再生新植株，因此在植物修復(fù)實(shí)踐中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，并且也是一種研究植物對鎘和錳吸收及積累機(jī)理的好材料。 為了探討美洲商陸對鎘的吸收方式，我們采用水培法，比較了吉首和懷化兩美洲商陸種群對鎘處理的響應(yīng)。同時(shí)還采用不同濃度的外源ABA和代謝抑制劑NaN_3分別與50μM鎘對兩種群美洲商陸進(jìn)行復(fù)合處理，并分析了植物根、莖、葉的干重及鎘含量。結(jié)果表明，鎘處理15天顯著抑制吉首和懷化兩種群的生長，并且相同濃度鎘處理下，兩種群根、葉的干重沒有顯著差異，吉首種群根的鎘含量顯著低于懷化種群，而葉的鎘含量顯著高于懷化種群。外源ABA和NaN_3的加入，顯著抑制了美洲商陸對鎘的吸收，暗示美洲商陸對鎘的吸收可能包含了被動吸收和主動吸收兩個(gè)過程。 為了弄清美洲商陸吸收和積累鎘、錳之間的關(guān)系，以及鎘／錳交互處理對美洲商陸生長和鎘、錳吸收的影響，對野外美洲商陸葉片中元素含量進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，Cd含量跟Zn和Cu的含量成顯著正相關(guān)，而跟Mg成顯著負(fù)相關(guān)；Mn含量與Mg、Ni含量成顯著正相關(guān)而與Ca成顯著負(fù)相關(guān)。采用水培法，進(jìn)行鎘／錳交互處理，分析了美洲商陸生長及鎘、錳的含量。結(jié)果表明錳能緩解鎘對美洲商陸生長的抑制，緩解鎘對葉綠素a的破壞，降低美洲商陸對鎘的吸收和積累。這說明Cd、Mn和Mg在美洲商陸中可能共用了某些吸收或運(yùn)輸系統(tǒng)。 美洲商陸葉片中鎘、錳含量與硫含量在對數(shù)范圍內(nèi)成顯著正相關(guān)，這說明美洲商陸葉片中可能存在某種含硫化合物參與了鎘、錳的螯合解毒。采用水培法分別進(jìn)行鎘、錳處理，分析了美洲商陸根、葉中游離氨基酸的含量，但沒有顯著變化。隨鎘處理濃度增加，美洲商陸根和葉中非蛋白巰基和蛋白巰基含量都顯著增加，而還原型谷胱甘肽和氧化型谷胱甘肽含量顯著減少。此外，隨錳處理濃度增加美洲商陸中根、葉中游離氨基酸含量沒有顯著變化，蛋白巰基逐漸減少，非蛋白巰基和GSH含量逐漸增加。推測鎘、錳在美洲商陸中的解毒可能與某種含巰基的化合物有關(guān)，并且二者的解毒機(jī)制是有差異的。 此外，我們在吉首市峒河下游污染河段發(fā)現(xiàn)了以龍須眼子菜(Potamogeton pectinatus)和竹葉眼子菜(Potamogeton malaianus)為優(yōu)勢植物的沉水植物群落。2004年夏季，分別在10個(gè)不同樣點(diǎn)采集了該兩種植物、河床底泥和水的樣品并進(jìn)行了元素含量分析。結(jié)果表明，調(diào)查區(qū)內(nèi)河水和底泥的重金屬含量均超過了國家環(huán)保總局規(guī)定的土壤和水的生態(tài)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。植物中重金屬含量與河水和底泥中重金屬含量變化趨勢一樣，從上游至下游有增加的趨勢。兩種植物相比，龍須眼子菜葉中鎘、錳的平均含量高于竹葉眼子菜，而銅、鉛和錳的含量沒有顯著差異。除鉛以外，植物中重金屬的含量與水中的重金屬含量呈顯著相關(guān)，，而與底泥則沒有顯著的相關(guān)性。室內(nèi)浸提實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，龍須眼子菜對鎘、鉛、銅、鋅和錳的平均轉(zhuǎn)移效率分別達(dá)到84％、90％、91％、77％和84％。龍須眼子菜具有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)移水中重金屬的能力，可以作為水體重金屬污染的生物監(jiān)測器，也可直接用于污染水源的植物修復(fù)。 為了進(jìn)一步評價(jià)龍須眼子菜在水污染控制與治理中的應(yīng)用價(jià)值，我們采用室內(nèi)浸提的方法研究了龍須眼子菜對鎘、鉛吸附的一般特征。結(jié)果表明，龍須眼子菜對鎘、鉛的吸附速率很快，大約20分鐘就能達(dá)到吸附平衡，并且對鎘、鉛的最大吸附量分別達(dá)到32368、24776 mg kg~(-1)。龍須眼子菜對鎘、鉛吸附的時(shí)間動力學(xué)特征符合假二次方程，吸附的濃度動力學(xué)特征符合Langmuir方程。不同溫度、不同pH值對龍須眼子菜吸附鎘、鉛離子的影響結(jié)果表明，與5℃、10℃、30℃處理相比，20℃時(shí)龍須眼子菜對鎘、鉛的吸附能力最強(qiáng)。在pH值3-7范圍內(nèi)，龍須眼子菜對鎘的吸附隨pH值升高而減少，對鉛的吸附隨pH值升高而增加。在0.5-10 g／L的鹽度范圍內(nèi)，隨著鹽度的增加龍須眼子菜對鎘吸附減少，但對鉛的吸附卻增加。由于龍須眼子菜對溫度、酸堿度、鹽度適應(yīng)范圍也很廣，因此適宜用于各種復(fù)雜的污染水體的植物修復(fù)。
【圖文】：

proteins)家族、 Nramp(naturalresistanee一as一 soeiatedmaerophageproteins)家族、zlp (zineandironregulatedtransporterproteins)家族等、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、HMAS以及陽離子反向運(yùn)輸器等等。如圖1一1

導(dǎo)致兩實(shí)驗(yàn)的對照中葉片的鍋含量差別很大，但莖和根中的含量差異不顯著，這從另一個(gè)方面反應(yīng)了能量代謝在美洲商陸對福吸收中有重要作用。圖3一1一3顯示了不同濃度NaN3加入后美洲商陸幼苗單株總福含量�？梢钥闯觯瑑煞N群莖和葉提取的鍋隨NaN:的加入有減少的趨勢。
【學(xué)位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2006
【分類號】：X173

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本文編號：2596309