發(fā)布時間：2020-07-31 08:44

【摘要】：土壤中重金屬的生物有效性、植物對重金屬的吸收和耐受能力是限制植物修復(fù)效率的重要因素。鉛鋅礦區(qū)尾礦和土壤中的重金屬鉛(Pb)往往以含鉛的礦物形式存在,其生物有效性較低,難以被植物吸收利用。在自然條件下或植物根系作用下,鉛礦物表面會發(fā)生風(fēng)化,并釋放出毒性元素Pb,其不僅危害植物生長,還通過生物鏈的傳遞危害人體健康。在植物與礦物相互作用的過程中,根系分泌物是連接礦物與植物的重要紐帶,其一方面促進(jìn)礦物的風(fēng)化、元素釋放,另一方面影響植物對元素的吸收和積累。研究富集植物作用下的鉛礦物風(fēng)化過程,探索礦物/土壤-植物系統(tǒng)中Pb元素的吸收、微區(qū)分布、遷移和形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律,有助于深入認(rèn)識礦物來源的Pb進(jìn)入富集植物的微觀機(jī)理、揭示根際有機(jī)酸在礦物的元素釋放和重金屬的吸收過程中的作用機(jī)制,以及認(rèn)識富集植物耐受Pb脅迫的細(xì)胞機(jī)制,并最終為高效實施植物修復(fù)Pb污染土壤奠定理論基礎(chǔ)。本文在對比4種野外富集植物對Pb的吸收特征和富集能力的基礎(chǔ)上,以根際有機(jī)酸為研究中心,圍繞有機(jī)酸在鉛礦物-根界面的作用機(jī)制和Pb進(jìn)入植物細(xì)胞后的耐受機(jī)制開展研究,結(jié)合微區(qū)X射線熒光光譜(Micro-XRF)、X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)譜(XANES)和透射電子顯微鏡-能量色散X射線光譜(TEM-EDS)等技術(shù),系統(tǒng)研究了多種有機(jī)酸作用下方鉛礦、鉛-針鐵礦和磷氯鉛礦中Pb的釋放規(guī)律和三葉鬼針草從鉛礦物中吸收Pb的過程,并探索了檸檬酸(天然小分子有機(jī)酸)、腐植酸(天然大分子有機(jī)酸)和EDTA(人工合成螯合劑)三類有機(jī)酸在植物吸收Pb的過程、細(xì)胞Pb結(jié)合態(tài)的轉(zhuǎn)化和Pb向地上部遷移中的作用,同時探討了植物細(xì)胞對Pb的解毒和耐受機(jī)制。主要研究結(jié)果如下:(1)植物根系分泌物、腐殖質(zhì)和EDTA驅(qū)動鉛礦物釋放Pb的能力不僅與鉛礦物的種類有關(guān),還與礦物表面形成的鉛-有機(jī)酸絡(luò)合物及絡(luò)合物的配位結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。XANES結(jié)果顯示方鉛礦、鉛-針鐵礦和磷氯鉛礦是鉛鋅礦區(qū)土壤中主要存在的三種鉛礦物,礦物溶解實驗顯示EDTA是驅(qū)動這3種鉛礦物釋放Pb能力最強(qiáng)的有機(jī)酸,腐植酸是驅(qū)動方鉛礦和磷氯鉛礦釋放Pb能力最強(qiáng)的腐殖質(zhì),檸檬酸、組氨酸和草酸是分別驅(qū)動方鉛礦、鉛-針鐵礦和磷氯鉛礦釋放Pb能力最強(qiáng)的根系分泌物。EDTA能夠與Pb形成穩(wěn)定的Pb-EDTA八面體絡(luò)合物;腐植酸是一種天然大分子有機(jī)酸,含有的多種官能團(tuán)(如-COOH、-NH_2、-OH和Ar-OH)能夠與Pb形成絡(luò)合物;檸檬酸和草酸分別含有3個和2個羧基,其分子結(jié)構(gòu)中的羧基更易與Pb配位。(2)三葉鬼針草根系具有從方鉛礦、鉛-針鐵礦和磷氯鉛礦中吸收并積累Pb的潛力,礦物-根界面中Pb的釋放、遷移及其形態(tài)轉(zhuǎn)化是根系吸收礦物來源Pb的重要前提。室內(nèi)栽培實驗中,發(fā)現(xiàn)三葉鬼針草從3種鉛礦物中吸收Pb的能力為:方鉛礦鉛-針鐵礦磷氯鉛礦。XANES結(jié)果顯示,三葉鬼針草根系作用可將方鉛礦和鉛礬部分風(fēng)化成硬脂酸鉛((C_(17)H_(35)COO)_2Pb)和白鉛礦(PbCO_3),也可將鉛-針鐵礦完全風(fēng)化成堿式碳酸鉛(2PbCO_3?Pb(OH)_2)和Pb_3(PO_4)_2;三種鉛礦物釋放進(jìn)入根際溶液的Pb形態(tài)基本相同,均為鉛-有機(jī)配體的絡(luò)合物;根際溶液中的Pb被根系吸收后,主要以Pb-磷酸鹽沉淀的形式沉積于根部,該結(jié)果揭示了植物從鉛礦物中吸收Pb的過程。(3)根際有機(jī)酸在提高土壤Pb的生物有效性和植物對重金屬的吸收、遷移能力方面起著重要作用,其主要通過:改變根系對Pb的吸收途徑、提高植物根細(xì)胞對Pb的解毒能力,增加莖細(xì)胞對Pb的遷移能力三個方面,促進(jìn)植物對Pb的吸收和積累。相較于檸檬酸(CA)和腐植酸(HA),EDTA更能促進(jìn)Pb向地上部運(yùn)輸。吸收途徑實驗發(fā)現(xiàn),無EDTA時,三葉鬼針草主要通過共質(zhì)體途徑、Ca離子通道以及部分K離子通道吸收Pb;而有EDTA時,植物可通過共質(zhì)體途徑、質(zhì)外體途徑、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和K離子通道吸收Pb。Micro-XRF分析表明EDTA減少了Pb在根尖的分生組織和側(cè)根連接處的沉積,并增加了Pb在莖部維管束的分布。植物的細(xì)胞提取實驗發(fā)現(xiàn),EDTA顯著提高了細(xì)胞質(zhì)和液泡水溶性Pb、細(xì)胞壁結(jié)合態(tài)Pb的比例,降低了殘渣態(tài)Pb的比例。XANES鑒定結(jié)果顯示,EDTA處理條件下,植物各器官中Pb的主要存在形態(tài)為Pb-EDTA。上述結(jié)果表明EDTA通過影響植物對Pb的吸收途徑、根和莖中Pb的微區(qū)分布及Pb的分子形態(tài),來促進(jìn)Pb向地上部運(yùn)輸。植物細(xì)胞的提取實驗表明,有機(jī)酸作用下,植物根細(xì)胞中殘渣態(tài)Pb的比例和莖細(xì)胞中易被遷移的細(xì)胞結(jié)合態(tài)Pb的比例增加,且根細(xì)胞中殘渣態(tài)Pb的比例越高,根部吸收的Pb越多;莖細(xì)胞中易被遷移的細(xì)胞結(jié)合態(tài)Pb的比例越高,葉部富集的Pb越多。(4)在細(xì)胞/亞細(xì)胞尺度上認(rèn)識Pb對細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的損傷、細(xì)胞內(nèi)Pb的分布和形態(tài),是探索植物對Pb的耐受和解毒機(jī)制的關(guān)鍵。TEM觀察,發(fā)現(xiàn)Pb脅迫會導(dǎo)致細(xì)胞和亞細(xì)胞器變形、質(zhì)壁分離、質(zhì)膜模糊、細(xì)胞間隙縮小及細(xì)胞壁增厚和部分褶皺等,且隨著外界Pb暴露濃度的增加,細(xì)胞結(jié)構(gòu)受到的損傷和破壞程度逐漸增大。TEM-EDS分析發(fā)現(xiàn),細(xì)胞壁、液泡和細(xì)胞間隙是植物細(xì)胞沉積Pb的主要部位,其主要通過固定或隔離游離態(tài)的Pb,從而實現(xiàn)植物細(xì)胞對Pb的解毒,進(jìn)而提高植物對Pb的耐受能力。植物的細(xì)胞提取實驗發(fā)現(xiàn),三葉鬼針草和婆婆針根細(xì)胞中,細(xì)胞結(jié)合態(tài)Pb的分布比例呈現(xiàn):殘渣態(tài)疏水蛋白結(jié)合態(tài)細(xì)胞質(zhì)和液泡中的水溶態(tài);莖細(xì)胞中,細(xì)胞結(jié)合態(tài)Pb的分布比例呈現(xiàn):殘渣態(tài)細(xì)胞質(zhì)和液泡中的水溶態(tài)疏水蛋白結(jié)合態(tài);葉細(xì)胞中,Pb主要分布在細(xì)胞質(zhì)和液泡中的水溶態(tài),其次是細(xì)胞壁結(jié)合態(tài)。總的來說,Pb在植物根-莖-葉細(xì)胞的遷移過程中,殘渣態(tài)Pb的比例逐漸降低,而細(xì)胞質(zhì)和液泡中的水溶態(tài)Pb的比例逐漸增加。
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)科學(xué)院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：X53;X173
【圖文】：

圖 1-1 土壤環(huán)境中鉛礦物的生物有效性(Ruby et al. 1999)Fig. 1-1 Bioavailability of lead minerals in soil environment(Ruby et al. 1999)除了上述非生物作用（pH、H2O、O2和 CO2等）外，植物和微生物也能使礦物發(fā)生風(fēng)化(Violante and Caporale 2015)，由于生物風(fēng)化被錯誤的視為一個相當(dāng)緩慢的過程，導(dǎo)致人們對生物體驅(qū)動的礦物風(fēng)化關(guān)注較少，尤其是植物的作用(Pawlik et al. 2016)。事實上，礦物風(fēng)化在高等植物的根際發(fā)生得非�？�(Hinsingeretal.2001)，使植物驅(qū)動的礦物風(fēng)化成為重要的生物風(fēng)化作用之一(Pawlikand amonil2018)。已有學(xué)者報道植物根系作用能夠加速礦物的風(fēng)化，其根系分泌物在礦物溶解和元素釋放中發(fā)揮著核心作用(Houben and Sonnet 2012)。1.1.2 植物作用下的礦物風(fēng)化植物是自然界礦物風(fēng)化的重要參與者。一方面，根系活動能夠驅(qū)動土壤礦物或巖石

第一章 緒論用根系分泌的有機(jī)酸還能夠與礦物表面的金屬離據(jù)報道，有機(jī)酸主要通過 2 種絡(luò)合機(jī)制來影響)： 1）有機(jī)酸與金屬離子形成水溶性的金屬-有性，進(jìn)而影響溶解礦物的反應(yīng)速率；2）吸附在學(xué)鍵，即有機(jī)配體促進(jìn)溶解。有機(jī)酸分子能夠 Pb2+形成橋型（圖 1-2a）或單齒的（圖 1-2b）些不同的配位結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致礦物產(chǎn)生不同程度的

圖 1-3. 禾本和非禾本植物的根際 Fe(III)礦物風(fēng)化（根據(jù)文獻(xiàn)(GrilletandSchmidt2017;TsaiandSchmid2017)修改）。HA：P 型 ATP 酶；PDR/ABCG：多效性耐藥（PDR）或 ATP 結(jié)合盒（ABCG）；FRO：鐵還原酶；IRT：鐵調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；IMCs：活化鐵的物質(zhì)；ABC：ABC 型轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；PS：植物鐵載體；YS/YSL: YS 或 YSL 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；TOM：植物鐵載體的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。Fig. 1-3 Fe(III) mineral weathering in the rhizosphere of gramineous and non-gramineous plants. (revisionafter Grillet et al.(Grillet and Schmidt 2017) and Tsai et al.(Tsai and Schmidt 2017)). HA: P-type ATPasesPDR/ABCG: pleiotropic drug resistance (PDR) or ATP-binding cassette (ABCG); FRO: Ferricreductase/oxidase; IRT: Iron-regulated transporter; IMCs: Iron-mobilizing compounds; ABC: ABC-typetransporters；PS: Phytosiderophores; YS/YSL: Yellow stripe (YS) or yellow stripe-like (YSL) transportersTOM: transporter of phytosiderophores.（4）氧化還原作用在缺鐵的土壤環(huán)境中，非禾本科植物可通過氧化還原作用驅(qū)動鐵礦物的風(fēng)化（圖 1-3），且鐵礦物表面的風(fēng)化過程與根際環(huán)境的 pH 值密切相關(guān)(Grillet and Schmidt 2017)。在酸性環(huán)境中，F(xiàn)e 缺乏將激活根細(xì)胞質(zhì)膜的 P 型 ATP 酶，并觸發(fā)質(zhì)子（H+）外排至根

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 傅曉文;陳貫虹;遲建國;邱維忠;王加寧;崔兆杰;;勝利油田石油污染土壤中重金屬的形態(tài)分析[J];山東科學(xué);2015年04期

2 魏松坡;賈黎明;;外生菌根真菌對礦物風(fēng)化作用研究進(jìn)展[J];生態(tài)學(xué)雜志;2014年12期

3 高健會;趙良娟;葛寶坤;劉e

本文編號：2776245