论文摘要
重金属污染的来源、迁移转化和归宿及其污染的控制和治理一直是近年来人们关注的热点问题之一。与传统重金属污染土壤的化学和物理修复技术相比,植物修复不仅成本低而且不会对环境造成连带的二次破坏。但是,目前所发现的重金属超富集植物大都有生物量小、生长速度慢等缺点而导致修复效率低。通过常规杂交或转基因技术把现有超富集植物的功能基因片断转移到生物量大、生长速度快的普通植物体中使之具有超富集能力是一条可行的途径。因此认识重金属超富集植物的超富集生物学机制是当前研究的首要任务。我们选择芸苔属（Brassicaceae）的小白菜（Brassica chinensis L.）作为研究对象,研究其对镉和汞的富集/超富集特性,以期在分子水平上获得其富集/超富集的生物化学机制及解毒机制,为实现重金属污染土壤的植物修复提供理论依据。全文包含以下几个部分:第一章主要对植物修复技术及超富集重金属植物的生物化学机制研究进行综述,阐述元素形态分析的重要性,对重金属形态分析技术进行详细的介绍,并提出对小白菜富集及耐受镉和汞的机制以及存在形态进行研究。第二章以小白菜作为超富集镉（Cd）的研究材料,通过不同浓度的Cd胁迫研究小白菜富集Cd的能力以及可能的细胞抵御机制。在200μmol L-1Cd胁迫下,小白菜地上部分及根部Cd含量分别为1348.3和3761.0 mg Kg-1（干重）。小白菜体内Cd含量与植物络合素（phytochelatins,PCs）含量成正相关,Cd浓度越高PCs的含量也越高,这个研究结果表明PCs络合Cd在小白菜体内Cd的解毒及耐受机制中起最主要的作用。另外,在研究Cd胁迫下小白菜地上部分丙二醛（MDA）的产生、H2O2的含量及抗氧化酶如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、愈创木酚过氧化酶（POD）及抗坏血酸过氧化酶（APX）的活性变化的过程中发现,在5-50μmol L-1Cd胁迫下,酶的活性成上升趋势,有效地抵御氧化胁迫,说明抗氧化系统在小白菜Cd解毒中起第二抵御作用。这些抵御机制降低了游离Cd的破坏作用,提高了对Cd的富集和耐受能力;然而,在更高浓度Cd的作用下,小白菜的谷胱甘肽含量下降,PCs合成缓慢,而且抗氧化酶的活性受到抑制,尤其是APX,H2O2大量富集,远远超过小白菜对Cd解毒能力从而导致细胞的死亡。总的说来,这些实验结果都说明了PCs及抗氧化系统协同抵御Cd诱导的氧化胁迫,并在小白菜自身富集/抵御Cd的过程中起着重要作用。第三章主要是应用尺寸排阻色谱与电感耦合等离子体质谱（SEC-ICP-MS）联用技术和电喷雾二级质谱（ESI-MS/MS）研究体外合成的Cd-PC络合物及小白菜体内合成的Cd-PC络合物的组成。将Cd胁迫的小白菜体内分离出来的PCs单体和CdCl2混合,通过ESI-MS及ESI-MS/MS直接进样研究发现有CdGS1-2、（CdGS）2、Cd1-2PC2、Cd1-3PC3、Cd1-3PC4和Cd1-3PC5形成。通过SEC-ICP-MS及ESI-MS/MS研究经Cd胁迫的小白菜NH4HCO3提取液,发现小白菜体内不仅存在游离态的PC2-5和desGlu-PC3而且也存在CdPC3和CdPC4络合物。这两个络合物的存在得到了它们相应的同位素分布及MS/MS质谱的确认,这是小白菜体内合成CdPC3和CdPC4的首次发现。结果显示PCs在植物抵抗Cd胁迫过程中起着重要作用;另一方面,SEC-ICP-MS及ESI-MS/MS也展示其在金属毒性研究中将发挥重要作用。第四章研究了在HgCl2胁迫下,小白菜富集Hg的行为;研究了腐植酸（HA）和半胱氨酸（Cys）的存在对小白菜在HgCl2胁迫下体内富集Hg和对其体内合成PCs和Hg-PC络合物的影响。HA及Cys处理的小白菜根部Hg含量下降但生物量增加而且也诱导了根部PCs的产生。以反相液相色谱（RPLC）与ICP-MS/ESI-MS/MS联用技术,研究体外化学合成的Hg-PC络合物主要有HgGS2、HgPC2、HgPC3、HgPC4和Hg2PC4等形式;而经HA或Cys处理的小白菜根部除发现了氧化的PC2-4以外,还首次发现了HgPC2-4和Hg2PC4络合物,它们的存在得到了Hg同位素分布及MS/MS质谱验证。这些研究结果不仅说明小白菜对Hg具有一定的富集和耐受能力,而且表明HA和Cys在对Hg的吸收和Hg诱导小白菜合成PCs的过程中发挥了作用。深入的研究有待开展。第五章总结了本硕士论文的研究工作,对其不足进行了检讨,并对将来进一步研究工作进行了展望。