典型富集植物对铅的吸收和耐受机制研究
发布时间：2020-07-31 08:44
【摘要】：土壤中重金属的生物有效性、植物对重金属的吸收和耐受能力是限制植物修复效率的重要因素。铅锌矿区尾矿和土壤中的重金属铅(Pb)往往以含铅的矿物形式存在,其生物有效性较低,难以被植物吸收利用。在自然条件下或植物根系作用下,铅矿物表面会发生风化,并释放出毒性元素Pb,其不仅危害植物生长,还通过生物链的传递危害人体健康。在植物与矿物相互作用的过程中,根系分泌物是连接矿物与植物的重要纽带,其一方面促进矿物的风化、元素释放,另一方面影响植物对元素的吸收和积累。研究富集植物作用下的铅矿物风化过程,探索矿物/土壤-植物系统中Pb元素的吸收、微区分布、迁移和形态转化规律,有助于深入认识矿物来源的Pb进入富集植物的微观机理、揭示根际有机酸在矿物的元素释放和重金属的吸收过程中的作用机制,以及认识富集植物耐受Pb胁迫的细胞机制,并最终为高效实施植物修复Pb污染土壤奠定理论基础。本文在对比4种野外富集植物对Pb的吸收特征和富集能力的基础上,以根际有机酸为研究中心,围绕有机酸在铅矿物-根界面的作用机制和Pb进入植物细胞后的耐受机制开展研究,结合微区X射线荧光光谱(Micro-XRF)、X射线吸收近边结构谱(XANES)和透射电子显微镜-能量色散X射线光谱(TEM-EDS)等技术,系统研究了多种有机酸作用下方铅矿、铅-针铁矿和磷氯铅矿中Pb的释放规律和三叶鬼针草从铅矿物中吸收Pb的过程,并探索了柠檬酸(天然小分子有机酸)、腐植酸(天然大分子有机酸)和EDTA(人工合成螯合剂)三类有机酸在植物吸收Pb的过程、细胞Pb结合态的转化和Pb向地上部迁移中的作用,同时探讨了植物细胞对Pb的解毒和耐受机制。主要研究结果如下:(1)植物根系分泌物、腐殖质和EDTA驱动铅矿物释放Pb的能力不仅与铅矿物的种类有关,还与矿物表面形成的铅-有机酸络合物及络合物的配位结构密切相关。XANES结果显示方铅矿、铅-针铁矿和磷氯铅矿是铅锌矿区土壤中主要存在的三种铅矿物,矿物溶解实验显示EDTA是驱动这3种铅矿物释放Pb能力最强的有机酸,腐植酸是驱动方铅矿和磷氯铅矿释放Pb能力最强的腐殖质,柠檬酸、组氨酸和草酸是分别驱动方铅矿、铅-针铁矿和磷氯铅矿释放Pb能力最强的根系分泌物。EDTA能够与Pb形成稳定的Pb-EDTA八面体络合物;腐植酸是一种天然大分子有机酸,含有的多种官能团(如-COOH、-NH_2、-OH和Ar-OH)能够与Pb形成络合物;柠檬酸和草酸分别含有3个和2个羧基,其分子结构中的羧基更易与Pb配位。(2)三叶鬼针草根系具有从方铅矿、铅-针铁矿和磷氯铅矿中吸收并积累Pb的潜力,矿物-根界面中Pb的释放、迁移及其形态转化是根系吸收矿物来源Pb的重要前提。室内栽培实验中,发现三叶鬼针草从3种铅矿物中吸收Pb的能力为:方铅矿铅-针铁矿磷氯铅矿。XANES结果显示,三叶鬼针草根系作用可将方铅矿和铅矾部分风化成硬脂酸铅((C_(17)H_(35)COO)_2Pb)和白铅矿(PbCO_3),也可将铅-针铁矿完全风化成碱式碳酸铅(2PbCO_3?Pb(OH)_2)和Pb_3(PO_4)_2;三种铅矿物释放进入根际溶液的Pb形态基本相同,均为铅-有机配体的络合物;根际溶液中的Pb被根系吸收后,主要以Pb-磷酸盐沉淀的形式沉积于根部,该结果揭示了植物从铅矿物中吸收Pb的过程。(3)根际有机酸在提高土壤Pb的生物有效性和植物对重金属的吸收、迁移能力方面起着重要作用,其主要通过:改变根系对Pb的吸收途径、提高植物根细胞对Pb的解毒能力,增加茎细胞对Pb的迁移能力三个方面,促进植物对Pb的吸收和积累。相较于柠檬酸(CA)和腐植酸(HA),EDTA更能促进Pb向地上部运输。吸收途径实验发现,无EDTA时,三叶鬼针草主要通过共质体途径、Ca离子通道以及部分K离子通道吸收Pb;而有EDTA时,植物可通过共质体途径、质外体途径、转运蛋白和K离子通道吸收Pb。Micro-XRF分析表明EDTA减少了Pb在根尖的分生组织和侧根连接处的沉积,并增加了Pb在茎部维管束的分布。植物的细胞提取实验发现,EDTA显著提高了细胞质和液泡水溶性Pb、细胞壁结合态Pb的比例,降低了残渣态Pb的比例。XANES鉴定结果显示,EDTA处理条件下,植物各器官中Pb的主要存在形态为Pb-EDTA。上述结果表明EDTA通过影响植物对Pb的吸收途径、根和茎中Pb的微区分布及Pb的分子形态,来促进Pb向地上部运输。植物细胞的提取实验表明,有机酸作用下,植物根细胞中残渣态Pb的比例和茎细胞中易被迁移的细胞结合态Pb的比例增加,且根细胞中残渣态Pb的比例越高,根部吸收的Pb越多;茎细胞中易被迁移的细胞结合态Pb的比例越高,叶部富集的Pb越多。(4)在细胞/亚细胞尺度上认识Pb对细胞超微结构的损伤、细胞内Pb的分布和形态,是探索植物对Pb的耐受和解毒机制的关键。TEM观察,发现Pb胁迫会导致细胞和亚细胞器变形、质壁分离、质膜模糊、细胞间隙缩小及细胞壁增厚和部分褶皱等,且随着外界Pb暴露浓度的增加,细胞结构受到的损伤和破坏程度逐渐增大。TEM-EDS分析发现,细胞壁、液泡和细胞间隙是植物细胞沉积Pb的主要部位,其主要通过固定或隔离游离态的Pb,从而实现植物细胞对Pb的解毒,进而提高植物对Pb的耐受能力。植物的细胞提取实验发现,三叶鬼针草和婆婆针根细胞中,细胞结合态Pb的分布比例呈现:残渣态疏水蛋白结合态细胞质和液泡中的水溶态;茎细胞中,细胞结合态Pb的分布比例呈现:残渣态细胞质和液泡中的水溶态疏水蛋白结合态;叶细胞中,Pb主要分布在细胞质和液泡中的水溶态,其次是细胞壁结合态。总的来说,Pb在植物根-茎-叶细胞的迁移过程中,残渣态Pb的比例逐渐降低,而细胞质和液泡中的水溶态Pb的比例逐渐增加。
【学位授予单位】：中国地质科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X53;X173
【图文】：
图 1-1 土壤环境中铅矿物的生物有效性(Ruby et al. 1999)Fig. 1-1 Bioavailability of lead minerals in soil environment(Ruby et al. 1999)除了上述非生物作用（pH、H2O、O2和 CO2等）外，植物和微生物也能使矿物发生风化(Violante and Caporale 2015)，由于生物风化被错误的视为一个相当缓慢的过程，导致人们对生物体驱动的矿物风化关注较少，尤其是植物的作用(Pawlik et al. 2016)。事实上，矿物风化在高等植物的根际发生得非常快(Hinsingeretal.2001)，使植物驱动的矿物风化成为重要的生物风化作用之一(Pawlikand amonil2018)。已有学者报道植物根系作用能够加速矿物的风化，其根系分泌物在矿物溶解和元素释放中发挥着核心作用(Houben and Sonnet 2012)。1.1.2 植物作用下的矿物风化植物是自然界矿物风化的重要参与者。一方面，根系活动能够驱动土壤矿物或岩石
第一章 绪论用根系分泌的有机酸还能够与矿物表面的金属离据报道，有机酸主要通过 2 种络合机制来影响)： 1）有机酸与金属离子形成水溶性的金属-有性，进而影响溶解矿物的反应速率；2）吸附在学键，即有机配体促进溶解。有机酸分子能够 Pb2+形成桥型（图 1-2a）或单齿的（图 1-2b）些不同的配位结构将导致矿物产生不同程度的
图 1-3. 禾本和非禾本植物的根际 Fe(III)矿物风化（根据文献(GrilletandSchmidt2017;TsaiandSchmid2017)修改）。HA：P 型 ATP 酶；PDR/ABCG：多效性耐药（PDR）或 ATP 结合盒（ABCG）；FRO：铁还原酶；IRT：铁调节转运蛋白；IMCs：活化铁的物质；ABC：ABC 型转运蛋白；PS：植物铁载体；YS/YSL: YS 或 YSL 转运蛋白；TOM：植物铁载体的转运蛋白。Fig. 1-3 Fe(III) mineral weathering in the rhizosphere of gramineous and non-gramineous plants. (revisionafter Grillet et al.(Grillet and Schmidt 2017) and Tsai et al.(Tsai and Schmidt 2017)). HA: P-type ATPasesPDR/ABCG: pleiotropic drug resistance (PDR) or ATP-binding cassette (ABCG); FRO: Ferricreductase/oxidase; IRT: Iron-regulated transporter; IMCs: Iron-mobilizing compounds; ABC: ABC-typetransporters；PS: Phytosiderophores; YS/YSL: Yellow stripe (YS) or yellow stripe-like (YSL) transportersTOM: transporter of phytosiderophores.（4）氧化还原作用在缺铁的土壤环境中，非禾本科植物可通过氧化还原作用驱动铁矿物的风化（图 1-3），且铁矿物表面的风化过程与根际环境的 pH 值密切相关(Grillet and Schmidt 2017)。在酸性环境中，Fe 缺乏将激活根细胞质膜的 P 型 ATP 酶，并触发质子（H+）外排至根
【学位授予单位】：中国地质科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X53;X173
【图文】：
图 1-1 土壤环境中铅矿物的生物有效性(Ruby et al. 1999)Fig. 1-1 Bioavailability of lead minerals in soil environment(Ruby et al. 1999)除了上述非生物作用（pH、H2O、O2和 CO2等）外，植物和微生物也能使矿物发生风化(Violante and Caporale 2015)，由于生物风化被错误的视为一个相当缓慢的过程，导致人们对生物体驱动的矿物风化关注较少，尤其是植物的作用(Pawlik et al. 2016)。事实上，矿物风化在高等植物的根际发生得非常快(Hinsingeretal.2001)，使植物驱动的矿物风化成为重要的生物风化作用之一(Pawlikand amonil2018)。已有学者报道植物根系作用能够加速矿物的风化，其根系分泌物在矿物溶解和元素释放中发挥着核心作用(Houben and Sonnet 2012)。1.1.2 植物作用下的矿物风化植物是自然界矿物风化的重要参与者。一方面，根系活动能够驱动土壤矿物或岩石
第一章 绪论用根系分泌的有机酸还能够与矿物表面的金属离据报道，有机酸主要通过 2 种络合机制来影响)： 1）有机酸与金属离子形成水溶性的金属-有性，进而影响溶解矿物的反应速率；2）吸附在学键，即有机配体促进溶解。有机酸分子能够 Pb2+形成桥型（图 1-2a）或单齿的（图 1-2b）些不同的配位结构将导致矿物产生不同程度的
图 1-3. 禾本和非禾本植物的根际 Fe(III)矿物风化（根据文献(GrilletandSchmidt2017;TsaiandSchmid2017)修改）。HA：P 型 ATP 酶；PDR/ABCG：多效性耐药（PDR）或 ATP 结合盒（ABCG）；FRO：铁还原酶；IRT：铁调节转运蛋白；IMCs：活化铁的物质；ABC：ABC 型转运蛋白；PS：植物铁载体；YS/YSL: YS 或 YSL 转运蛋白；TOM：植物铁载体的转运蛋白。Fig. 1-3 Fe(III) mineral weathering in the rhizosphere of gramineous and non-gramineous plants. (revisionafter Grillet et al.(Grillet and Schmidt 2017) and Tsai et al.(Tsai and Schmidt 2017)). HA: P-type ATPasesPDR/ABCG: pleiotropic drug resistance (PDR) or ATP-binding cassette (ABCG); FRO: Ferricreductase/oxidase; IRT: Iron-regulated transporter; IMCs: Iron-mobilizing compounds; ABC: ABC-typetransporters；PS: Phytosiderophores; YS/YSL: Yellow stripe (YS) or yellow stripe-like (YSL) transportersTOM: transporter of phytosiderophores.（4）氧化还原作用在缺铁的土壤环境中，非禾本科植物可通过氧化还原作用驱动铁矿物的风化（图 1-3），且铁矿物表面的风化过程与根际环境的 pH 值密切相关(Grillet and Schmidt 2017)。在酸性环境中，Fe 缺乏将激活根细胞质膜的 P 型 ATP 酶，并触发质子（H+）外排至根
【参考文献】
相关期刊论文 前5条
1 傅晓文;陈贯虹;迟建国;邱维忠;王加宁;崔兆杰;;胜利油田石油污染土壤中重金属的形态分析[J];山东科学;2015年04期
2 魏松坡;贾黎明;;外生菌根真菌对矿物风化作用研究进展[J];生态学杂志;2014年12期
3 高健会;赵良娟;葛宝坤;刘e
本文编号：2776245
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