植物對砷、硒、銻的富集及抗性機理研究.pdf

1、隨著工業(yè)和農業(yè)的發(fā)展，重金屬不可避免的大量進入環(huán)境，導致環(huán)境污染問題日益嚴重。超富集植物以其對重金屬的耐性、富集性等特性展示了它在重金屬污染修復方面的巨大潛力。近年來，利用超富集植物修復環(huán)境污染的研究獲得了學術界和公眾的普遍關注。砷、硒、銻三種元素的污染問題在世界范圍內廣泛存在。研究這三種元素在植物體內的吸收、富集機理及相互作用過程，對于認識植物耐性機理以及植物修復技術的實踐均具有理論與實際意義。本文通過一系列的水培與土培試驗，以蕨類植

2、物為主要材料，應用生理生化測定技術、氫化物原子熒光光譜法、ICP-OES測定技術以及亞細胞分離技術等手段，研究了植物對硒、銻的吸收、富集機理以及砷、硒、銻在植物體內的兩兩相互作用，探索研究了利用硒緩解砷、銻毒性的策略。研究成果不僅有助于了解環(huán)境有害元素在植物體內的行為特征，對于降低有害元素的環(huán)境以及健康風險也提出了可行的技術手段。取得的主要結果有：
　　 （1）研究了蜈蚣草富集硒的能力及硒脅迫條件下的抗氧化反應。結果表明：蜈蚣草

3、是一種硒的耐性植物，其地下部硒的最大富集量為1573.3 mg kg-1，遠高于地上部硒的富集量263.6 mg kg-1。0-2 mg L-1硒處理濃度對蜈蚣草有益，顯著降低蜈蚣草葉片中MDA的含量；但是≥5 mg L-1硒處理濃度對蜈蚣草產生損傷，顯著增加植物葉片中MDA的含量，特別是在硒的最高處理濃度20 mg L-1時。0-5 mg L-1的硒處理顯著誘導了酶POD，APX和CAT的活性，而>5mg L-1的硒處理濃度則降低了這

4、三種酶的活性。>5 mg L-1的硒處理濃度顯著增加了蜈蚣草葉片中GSH的含量以及GR酶的活性，20 mg L-1的硒處理濃度顯著增強蜈蚣草葉片中SOD酶。以上結果說明，GSH、GR酶以及SOD酶可能與蜈蚣草的耐硒機理有關，起到調控超氧陰離子自由基（O2-）的作用；而酶POD，APX和CAT僅在低濃度硒處理條件下起到清除H2O2的作用。
　　 （2）利用水培和土培試驗研究了硒對蜈蚣草體內必需營養(yǎng)元素含量及分布的影響。結果表明：水

5、培條件下蜈蚣草硒富集量高于土培條件下蜈蚣草的富硒量。在土培條件下，蜈蚣草同樣也富集了大量的硒，其地上部和地下部硒的最大富集量分別為81 mg kg-1和233 mg kg-1。在土培試驗中，硒抑制了幾乎所有測定元素的吸收，包括鎂（Mg）、鉀（K）、磷（P）、鐵（Fe）、銅（Cu）和鋅（Zn）。在水培試驗條件下，當蜈蚣草體內硒含量相對較低時，硒同樣也抑制了幾乎所有被測元素的吸收。然而，當蜈蚣草體內硒含量增加時，硒則促進了蜈蚣草對Ca，Mg

6、，K的吸收。在水培條件下，低劑量硒（或低硒含量）抑制、而高劑量硒（或高硒含量）促進了蜈蚣草對Fe的吸收。以上結果說明Ca，Mg，K可能與蜈蚣草的耐硒機理有關，同時我們推測硒對Fe的吸收調控可能與硒在蜈蚣草體內的雙面作用有關。
　　 （3）采用正交旋轉回歸設計，利用水培試驗研究了蜈蚣草體內砷硒間的交互作用。結果表明：當硒處理水平小于2.5 mg L-1時，增加砷處理濃度促進蜈蚣草根部硒的吸收，這一促進作用可能與硒對植物的有益作用有

7、關。而當硒處理濃度高于2.5 mgL-1時，砷抑制了蜈蚣草根部硒的吸收。蜈蚣草地上部和地下部砷的吸收均被硒抑制，表明硒對砷的拮抗作用。另外，當硒的處理濃度小于2.5 mg L-1時，砷的加入促進了硒向蜈蚣草地上部的轉移；硒卻導致砷向蜈蚣草地上部轉移能力的降低。
　　 （4）利用水培試驗比較研究了四種蕨類植物對銻的吸收富集能力以及相應的耐性機理。結果表明：銻的加入沒有顯著影響砷超富集植物白玉鳳尾蕨的生物量，卻抑制了貫眾、鱗蓋蕨和齒

8、牙毛蕨的生物量。與各自對照相比，隨著銻的加入，貫眾、鱗蓋蕨和齒牙毛蕨的生物量降低幅度分別達到12.5％，35.0％和38.3％。表明四種植物由高到低的耐銻能力。四種植物吸收的銻主要富集在根部，表明四種植物轉移銻的能力較低。四種植物中，白玉鳳尾蕨根部銻最大平均富集量為358 mg kg-1，貫眾為224mg kg-1，齒牙毛蕨為124mg kg-1，鱗蓋蕨為123 mg kg-1。在20mg L-1銻處理條件下，與各自對照相比，鱗蓋蕨和齒

9、牙毛蕨葉片中MDA的含量分別增加41.3％和171.6％，而白玉鳳尾蕨和貫眾葉片中MDA的含量沒有顯著性變化，表明這兩種蕨類植物中脂質過氧化反應較低。在5 mg L-1銻處理條件下，白玉鳳尾蕨葉片中抗壞血酸過氧化物酶（APX）、過氧化氫酶（POD）以及過氧化物酶（CAT）活性均顯著高于其他三種蕨類植物，表明這三種酶類在抵御銻毒性的過程中起到重要作用。在銻脅迫下，白玉鳳尾蕨不變的生物量、較高的根部銻富集量、較低的葉片MDA含量以及較高的葉

10、片抗氧化酶活性均表明白玉鳳尾蕨耐銻能力高于其他三種蕨類植物。結果表明，抗氧化物酶類可能與白玉鳳尾蕨較高的耐銻能力有關。
　　 （5）利用水培試驗研究了砷、銻在砷超富集植物大葉井口邊草體內的相互作用以及亞細胞分布特征。結果表明：大葉井口邊草是一種潛在的銻超富集植物。在不加砷、銻處理條件下，大葉井口邊草葉片和莖部胞液組份聚集了絕大部分砷和銻，而細胞壁和細胞器中砷、銻含量相對較少；在單獨加入銻處理時，隨著銻處理濃度的增加，大葉井口邊草

11、體內銻的含量逐漸增加，葉片、莖和根部中的各個亞細胞組份中銻的含量也逐漸增加，胞液中銻含量的相對比例卻降低，而細胞壁組份中銻含量的比例隨著銻處理濃度的增加而增加。當砷、銻聯(lián)合處理時，砷的加入顯著促進了植物對銻的吸收，并且低劑量砷的促進作用要高于高劑量砷的促進作用。增加的砷處理濃度誘導更多的銻被轉移富集于植物胞液組份中，而這一過程伴隨著砷在胞液中比例的降低。在低砷處理條件下，銻的加入輕微促進了植物對砷的吸收，然而這種促進作用伴隨著植物富集砷

12、潛力的降低，表現(xiàn)為大葉井口邊草胞液組份中砷含量以及相對比例的降低；在高砷處理下，銻的加入抑制了植物對砷的吸收，顯著降低了莖部砷的含量，同時也降低了葉片和莖不胞液組份中砷含量的比例。
　　 （6）利用水培試驗研究了水稻體內硒緩解銻毒性這一策略的可行性。結果表明：經過14天的銻處理后，單獨5 mg L-1銻處理輕微降低了水稻的生物量，輕微增加了水稻葉片中MDA的含量。而50-100 mg L-1銻的處理導致水稻完全死亡，以上結果表明

13、銻對水稻具有很強的毒性。當不加銻時，0.1 mg L-1硒的加入未顯著影響水稻的生物量，卻顯著抑制了葉片MDA；≥1 mg L-1硒的加入則顯著降低了水稻的生物量并增加了葉片MDA的含量，表現(xiàn)出硒對水稻的兩面性作用。硒的加入顯著增加了水稻葉片中蛋白質的含量，而5 mg L-1銻的加入卻逆轉了這一趨勢，蛋白質含量隨著硒處理濃度的增加而降低。當硒、銻聯(lián)合處理時，增加的硒處理濃度降低了水稻各個部位銻的含量，表現(xiàn)出硒對銻的拮抗作用。另外，與5

14、mg L-1單獨銻處理濃度相比，1 mg L-1硒的添加降低了5 mg L-1單獨銻處理下的葉片MDA含量，并且顯著增加了該銻處理下的水稻生物量，此時水稻的生物量甚至要高于不加硒、銻的對照處理下水稻的生物量，以上結果表明硒緩解了銻對水稻的毒性。5 mg L-1銻的加入也能緩解1 mg L-1或者5 mg L-1硒對水稻的毒害，表現(xiàn)為水稻生物量的增加、降低的葉片MDA含量以及降低的地上部硒含量。意外的是，當硒處理濃度為1 mg L-1或者