多金屬超富集植物圓錐南芥(Arabis paniculata)對鋅鎘鉛的吸收特征及解毒機(jī)理.pdf

1、人類活動如礦山開采、金屬冶煉、農(nóng)田污灌、污泥農(nóng)用以及肥料的施用，使鋅、鎘、鉛等重金屬常以高含量復(fù)合伴生的形態(tài)進(jìn)入土壤系統(tǒng)，已嚴(yán)重威脅著生態(tài)環(huán)境和人類健康，土壤污染治理與修復(fù)迫在眉睫。八十年代以來，植物修復(fù)技術(shù)因其經(jīng)濟(jì)有效、環(huán)境友好和操作簡便等優(yōu)點成為國際上的研究熱點，而植物修復(fù)成功的關(guān)鍵是對超富集植物吸收、轉(zhuǎn)運、忍耐重金屬機(jī)理的深入認(rèn)識。目前，世界上共發(fā)現(xiàn)超富集植物500多種，但通常只能對一種重金屬元素表現(xiàn)出較強(qiáng)的富集能力，僅極少數(shù)可以

2、超富集兩種或兩種以上重金屬。近年來我國科學(xué)家在超富集植物的篩選方面做了大量工作，迄今已發(fā)現(xiàn)砷、鋅、鎘、錳、鉻的超富集植物多種。但整體而言，我國可供選擇的超富集植物品種不多，可以用于重金屬復(fù)合污染修復(fù)的多金屬超富集植物資源更是缺乏。因此，對多金屬超富集植物進(jìn)行篩選和鑒定，并探討其吸收富集多種重金屬的機(jī)理，仍是當(dāng)前重金屬污染土壤植物修復(fù)領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。 本研究通過對鉛鋅礦區(qū)的土壤、植被和生態(tài)調(diào)查，篩選出多種對鋅、鎘、鉛具有超富

3、集特征的草本植物。在此基礎(chǔ)上，以多金屬超富集植物圓錐南芥(Arabis paniculata)為材料，研究了其對鋅、鎘、鉛的的吸收特征及解毒機(jī)理。主要內(nèi)容包括圓錐南芥對鋅鎘鉛的吸收特征和生理響應(yīng)、鋅鎘鉛對圓錐南芥小分子有機(jī)酸的影響、鋅鎘鉛在圓錐南芥中的微區(qū)分布、圓錐南芥對鎘的抗氧化反應(yīng)、以及螯合劑對圓錐南芥吸收鋅鎘鉛的影響等。主要研究結(jié)果如下： 1.調(diào)查了蘭坪鉛鋅礦區(qū)架崖山和北廠兩個礦段的土壤和植被重金屬含量及群落特征。共采集

4、植物25種114個樣品，隸屬17科，22屬。生態(tài)調(diào)查顯示目前群落仍處于共優(yōu)勢種草本群落的演替早期階段。礦區(qū)土壤中Zn、Cd和Pb的平均含量分別達(dá)到49，156、627和14，804 mg kg-1，極高的重金屬濃度是限制礦區(qū)植被定居的主要因子。通過植物的重金屬含量及其轉(zhuǎn)運能力，初步篩選出7種Zn、2種Cd和4種Pb的超富集植物，其中圓錐南芥(Arabis paniculata)和滇苦菜(Picris divaricata)對Zn、Cd和

5、Pb具有多金屬超富集特征，而長柔毛委陵菜(Potentilla griffiihii)能夠超富集Zn。這些植物的發(fā)現(xiàn)為多金屬超富集機(jī)理的研究以及后續(xù)開展植物修復(fù)實踐提供了較好的種質(zhì)資源。 2.野外條件下，圓錐南芥生長的礦區(qū)土壤富含Zn、Cd和Pb等重金屬元素，最高可達(dá)32.8％Zn、0.65％Cd和5.4％Pb，其地上部能夠富集20800 mg kg-1 Zn，434 mg kg-1 Cd和2300 mg kg-1 Pb，且對

6、三種重金屬的轉(zhuǎn)運系數(shù)均大于1；通過水培實驗表明，圓錐南芥在1223μM Zn、9μM Cd和24μM Pb時即達(dá)到相應(yīng)的超富集標(biāo)準(zhǔn)，而且適量濃度范圍的Zn、Cd和Pb處理對植物生物量和葉綠素合成具有明顯的刺激效應(yīng)。研究結(jié)果表明圓錐南芥對Zn、Cd和Pb具有極強(qiáng)的耐性和富集能力，是我國境內(nèi)新發(fā)現(xiàn)的一種多金屬超富集植物。它的發(fā)現(xiàn)為多金屬共超富集性以及重金屬對植物刺激效應(yīng)的生理機(jī)制研究提供了一種較好的實驗材料。 3.通過高效液相色譜

7、(HPLC)研究了圓錐南芥中低分子有機(jī)酸的種類特征及其對吸收Zn、Cd和Pb的作用。圓錐南芥體內(nèi)有機(jī)酸的種類及含量大小順序為：蘋果酸>乙酸、檸檬酸>富馬酸。各種有機(jī)酸在地上部的積累量均高于地下部。612-2447μM的Zn處理促進(jìn)了地上部蘋果酸和檸檬酸、以及地下部檸檬酸的積累；高濃度Cd處理(89-267μM)則降低地上部的蘋果酸和檸檬酸含量，以及地下部蘋果酸和乙酸含量。Pb脅迫對圓錐南芥有機(jī)酸的積累沒有顯著影響。相關(guān)分析表明，蘋果酸和

8、檸檬酸可能參與了圓錐南芥對Zn的吸收和貯存，但與Cd、Pb的吸收關(guān)系不大。 4.采用掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)與X—射線能譜(EDS)聯(lián)用技術(shù)，研究了Zn、Cd、Pb在圓錐南芥中的微區(qū)分布。在根部，Zn、Cd和Pb的信號強(qiáng)度在橫切面上均呈現(xiàn)由內(nèi)(維管束)向外(表皮)逐漸降低的趨勢。Zn最高含量出現(xiàn)在木質(zhì)部導(dǎo)管內(nèi)容物中，其次是木質(zhì)部薄壁細(xì)胞以及韌皮部；Cd主要分布在木質(zhì)部薄壁細(xì)胞、導(dǎo)管壁以及韌皮部中：Pb的主要貯存部

9、位則包括木質(zhì)部薄壁細(xì)胞、皮層和韌皮部。結(jié)果表明細(xì)胞壁沉淀不是圓錐南芥根部貯存重金屬的主要方式，Zn、Cd、Pb能夠有效通過共質(zhì)體途徑進(jìn)入維管束薄壁細(xì)胞。但Zn比Cd和Pb更易裝載到木質(zhì)部向上運輸。在葉片中，Zn主要分布在上表皮內(nèi)容物中，其次是木質(zhì)部導(dǎo)管、韌皮部和葉肉細(xì)胞，而細(xì)胞壁Zn含量較低，表明Zn能夠有效地從木質(zhì)部卸載，并運輸?shù)奖砥ぜ?xì)胞通過液泡的區(qū)室化作用解毒。Cd僅在上表皮、下表皮和韌皮部中少量分布，而SEM—EDS未能在葉片中檢

10、測到Pb。葉片表皮毛對Zn具有很強(qiáng)的富集能力，特別是表皮毛基部中央的狹窄區(qū)域Zn含量可高達(dá)20％，這一結(jié)果與Zn在A.halleri表皮毛的分布極為相似，說明Zn在表皮毛中的區(qū)室化作用是圓錐南芥Zn耐性的另一重要機(jī)制。而表皮毛對Pb和Cd的富集能力較弱。 5.通過水培實驗研究了圓錐南芥對Cd的抗氧化脅迫反應(yīng)。研究證實了圓錐南芥對Cd具有很強(qiáng)的耐性和富集能力，且中、低濃度的Cd(22-89μM)對圓錐南芥的生長具有明顯的促進(jìn)作用

11、。中、低濃度Cd處理下(22-89μM)未對圓錐南芥產(chǎn)生明顯的氧化脅迫，Cd的添加更導(dǎo)致根部MDA、O2-1和H2O2的含量的降低，氧化脅迫狀況得到緩解。中、低濃度Cd處理(22-89μM)下，圓錐南芥葉片與根系對抗氧化脅迫的方式不同。葉片通過SOD、GPX、CAT以及抗壞血酸/谷胱甘肽循環(huán)來清除O2-1和H2O2；而在根部，Cd的添加對植株產(chǎn)生刺激效應(yīng)，減少了ROS的產(chǎn)生。高濃度Cd(178μM)處理抑制了圓錐南芥的生長，葉片和根均受

12、到氧化脅迫，O2-1和H2O2以及MDA含量上升，葉片通過提高5種抗氧化酶活性，而根部通過提高SOD、GPX和GR活性，對抗產(chǎn)生的氧化脅迫。 6.通過土培實驗，研究了EDTA、草酸和檸檬酸3種螯合劑對圓錐南芥吸收Zn、Cd、Pb的影響。3種螫合劑處理對土壤中水提態(tài)Zn、Cd和Pb的活化能力表現(xiàn)為EDTA＞＞CA＞OA。施加3 mmol kg-1 EDTA使水提態(tài)Pb含量比對照增加326倍，Zn增加26倍，Cd增加41倍。EDT

13、A顯著促進(jìn)了地上部對Zn、Cd和Pb的吸收，尤其對Pb的吸收是對照的3.7和4.4倍;同時，EDTA能使Pb的轉(zhuǎn)運系數(shù)顯著提高4.3和6.4倍，并顯著促進(jìn)植物地上部對Pb的富集量，但對Zn、Cd富集量沒有影響。而草酸和高濃度檸檬酸處理對土壤中的Zn、Cd和Pb具有鈍化作用，總體上草酸和檸檬酸對重金屬吸收、轉(zhuǎn)運的強(qiáng)化效果不明顯。施加3種螯合劑會明顯抑制圓錐南芥的生長，特別是地上部。低濃度草酸和高濃度EDTA使地上部生物量比對照降低42％和