阳宗海大型水生植物对砷的吸收、富集特征及机理

论文摘要

2008年5月,云南阳宗海发生了砷污染事件,水体中的砷含量平均达0.117 mg·L-1,按湖泊库容6亿m3的水量计,入湖砷量高达70 t。植物修复技术具有经济有效和环境友好等优点而备受关注,在As污染水体筛选出对As具有高富集能力的水生植物,并将其运用于As污染水体的治理便显得重要和迫切。本研究首先对云南阳宗海大型水生植物进行野外调查,初步筛选出对砷具有不同富集能力的水生植物,为阳宗海等砷污染水体的植物修复提供较适合的植物种质资源；其次,选取不同砷富集能力的植物各1种[黑藻（Hydrilla verticillata （Linn. f.） Royle.）、金鱼藻（Ceratophyllum demersum L.）、竹叶眼子菜（Potamogeton malaianusMiq.）],通过室内添加不同形态和价态砷（As（Ⅲ）、As（Ⅴ）和二甲基胂DMA）的水培实验,研究植物对砷吸收、分布和富集规律,研究砷在植物亚细胞的区隔化、主要酶活性（抗氧化酶系）的变化机理及其与砷吸收和富集的关系；再次,选取同一砷浓度进一步研究影响植物吸收砷的主要因素（磷酸盐、铁盐和pH）。结果表明：1.阳宗海中的植物长势良好,未发现受害症状。水体As严重污染,Pb轻度污染,Zn、Cu和Cd均未超过地表水Ⅲ类标准（GB 3838—2002）。9种沉水植物同时对As、Zn、Cu、Cd、Pb的富集系数（植物全株重金属含量与水中该元素含量的比值）远大于1,具有共富集特征。在平均含As 0.175 mg·L-1的水中,金鱼藻、黑藻、小眼子菜、八药水筛全株As平均含量分别为（150±7.3）、（179±35）、（92±31）、（265±21）mg·kg-1（干重）,对As具有较强富集能力；对于8种湿生和挺水植物,北部采样点的喜早莲子草、田栖稗、细叶小苦荬和长芒稗对As,长芒稗、细叶小苦荬、圆果雀稗、水蓼和风车草对Cd,海芋和圆果雀稗对Zn的富集系数（植物地上部重金属含量与底泥中该元素含量的比值）以及圆果雀稗对Cd和Zn转移系数（植物地上部重金属含量与根中该元素含量的比值）均大于1。聚类分析结果表明,金鱼藻、黑藻、八药水筛、小眼子菜、穗状狐尾藻5种水生植物同时对As、Zn、Cu、Cd、Pb具有较强的吸收和富集能力,在重金属复合污染水体修复中具有较大潜力。2.3.0和5.0 mg·L-1的As（Ⅲ）和As（Ⅴ）显著抑制黑藻、金鱼藻和竹叶眼子菜生物量,其中As（Ⅲ）的抑制最明显；3种植物对As（Ⅲ）的吸收最大,其次是As（Ⅴ）和DMA。As（Ⅲ）、As（Ⅴ）和DMA处理下,黑藻对As的最大吸收量分别达到（689.49±33.39）、（375.7±55.45）、（109.12±8.63）mg·kg-1,均显著高于金鱼藻和竹叶眼子菜；3种植物在浓度1.0 mg·L-1不同形态As培养条件下对As的动态吸收表明,黑藻、竹叶眼子菜对As（Ⅲ）和DMA、金鱼藻对As（Ⅴ）的吸收在第6 d后达到较高水平,金鱼藻对As（Ⅲ）吸收在第2 d后就能达到较高水平,竹叶眼子菜对As（Ⅴ）的吸收在第4 d能达到较高水平；不同浓度As（Ⅲ）和As（Ⅴ）处理,As在3种植物叶细胞各组分中主要分布在细胞壁和以液泡为主的细胞质可溶部分中,而在叶绿体和线粒体中As含量较少。3种植物不同DMA浓度处理,As主要分布在细胞壁,以液泡为主的细胞质可溶部分中分布较少。3.偏酸性条件（pH=5.0）能显著提高黑藻、竹叶眼子菜对As（V）的吸收,偏酸和偏碱（pH=9.0）环境显著抑制黑藻对As（Ⅲ）的吸收；低浓度Fe2+显著抑制竹叶眼子菜对As（Ⅲ）的吸收,不同浓度Fe2+处理均显著提高3种植物对As（Ⅴ）的吸收。黑藻、金鱼藻在高浓度（1.5 mg·L-1）Fe3+处理下能显著提高其对As（Ⅲ）的吸收,不同浓度Fe3+处理均显著提高了金鱼藻、竹叶眼子菜对As（V）的吸收；3种不同浓度的磷酸盐均显著抑制了3种植物对As（Ⅲ）的吸收。4.不同形态As处理下,金鱼藻超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性显著高于黑藻和竹叶眼子菜,但高浓度As能显著抑制金鱼藻SOD活性,不同As浓度均能显著提高金鱼藻POD活性,不同浓度As（Ⅲ）、As（Ⅴ）处理,黑藻、金鱼藻过氧化氢（CAT）活性显著高于竹叶眼子菜,高浓度As处理能显著提高这两种植物CAT活性；不同浓度DMA处理,黑藻、竹叶眼子菜CAT活性显著高于金鱼藻；总体来看,3种植物抗氧化能力大小分别为金鱼藻>黑藻>竹叶眼子菜,并且POD和CAT在抗氧化体系中起到关键作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略词
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 主要研究内容
• 1.2.1 研究内容
• 1.2.2 研究方案
• 1.3 研究工作执行情况
• 1.4 预期研究目标和创新点
• 1.4.1 预期研究目标
• 1.4.2 创新点
• 第二章 文献综述
• 2.1 引言
• 2.2 水生植物对重金属吸收富集的研究进展
• 2.2.1 水生植物对重金属的富集
• 2.2.2 影响水生植物吸收重金属的因素
• 2.3 水生植物对砷的吸收富集研究进展
• 2.3.1 砷的种类和毒性
• 2.3.2 水生植物对砷的吸收和富集
• 2.4 影响植物对砷吸收的因素
• 2.4.1 pH和Eh对植物吸收砷的影响
• 2.4.2 磷（P）对植物吸收砷的影响
• 2.4.3 铁（Fe）对植物吸收砷的影响
• 2.5 植物对不同形态砷的吸收
• 2.5.1 不同形态砷在植物体内存在的形态
• 2.5.2 植物对砷酸盐的吸收
• 2.5.3 植物对亚砷酸盐的吸收
• 2.5.4 植物对有机砷的吸收
• 第三章 阳宗海大型水生植物对重金属的富集与转移
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 研究地点
• 3.2.2 样品采集
• 3.2.3 样品分析
• 3.2.4 数据处理
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 水样、底泥中重金属含量
• 3.3.2 研究区主要水生植物种类及生长状况
• 3.3.3 水生植物对重金属的富集和转移特征
• 3.4 讨论
• 3.4.1 重金属富集型水生植物的筛选
• 3.4.2 水生植物对重金属的富集规律
• 3.5 本章小结
• 第四章 三种沉水植物对不同形态砷的吸收特征
• 4.1 前言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 植物材料
• 4.2.2 水培实验
• 4.2.3 样品处理与测定
• 4.2.4 数据处理
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 植物在不同形态砷胁迫下生物量的变化
• 4.3.2 不同形态砷培养下植物对砷的吸收
• 4.3.3 植物对不同形态砷吸收时间动态
• 4.3.4 三种植物对不同形态砷的吸收比较
• 4.3.5 砷在植物叶片中的分布情况
• 4.4 讨论
• 4.4.1 不同形态砷对三种植物吸收砷的影响
• 4.4.2 三种植物对不同形态砷吸收差异
• 4.4.3 砷在植物叶片细胞中的分布
• 4.5 本章小结
• 第五章 不同因素对三种沉水植物吸收砷的影响
• 5.1 前言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 植物材料
• 5.2.2 水培实验
• 5.2.3 样品处理与测定
• 5.2.4 数据处理
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 不同pH处理下植物对As（Ⅲ）、As（Ⅴ）的吸收
• 2+处理对植物吸收As（Ⅲ）、As（Ⅴ）的影响'>5.3.2 Fe²⁺处理对植物吸收As（Ⅲ）、As（Ⅴ）的影响
• 3+处理对植物吸收As（Ⅲ）、As（Ⅴ）的影响'>5.3.3 Fe³⁺处理对植物吸收As（Ⅲ）、As（Ⅴ）的影响
• 5.3.4 正磷酸盐处理对植物吸收As（Ⅲ）、As（Ⅴ）的影响
• 5.3.5 偏磷酸盐处理对植物吸收As（Ⅲ）、As（Ⅴ）的影响
• 5.3.6 焦磷酸盐处理对植物吸收As（Ⅲ）、As（Ⅴ）的影响
• 5.4 讨论
• 5.4.1 pH对植物吸收As（Ⅲ）、As（Ⅴ）的影响
• 5.4.2 Fe对植物吸收As（Ⅲ）、As（Ⅴ）的影响
• 5.4.3 P对植物吸收As（Ⅲ）、As（Ⅴ）的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 不同形态砷对三种沉水植物抗氧化酶活性的影响
• 6.1 前言
• 6.2
• 6.2.1 植物材料
• 6.2.2 水培实验
• 6.2.3 样品处理与测定
• 6.2.4 数据处理
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 不同形态砷对水生植物叶片SOD活性的影响
• 6.3.2 不同形态砷对水生植物叶片POD活性的影响
• 6.3.3 不同形态砷对水生植物叶片CAT活性的影响
• 6.3.4 植物SOD活性随时间的动态变化
• 6.3.5 植物POD活性随时间的动态变化
• 6.3.6 植物CAT活性随时间的动态变化
• 6.3.7 黑藻叶片砷含量与抗氧化酶活性的相关性
• 6.3.8 金鱼藻叶片砷含量与抗氧化酶活性的相关性
• 6.3.9 竹叶眼子菜叶片砷含量与抗氧化酶活性的相关性
• 6.4 讨论
• 6.5 小结
• 第七章 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.1.1 阳宗海大型水生植物对重金属的富集与转移
• 7.1.2 三种沉水植物对不同形态砷的吸收特征
• 7.1.3 不同因素对三种沉水植物吸收砷的影响
• 7.1.4 不同形态砷培养对三种沉水植物抗氧化酶活性的影响
• 7.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间发表论文目录
• 附录B 攻读硕士期间参与的科研项目