【摘要】： 隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展,重金屬不可避免的大量進(jìn)入環(huán)境,導(dǎo)致環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。超富集植物以其對(duì)重金屬的耐性、富集性等特性展示了它在重金屬污染修復(fù)方面的巨大潛力。近年來(lái),利用超富集植物修復(fù)環(huán)境污染的研究獲得了學(xué)術(shù)界和公眾的普遍關(guān)注。砷、硒、銻三種元素的污染問(wèn)題在世界范圍內(nèi)廣泛存在。研究這三種元素在植物體內(nèi)的吸收、富集機(jī)理及相互作用過(guò)程,對(duì)于認(rèn)識(shí)植物耐性機(jī)理以及植物修復(fù)技術(shù)的實(shí)踐均具有理論與實(shí)際意義。本文通過(guò)一系列的水培與土培試驗(yàn),以蕨類(lèi)植物為主要材料,應(yīng)用生理生化測(cè)定技術(shù)、氫化物原子熒光光譜法、ICP-OES測(cè)定技術(shù)以及亞細(xì)胞分離技術(shù)等手段,研究了植物對(duì)硒、銻的吸收、富集機(jī)理以及砷、硒、銻在植物體內(nèi)的兩兩相互作用,探索研究了利用硒緩解砷、銻毒性的策略。研究成果不僅有助于了解環(huán)境有害元素在植物體內(nèi)的行為特征,對(duì)于降低有害元素的環(huán)境以及健康風(fēng)險(xiǎn)也提出了可行的技術(shù)手段。取得的主要結(jié)果有: (1)研究了蜈蚣草富集硒的能力及硒脅迫條件下的抗氧化反應(yīng)。結(jié)果表明:蜈蚣草是一種硒的耐性植物,其地下部硒的最大富集量為1573.3 mg kg~(-1),遠(yuǎn)高于地上部硒的富集量263.6 mg kg~(-1)。0-2 mg L~(-1)硒處理濃度對(duì)蜈蚣草有益,顯著降低蜈蚣草葉片中MDA的含量;但是≥5 mg L~(-1)硒處理濃度對(duì)蜈蚣草產(chǎn)生損傷,顯著增加植物葉片中MDA的含量,特別是在硒的最高處理濃度20 mg L~(-1)時(shí)。0-5 mg L~(-1)的硒處理顯著誘導(dǎo)了酶POD,APX和CAT的活性,而＞5 mg L~(-1)的硒處理濃度則降低了這三種酶的活性。＞5 mg L~(-1)的硒處理濃度顯著增加了蜈蚣草葉片中GSH的含量以及GR酶的活性,20 mg L~(-1)的硒處理濃度顯著增強(qiáng)蜈蚣草葉片中SOD酶。以上結(jié)果說(shuō)明,GSH、GR酶以及SOD酶可能與蜈蚣草的耐硒機(jī)理有關(guān),起到調(diào)控超氧陰離子自由基(O_2~-)的作用;而酶POD,APX和CAT僅在低濃度硒處理?xiàng)l件下起到清除H_2O_2的作用。 (2)利用水培和土培試驗(yàn)研究了硒對(duì)蜈蚣草體內(nèi)必需營(yíng)養(yǎng)元素含量及分布的影響。結(jié)果表明:水培條件下蜈蚣草硒富集量高于土培條件下蜈蚣草的富硒量。在土培條件下,蜈蚣草同樣也富集了大量的硒,其地上部和地下部硒的最大富集量分別為81 mg kg~(-1)和233 mg kg~(-1)。在土培試驗(yàn)中,硒抑制了幾乎所有測(cè)定元素的吸收,包括鎂(Mg)、鉀(K)、磷(P)、鐵(Fe)、銅(Cu)和鋅(zn)。在水培試驗(yàn)條件下,當(dāng)蜈蚣草體內(nèi)硒含量相對(duì)較低時(shí),硒同樣也抑制了幾乎所有被測(cè)元素的吸收。然而,當(dāng)蜈蚣草體內(nèi)硒含量增加時(shí),硒則促進(jìn)了蜈蚣草對(duì)Ca,Mg,K的吸收。在水培條件下,低劑量硒(或低硒含量)抑制、而高劑量硒(或高硒含量)促進(jìn)了蜈蚣草對(duì)Fe的吸收。以上結(jié)果說(shuō)明Ca,Mg,K可能與蜈蚣草的耐硒機(jī)理有關(guān),同時(shí)我們推測(cè)硒對(duì)Fe的吸收調(diào)控可能與硒在蜈蚣草體內(nèi)的雙面作用有關(guān)。 (3)采用正交旋轉(zhuǎn)回歸設(shè)計(jì),利用水培試驗(yàn)研究了蜈蚣草體內(nèi)砷硒間的交互作用。結(jié)果表明:當(dāng)硒處理水平小于2.5 mg L~(-1)時(shí),增加砷處理濃度促進(jìn)蜈蚣草根部硒的吸收,這一促進(jìn)作用可能與硒對(duì)植物的有益作用有關(guān)。而當(dāng)硒處理濃度高于2.5 mgL~(-1)時(shí),砷抑制了蜈蚣草根部硒的吸收。蜈蚣草地上部和地下部砷的吸收均被硒抑制,表明硒對(duì)砷的拮抗作用。另外,當(dāng)硒的處理濃度小于2.5 mg L~(-1)時(shí),砷的加入促進(jìn)了硒向蜈蚣草地上部的轉(zhuǎn)移;硒卻導(dǎo)致砷向蜈蚣草地上部轉(zhuǎn)移能力的降低。 (4)利用水培試驗(yàn)比較研究了四種蕨類(lèi)植物對(duì)銻的吸收富集能力以及相應(yīng)的耐性機(jī)理。結(jié)果表明:銻的加入沒(méi)有顯著影響砷超富集植物白玉鳳尾蕨的生物量,卻抑制了貫眾、鱗蓋蕨和齒牙毛蕨的生物量。與各自對(duì)照相比,隨著銻的加入,貫眾、鱗蓋蕨和齒牙毛蕨的生物量降低幅度分別達(dá)到12.5%,35.0%和38.3%。表明四種植物由高到低的耐銻能力。四種植物吸收的銻主要富集在根部,表明四種植物轉(zhuǎn)移銻的能力較低。四種植物中,白玉鳳尾蕨根部銻最大平均富集量為358 mgkg~(-1),貫眾為224 mg kg~(-1),齒牙毛蕨為124 mg kg~(-1),鱗蓋蕨為123 mg kg~(-1)。在20 mg L~(-1)銻處理?xiàng)l件下,與各自對(duì)照相比,鱗蓋蕨和齒牙毛蕨葉片中MDA的含量分別增加41.3%和171.6%,而白玉鳳尾蕨和貫眾葉片中MDA的含量沒(méi)有顯著性變化,表明這兩種蕨類(lèi)植物中脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)較低。在5 mg L~(-1)銻處理?xiàng)l件下,白玉鳳尾蕨葉片中抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)、過(guò)氧化氫酶(POD)以及過(guò)氧化物酶(CAT)活性均顯著高于其他三種蕨類(lèi)植物,表明這三種酶類(lèi)在抵御銻毒性的過(guò)程中起到重要作用。在銻脅迫下,白玉鳳尾蕨不變的生物量、較高的根部銻富集量、較低的葉片MDA含量以及較高的葉片抗氧化酶活性均表明白玉鳳尾蕨耐銻能力高于其他三種蕨類(lèi)植物。結(jié)果表明,抗氧化物酶類(lèi)可能與白玉鳳尾蕨較高的耐銻能力有關(guān)。 (5)利用水培試驗(yàn)研究了砷、銻在砷超富集植物大葉井口邊草體內(nèi)的相互作用以及亞細(xì)胞分布特征。結(jié)果表明:大葉井口邊草是一種潛在的銻超富集植物。在不加砷、銻處理?xiàng)l件下,大葉井口邊草葉片和莖部胞液組份聚集了絕大部分砷和銻,而細(xì)胞壁和細(xì)胞器中砷、銻含量相對(duì)較少;在單獨(dú)加入銻處理時(shí),隨著銻處理濃度的增加,大葉井口邊草體內(nèi)銻的含量逐漸增加,葉片、莖和根部中的各個(gè)亞細(xì)胞組份中銻的含量也逐漸增加,胞液中銻含量的相對(duì)比例卻降低,而細(xì)胞壁組份中銻含量的比例隨著銻處理濃度的增加而增加。當(dāng)砷、銻聯(lián)合處理時(shí),砷的加入顯著促進(jìn)了植物對(duì)銻的吸收,并且低劑量砷的促進(jìn)作用要高于高劑量砷的促進(jìn)作用。增加的砷處理濃度誘導(dǎo)更多的銻被轉(zhuǎn)移富集于植物胞液組份中,而這一過(guò)程伴隨著砷在胞液中比例的降低。在低砷處理?xiàng)l件下,銻的加入輕微促進(jìn)了植物對(duì)砷的吸收,然而這種促進(jìn)作用伴隨著植物富集砷潛力的降低,表現(xiàn)為大葉井口邊草胞液組份中砷含量以及相對(duì)比例的降低;在高砷處理下,銻的加入抑制了植物對(duì)砷的吸收,顯著降低了莖部砷的含量,同時(shí)也降低了葉片和莖不胞液組份中砷含量的比例。表明銻對(duì)水稻具有很強(qiáng)的毒性。當(dāng)不加銻時(shí),0.1 mg L~(-1)硒的加入未顯著影響水稻的生物量,卻顯著抑制了葉片MDA;≥1 mg L~(-1)硒的加入則顯著降低了水稻的生物量并增加了葉片MDA的含量,表現(xiàn)出硒對(duì)水稻的兩面性作用。硒的加入顯著增加了水稻葉片中蛋白質(zhì)的含量,而5 mg L~(-1)銻的加入?yún)s逆轉(zhuǎn)了這一趨勢(shì),蛋白質(zhì)含量隨著硒處理濃度的增加而降低。當(dāng)硒、銻聯(lián)合處理時(shí),增加的硒處理濃度降低了水稻各個(gè)部位銻的含量,表現(xiàn)出硒對(duì)銻的拮抗作用。另外,與5 mg L~(-1)單獨(dú)銻處理濃度相比,1 mg L~(-1)硒的添加降低了5 mg L~(-1)單獨(dú)銻處理下的葉片MDA含量,并且顯著增加了該銻處理下的水稻生物量,此時(shí)水稻的生物量甚至要高于不加硒、銻的對(duì)照處理下水稻的生物量,以上結(jié)果表明硒緩解了銻對(duì)水稻的毒性。5 mg L~(-1)銻的加入也能緩解1 mg L~(-1)或者5 mg L~(-1)硒對(duì)水稻的毒害,表現(xiàn)為水稻生物量的增加、降低的葉片MDA含量以及降低的地上部硒含量。意外的是,當(dāng)硒處理濃度為1 mg L~(-1)或者5 mg L~(-1)時(shí),隨著銻處理濃度的增加,硒被優(yōu)先富集在水稻根部。以上結(jié)果反映了水稻體內(nèi)硒、銻互相解毒的過(guò)程,而硒對(duì)銻的解毒功能可能主要與硒對(duì)銻的拮抗作用有關(guān),而部分與硒的抗氧化功能有關(guān)。
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類(lèi)號(hào)】：X173
【圖文】：

APX、CAT、POD、GR、可溶蛋白含量。2.2.2試驗(yàn)過(guò)程娛蛤草抱子在溫室中進(jìn)行萌發(fā)與培養(yǎng)，見(jiàn)圖2一1。抱子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的介質(zhì)中沒(méi)有人為的加入硒。在溫室條件下，將娛蛤草抱子播撒在過(guò)100目的高溫消毒過(guò)的通州(北京)土壤上，抱子萌芽長(zhǎng)出3一5片葉片后，將娛蛤草移栽至生長(zhǎng)基質(zhì)為:1/3蛙石，1/3沙石和2/3草炭土中培養(yǎng)。等幼苗長(zhǎng)到具有8一12片羽葉時(shí)，選擇健康大小一致的娛蛤草植株進(jìn)行水培試驗(yàn)。生長(zhǎng)的溫室條件如下:溫度25oc到28℃，相對(duì)濕度大約75%，14個(gè)小時(shí)的光照

e燈的測(cè)定參照陳建勛等(2002)以及Brennan和Frenkel(1977)的方法;pOD的測(cè)定參照陳建勛等(2002)以及La幼mini(1991)的方法。圖2一1抱子培養(yǎng)、幼苗栽培與溫室條件FigZ一 1GerminationofChinesebrakefernsPores， eultivationofsPorelingsandtheeonditionsofgreenhouse2.2.3.4蛋白質(zhì)含量的測(cè)定考馬斯亮藍(lán)G一250染色法，參照李合生等(2000)以及Bradford(1976)的方法。

娛蛤草體內(nèi)植物必需營(yíng)養(yǎng)元素吸收、分布的影響。3.2材料與方法3.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)不同水平的Se處理進(jìn)行土培和水培試驗(yàn)，其中土培試驗(yàn)Se處理分別為:o，10，20，50，一00mgkg一，;而水培的se處理分別為:o，l，2，5，10，20mgL一，。其中水培試驗(yàn)的幼苗收獲后測(cè)定:l)植物地上部和地下部礦質(zhì)養(yǎng)分的含量(P、K、ca、Mg、Mn、Zn、Fe、Cu等);2)測(cè)定植物地上和地下組織中的硒的含量:3)植物生理指標(biāo):GSH、SOD、APX、CAT、POD、GR、可溶蛋白含量。關(guān)于水培植物生理指標(biāo)的結(jié)果，我們已經(jīng)在上面第二章中討論，這里我們僅就元素含量進(jìn)行討論。上培試驗(yàn)的植物收獲后同樣也要測(cè)定上述礦質(zhì)養(yǎng)分的含量以及地上部和根部硒的含里乳。3.2.2試驗(yàn)過(guò)程

【引證文獻(xiàn)】

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1 張亞平;張婷;陳錦芳;彭然;;水、土環(huán)境中銻污染與控制研究進(jìn)展[J];生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào);2011年Z2期

2 馮人偉;韋朝陽(yáng);涂書(shū)新;;植物對(duì)銻的吸收和代謝及其毒性的研究進(jìn)展[J];植物學(xué)報(bào);2012年03期

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1 熊?chē)?guó)煥;超富集植物修復(fù)Pb-Cd-As復(fù)合污染農(nóng)田土壤[D];昆明理工大學(xué);2011年

2 王曉麗;植物中銻的積累過(guò)程及銻與砷的復(fù)合作用研究[D];華中農(nóng)業(yè)大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2795429