【摘要】：稀土元素(REEs)的廣泛應用觸發(fā)其在環(huán)境中持續(xù)積累已是不爭事實。環(huán)境中REEs通過植物根進入植物各種器官組織內,而植物植硅體卻可以將其固定(封存)。硅(Si)、水分和pH是重要的環(huán)境影響因素,它們在現實中能夠與REEs同時存在于環(huán)境中,并與REEs共同影響著植物的生長和發(fā)育。本文以高硅積累作物水稻(Oryza sativa L.)為研究對象,以鑭[La(III)]為REEs代表,通過設置不同濃度La(III)和不同濃度Si、不同濃度La(III)和不同濃度PEG6000、不同濃度La(III)和不同pH正交實驗,模擬復合污染環(huán)境,利用微波消解等方法提取水稻不同部分組織的植硅體,以ICP-AES和QRT-PCR等實驗手段,采用生理學、分子生物學、物理化學等方法,研究模擬環(huán)境對水稻各部分組織植硅體鑭固定生物學效應的影響,從環(huán)境生態(tài)角度、生理學角度、細胞生物學角度和分子水平揭示水稻植硅體束縛鑭機制的穩(wěn)定性、影響因素,及其產生的原因。主要研究結果總結如下:(1)La(III)、pH、水分和Si是影響水稻植硅體鑭固定的重要外因。環(huán)境La(III)能夠提升萌發(fā)水稻種子的植硅體鑭固定數量(PLCS)和植硅體鑭含量,能夠提升水稻植株各部分的植硅體鑭含量。低濃度La(III)能提升水稻各部分PLCO(PLCO=PLCS),而高濃度La(III)對水稻葉、莖的PLCO有抑制作用,而對根、米粒(碾米)有促進作用。酸雨、水分缺失(干旱)加重和硅應用均能提升水稻(種子和葉部)的植硅體鑭含量和PLCS/PLCO。La(III)與酸雨復合處理、La(III)與干旱復合處理均會抑制萌發(fā)水稻種子植硅體鑭含量和PLCS。La(III)與環(huán)境pH 5.5復合處理,以及La(III)與環(huán)境PEG 0 g/L復合處理,均能使萌發(fā)水稻種子植硅體鑭含量和PLCS獲得顯著提升。La(III)和Si復合作用能提升各部分PLCO,且增加Si濃度或使用低濃度La(III)(20 mg/L)能夠提升水稻各部分植硅體固鑭能力(PLSA),反之亦然。提升水稻各部分PLSA有利于降低體內La(III)的積累。水稻葉PLSA最高,米粒最低。水稻葉植硅體固鑭作用(PLCO和PLSA)對鑭積累影響最顯著,而米粒最差。與地下部分(根)相比,水稻地上部分(葉和莖)的植硅體鑭含量更低,但植硅體含量、PLCO和PLSA更高,葉最明顯。成熟期水稻葉植硅體鑭含量、PLCO和PLSA都會高于幼苗期,而根部則相反。與灌漿期相比,成熟期米粒的鑭含量較少,而成熟期米粒植硅體鑭含量和PLSA都在增加(PLCO變化不顯著)。因此,在實際環(huán)境中,保持較低濃度La(III)將能夠提升水稻各部分植硅體固鑭效果,而維持環(huán)境長期Si和La(III)脅迫不僅會提升水稻各部分的植硅體固鑭潛力,而且還會使米粒中鑭積累降低,從而能夠減輕La(III)對環(huán)境風險與食品安全的威脅。在REEs污染物存在的環(huán)境中,避免環(huán)境遭受酸性液體(例如酸雨)污染,并保持環(huán)境充足水分,將有助于提升水稻植硅體鑭固定作用。(2)水稻植硅體對La(III)的固定作用顯著,硅轉運蛋白是影響水稻植硅體鑭固定的重要內因。水稻植硅體有穩(wěn)定的固鑭機制。外源La(III)應用能夠提升水稻各部分(葉、莖、根)植硅體與La(III)復合結構的穩(wěn)定性,提高植硅體對La(III)的束縛能力,減少植硅體Si/La比值和增加植硅體Si含量。低濃度La(III)可以使葉啞鈴型植硅體大小和根Os Lsi1表達水平增加,促進葉和根PLSA。而過高濃度La(III)則會使葉啞鈴型植硅體大小、根OsLsi1、OsLsi2和葉、莖、根PLSA受到抑制。低濃度La(III)和Si復合作用能提升葉和莖PLSA,根OsLsi1是影響葉植硅體固鑭能力的重要因素。外源Si能夠緩解高濃度La(III)對葉、莖和根PLSA的抑制作用,根OsLsi2是影響根植硅體固鑭能力的重要因素。(3)植硅體形態(tài)是影響水稻植硅體鑭固定的重要內因。啞鈴型植硅體和導管型植硅體在水稻種子和水稻葉中都占據絕對數量優(yōu)勢。在水稻萌發(fā)種子中,僅在高濃度La(III)(100 mg/L和300 mg/L)影響下導管型植硅體對植硅體鑭固定有顯著影響;在水稻葉中,各種濃度La(III)(20 mg/L、100 mg/L或300 mg/L)都使導管型植硅體顯示出對植硅體鑭固定的顯著影響力;而葉啞鈴型植硅體則只在高濃度La(III)(300 mg/L)影響下對植硅體鑭固定有較顯著的影響力。在La(III)與環(huán)境pH以及La(III)與環(huán)境PEG復合處理中,水稻萌發(fā)種子導管型植硅體均對植硅體鑭固定影響顯著,但啞鈴型植硅體則均沒有影響。在La(III)濃度20 mg/L與Si濃度90 mg/L復合處理中,水稻葉導管型和啞鈴型植硅體共同影響著植硅體鑭固定。在La(III)濃度20 mg/L(或300 mg/L)與Si濃度15 mg/L復合處理中,葉啞鈴型植硅體對植硅體鑭固定均有顯著影響,而葉導管型植硅體對植硅體鑭固定的影響均不顯著;在La(III)濃度100 mg/L(或300 mg/L)與Si濃度90 mg/L復合處理中,結果卻相反。在其余復合處理條件下,葉導管型植硅體和葉啞鈴型植硅體均沒有顯示出對植硅體鑭固定的顯著影響。因此,在不同模擬環(huán)境中,不同水稻植硅體形態(tài)對植硅體鑭固定起到的作用不同,應當重點關注不同形態(tài)類型植硅體與植硅體鑭固定的成因差異。(4)植硅體鑭固定對水稻光合和水分生理有重要影響。La(III)和Si是影響水稻植株光合作用、水分代謝和植硅體鑭固定行為的重要因素;La(III)和Si的閾值分別為20 mg/L和90 mg/L;在模擬環(huán)境中,La(III)和Si低于閾值能夠提升水稻植株光合作用、水分代謝、植硅體形態(tài)尺寸、植硅體含量和植硅體固鑭能力,幫助水稻進一步降低La(III)對環(huán)境的潛在威脅;而高于閾值則相反,會產生抑制作用,加重La(III)對水稻的毒性作用。適當濃度Si應用能夠通過提高水稻植株植硅體固鑭能力幫助水稻克服高濃度La(III)對水稻的毒性作用,提升水稻的光合作用和水分代謝;而過量濃度Si會帶來相反的影響,從而威脅水稻的生長和發(fā)育。相關性分析顯示,水稻葉的光合作用和水分代謝相關性顯著,它們共同決定水稻地上部分(葉和莖)植硅體鑭固定,因此,植硅體鑭固定對水稻植株光合和水分代謝生理變化有重要影響。(5)植硅體鑭固定對水稻種子萌發(fā)生理有重要影響。La(III)能夠通過影響水稻種子萌發(fā)生理而影響植硅體形成,卻不能影響植硅體鑭固定效率,但可以通過改變植硅體數量而影響植硅體鑭固定總量。酸性環(huán)境(pH 4.5和pH 3.5)能夠通過影響水稻種子萌發(fā)生理而改變植硅體鑭固定,而環(huán)境水分則不能。兩種模擬環(huán)境[La(III)與酸性環(huán)境復合作用、La(III)與水分缺失環(huán)境復合作用]對水稻種子萌發(fā)和植硅體鑭固定均有抑制作用,復合環(huán)境的抑制作用明顯高于單一La(III)環(huán)境;復合環(huán)境較難通過影響水稻種子萌發(fā)生理而改變植硅體鑭固定,但是復合環(huán)境能夠通過影響水稻萌發(fā)種子植硅體鑭固定效率(植硅體鑭含量)而改變植硅體鑭固定數量(PLCS)。通過相關性分析得出,在兩種模擬環(huán)境[La(III)與酸性環(huán)境復合作用、La(III)與水分缺失環(huán)境復合作用]中,水稻種子萌發(fā)(指標)均與其植硅體鑭固定(植硅體鑭含量)有密切的聯系,并且在水分供給充足環(huán)境(不受干旱影響,PEG濃度為0 g/L)中,水稻種子萌發(fā)與植硅體鑭固定關系最緊密。植硅體對鑭的固定是水稻種子萌發(fā)受到模擬環(huán)境影響而產生變化的重要結果。在有REEs污染物存在的環(huán)境中,保持充足的水分供給和避免酸性液體污染(如酸雨)是提升水稻種子萌發(fā)生理的有效方法。(6)上述結果顯示,水稻植硅體與La(III)的復合結構是一種典型植物La(III)固定模式,環(huán)境pH、環(huán)境水分、外源Si和外源La(III)都是植物植硅體鑭固定的重要環(huán)境因素,植硅體有助于降低La(III)對環(huán)境構成的潛在威脅。在REEs環(huán)境污染風險評估時,既要考慮單一環(huán)境因素對植物植硅體因素的影響,也要考慮復合環(huán)境因素對植物植硅體因素的影響。在REEs污染物存在地區(qū),應當重點關注這種植硅體生物復合結構與幼苗期植物植株REEs毒性傷害的關系。
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Williams 依據無定型水合硅的化學特性描繪了這種硅形態(tài)的化學結構[6](圖 1-1)。在圖1-1 中，許多不同的羥基伴隨在硅的周圍，這些硅與羥基組成的結構幾乎沒有重復，并且這種硅結構有很低的表面電荷。Fraysse 等人證實了這個假設，，并發(fā)現伴隨植硅體結構變得復雜和 pH 的升高，無定型硅的表面電荷會開始輕微下降[7]。無定型硅的化學活性比晶體硅(SiO2)更活躍，這個性能使其容易與金屬或重金屬陽離子相結合[8]。生物材料中的硅可以被強酸所溶解。Nonozamsky 等人用濃鹽酸和氫氟酸(HF)溶解預處理后的植物地上組織樣品，通過過濾去除植物殘渣后對待測液體進行硅測量[9]。Jones 和 Dreher 將待測樣品與強酸液體(如由硝酸與鹽酸混合而成的王水)混合植入密封的消解管中，經過低溫加熱后，再用稀酸[如硼酸(H3BO3)或鹽酸(HCl)]低溫溶解剩余的殘渣后測定樣品中硅的含量[10]。Fraysse 等人用濃硝酸和氫氟酸對從植物中提取出的植硅體樣品進行消解，用 ICP-MS 分析了多種礦質元素[7]。實際上

屬植物硅溶解比較[19]。左邊 Y 軸代表酸溶法提取的硅，而提取的硅。n between the acid digestion with the alkaline digestion. The Yith acid methods, while the Y-axis on the right indicates the Sialkaline digestion.iO2·nH2O)遇到強堿會溶解，在強堿環(huán)境中(pH > 9.0Fraysse 等人發(fā)現植硅體的溶解度會伴隨 pH 值的升個化學特性，生物材料中的硅可以用氫氧化鈉(Na酸稀釋后，測定樣品的總硅含量[22]。Elliott 和 Snyd試劑，采用高壓蒸汽消解的方法測定水稻秸稈中的氧化鈉對植物植硅體樣品進行溶解[24]。偏硼酸鋰(能夠將材料中的生物硅溶解釋放，而且還能溶解使用偏硼酸鋰熔劑在 500oC 去除了土壤樣品中的有熔劑在 950oC 高溫下熔解了水稻和狗尾草等禾本[8, 27]。鈉(Na2CO3)也是具有強堿性。Saccone 等人從木賊
【學位授予單位】：江南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：X173


本文編號：2702783