銅(Cu)是植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素,參與植物體內(nèi)許多生理過程,但過量的Cu會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害,Cu污染土壤的修復(fù)與再利用一直是人們所關(guān)注的問題。蓖麻(Ricinus communis L.)由于生長(zhǎng)迅速、生物量大、具有一定的重金屬耐性以及經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高等特點(diǎn),是一種理想的植物修復(fù)材料。本文以蓖麻為研究對(duì)象,通過水培實(shí)驗(yàn),研究了蓖麻根部對(duì)Cu的固定作用以及硫?qū)徑獗吐镃u毒害的影響,部分揭示了蓖麻的耐Cu機(jī)制;通過土壤盆栽實(shí)驗(yàn),研究了施用硫(S)肥對(duì)兩種Cu污染土壤中Cu形態(tài)、蓖麻生長(zhǎng)和富集Cu的影響,并通過16S rRNA測(cè)序技術(shù)揭示了兩種土壤中影響土壤硫化學(xué)行為的關(guān)鍵微生物。主要結(jié)果如下:(1)水培試驗(yàn)結(jié)果顯示,Cu主要積累在蓖麻的根部。當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液中Cu濃度為12.5μmol L~(-1)時(shí),Cu主要分布在根部可溶性組分及細(xì)胞壁中,分別占根部總Cu的48.76%和40.95%。隨著Cu脅迫加劇(25μmol L~(-1)和50μmol L~(-1) Cu處理),蓖麻根細(xì)胞壁中Cu占根部總Cu比例上升至58.01%和57.86%。蓖麻根細(xì)胞壁中大部分Cu被固定在半纖維素1組分中,約占細(xì)胞壁總Cu的44.85%-67.78%。此外,一部分Cu被固定在半纖維素2組分和果膠組分中。但與半纖維素1和半纖維素2相比,果膠對(duì)Cu的固定能力很容易達(dá)到飽和。二維紅外相關(guān)分析(2D-FTIR-COS)結(jié)果表明,半纖維素C-O-C、C-C或C-OH最先對(duì)Cu脅迫做出響應(yīng),其次是果膠中的C=O或木質(zhì)素和木聚糖中的C=O,最后是蛋白質(zhì)中的C=O。(2)Cu脅迫促使蓖麻根部植物螯合肽(PCs)的合成來(lái)螯合過量的Cu離子,同時(shí)導(dǎo)致了根中還原型谷胱甘肽(GSH)的消耗。硫可以緩解Cu對(duì)蓖麻根系的毒害,但在不同程度的Cu脅迫下,硫緩解Cu對(duì)蓖麻根系毒害的機(jī)制也不同。當(dāng)外界Cu脅迫程度較輕時(shí)(≤25μmol L~(-1) Cu處理),增加硫的供給量可以通過增加蓖麻根部GSH的含量來(lái)提高蓖麻抗氧化能力,從而緩解Cu毒害;當(dāng)外界Cu脅迫較重時(shí)(50和100μmol L~(-1) Cu處理),增加硫供給量主要是促進(jìn)蓖麻根中植物螯合肽的合成來(lái)緩解Cu毒害。(3)盆栽試驗(yàn)結(jié)果顯示,在pH為7.90,Cu含量為1507 mg kg~(-1)的土壤中(采自銅綠山礦區(qū),MS-Soil),施用硫肥(0-4 g kg~(-1))減少了蓖麻對(duì)Cu的吸收量,促進(jìn)了蓖麻的生長(zhǎng)。與不施用硫肥相比,施用硫肥后蓖麻根部和地上部Cu含量分別下降了12.96%-45.35%和12.73%-23.85%,而地上部的生物量增加了10.48%-29.14%。而在pH為6.46,Cu含量為790 mg kg~(-1)的土壤中(采自礦區(qū)周邊菜地,FS-Soil),施用硫肥加劇了Cu對(duì)蓖麻根系的毒害,抑制了蓖麻生長(zhǎng)。與不施用硫肥處理相比,施用4 g kg~(-1)的硫肥后蓖麻根中Cu含量增加了43.82%,而根部生物量下降了45.98%。在盆栽實(shí)驗(yàn)中,施用硫肥引起蓖麻對(duì)Cu吸收量的改變可能是影響蓖麻生長(zhǎng)的主要原因。(4)施用硫肥后對(duì)供試兩種土壤中Cu的化學(xué)形態(tài)和生物有效性也產(chǎn)生了不同影響。在MS土壤中,施用硫肥降低了土壤中弱酸提取態(tài)Cu和可還原態(tài)Cu的比例,增加了可氧化態(tài)Cu和殘?jiān)鼞B(tài)Cu的比例,降低了土壤中Cu的生物有效性。施用4 g kg~(-1)硫肥后土壤中可還原態(tài)Cu的比例由29.83%(CK)下降至4.71%,而可氧化態(tài)Cu和殘?jiān)鼞B(tài)Cu的比例則由CK的12.41%和56.82%上升至30.83%和60.52%。而在FS土壤中,施用硫肥后造成了土壤pH顯著下降,活化了土壤中的Cu。與CK處理相比,施用4 g kg~(-1)硫肥后土壤中DTPA提取態(tài)Cu的含量增加了4.45%。(5)利用16S rRNA測(cè)序技術(shù)分析了供試兩種污染土壤種植蓖麻及施用硫肥后土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果表明,施用硫肥雖然都降低了兩種土壤微生物群落的多樣性,但對(duì)兩種土壤中的微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響有所不同。在MS土壤中,蓖麻生長(zhǎng)和施用單質(zhì)硫肥增加了廣古菌門(Euryarchaeota)和變形菌門(Proteobacteria)的相對(duì)豐度。Thiobacillus是MS土壤中參與單質(zhì)硫氧化的關(guān)鍵菌屬。而在FS土壤中,蓖麻生長(zhǎng)和施用硫肥增加了土壤中變形菌門(Proteobacteria)和酸桿菌門(Acidobacteria)的相對(duì)豐度,參與FS土壤硫氧化的關(guān)鍵菌屬則為Sulfurifustis。兩種土壤中,蓖麻根際土壤性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)的差異可能是導(dǎo)致硫?qū)ν寥繡u形態(tài)產(chǎn)生不同影響的原因。
【學(xué)位單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：S565.6;X53;X173
【部分圖文】：

HC2 (c) fractions2.3.5 蓖麻根細(xì)胞壁的 FTIR 分析及 2D-COS 分析如圖2-5a所示，隨著營(yíng)養(yǎng)液中外源Cu濃度的增加，蓖麻根細(xì)胞壁中1650 cm-1和 1325 cm-1處吸收峰的強(qiáng)度逐漸降低。通常 1650 cm-1處的吸收峰被認(rèn)為是蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶 C=O 的特征峰（Meyer et al 2015）;而 1325 cm-1處被認(rèn)為是蛋白質(zhì)中N-H 的特征峰（Ma et al 2014）。這表明，Cu 脅迫不僅引起了蓖麻根細(xì)胞壁多糖組分的改變，也造成了蛋白質(zhì)成分的改變。

理下兩種土壤特有及共有的 OTU 分布 Venn 圖（A：未種植蓖B：未種植蓖麻、種植蓖麻未施硫肥、種植蓖麻施用 4 g kg-1硫植蓖麻、種植蓖麻未施硫肥、種植蓖麻施用 4 g kg-1硫肥的 Fnn diagram of OTU detected in two types of contaminated soils w (A: unplanted MS-Soil and FS-Soil; B: unplanted MS-Soil、plafur application、planted MS-Soil with 4 g kg-1sulfur; C: unpland FS-Soil without sulfur application、planted FS-Soil with 4 g k對(duì)土壤細(xì)菌群落 α-多樣性的影響示了兩種土壤種植蓖麻前后及施用硫肥后土壤細(xì)菌群

理土壤樣品中的核心微生物（A：MS 土壤門水平；B：MS 土FS 土壤門水平；D：FS 土壤屬水平）。ryplot diagram of the key microbe in different treatment soils (: genus level in MS-Soil: C: phylum level in FS-Soil; D: genus 土壤細(xì)菌群落組成的影響映了兩種土壤種植蓖麻前后及施用硫肥后土壤細(xì)菌在上（圖 B）的相對(duì)豐度變化。Actinobacteria 菌門、Bcteria 菌門在未種植蓖麻的兩種污染土壤中均具有較高豐度在 MS 土壤和 FS 土壤中分別高達(dá) 81.79%和 67es 菌門在 MS 土壤中具有較高的相對(duì)豐度（9.93%）；而

【參考文獻(xiàn)】

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