硒、有机酸、螯合剂对苎麻修复镉污染能力的影响机制研究

作     者：尹怡诚 

作者单位：湖南大学 

学位级别：博士

导师姓名：刘云国

授予年度：2016年

学科分类：12[管理学] 083002[工学-环境工程] 1204[管理学-公共管理] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 082803[工学-农业生物环境与能源工程] 07[理学] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 120405[管理学-土地资源管理] 0713[理学-生态学] 

主      题：土壤污染 重金属镉 苎麻修复 硒浓度 有机酸 螯合剂 

摘      要：土壤重金属镉(Cd)污染已经成为一个世界性的环境问题。重金属镉不仅在土壤中具有很强的扩散性和不可生物降解性，它还能通过食物链在动植物和人体内富集，并产生毒害作用。因而，土壤镉污染的修复技术成为人们关注的焦点和研究的热点。植物修复技术是一种经济、安全、无二次污染且具有很大应用前景的土壤重金属修复技术，它主要是指利用植物根系的吸收提取、稳定、过滤、降解等作用，去除环境中污染物，或者将环境中的污染物转化为无害状态的过程。外源施加硒、低分子量有机酸、金属螯合剂等能够有效提高植物对土壤重金属的耐性和富集性，从而增强植物对土壤重金属污染的修复能力。苎麻是一种中国特有的纤维作物，具有生物量大和生长速度快等特点，而且对土壤重金属Cd具有有较强的耐性和富集能力。本研究以苎麻为修复植物，以重金属Cd为目标污染物，选择硒、低分子量有机酸、金属螯合剂为外源物质，研究它们对苎麻修复重金属Cd污染的影响以及作用机制。其主要研究结果如下:\n (1)第一部分通过对湖南省内广泛分布的三种根型苎麻品种的水培实验，从苎麻的生长速率、苎麻生物量、重金属吸收特征和吸收转运实验四个方面分析比较，筛选出最适合抗重金属胁迫的品种。研究结果表明，随着培养液中镉浓度的上升，三种根型的苎麻对镉的吸收和积累量均逐渐增加，转运系数呈下降趋势，镉在各器官的积累量为根茎叶。三种根型的苎麻转运系数在0.137-0.215之间，但苎麻体内的镉含量却达到了299-1651 mg kg-1 dw，表明苎麻能有效地富集周边环境中的镉，且重金属对苎麻的迫害作用具有隐蔽性。深根型的中苎一号、中根型浏阳大叶青和浅根型的长沙青叶麻相比较，中苎一号对镉胁迫的阈值更高，在同样镉浓度条件下，细胞膜透性、脯氨酸含量和转运系数最小，吸收的镉含量最多，根系活力最高。因此，深根型中苎一号抗镉胁迫的能力更强。（第2章）\n (2)第二部分主要探讨在外源硒作用下，镉对苎麻生理活性（叶绿素及类胡萝卜素、MDA含量、脯氨酸和细胞膜透性等）、抗氧化酶（SOD、POD和CAT）和DNA甲基化的影响，以及硒对苎麻抗重金属胁迫的缓解机制。研究结果表明，镉胁迫下苎麻的最佳喷施硒浓度为1.2μM。外源低浓度硒元素可促进苎麻的生长和细胞膜透性，有效缓解植物的抗镉胁迫能力，增强苎麻体内MDA含量和抗氧化酶活性，同时抑制DNA甲基化程度，稳定苎麻在镉胁迫条件下产生的异常现象。一方面，硒与镉的拮抗作用有效抑制了苎麻根部对镉的吸收和向地上部分转移的能力;另一方面，硒能促进苎麻有效去除镉胁迫产生的活性氧自由基，并稳定面临外界胁迫中植物体内细胞的DNA水平。但较高浓度（1.8μM亚硒酸纳溶液）的硒则会抑制苎麻的生长，加大重金属胁迫对植物的毒害作用。\n (3)第三部分研究外源草酸对重金属镉胁迫下苎麻的生长量、生理代谢过程及苎麻富集转运重金属镉的影响。研究结果表明，镉胁迫下苎麻的最佳外源草酸浓度为1 mM。外源草酸能在一定程度上缓解重金属镉对苎麻的生物有效性，表现在苎麻茎叶和根部组织中鲜重和干重量的增大。低浓度的草酸能通过影响苎麻根系活力、光合作用、膜脂过氧化以及可溶性蛋白代谢等生理过程，有效缓解镉胁迫对苎麻的损害作用，轻微增强植物的抗氧化防御能力，高浓度草酸的缓解效果减弱。同时，外源草酸不仅有利于促进植物根部对重金属的吸收，还有助于加强植物富集的重金属向地上茎叶组织转运的能力。当施加草酸时，苎麻根部和茎叶镉富集含量均明显大于纯镉胁迫下的富集水平，随着草酸施加浓度的升高，苎麻叶片和根部Cd富集能力有所下降，转运系数也逐渐下降。\n (4)第四部分研究外源柠檬酸对重金属镉胁迫下苎麻的生物有效性，苎麻根系活力、光合作用、膜脂过氧化、可溶性蛋白代谢及抗氧化防御能力等生理过程，以及苎麻富集转运重金属镉的影响。研究结果表明，镉胁迫下苎麻的最佳外源柠檬酸浓度为1 mM。外源柠檬酸特别是较低浓度的柠檬酸通过与重金属形成螯合体的形式使得镉毒害症状尤其是重金属胁迫引起的氧化性损伤得到缓解，提高生理活性和抗氧化防御能力，表现在苎麻根系活力、叶片叶绿素含量、类胡萝卜素含量、根部可溶性蛋白、抗氧化酶活性均高于纯镉胁迫对照组。同时也能促进苎麻对重金属镉的吸收和转运。施加1 mM外源柠檬酸时，镉富集量和转运系数达到最大值，随着柠檬酸施加浓度的升高，苎麻叶片和根部镉富集能力和转运能力依次下降。\n (5)第五部分研究分析了镉胁迫下EDTA对土壤酶（脲酶和过氧化氢酶）及苎麻生理代谢活动（叶绿素、MDA和脯氨酸代谢）的影响，同时探究了EDTA作用下苎麻根部对土壤重金属镉的吸收特性和镉在苎麻体内的转运迁移规律机理。随着螯合剂EDTA浓度的增加，叶绿素含量、游离脯氨酸含量和过氧化氢酶活性呈下降趋势，MDA含量和土壤脲酶活性呈上升趋势。研究结果表明，金属螯合