【摘要】： 植物修復技術(shù)是一項具有廣闊應用前景的治理重金屬污染土壤的全新技術(shù)。而目前對植物超積累重金屬機理認識的不足限制了該技術(shù)的應用和改良。東南景天(Sedum alfredii Hance)是我國新發(fā)現(xiàn)的一種原生態(tài)Zn/Cd超積累特異植物,其對Zn/Cd都具有很強的耐性和積累能力,是綠色植物修復技術(shù)的一種良好潛在材料。本研究以超積累植物東南景天為材料,采用溶液培養(yǎng)方法,運用同位素示蹤技術(shù)、顯微鏡熒光染色技術(shù)、同步輻射EXAFS技術(shù),高效液相色譜(HPLC)分析技術(shù)、ICP-MS等,系統(tǒng)研究了超積累生態(tài)型東南景天吸收與轉(zhuǎn)運Cd的生理機制,取得的主要研究結(jié)果如下: 1.采用水培試驗,研究比較了Cd進入兩種生態(tài)型東南景天體內(nèi)是否為主動需能過程。試驗結(jié)果表明:超積累生態(tài)型東南景天根系對Cd的吸收同溶液中Cd活度相關(guān),在低Cd處理條件下,其對Cd的吸收量要高出理論值(通過蒸騰速率換算得出)3-4倍。而蒸騰抑制劑對超積累生態(tài)型東南景天Cd的吸收和積累影響不顯著。低溫處理顯著降低了超積累生態(tài)型植物對Cd的吸收和轉(zhuǎn)運,而對非超積累生態(tài)型則無明顯影響。在外界Cd初始供應濃度為10μM時,超積累生態(tài)型植物木質(zhì)部汁液中Cd濃度為外界溶液中Cd濃度的3-4倍,而在非生態(tài)型中則剛好相反,木質(zhì)部汁液中Cd濃度要遠遠低于外界Cd濃度。在吸收液中添加代謝抑制劑CCCP或者DNP能顯著降低超積累生態(tài)型東南景天木質(zhì)部汁液中Cd含量,而對非超積累生態(tài)型則無此影響。這些結(jié)果表明超積累生態(tài)型東南景天對Cd的吸收與轉(zhuǎn)運是主動需能過程,在Cd進入植物根系,木質(zhì)部裝載,和向地上部轉(zhuǎn)運過程當中共質(zhì)體途徑而非質(zhì)流在起著主要作用。 2.通過綜合利用同位素示蹤,代謝抑制劑和熒光染色技術(shù),研究比較了超積累(HE)與非超積累(NHE)兩種生態(tài)型東南景天對Cd的吸收和運輸特征。實驗結(jié)果顯示,兩種生態(tài)型東南景天根部對Cd吸收的K_m值差異不大,但超積累生態(tài)型V_(max)是非超積累生態(tài)型的2倍。低溫處理或添加代謝抑制劑都能顯著抑制了超積累生態(tài)型東南景天根部對Cd的吸收,而對非超積累生態(tài)型影響相對較小。高鈣處理顯著降低了兩種生態(tài)型根部對Cd的吸收。超積累生態(tài)型從根部到地上部對Cd的運輸能力要高出非超積累生態(tài)型十幾倍,同時其地上部Cd積累量也遠遠高出后者。代謝抑制劑CCCP處理顯著降低了超積累生態(tài)型東南景天地上部的Cd含量,而非超積累生態(tài)型則根部Cd含量顯著降低。在超積累生態(tài)型東南景天根中Cd主要分布于中柱內(nèi),而在非超積累生態(tài)型根中則無此現(xiàn)象,同時超積累生態(tài)型東南景天木質(zhì)部汁液中Cd含量為非超積累生態(tài)型的3-5倍。這些結(jié)果說明了超積累東南景天具備很強的向地上部轉(zhuǎn)運Cd的能力,部分原因可能在于其根部木質(zhì)部對Cd的裝載能力較強。 3.利用高效液相色譜和同步輻射EXAFS技術(shù)分別測定Cd脅迫下兩種生態(tài)型東南景天木質(zhì)部汁液中有機酸組成和Cd的形態(tài)特征。研究結(jié)果顯示:兩種生態(tài)型東南景天木質(zhì)部汁液中均只檢測到大量的草酸,且在鎘脅迫條件下均顯著增加(P＜0.01),但非超積累生態(tài)型木質(zhì)部汁液中草酸含量反而明顯高于超積累生態(tài)型。在超積累東南景天生態(tài)型東南景天的木質(zhì)部汁液中Cd存在Cd-S和Cd-O/N兩種配位:而非超積累生態(tài)型木質(zhì)部汁液中則以Cd-O/N為主,未發(fā)現(xiàn)Cd-S配位。對樣品譜進行主成分分析發(fā)現(xiàn),Cd處理24小時后,超積累生態(tài)型木質(zhì)部汁液中Cd主要以Cd-GSH,Cd~(2+)和Cd-草酸這三種形態(tài)存在,分別占11.18%,62.57%和28.21%,Cd處理時間延長后,Cd~(2+)成分升高,而Cd-GSH和Cd-草酸則明顯降低。而非超積累生態(tài)型東南景天中Cd以游離態(tài)為主,少量與草酸和檸檬酸結(jié)合。上述結(jié)果表明,兩種生態(tài)型東南景天木質(zhì)部中Cd運輸形式均以游離態(tài)為主,其中,草酸參與了東南景天Cd的木質(zhì)部運輸過程,并非其超積累特異特征,超積累生態(tài)型東南景天中Cd-GSH的運輸可能是重要積累機理之一。 4.通過放射性同位素示蹤技術(shù)與水培試驗,旨在探明東南景天植物體內(nèi)陽離子(Ca、Zn)運輸途徑是否參與了其對Cd的吸收與轉(zhuǎn)運過程。結(jié)果表明,鈣明顯抑制了兩種生態(tài)型東南景天根系對~(109)Cd的吸收,而其它陽離子則無此作用。高鈣處理下,超積累生態(tài)型東南景天根系吸收~(109)Cd的V_(max)變化不明顯,K_m值顯著升高,而非超積累生態(tài)型維持K_m值不變,但V_(max)僅為對照的1/4。長時間添加鈣源可減輕Cd對兩種生態(tài)型東南景天的毒害作用,同時,隨著鈣處理濃度的增加,非超積累生態(tài)型對Cd的吸收與轉(zhuǎn)運均顯著降低,但超積累生態(tài)型中Cd的轉(zhuǎn)運率卻明顯升高,最高可達98%。兩種生態(tài)型東南景天木質(zhì)部汁液中的Zn和Ca含量隨著外界Cd處理濃度的升高而有所下降,同時,超積累生態(tài)型東南景天木質(zhì)部汁液中的Zn和Ca含量同Cd含量分別呈極顯著(P＜0.01)和顯著(P＜0.05)正相關(guān)。在介質(zhì)中添加適量Zn和Ca源可增加超積累生態(tài)型東南景天木質(zhì)部汁液中的Cd含量。上述結(jié)果表明,非超積累生態(tài)型東南景天基本通過鈣運輸途徑吸收與轉(zhuǎn)運Cd,而超積累生態(tài)型則較為復雜,在高Ca誘導下,根系可通過其它途徑(如Zn、Fe轉(zhuǎn)運蛋白)吸收Cd,同時Zn和Ca可能競爭根系質(zhì)體中Cd的結(jié)合位點,使游離態(tài)Cd增加,從而促使其向地上部的轉(zhuǎn)運。 5.采用放射性同位素示蹤技術(shù)和水培試驗,主要研究了酒石酸與檸檬酸對超積累生態(tài)型東南景天吸收、轉(zhuǎn)運與積累Cd的影響。試驗結(jié)果顯示:添加這兩種有機酸能在短時間內(nèi)(2 h)顯著促進植物根系對~(109)Cd的吸收。而經(jīng)過24小時吸收后,檸檬酸能顯著增加植物根部和地上部的~(109)Cd含量(P＜0.05),與對照相比,最高可分別達1.5和3.0倍,并促進從~(109)Cd從根部向地上部的轉(zhuǎn)運(P＜0.05);而酒石酸的主要作用是顯著增強植物根系對~(109)Cd的吸收(P＜0.05)。長時間(14 d或28 d)水培試驗表明,低濃度檸檬酸處理能有效減緩100μM Cd對植物造成的毒害作用,植物葉片生物量較未加檸檬酸處理相比增加24.7%(P＜0.05),可外源添加高濃度酒石酸反而使植物莖葉生物量顯著性下降(P＜0.05)。長時間適量添加兩種有機酸均能顯著增加植物莖葉中Cd含量和積累量(P＜0.05),但其作用隨處理時間和處理濃度不同而有所差異。上述結(jié)果表明檸檬酸可能參與了超積累生態(tài)型東南景天對Cd的吸收與轉(zhuǎn)運過程,同時檸檬酸有助于提高東南景天地上部對Cd的解毒能力;而外源添加酒石酸能促進超積累生態(tài)型東南景天根系對Cd的吸收。適量添加這兩種有機酸有助于促進Cd在東南景天體內(nèi)的積累,從而提高其修復效率。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：X173

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