本文關(guān)鍵詞：抗砷細(xì)菌及根系有機(jī)酸對(duì)砷超富集植物蜈蚣草促生及吸砷機(jī)理研究

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【摘要】：砷(As)由于其毒性和廣泛存在性,已備受關(guān)注,在土壤中主要以砷酸鹽(AsV)形式存在。AsV與磷(P)是同主族化學(xué)類似物,具有相似的化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)行為。鐵(Fe)是生命有機(jī)體必需元素,并在植物和微生物新陳代謝過程中發(fā)揮重要作用。在土壤中,As和P以含氧陰離子形式存在,通常與金屬(例如Ca,Al和Fe)結(jié)合,形成難溶性物質(zhì),降低其生物可利用性,使其不易被植物和微生物吸收。植物和微生物通過分泌有機(jī)配體,溶解土壤中難利用礦物。微生物在缺乏環(huán)境分泌鐵載體,是其獲取Fe的主要方式。植物通過根系分泌物溶解根際難溶礦物。在根系分泌物中,低分子量有機(jī)酸因其廣泛存在性和溶解高效性,具有突出的研究?jī)r(jià)值。蜈蚣草(Pterisvittata;PV)是第一種被報(bào)道的砷超富集植物。蜈蚣草喜堿性鈣質(zhì)土壤,此類土壤具有Fe和P可利用性極低的特點(diǎn)。說明蜈蚣草及其根際微生物可能進(jìn)化得到特有的溶解根際難溶礦物、活化砷和獲取鐵磷營(yíng)養(yǎng)的策略。然而,關(guān)于砷鐵磷活化、獲取及其相關(guān)根際過程的研究較少。因此,本研究通過系列水培和組培實(shí)驗(yàn),探究蜈蚣草根際微生物胞外產(chǎn)物的特性及溶礦能力、根系分泌物對(duì)外界砷脅迫的響應(yīng)及溶礦特性、微生物與植物在溶礦過程中的互作方式和機(jī)理以及對(duì)植物砷鐵磷吸收和促生的影響及機(jī)理。主要研究結(jié)果如下:(1)蜈蚣草根際抗砷細(xì)菌PG12高產(chǎn)兒茶酚型鐵載體。水培實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,PG12鐵載體可有效溶解砷鐵礦(FeAs04),其培養(yǎng)液中溶解性Fe和As的濃度分別為34.6和3.07 μM,分別是真菌鐵載體甲磺酸去鐵胺(DFO-B)的1.6和1.4倍。與空白對(duì)照相比,PG12鐵載體處理組蜈蚣草地上部As含量從14.3升高至78.5 mg kg~(-1),地下部Fe含量從2.93升高至6.24 g kg~(-1),此外,且其生物量增長(zhǎng)量是DFO-B處理組的2.6倍。結(jié)果表明,產(chǎn)鐵載體-抗砷根際細(xì)菌PG12具有提高砷污染土壤修復(fù)效率的潛力。(2)四種植物,砷超富集蕨類植物蜈蚣草(Pterisvittata;PV)、井欄邊草(Pteris multifa;PM),非超富集蕨類植物劍葉鳳尾蕨(Pteris ensiformis;PE)和非蕨類植物番茄(Solanum lycopersicum)煎的水培實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,植酸和草酸是蕨類植物根系有機(jī)酸的主要成分,其中,蜈蚣草的根系有機(jī)酸分泌量最高(PV,PM和PE的植酸分泌量分別為50-83,15-42和0-32 mg kg~(-1);草酸分泌量分別為10~(-1)5,7-26和4~(-1)2 mg kg~(-1)),且PV的植酸分泌與溶液As濃度呈正相關(guān)。植酸可有效溶解砷鐵礦,促進(jìn)蜈蚣草對(duì)砷鐵的吸收和生物量增長(zhǎng)。植酸+砷鐵礦、單一植酸和單一砷鐵礦處理組蜈蚣草地上部As含量分別為340,20和130 mg kg~(-1),地下部Fe含量分別為7900,1600和4100 mg kg~(-1)。表明,砷誘導(dǎo)分泌的植酸有助于活化根際難溶態(tài)砷和鐵,促進(jìn)其植物吸收與植物生長(zhǎng),利于提高砷污染土壤的實(shí)地植物修復(fù)效率。(3)根際微生物胞外產(chǎn)物(PG12鐵載體,真菌鐵載體DFO-B)和植物根系分泌物(植酸,草酸)溶礦實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,砷吸附使針鐵礦溶解性降低,鐵載體/有機(jī)酸二元體系對(duì)砷吸附針鐵礦(砷-針鐵礦)的溶解表現(xiàn)為協(xié)同作用。有機(jī)螯合劑使溶解性As濃度從0.03升高至0.27-5.33 mg L~(-1)。鐵載體/植酸二元體系釋放溶解性Fe濃度為7.42 mg L~(-1),是鐵載體和植酸單一體系溶鐵濃度之和的1.2倍。植物水培實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,鐵載體/植酸二元體系可有效釋放砷鐵,且植物的持續(xù)吸收使砷-針鐵礦進(jìn)一步溶解,從而促進(jìn)植物對(duì)砷鐵的吸收和植物生長(zhǎng):蜈蚣草體內(nèi)總As含量從0.01升高至0.43 mg plant~(-1),總Fe含量從2.7升高至14.8 mg plant~(-1),生物量增長(zhǎng)量從1.2升高至3.1 gplant~(-1) fw。根際微生物胞外鐵載體與植物根系分泌物在植物根際微生境中共存,其溶礦的協(xié)同作用對(duì)高效的砷污染土壤植物修復(fù)具有重要作用。(4)組培實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,無機(jī)磷抑制蜈蚣草(Pteris vittata;PV)和劍葉鳳尾蕨(Pteris ensiformis;PE)對(duì)砷的吸收,相反,有機(jī)態(tài)磷—植酸,可促進(jìn)蜈蚣草對(duì)砷磷的吸收,但對(duì)劍葉鳳尾蕨砷磷吸收不表現(xiàn)促進(jìn)作用。50 μ砷+50 μM植酸(砷50+植酸50)處理組蜈蚣草地上部和地下部As含量分別為157和31 mg kg~(-1),是砷50處理組的2.2和3.1倍。砷處理使蜈蚣草體內(nèi)P含量降低27%(P vs.P+As),而植酸處理組P含量增加73%(植酸500 vs.植酸500+As),表明蜈蚣草可有效利用植酸中的磷。砷和植酸都未影響蜈蚣草對(duì)鐵的吸收,但使劍葉鳳尾蕨地下部Fe含量降低46-56%。增加的砷和磷吸收以及未被抑制的鐵吸收使蜈蚣草生物量得到提高。因此,砷污染土壤中施加植酸可能對(duì)促進(jìn)蜈蚣草砷吸收和植物生長(zhǎng)具有一定作用。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：X173

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1304353