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玉米和大豆在重金属污染条件下的生态毒理学研究

2020-12-01阅读(714)

玉米和大豆在重金属污染条件下的生态毒理学研究

论文摘要

微量的重金属在地球上到处可见，然而，采矿业和地方集约型农业已经在世界范围内引起了有毒重金属积累。目前所用的污染地区的恢复技术不但经济上昂贵，而且往往非环境友好。利用植物来转移、固定或降解土壤污染物的植物修复技术是一种很有前途的技术，它有几个传统净化方法没有的优点。世界范围内种植的玉米和大豆不但是食物的主要来源，而且是生产生物质燃料的理想原料。而在中国，生物质燃料将是除煤外的主要能源。此论文阐述了玉米（Zea mays L．）（沈单2号）和大豆（Glycine max L．）在水培条件下对镉（Cd）、锌（Zn）和铅（Pb）的吸收富集作用，以及在不同Zn盐胁迫下玉米和大豆对Zn的竞争吸收能力；研究了大豆在螯合剂诱导作用下对复合污染土壤中Cu、Zn、Pb和Cd的植物提取作用。用水培实验研究了在8个Cd浓度梯度(0，12．5，25，50，100，200，400，800μmolCd l-1)胁迫下，玉米不同组织部位的生长状况、对Cd的吸收富集作用及生理指标（叶绿素和脯氨酸）的变化。玉米在50μmol Cd l-1浓度胁迫下生长21天后，地上部和地下部Cd含量最大，分别为389．5和505．5 mg kg-1干重；而玉米地上部和地下部最大Cd富集量分别为105．2和126．4μg pot-1。根据目前普遍接受的Cd超积累植物地上部Cd含量为0．01％（w／w）的标准，“沈单2号”可被认为是一种Cd超积累植物。在800μmol Cd l-1浓度胁迫下，玉米叶片中叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b的含量最低，分别为33．03，50．67和83．70mg 100g-1鲜重，分别比对照处理降低了38．9％，46．0％和42．9％。随着外部Cd浓度的增加，玉米叶片中脯氨酸含量亦逐渐增加。用水培实验研究了在Cd／Zn复合浓度(Cd浓度依次为0，25，50，100，400μmol l-1；Zn浓度依次为100，1000μmol l-1)胁迫下，玉米的生长状况、对Cd和Zn的吸收富集作用及Cd和Zn之间的相互作用。在两个Zn处理浓度下，玉米地上部和地下部的干物质量都随Cd浓度的增加而降低。在Cd／Zn复合浓度为400／100μmol l-1时，玉米地上部和地下部Cd含量均达到最大值，分别为454和775 mg kg-1干重。在Zn处理浓度为1000μmol l-1的条件下，随着Cd处理浓度由0μmol l-1增加到400μmol l-1，玉米地上部和地下部Zn含量分别降低了66．9％和84．8％。在高(1000μmol l-1)、低(100μmol l-1)两个Zn浓度处理下，Cd对玉米地上部和地下部Zn含量有抑制作用。在较低Cd浓度处理下，营养液中Zn含量对玉米不同组织部位Cd含量有促进作用；而在较高Cd浓度处理下，营养液中Zn含量对玉米不同组织部位Cd含量有抑制作用，但这种作用有时不显著（P<0．05）。用水培实验研究了在8个Cd浓度梯度(0，12．5，25，50，100，200，400，800μmolCd l-1)，Cd／Zn复合浓度及Cd／Pb复合浓度胁迫下，大豆对重金属的富集作用。研究发现，根据Zn超积累植物(10000 mg kg-1地上部干重)、Cd超积累植物(100 mg kg-1地上部干重)和Pb超积累植物(1000 mg kg-1地上部干重)的标准，Glycine max L.不是超积累植物，但对重金属有一定富集作用。Cd和Zn之间存在拮抗作用，在高(1000μmol l-1)、低(100μmol l-1)两个Zn浓度及相对高的Cd浓度(>25μmol l-1)处理下，营养液中Cd或Zn浓度的增加会抑制大豆组织中Zn或Cd含量的增加。在所有Cd／Pb复合浓度处理中，Cd和Pb之间都存在拮抗作用。用土培盆栽实验研究了在7种不同Zn有效性土壤中，玉米和大豆的生长状况及竞争富集Zn的能力。在所有处理中，玉米地上部Zn含量都高于大豆，其差异随不同处理条件而不同，在硫酸锌(50 mg Zn kg-1土壤)处理中差异最大。在混种实验中，除了Zn粒(500 mg Zn kg-1土壤)和Zn粒(50 mg Zn kg-1土壤)两个处理大豆地上部Zn含量高于玉米外，其他处理玉米地上部Zn含量高于大豆。大田条件下，同单一种植的大豆相比，与玉米套种的大豆地上部可积累更多的Zn。研究了乙二胺四乙酸（EDTA）、三乙醇胺（TEA）和柠檬酸对复合污染土壤中重金属可提取性的影响，及对大豆吸收富集重金属的影响。结果显示，在增加大豆体内Cu含量方面乙二胺四乙酸比其他两种螯合剂有效。施加5 mmol EDTA kg-1土壤这一处理显著增加了大豆地上部和地下部的Cu含量。在增加大豆地上部和地下部Zn，Pb和Cd含量方面，乙二胺四乙酸比三乙醇胺或柠檬酸更有效。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 Literature Review
  • 1.1 Heavy metals and plants
  • 1.2 Phytoremediation
  • 1.3 Biological mechanisms of phytoextraction
  • 1.4 Use of synthetic chelating agents for phytoextraction
  • 1.5 Research objectives
  • 2 Uptake and Accumulation of Cadmium by Corn （Zea mays L.） at Different Cd Supply Levels
  • 2.1 Introduction
  • 2.2 Materials and methods
  • 2.2.1 Plant culture
  • 2.2.2 Plant samples and analysis of cadmium
  • 2.2.3 Chlorophyll and carotenoid analyses
  • 2.2.4 Proline analysis
  • i）'>2.2.5 Bioconcentration factor （BCF） and transportation index （Ti）
  • 2.2.6 Data analysis
  • 2.3 Results and analyses
  • 2.3.1 Response of plant growth to different Cd supply levels
  • 2.3.2 Cadmium concentration and accumulation at different Cd supply levels
  • i） and bioconcentration factor （BCF）'>2.3.3 Transportation index （Ti） and bioconcentration factor （BCF）
  • 2.3.4 Contents of chlorophyll and carotenoid in corn at different Cd supply levels
  • 2.3.5 Proline concentration in corn at different Cd supply levels
  • 2.4 Discussion
  • 3 Uptake and Accumulation of Cadmium and Zinc by Corn （Zea mays L.） and at Different Cd/Zn Supply Levels
  • 3.1 Introduction
  • 3.2 Materials and methods
  • 3.2.1 Plant culture
  • 3.2.2 Plant samples
  • i） and accumulation rate'>3.2.3 Bioconcentration factor （BCF）, transportation index （Ti） and accumulation rate
  • 3.2.4 Statistical analysis
  • 3.3 Results and analyses
  • 3.3.1 Effects of Cd/Zn complex levels on shoot and root growth of corn
  • 3.3.2 Effects of Cd/Zn complex supply levels on Cd concentration in corn
  • 3.3.3 Effects of Cd/Zn complex supply levels on Zn concentration in corn
  • i）, bioconcentration factor （BCF） and total accumulation rate'>3.3.4 Transportation index （Ti）, bioconcentration factor （BCF） and total accumulation rate
  • 3.3.5 Linear model regression analysis
  • 3.3.6 Effects of Cd/Zn complex levels on Cd and Zn accumulation in shoots and roots of corn
  • 3.4 Discussion
  • 4 Uptake and Accumulation of Cadmium, Zinc and Lead by soybean （Glycine max L.） at Different Cd, Cd/Zn and Cd/Pb Supply Levels
  • 4.1 Introduction
  • 4.2 Materials and methods
  • 4.2.1 Plant culture
  • 4.2.2 Plant samples
  • 4.2.3 Statistical analysis
  • 4.3 Results and analyses
  • 4.3.1 Effects of Cd supply levels on shoot and root growth of soybean
  • 4.3.2 Effects of Cd/Zn and Cd/Pb complex supply levels on shoot and root growth of soybean
  • 4.3.3 Cadmium concentration in shoot and root of soybean at different Cd supply levels
  • 4.3.4 Effects of Cd/Zn and Cd/Pb complex supply levels on Cd concentration in soybean
  • 4.3.5 Effects of Cd/Zn and Cd/Pb complex supply levels on Zn and Pb concentration in soybean
  • 4.3.6 Linear model regression analysis
  • 4.3.7 Cadmium accumulation at different single Cd supply levels
  • 4.3.8 Effects of Cd/Zn complex levels on Cd and Zn accumulation in shoots and roots of soybean
  • 4.3.9 Effects of Cd/Pb complex levels on Cd and Pb accumulation in shoots and roots of soybean
  • 4.4 Discussion
  • 5 Metal Accumulation and Competitive Ability in Corn and Soybean Fed with Different Zn Salts
  • 5.1 Introduction
  • 5.2 Materials and methods
  • 5.3 Results and analyses
  • 5.3.1 Shoot biomass of corn and soybean
  • 5.3.2 Zn concentration in the shoots of corn and soybean
  • 5.3.3 Zn concentration in different parts of soybean
  • 5.3.4 Zn mass in shoot
  • 5.3.5 Competitive interactions between corn and soybean in mixed culture
  • 5.4 Discussion
  • 5.4.1 Zn availability
  • 5.4.2 Difference in Zn accumulation between corn and soybean
  • 5.4.3 Zn tolerance
  • 5.4.4 Interactions between com and soybean
  • 6 Chelate-induced Phytoextraction of Heavy Metals in Soybean （Glycine max L.）
  • 6.1 Introduction
  • 6.2 Materials and methods
  • 6.2.1 Soil characterization
  • 6.2.2 Plant material
  • 6.2.3 Effects of different chelator treatments on plant growth and metal uptake
  • 6.2.4 Desorption of metals from soil by chelates
  • 6.2.5 Chemical analysis
  • 6.2.6 Data analysis
  • 6.3 Results and analyses
  • 6.3.1 Effects of EDTA, TEA and citric acid on soybean growth
  • 6.3.2 Effects of EDTA, TEA and citric acid on shoot and root metal concentrations and phytoextraction
  • 6.3.3 Effects of EDTA, DTPA and citric acid on the solubility of metals in soil
  • 6.4 Discussion
  • 7 Conclusions
  • Acknowledgments （致谢）
  • References （参考文献）
  • Attachment （附件）
  • Study photos （实验相关照片）
  • 研究生期间发表论文和参加主要科研活动

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