【摘要】： 植物修復技術是一項具有廣闊應用前景的治理重金屬污染土壤的全新技術。而目前對植物超積累重金屬機理認識的不足限制了該技術的應用和改良。東南景天(Sedum alfredii Hance)是我國新發(fā)現的一種原生態(tài)Zn/Cd超積累特異植物,其對Zn/Cd都具有很強的耐性和積累能力,是綠色植物修復技術的一種良好潛在材料。本研究以超積累植物東南景天為材料,采用溶液培養(yǎng)方法,運用同位素示蹤技術、顯微鏡熒光染色技術、同步輻射EXAFS技術,高效液相色譜(HPLC)分析技術、ICP-MS等,系統(tǒng)研究了超積累生態(tài)型東南景天吸收與轉運Cd的生理機制,取得的主要研究結果如下: 1.采用水培試驗,研究比較了Cd進入兩種生態(tài)型東南景天體內是否為主動需能過程。試驗結果表明:超積累生態(tài)型東南景天根系對Cd的吸收同溶液中Cd活度相關,在低Cd處理條件下,其對Cd的吸收量要高出理論值(通過蒸騰速率換算得出)3-4倍。而蒸騰抑制劑對超積累生態(tài)型東南景天Cd的吸收和積累影響不顯著。低溫處理顯著降低了超積累生態(tài)型植物對Cd的吸收和轉運,而對非超積累生態(tài)型則無明顯影響。在外界Cd初始供應濃度為10μM時,超積累生態(tài)型植物木質部汁液中Cd濃度為外界溶液中Cd濃度的3-4倍,而在非生態(tài)型中則剛好相反,木質部汁液中Cd濃度要遠遠低于外界Cd濃度。在吸收液中添加代謝抑制劑CCCP或者DNP能顯著降低超積累生態(tài)型東南景天木質部汁液中Cd含量,而對非超積累生態(tài)型則無此影響。這些結果表明超積累生態(tài)型東南景天對Cd的吸收與轉運是主動需能過程,在Cd進入植物根系,木質部裝載,和向地上部轉運過程當中共質體途徑而非質流在起著主要作用。 2.通過綜合利用同位素示蹤,代謝抑制劑和熒光染色技術,研究比較了超積累(HE)與非超積累(NHE)兩種生態(tài)型東南景天對Cd的吸收和運輸特征。實驗結果顯示,兩種生態(tài)型東南景天根部對Cd吸收的K_m值差異不大,但超積累生態(tài)型V_(max)是非超積累生態(tài)型的2倍。低溫處理或添加代謝抑制劑都能顯著抑制了超積累生態(tài)型東南景天根部對Cd的吸收,而對非超積累生態(tài)型影響相對較小。高鈣處理顯著降低了兩種生態(tài)型根部對Cd的吸收。超積累生態(tài)型從根部到地上部對Cd的運輸能力要高出非超積累生態(tài)型十幾倍,同時其地上部Cd積累量也遠遠高出后者。代謝抑制劑CCCP處理顯著降低了超積累生態(tài)型東南景天地上部的Cd含量,而非超積累生態(tài)型則根部Cd含量顯著降低。在超積累生態(tài)型東南景天根中Cd主要分布于中柱內,而在非超積累生態(tài)型根中則無此現象,同時超積累生態(tài)型東南景天木質部汁液中Cd含量為非超積累生態(tài)型的3-5倍。這些結果說明了超積累東南景天具備很強的向地上部轉運Cd的能力,部分原因可能在于其根部木質部對Cd的裝載能力較強。 3.利用高效液相色譜和同步輻射EXAFS技術分別測定Cd脅迫下兩種生態(tài)型東南景天木質部汁液中有機酸組成和Cd的形態(tài)特征。研究結果顯示:兩種生態(tài)型東南景天木質部汁液中均只檢測到大量的草酸,且在鎘脅迫條件下均顯著增加(P＜0.01),但非超積累生態(tài)型木質部汁液中草酸含量反而明顯高于超積累生態(tài)型。在超積累東南景天生態(tài)型東南景天的木質部汁液中Cd存在Cd-S和Cd-O/N兩種配位:而非超積累生態(tài)型木質部汁液中則以Cd-O/N為主,未發(fā)現Cd-S配位。對樣品譜進行主成分分析發(fā)現,Cd處理24小時后,超積累生態(tài)型木質部汁液中Cd主要以Cd-GSH,Cd~(2+)和Cd-草酸這三種形態(tài)存在,分別占11.18%,62.57%和28.21%,Cd處理時間延長后,Cd~(2+)成分升高,而Cd-GSH和Cd-草酸則明顯降低。而非超積累生態(tài)型東南景天中Cd以游離態(tài)為主,少量與草酸和檸檬酸結合。上述結果表明,兩種生態(tài)型東南景天木質部中Cd運輸形式均以游離態(tài)為主,其中,草酸參與了東南景天Cd的木質部運輸過程,并非其超積累特異特征,超積累生態(tài)型東南景天中Cd-GSH的運輸可能是重要積累機理之一。 4.通過放射性同位素示蹤技術與水培試驗,旨在探明東南景天植物體內陽離子(Ca、Zn)運輸途徑是否參與了其對Cd的吸收與轉運過程。結果表明,鈣明顯抑制了兩種生態(tài)型東南景天根系對~(109)Cd的吸收,而其它陽離子則無此作用。高鈣處理下,超積累生態(tài)型東南景天根系吸收~(109)Cd的V_(max)變化不明顯,K_m值顯著升高,而非超積累生態(tài)型維持K_m值不變,但V_(max)僅為對照的1/4。長時間添加鈣源可減輕Cd對兩種生態(tài)型東南景天的毒害作用,同時,隨著鈣處理濃度的增加,非超積累生態(tài)型對Cd的吸收與轉運均顯著降低,但超積累生態(tài)型中Cd的轉運率卻明顯升高,最高可達98%。兩種生態(tài)型東南景天木質部汁液中的Zn和Ca含量隨著外界Cd處理濃度的升高而有所下降,同時,超積累生態(tài)型東南景天木質部汁液中的Zn和Ca含量同Cd含量分別呈極顯著(P＜0.01)和顯著(P＜0.05)正相關。在介質中添加適量Zn和Ca源可增加超積累生態(tài)型東南景天木質部汁液中的Cd含量。上述結果表明,非超積累生態(tài)型東南景天基本通過鈣運輸途徑吸收與轉運Cd,而超積累生態(tài)型則較為復雜,在高Ca誘導下,根系可通過其它途徑(如Zn、Fe轉運蛋白)吸收Cd,同時Zn和Ca可能競爭根系質體中Cd的結合位點,使游離態(tài)Cd增加,從而促使其向地上部的轉運。 5.采用放射性同位素示蹤技術和水培試驗,主要研究了酒石酸與檸檬酸對超積累生態(tài)型東南景天吸收、轉運與積累Cd的影響。試驗結果顯示:添加這兩種有機酸能在短時間內(2 h)顯著促進植物根系對~(109)Cd的吸收。而經過24小時吸收后,檸檬酸能顯著增加植物根部和地上部的~(109)Cd含量(P＜0.05),與對照相比,最高可分別達1.5和3.0倍,并促進從~(109)Cd從根部向地上部的轉運(P＜0.05);而酒石酸的主要作用是顯著增強植物根系對~(109)Cd的吸收(P＜0.05)。長時間(14 d或28 d)水培試驗表明,低濃度檸檬酸處理能有效減緩100μM Cd對植物造成的毒害作用,植物葉片生物量較未加檸檬酸處理相比增加24.7%(P＜0.05),可外源添加高濃度酒石酸反而使植物莖葉生物量顯著性下降(P＜0.05)。長時間適量添加兩種有機酸均能顯著增加植物莖葉中Cd含量和積累量(P＜0.05),但其作用隨處理時間和處理濃度不同而有所差異。上述結果表明檸檬酸可能參與了超積累生態(tài)型東南景天對Cd的吸收與轉運過程,同時檸檬酸有助于提高東南景天地上部對Cd的解毒能力;而外源添加酒石酸能促進超積累生態(tài)型東南景天根系對Cd的吸收。適量添加這兩種有機酸有助于促進Cd在東南景天體內的積累,從而提高其修復效率。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：X173

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