汞诱导蕨类植物和印度芥菜氧化胁迫反应及其污染土壤的植物修复作用研究

论文摘要

汞污染对农业生态环境和人类健康的危害日趋严重,应用植物修复技术对包括汞在内的重金属污染进行治理是目前的研究热点。本文通过研究特定植物对水体、土壤和空气中汞的吸收与积累,以及相应条件下植物的生理生化变化,对汞污染的植物修复技术进行了初探。凤尾蕨和波士顿蕨分别是已知的砷超积累品种和砷敏感品种,鉴于超积累植物在抵抗重金属胁迫方面的某些共同特征,我们用Hg2+溶液处理两种蕨类植物的根部,研究植物对溶液中Hg2+的吸收和积累,以及由此诱导的地上部生理毒害和氧化胁迫反应。两种蕨类植物根系都能积累大量汞,但向地上部的转运效率较低。凤尾蕨地上部和根系对汞的吸收和积累量显著大于波士顿蕨。汞胁迫造成凤尾蕨地上部产生可视的萎焉、缺绿等胁迫症状,电子显微镜观察也显示出叶片维管束细胞的收缩和叶绿体的降解；而波士顿蕨则没有显示出上述明显的毒害症状。进一步的研究表明汞胁迫诱导凤尾蕨地上部H2O2和TBARS含量显著增加,而抗氧化酶SOD、CAT和GR的活性没有显著变化。波士顿蕨则不同,汞胁迫诱导了其地上部SOD、CAT和GR的活性显著增加,从而维持了H2O2和TBARS的水平保持不变。ASA-DHA的分析表明,相较于凤尾蕨,汞胁迫通过诱导波士顿蕨地上部ASA/（ASA+DHA）比值的显著上升,调节细胞内的氧化还原状态,更加有效的抵御环境胁迫。与波士顿蕨相比,凤尾蕨在汞胁迫下表现出较重的植物毒害和氧化胁迫反应,这可能与凤尾蕨体内积累更多汞有关。印度芥菜是用于研究重金属植物修复的良好材料,其生长量大,能够积累多种重金属元素,但目前还没有发现其在汞方面的研究。我们用Hg2+溶液处理印度芥菜两个品种（阔叶青和斯坦丁芥）的根部。发现两个品种根部都能积累大量汞,并且能将部分汞转移到地上部,转移效率高于蕨类。在高浓度汞处理下,阔叶青地上部和根系汞的积累量高于斯坦丁芥。两个印度芥菜品种地上部在高浓度汞胁迫下都表现出萎焉、缺绿、生长受抑制等胁迫症状。阔叶青和斯坦丁芥在汞胁迫下地上部的氧化胁迫反应无显著差异。汞胁迫诱导两者地上部TBARS的增加和H2O2的减少。抗氧化酶CAT和POD的活性显著上升。线性分析表明,CAT和POD活性与H2O2含量呈显著负相关。说明汞胁迫下,印度芥菜可能通过调节CAT和POD活性来避免过量H2O2造成的毒害。结合以上研究结果,我们选用三种植物材料（印度芥菜、凤尾蕨、旱叶草）进行了汞污染土壤和空气的植物修复研究。通过栽培基质加HgCl2溶液处理、新鲜汞污染土壤处理和多年汞污染土壤处理三个循序渐进的实验。凤尾蕨在没有出现明显胁迫症状的情况下,其根系对不同类型汞污染土壤（HgCl2、Hg（NO3）2、HgS）中的汞都具有较强的吸收能力（根中最高汞积累达1774 mg/kg）,而且能够将部分汞转移到地上部（地上部最高汞积累量达290 mg/kg）,说明凤尾蕨在汞污染土壤的植物提取和植物固定方面有一定潜力。针对汞具有挥发性,能够污染大气的特点。我们还设计了气室实验,发现凤尾蕨和印度芥菜地上部对空气中的汞有一定的吸收能力,而且向根系的转运量很少,在治理汞污染空气方面具有一定潜力。将遥感技术应用于监测植物的生理状态是目前研究环境污染检测的热点。我们在应用凤尾蕨进行土壤汞污染的植物修复过程中,发现汞胁迫引起了植物内部结构和生理状态的改变,而植物在可见光和近红外区域的反射光谱对于这些改变反应非常敏感。本研究通过分析凤尾蕨地上部在汞胁迫下的反射光谱变化,确立了部分反射光谱指标与汞胁迫下植物生理状态之间的相关性。NDVⅠ、R1110/R810、WⅠ的变化分别能够反映汞胁迫引起的凤尾蕨地上部生物量下降、叶片内部细胞结构的改变、相对含水量下降。R550的增加则反应出汞胁迫导致的叶绿素含量下降。这些结果为遥感技术应用于汞污染植物修复的长期监测提供了理论和应用基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略词表
• 文献综述
• 1 汞循环
• 1.1 全球汞污染概况和环境汞污染来源
• 1.2 生物地球化学环境中汞的循环与分布
• 2 汞毒害
• 2.1 汞对人类和动物的影响
• 2.2 汞对植物的影响
• 2.2.1 汞对植物生长的影响
• 2.2.2 汞诱导植物氧化胁迫的反应
• 2.2.3 汞对植物光合作用的影响
• 3 植物修复
• 3.1 植物修复与传统方法的优缺点比较
• 3.2 植物修复分类
• 3.3 重金属超积累植物
• 3.4 植物超积累重金属机理
• 3.4.1 根际反应
• 3.4.2 根系吸收和转运
• 3.4.3 重金属在植物体内的分布
• 3.5 汞污染植物修复概述
• 4 遥感技术在植物修复中的应用
• 5 本研究的目的和意义
• 第一章 汞诱导凤尾蕨和波士顿蕨叶片的氧化胁迫反应
• 1 前言
• 2 材料与方法
• 2.1 植物材料培养与试验设计
• 2.2 植物中汞含量测定
• 2.3 脂质过氧化测定
• 2O₂测定'>2.4 H₂O₂测定
• 2.5 酶活力测
• 2.5.1 SOD活性测定
• 2.5.2 CAT活性测定
• 2.5.3 GR活性测定
• 2.6 抗氧化物测定
• 2.6.1 ASA和DHA含量测定
• 2.6.2 GSH含量测定
• 2.7 蛋白质含量测定
• 2.8 扫描电子显微镜观察（SEM）
• 2.9 透射电子显微镜观察（TEM）
• 2O₂组织染色'>2.10 H₂O₂组织染色
• 2.11 统计分析
• 3 结果与分析
• 3.1 凤尾蕨和波士顿蕨对汞的吸收
• 3.2 汞处理对凤尾蕨和波士顿蕨地上部生理性状的影响
• 3.2.1 汞处理对凤尾蕨和波士顿蕨地上部生物量和相对含水量的影响
• 3.2.2 汞处理对凤尾蕨和波士顿蕨叶肉细胞显微结构的影响
• 2O₂含量的影响'>3.3 汞处理对凤尾蕨和波士顿蕨地上部TBARS和H₂O₂含量的影响
• 3.4 汞胁迫对凤尾蕨和波士顿蕨地上部抗氧化酶活性的影响
• 3.5 汞胁迫对凤尾蕨和波士顿蕨地上部抗氧化物积累的影响
• 4 讨论
• 第二章 汞诱导印度芥菜的氧化胁迫反应
• 1 前言
• 2 材料与方法
• 2.1 植物材料培养与试验设计
• 2.2 植物中汞含量测定
• 2.3 脂质过氧化测定
• 2O₂）测定'>2.4 过氧化氢（H₂O₂）测定
• 2.5 酶活力测定
• 2.5.1 SOD活性测定
• 2.5.2 CAT活性测定
• 2.5.3 POD活性测定
• 2.6 蛋白质含量测定
• 2.7 光学显微镜观察（LM）
• 2.8 扫描电子显微镜观察（SEM）
• 2.9 透射电子显微镜观察（TEM）
• 2.10 统计分析
• 3 结果与分析
• 3.1 印度芥菜对汞的吸收
• 3.2 印度芥菜在汞胁迫下的生长反应
• 3.2.1 汞处理对印度芥菜地上部生物量和RWC的影响
• 3.2.2 汞处理对印度芥菜叶肉细胞显微结构的影响
• 2O₂含量的影响'>3.3 汞处理对印度芥菜地上部TBARS和H₂O₂含量的影响
• 3.4 汞处理对印度芥菜地上部抗氧化酶活性的影响
• 4 讨论
• 第三章 汞污染土壤和空气的植物修复研究
• 1 前言
• 2 材料与方法
• 2.1 植物材料
• 2.2 试验设计
• 2.2.1 植物对栽培基质中汞的吸收与积累
• 2.2.2 植物对新鲜汞污染土壤中汞的吸收与积累
• 2.2.3 植物对多年汞污染土壤中汞的吸收与积累
• 2.2.4 气室研究
• 2.3 植物样品汞含量分析
• 2.4 土壤样品中汞含量分析
• 2.5 空气中汞含量测定
• 2.6 统计分析
• 3 结果与分析
• 3.1 植物对栽培基质中汞的吸收与积累
• 3.2 植物对新鲜汞污染土壤中汞的吸收与积累
• 3.3 植物对多年汞污染土壤中汞的吸收与积累
• 3.4 气室研究
• 4 讨论
• 第四章 遥感技术在汞污染植物修复中的应用研究
• 1 前言
• 2 材料与方法
• 2.1 植物材料培养和实验设计
• 2.2 反射光谱实验装置
• 2.3 反射光谱数据计算与分析
• 2.4 光学显微镜观察（LM）
• 2.5 透射电子显微镜观察（TEM）
• 2.6 植物样品汞含量分析
• 3 结果与分析
• 3.1 凤尾蕨汞积累和生理性状变化
• 3.2 汞处理导致的凤尾蕨叶片内部结构变化
• 3.3 汞处理导致的凤尾蕨反射光谱的变化
• 4 讨论
• 全文总结
• 创新点
• 存在问题及工作展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢