硒、有機酸、螯合劑對苧麻修復鎘污染能力的影響機制研究.pdf

1、土壤重金屬鎘(Cd)污染已經成為一個世界性的環(huán)境問題。重金屬鎘不僅在土壤中具有很強的擴散性和不可生物降解性，它還能通過食物鏈在動植物和人體內富集，并產生毒害作用。因而，土壤鎘污染的修復技術成為人們關注的焦點和研究的熱點。植物修復技術是一種經濟、安全、無二次污染且具有很大應用前景的土壤重金屬修復技術，它主要是指利用植物根系的吸收提取、穩(wěn)定、過濾、降解等作用，去除環(huán)境中污染物，或者將環(huán)境中的污染物轉化為無害狀態(tài)的過程。外源施加硒、低分子量有

2、機酸、金屬螯合劑等能夠有效提高植物對土壤重金屬的耐性和富集性，從而增強植物對土壤重金屬污染的修復能力。苧麻是一種中國特有的纖維作物，具有生物量大和生長速度快等特點，而且對土壤重金屬Cd具有有較強的耐性和富集能力。本研究以苧麻為修復植物，以重金屬Cd為目標污染物，選擇硒、低分子量有機酸、金屬螯合劑為外源物質，研究它們對苧麻修復重金屬Cd污染的影響以及作用機制。其主要研究結果如下:
　　(1)第一部分通過對湖南省內廣泛分布的三種根型苧

3、麻品種的水培實驗，從苧麻的生長速率、苧麻生物量、重金屬吸收特征和吸收轉運實驗四個方面分析比較，篩選出最適合抗重金屬脅迫的品種。研究結果表明，隨著培養(yǎng)液中鎘濃度的上升，三種根型的苧麻對鎘的吸收和積累量均逐漸增加，轉運系數呈下降趨勢，鎘在各器官的積累量為根＞莖＞葉。三種根型的苧麻轉運系數在0.137-0.215之間，但苧麻體內的鎘含量卻達到了299-1651 mg kg-1 dw，表明苧麻能有效地富集周邊環(huán)境中的鎘，且重金屬對苧麻的迫害作用

4、具有隱蔽性。深根型的中苧一號、中根型瀏陽大葉青和淺根型的長沙青葉麻相比較，中苧一號對鎘脅迫的閾值更高，在同樣鎘濃度條件下，細胞膜透性、脯氨酸含量和轉運系數最小，吸收的鎘含量最多，根系活力最高。因此，深根型中苧一號抗鎘脅迫的能力更強。（第2章）
　　(2)第二部分主要探討在外源硒作用下，鎘對苧麻生理活性（葉綠素及類胡蘿卜素、MDA含量、脯氨酸和細胞膜透性等）、抗氧化酶（SOD、POD和CAT）和DNA甲基化的影響，以及硒對苧麻抗重金

5、屬脅迫的緩解機制。研究結果表明，鎘脅迫下苧麻的最佳噴施硒濃度為1.2μM。外源低濃度硒元素可促進苧麻的生長和細胞膜透性，有效緩解植物的抗鎘脅迫能力，增強苧麻體內MDA含量和抗氧化酶活性，同時抑制DNA甲基化程度，穩(wěn)定苧麻在鎘脅迫條件下產生的異?，F象。一方面，硒與鎘的拮抗作用有效抑制了苧麻根部對鎘的吸收和向地上部分轉移的能力;另一方面，硒能促進苧麻有效去除鎘脅迫產生的活性氧自由基，并穩(wěn)定面臨外界脅迫中植物體內細胞的DNA水平。但較高濃度（

6、1.8μM亞硒酸納溶液）的硒則會抑制苧麻的生長，加大重金屬脅迫對植物的毒害作用。
　　(3)第三部分研究外源草酸對重金屬鎘脅迫下苧麻的生長量、生理代謝過程及苧麻富集轉運重金屬鎘的影響。研究結果表明，鎘脅迫下苧麻的最佳外源草酸濃度為1 mM。外源草酸能在一定程度上緩解重金屬鎘對苧麻的生物有效性，表現在苧麻莖葉和根部組織中鮮重和干重量的增大。低濃度的草酸能通過影響苧麻根系活力、光合作用、膜脂過氧化以及可溶性蛋白代謝等生理過程，有效緩解

7、鎘脅迫對苧麻的損害作用，輕微增強植物的抗氧化防御能力，高濃度草酸的緩解效果減弱。同時，外源草酸不僅有利于促進植物根部對重金屬的吸收，還有助于加強植物富集的重金屬向地上莖葉組織轉運的能力。當施加草酸時，苧麻根部和莖葉鎘富集含量均明顯大于純鎘脅迫下的富集水平，隨著草酸施加濃度的升高，苧麻葉片和根部Cd富集能力有所下降，轉運系數也逐漸下降。
　　(4)第四部分研究外源檸檬酸對重金屬鎘脅迫下苧麻的生物有效性，苧麻根系活力、光合作用、膜脂過

8、氧化、可溶性蛋白代謝及抗氧化防御能力等生理過程，以及苧麻富集轉運重金屬鎘的影響。研究結果表明，鎘脅迫下苧麻的最佳外源檸檬酸濃度為1 mM。外源檸檬酸特別是較低濃度的檸檬酸通過與重金屬形成螯合體的形式使得鎘毒害癥狀尤其是重金屬脅迫引起的氧化性損傷得到緩解，提高生理活性和抗氧化防御能力，表現在苧麻根系活力、葉片葉綠素含量、類胡蘿卜素含量、根部可溶性蛋白、抗氧化酶活性均高于純鎘脅迫對照組。同時也能促進苧麻對重金屬鎘的吸收和轉運。施加1 mM外

9、源檸檬酸時，鎘富集量和轉運系數達到最大值，隨著檸檬酸施加濃度的升高，苧麻葉片和根部鎘富集能力和轉運能力依次下降。
　　(5)第五部分研究分析了鎘脅迫下EDTA對土壤酶（脲酶和過氧化氫酶）及苧麻生理代謝活動（葉綠素、MDA和脯氨酸代謝）的影響，同時探究了EDTA作用下苧麻根部對土壤重金屬鎘的吸收特性和鎘在苧麻體內的轉運遷移規(guī)律機理。隨著螯合劑EDTA濃度的增加，葉綠素含量、游離脯氨酸含量和過氧化氫酶活性呈下降趨勢，MDA含量和土壤脲

10、酶活性呈上升趨勢。研究結果表明，金屬螯合劑EDTA能有效地活化土壤中的重金屬鎘。通過非線性擬合處理，Cd溶液和EDTA-Cd溶液中苧麻對Cd的吸收動力學符合Michaelis-Menten方程，說明苧麻根系對Cd和EDTA-Cd的吸收都是由轉運載體所介導的過程。從組織分布看，苧麻根、莖、葉中的總鎘含量以及鎘在植物體內的轉移系數均隨EDTA施加濃度的增加而增加。細胞內和細胞外鎘含量隨EDTA濃度升高而升高，尤其是在葉片細胞中，而細胞壁鎘含

11、量卻呈下降趨勢。
　　(6)第六部分研究分析了外源NTA對鎘脅迫下苧麻根系土壤酶系統(tǒng)的影響，對土壤鎘的活化效應及生理代謝的影響，并探究了NTA作用下苧麻根部吸收和鎘在苧麻體內的轉運遷移規(guī)律機理。研究結果表明，金屬螯合劑NTA對重金屬有較強的螯合作用，能有效地活化土壤中的重金屬鎘，但活化效率不及EDTA。隨著螯合劑NTA濃度的增加，葉綠素含量先緩慢下降后迅速下降，MDA含量先下降后呈上升趨勢，游離脯氨酸含量呈下降趨勢，土壤脲酶活性和

12、過氧化氫酶活性均呈上升趨勢。苧麻根部對鎘的吸收速率與NTA-Cd溶液的脅迫濃度呈正相關，通過非線性擬合處理，NTA-Cd溶液的吸收動力學符合Michaelis-Menten方程。從組織分布看，苧麻莖和葉中的總鎘含量呈上升趨勢，而根部總鎘含量則呈下降趨勢。細胞內、細胞外鎘含量隨NTA濃度升高而有所提升，各部分組織中細胞壁的鎘含量最高，NTA處理下被吸收的鎘主要積累在組織細胞的細胞壁上。施加NTA能提高苧麻地下部分對重金屬鎘的吸收效率、地下