蓖麻（Ricinus communis L.）富集铜的机制及其对铜污染土壤的修复

发布时间：2020-05-22 13:11

【摘要】：植物修复技术是通过植物的吸收、挥发、根滤、降解、稳定等作用来净化土壤或水体中污染物的措施,其核心在于寻找生物量大、可高富集的植物。在铜绿山发现的野生蓖麻(Ricinus communis L.)是一种生长速度快的大戟科植物,其对重金属铜(Cu)有较强的耐性,而且有根系发达、耐贫瘠、经济价值高等特点。本文以该蓖麻为研究对象,通过水培和盆栽试验,研究了铜胁迫下蓖麻根系分泌物的组成、铜在蓖麻体内的富集部位、形态以及亚细胞分布特征,初步揭示了蓖麻对铜的吸收、转运和富集机制。通过添加磷肥、诱导剂等农艺调控措施,开展了Cu污染土壤植物修复的强化技术及机制研究。主要研究内容和结果如下:1.水培、盆栽试验结果表明,矿山蓖麻对Cu具有一定的耐受性,且Cu主要积累在其根部。草酸、琥珀酸、酒石酸、柠檬酸和苹果酸是蓖麻根系分泌物中主要的有机酸。根系分泌活动酸化了根际土壤、增加酸交换性和可还原态Cu含量,而其他形态铜含量减少。根系分泌物通过改变土壤中铜生物有效性进而影响蓖麻对铜的吸收和积累。2.在模拟Cu污染土壤中添加柠檬酸、酒石酸、草酸并培养,探究了外源有机酸添加对土壤铜化学形态的影响。结果表明:3种有机酸均提高土壤中弱酸提取态Cu的含量,活化了土壤中Cu。添加有机酸的浓度越高(0-20 mmol/kg),活化效果越好。添加20 mmol/kg柠檬酸处理,弱酸溶解态Cu的含量与对照相比增加了24.1%,增幅最大。综合来看,柠檬酸对土壤Cu的活化量整体高于其他两种有机酸。3.水培条件下,深入研究了不同浓度Cu处理下蓖麻的生长、抗氧化系统、光合色素以及铜在蓖麻不同部位的富集、亚细胞分布特征影响。结果表明:高浓度Cu胁迫降低了蓖麻植株鲜重、叶片中光合色素含量,并增加了蓖麻叶片丙二醛含量。根系中Cu在亚细胞组分的含量大小顺序均为细胞壁细胞器细胞质可溶组分,而叶片中则均为细胞质可溶组分细胞壁细胞器。液泡区隔化和细胞壁固持是蓖麻应对铜胁迫的重要耐性机制。4.蓖麻根、叶和韧皮部内游离氨基酸的总量随着外源Cu浓度的增加而逐渐增加,24 mg/L Cu处理后的蓖麻根部、韧皮部和叶片中游离氨基酸总量分别是对照处理的3.08、5.95和8.81倍。其中各部位含量较高是天门冬氨酸、苏氨酸、精氨酸、谷氨酸、丙氨酸和缬氨酸等。24 mg/L Cu处理后的蓖麻根部天冬氨酸、苏氨酸和精氨酸分别占总量的23.9%、32.5%和25.8%,而韧皮部中这些氨基酸分别占总量的3.5%、41.0%和27.8%。借助同步辐射XANES技术分析Cu在蓖麻体内的累积结合形态发现:蓖麻根、茎、叶中Cu主要是以Citrate-Cu、Arginine-Cu等络合态以及Cu3(PO4)2和Cu O等沉淀态形式存在。其中根中Cu以Citrate-Cu、Arginine-Cu和Cu O为主,其占总Cu的比例分别是34.0%、35.8%和18.1%;茎部中Cu主要是以比较稳定的Cu O和GSH-Cu形式存在,其占总Cu的比例分别为30.9%和39.5%。在蓖麻叶片中,Cu的存在形态相对较为分散,主要是Citrate-Cu、Arginine-Cu、Cu O和GSH-Cu,其占总Cu的比例分别是24.9%、25.6%、15.1%和13.5%。这表明细胞内沉积是蓖麻耐Cu的另一途径。5.磷肥施用影响蓖麻对Cu的吸收。草酸活化磷矿粉、磷酸二氢钠和磷酸钙施用后均显著提高了蓖麻生物量,同时增加了根部Cu积累。与对照相比,施磷处理后蓖麻叶中MDA含量和抗氧化酶(CAT、SOD)活性都降低,但GSH的含量显著增加,抗氧化防御能力增强。其中,施用含600 mg/kg P2O5的磷酸二氢钠对蓖麻提取Cu的增加最明显。在施磷肥水平为600 mg/kg时,Ca(H2PO4)2、APR和Na H2PO4中蓖麻植株的总Cu提取量分别达到了2.98、3.08和3.65 mg。磷肥施用后有效期持久,合理施磷可增加蓖麻生物量和蓖麻对土壤Cu的提取量。6.添加柠檬酸、草酸和酒石酸均提高了Cu污染土壤上的蓖麻生物量、促进了Cu在蓖麻体内的转移。有机酸的添加未改变土壤的p H值,但是均不同程度地提高了土壤脲酶、过氧化氢酶和碱性磷酸酶的活性。所不同的是,在低Cu高磷高有机质土壤中添加外源有机酸,对土壤有效Cu含量无显著影响,但减少Cu在蓖麻体内的累积;而在高Cu低磷低有机质土壤中,添加外源低分子量有机酸增加了土壤有效Cu含量,促进蓖麻对Cu的积累。
【图文】：

Cu含量,分泌物,线性相关关系,有机酸含量

Fig.2-4 Relationship between the organic acids in root exudation with the root elongation and rootCu concentration in castor.

蓖麻,磷肥,生长情况,污染土壤

78图 7-1 蓖麻在施用磷肥的 Cu 污染土壤上的生长情况.Fig. 7-1 The growth of castor plants in the Cu contaminated soil applied with phosphatefertilizer.
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X53;S565.6

【参考文献】