外源微生物对小麦和蜈蚣草砷吸收转化的影响及机制研究

论文摘要

根际微生物在重金属元素的生物地球化学循环中扮演着重要的角色。大量的研究揭示了植物-根际微生物之间的联合作用在植物养分利用和重金属吸收方面所起到的作用,但是相关的机制尚缺乏充分的探讨。本项目以砷超富集植物蜈蚣草（Pteris vittata L.）和粮食作物小麦（Triticum aestivum L.）为供试材料,研究了不同的外源微生物（砷酸还原菌：Ts33、Ts41；亚砷酸氧化菌：C13、D14）对上述两种植物吸收、积累和转化As的影响及其机制,研究结果对于开发有效的植物-微生物联合修复技术,及寻找抑制农作物吸收As、保障农产品品质安全的技术方法具有重要意义。主要研究结果如下：1.采用石英砂培试验研究了砷酸还原菌（Ts33、Ts41）对小麦As吸收和价态变化的影响。研究结果表明：在低As处理浓度（≤10 mg·kg-1）时,除Ts41对小麦地上部的作用外,添加砷酸还原菌能够促进小麦对As的吸收,小麦地上部和地下部As浓度分别是不加菌处理的1.03-2.30倍和1.10-6.07倍。但是,随着As处理浓度的升高,添加砷酸还原菌能明显抑制小麦对As的吸收。与不加菌相比,添加砷酸还原菌小麦地上部、地下部As浓度分别减少64.04%-95.85%和2.58%-78.08%。As（Ⅲ）和As（Ⅴ）是As在小麦体内存在的两种主要价态。砷酸还原菌对小麦地上部As价态的影响不太,但是能显著提高小麦地下部和砂培营养液中As（Ⅲ）的百分含量,分别是不加菌处理的1.95和4.16倍。2.研究了石英砂培条件下砷酸还原菌（Ts33、Ts41）对小麦抗As胁迫反应的影响。研究结果表明：低浓度As（<20 mg·kg-1）处理提高小麦叶片SOD、POD、CAT活性和GSH含量,而其中SOD活性在As处理浓度>10 mg·kg-1时就开始降低；高浓度As处理下（≥20 mg·kg-1）,叶片SOD、POD、CAT活性和GSH含量降低。另外,添加砷酸还原菌（Ts33和Ts41）能显著增加叶片SOD、POD、CAT活性,同时降低MDA含量。添加Ts33和Ts41后,小麦叶片SOD、POD、CAT活性最大为不加菌对照的2.27、2.14、1.18倍,而MDA含量降低最大时其值是不加菌对照的38.29%。3.收集和测定了添加砷酸还原菌（Ts33、Ts41）和As胁迫下小麦根系分泌物中的有机酸。研究结果表明：根系分泌有机酸的种类随As处理浓度的增加而增加。当As处理浓度为0 mg·kg-1时,小麦根系主要分泌的是草酸和乙酸；当As处理浓度为5 mg·kg-1时,增加分泌苹果酸；而As处理浓度≥10 mg·kg-1时,增加分泌酒石酸和柠檬酸。同时,As处理浓度的增加也促进根系分泌物分泌量的增加。其中,苹果酸、酒石酸和柠檬酸的增加达到显著差异,在As处理浓度为50 mg·kg-1时分别是As处理浓度为10 mg·kg-1时的5.46、1.06和1.97倍。另外,添加外源微生物会减少小麦根系分泌有机酸的种类。与不加菌处理相比,添加微生物处理的小麦根系分泌物中没有检测到酒石酸和柠檬酸。在微生物作用下,小麦根系分泌物的分泌量也有减少,其中苹果酸的分泌量显著减少。Ts41处理下小麦分泌的苹果酸量减少最多,只有不加菌处理的28.46%。4.应用土壤盆栽试验研究了砷酸还原菌（Ts33、Ts41）和亚砷酸氧化菌（C13、D14）对蜈蚣草As吸收和价态的影响。研究结果表明：2类微生物都可以促进蜈蚣草对As的吸收。比如,在加菌处理5 d后,蜈蚣草地上部和地下部As浓度分别增加86.33%-187.13%和53.93%-108.82%。另外,砷酸还原菌能够将蜈蚣草体内As（Ⅲ）的百分含量提高2.99-49.01%；而亚砷酸氧化菌能够将蜈蚣草体内As（Ⅴ）的百分含量提高9.09-22.91%。5.测定了砷酸还原菌（Ts33、Ts41）和亚砷酸氧化菌（C13、D14）作用下土壤的As含量和As价态。研究结果表明：添加微生物能够使根际As含量减少9.97%-18.64%。砷酸还原菌能够促进土壤中的As（Ⅴ）还原为As（Ⅲ）,只加砷酸还原菌处理的土壤中As（Ⅲ）的百分含量为27.90%-30.87%。但是,蜈蚣草的根际活动会减弱砷酸还原菌对土壤中As的还原作用。种植蜈蚣草同时又添加砷酸还原菌Ts41的处理中,蜈蚣草根际土As（Ⅲ）的百分含量为只添加Ts41处理土的74.57%-80.86%。6.收集和测定了在盆栽土壤中添加砷酸还原菌（Ts33、Ts41）和亚砷酸氧化菌（C13、D14）时蜈蚣草根系分泌物中的有机酸。研究结果表明：2类微生物作用对根系分泌物中有机酸组成的影响都不大,但是能够增加分泌的量。根系分泌物中有机酸主要为草酸、苹果酸、乙酸和琥珀酸,其中草酸的质量分数最高,超过了总酸的56%,是蜈蚣草根系分泌的低分子量有机酸的主要成分。草酸增加了22.74%-270.93%,苹果酸增加了31.06%-127.70%,乙酸增加了19.49%-80.12%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略词及植物、微生物拉丁名
• 第一章 文献综述
• 1 前言
• 2 土壤砷污染研究进展
• 2.1 土壤砷污染概况
• 2.2 土壤砷污染修复技术
• 2.3 土壤砷污染生物修复技术研究进展
• 3 土壤砷污染植物-微生物联合修复技术研究进展
• 3.1 根际微生物及其生态学
• 3.2 根际微生物与植物根的相互作用
• 3.3 植物根系分泌物对重金属污染胁迫的响应
• 3.4 植物根系分泌物研究方法评述
• 第二章 课题选题依据和研究内容
• 1 选题依据
• 2 研究目的和研究内容
• 2.1 研究目的
• 2.2 研究内容
• 3 技术路线
• 第三章 外源微生物对小麦抵抗砷胁迫的影响及其机制
• 1 前言
• 2 材料和方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验设计
• 2.3 根系分泌物的收集和测定
• 2.4 叶片抗氧化指标测定
• 2.5 砷含量及砷价态测定
• 2.6 数据统计分析
• 3 结果与分析
• 3.1 接种砷酸还原菌对小麦砷的吸收和价态变化的影响
• 3.2 接种砷酸还原菌对小麦抗砷胁迫反应的影响
• 3.3 接种砷酸还原菌对砷胁迫下小麦根系分泌物的影响
• 4 讨论
• 4.1 砷胁迫下砷酸还原菌影响小麦对砷吸收和价态变化的机制
• 4.2 砷胁迫下砷酸还原菌提高小麦抗氧化反应的机制
• 4.3 砷胁迫下砷酸还原菌影响小麦根系分泌物的机制
• 5 小结
• 第四章 外源微生物对蜈蚣草超富集砷的影响及其机制
• 1 前言
• 2 材料和方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验设计
• 2.3 根系分泌物的收集和测定
• 2.4 砷含量及砷价态测定
• 2.5 数据处理
• 3 结果与分析
• 3.1 外源微生物对蜈蚣草和土壤各部分砷含量的影响
• 3.2 外源微生物对蜈蚣草和土壤各部分砷价态的影响
• 3.3 外源微生物对蜈蚣草根系分泌物的影响
• 4 讨论
• 4.1 砷胁迫下外源微生物影响蜈蚣草砷吸收和价态变化的机制
• 4.2 砷胁迫下外源微生物影响蜈蚣草根系分泌物的机制
• 5 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表文章情况
• 致谢