植物對(duì)砷、硒、銻的富集及抗性機(jī)理研究.pdf

1、隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展，重金屬不可避免的大量進(jìn)入環(huán)境，導(dǎo)致環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。超富集植物以其對(duì)重金屬的耐性、富集性等特性展示了它在重金屬污染修復(fù)方面的巨大潛力。近年來(lái)，利用超富集植物修復(fù)環(huán)境污染的研究獲得了學(xué)術(shù)界和公眾的普遍關(guān)注。砷、硒、銻三種元素的污染問(wèn)題在世界范圍內(nèi)廣泛存在。研究這三種元素在植物體內(nèi)的吸收、富集機(jī)理及相互作用過(guò)程，對(duì)于認(rèn)識(shí)植物耐性機(jī)理以及植物修復(fù)技術(shù)的實(shí)踐均具有理論與實(shí)際意義。本文通過(guò)一系列的水培與土培試驗(yàn)，以蕨類(lèi)植

2、物為主要材料，應(yīng)用生理生化測(cè)定技術(shù)、氫化物原子熒光光譜法、ICP-OES測(cè)定技術(shù)以及亞細(xì)胞分離技術(shù)等手段，研究了植物對(duì)硒、銻的吸收、富集機(jī)理以及砷、硒、銻在植物體內(nèi)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(nèi)的行為特征，對(duì)于降低有害元素的環(huán)境以及健康風(fēng)險(xiǎn)也提出了可行的技術(shù)手段。取得的主要結(jié)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(yīng)。結(jié)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(yuǎn)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(duì)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(duì)蜈蚣草產(chǎn)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(shí)。0-5 mg L-1的硒處理顯著誘導(dǎo)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(qiáng)蜈蚣草葉片中SOD酶。以上結(jié)果說(shuō)明，GSH、GR酶以及SOD酶可能與蜈蚣草的耐硒機(jī)理有關(guān)，起到調(diào)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?xiàng)l件下起到清除H2O2的作用。
　　 （2）利用水培和土培試驗(yàn)研究了硒對(duì)蜈蚣草體內(nèi)必需營(yíng)養(yǎng)元素含量及分布的影響。結(jié)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(yàn)中，硒抑制了幾乎所有測(cè)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(yàn)條件下，當(dāng)蜈蚣草體內(nèi)硒含量相對(duì)較低時(shí)，硒同樣也抑制了幾乎所有被測(cè)元素的吸收。然而，當(dāng)蜈蚣草體內(nèi)硒含量增加時(shí)，硒則促進(jìn)了蜈蚣草對(duì)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(jìn)了蜈蚣草對(duì)Fe的吸收。以上結(jié)果說(shuō)明Ca，Mg，K可能與蜈蚣草的耐硒機(jī)理有關(guān)，同時(shí)我們推測(cè)硒對(duì)Fe的吸收調(diào)控可能與硒在蜈蚣草體內(nèi)的雙面作用有關(guān)。
　　 （3）采用正交旋轉(zhuǎn)回歸設(shè)計(jì)，利用水培試驗(yàn)研究了蜈蚣草體內(nèi)砷硒間的交互作用。結(jié)果表明：當(dāng)硒處理水平小于2.5 mg L-1時(shí)，增加砷處理濃度促進(jìn)蜈蚣草根部硒的吸收，這一促進(jìn)作用可能與硒對(duì)植物的有益作用有

7、關(guān)。而當(dāng)硒處理濃度高于2.5 mgL-1時(shí)，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(duì)砷的拮抗作用。另外，當(dāng)硒的處理濃度小于2.5 mg L-1時(shí)，砷的加入促進(jìn)了硒向蜈蚣草地上部的轉(zhuǎn)移；硒卻導(dǎo)致砷向蜈蚣草地上部轉(zhuǎn)移能力的降低。
　　 （4）利用水培試驗(yàn)比較研究了四種蕨類(lèi)植物對(duì)銻的吸收富集能力以及相應(yīng)的耐性機(jī)理。結(jié)果表明：銻的加入沒(méi)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(duì)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(dá)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(zhuǎn)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?xiàng)l件下，與各自對(duì)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(méi)有顯著性變化，表明這兩種蕨類(lèi)植物中脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)較低。在5 mg L-1銻處理?xiàng)l件下，白玉鳳尾蕨葉片中抗壞血酸過(guò)氧化物酶（APX）、過(guò)氧化氫酶（POD）以及過(guò)氧化物酶（CAT）活性均顯著高于其他三種蕨類(lèi)植物，表明這三種酶類(lèi)在抵御銻毒性的過(guò)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(lèi)植物。結(jié)果表明，抗氧化物酶類(lèi)可能與白玉鳳尾蕨較高的耐銻能力有關(guān)。
　　 （5）利用水培試驗(yàn)研究了砷、銻在砷超富集植物大葉井口邊草體內(nèi)的相互作用以及亞細(xì)胞分布特征。結(jié)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?xiàng)l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(xì)胞壁和細(xì)胞器中砷、銻含量相對(duì)較少；在單獨(dú)加入銻處理時(shí)，隨著銻處理濃度的增加，大葉井口邊草

11、體內(nèi)銻的含量逐漸增加，葉片、莖和根部中的各個(gè)亞細(xì)胞組份中銻的含量也逐漸增加，胞液中銻含量的相對(duì)比例卻降低，而細(xì)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(dāng)砷、銻聯(lián)合處理時(shí)，砷的加入顯著促進(jìn)了植物對(duì)銻的吸收，并且低劑量砷的促進(jìn)作用要高于高劑量砷的促進(jìn)作用。增加的砷處理濃度誘導(dǎo)更多的銻被轉(zhuǎn)移富集于植物胞液組份中，而這一過(guò)程伴隨著砷在胞液中比例的降低。在低砷處理?xiàng)l件下，銻的加入輕微促進(jìn)了植物對(duì)砷的吸收，然而這種促進(jìn)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(duì)比例的降低；在高砷處理下，銻的加入抑制了植物對(duì)砷的吸收，顯著降低了莖部砷的含量，同時(shí)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(yàn)研究了水稻體內(nèi)硒緩解銻毒性這一策略的可行性。結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)14天的銻處理后，單獨(dú)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(dǎo)致水稻完全死亡，以上結(jié)果表明

13、銻對(duì)水稻具有很強(qiáng)的毒性。當(dāng)不加銻時(shí)，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(duì)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(zhì)的含量，而5 mg L-1銻的加入?yún)s逆轉(zhuǎn)了這一趨勢(shì)，蛋白質(zhì)含量隨著硒處理濃度的增加而降低。當(dāng)硒、銻聯(lián)合處理時(shí)，增加的硒處理濃度降低了水稻各個(gè)部位銻的含量，表現(xiàn)出硒對(duì)銻的拮抗作用。另外，與5

14、mg L-1單獨(dú)銻處理濃度相比，1 mg L-1硒的添加降低了5 mg L-1單獨(dú)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(shí)水稻的生物量甚至要高于不加硒、銻的對(duì)照處理下水稻的生物量，以上結(jié)果表明硒緩解了銻對(duì)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(duì)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(dāng)硒處理濃度為1 mg L-1或者