典型汞矿区耐性植物及汞富集机制研究

发布时间：2020-08-12 13:32

【摘要】：汞是一种有毒有害的重金属元素,是我国《重金属污染综合防治“十二五”规划》重点控制的五类(铅、汞、镉、铬和类金属砷)污染物之一。中国西南地区位于环太平洋汞矿化带,汞矿资源十分丰富。其中,贵州省万山汞矿是国内最大的汞工业基地,长期大规模的汞开采和冶炼活动形成大量堆积废石和冶炼矿渣的废弃地,已成为汞矿闭坑后重要的汞释放源之一,导致周围环境中汞污染问题突出,种植在汞矿区污染土壤上的水稻、玉米和蔬菜等农作物遭受严重的汞污染,对矿区居民的健康造成了潜在威胁。植物修复技术具有绿色、环保和经济等特点倍受关注,而汞富集或超富集植物的筛选和确定是植物修复技术的首要步骤。受生长环境高浓度汞的长期影响,汞矿区废弃地上不同种类植物对汞污染的吸收、累积及耐性产生较强的适应性,为高汞耐性植物的发现提供了可能,是寻找汞富集植物或超累积植物的有效靶区和有利场所。故研究汞矿区自然定居植物对汞的吸收和累积特征,筛选和发掘富集或超富集汞的新型植物,对汞污染场地的植物修复具有重要的现实意义和理论价值。目前,贵州汞矿区植物中汞的研究多集中在可食用农作物(蔬菜、玉米和水稻等),针对高汞废弃地上耐性植物优势种、汞富集或超富集植物的研究工作尚不够全面和深入,尤其对自然生长的植物体内甲基汞的研究更鲜有报道,汞富集植物研究的突出问题在于“机制”不清。因此,本研究以我国典型汞矿区贵州万山汞矿为重点研究区域,系统调查了垢溪(GX)、四坑(SK)、五坑(WK)和十八坑(SBK)矿区废弃地自然定居植物的种类,测定废弃地耐性植物根部和地上部总汞、甲基汞以及对应根际土壤汞的含量,评价了不同植物对汞的富集能力和转移能力,筛选鉴定出汞耐性植物优势种和潜在汞超富集植物;与此同时,在其它典型汞矿区(包括铜仁汞矿、松桃汞矿、务川汞矿、开阳汞矿、湖南茶田汞矿、新晃汞矿和重庆秀山汞矿等)进行潜在汞超富集植物的富汞能力验证研究;基于以上野外调查数据结果,开展氯化汞胁迫模拟实验,分别从生理生化指标、株形、细胞、亚细胞水平和超微结构变化等方面,全面地分析了不同汞浓度胁迫下潜在汞超富集植物对汞的耐性及生理生化响应;结合同步辐射(XANES)技术,探索“潜在汞超富集植物”体内汞的化学结合形态与分布比例,深入剖析其对汞的累积特征及解毒机制,主要研究结果如下:1.贵州万山汞矿废弃地自然定居植物种类多,各物种间优势度变化范围较大,蜈蚣草、节节草、酸模和白茅为汞耐性植物优势种。系统调查筛选了贵州万山汞矿区废弃地自然定居植物,在所调查的57种(29科52属)优势野生植物中,主要包括蕨类植物、单子叶植物和双子叶植物,其中双子叶植物的菊科种类最多,占调查总数的32%;物种间优势度变化范围较大,介于1.0-25%之间;优势度排列前10位的植物分别为蜈蚣草、节节草、酸模、白茅、凹叶景天、油菜、黄花月见草、南艾蒿、类芦和三脉紫菀,变化范围为2.6-22;排列后10位的分别是马桑、钟花报春、假YS包叶、夜来香、火棘、蒲公英、乳浆大戟、荩草、马兰和博落回,变化范围为1.0-6.0。其中,蜈蚣草、节节草、酸模和白茅呈现较高的优势度,均值分别为16%、12%、11%和9.6%,被确定为本次研究的汞耐性植物优势种。2.不同植物对总汞的富集和转移能力存在较大差异,甄别出“潜在汞超富集植物”蜈蚣草。总汞数据表明,所调查的57种优势野生植物根部和地上部总汞含量分别介于0.08-163 mg/kg和0.15-106 mg/kg范围,其中,荩草和蜈蚣草表现出较强的总汞富集能力,根部总汞平均含量分别达130±9.4 mg/kg和24±44mg/kg,地上部达70±39 mg/kg和38±39 mg/kg,高出其它植物达1-2个数量级。植物根部和地上部总汞与根际土壤总汞分别呈现显著正相关(R=0.32,p0.0001;R=0.29,p0.0001),表明废弃地土壤汞是植物中汞的重要来源之一。不同植物对总汞的富集和转移能力存在较大差异,蜈蚣草总汞富集系数(BCFs、BAFs)和转移系数(TFs),均值分别为0.30±0.53、1.8±5.8和2.6±3.0,单株蜈蚣草对总汞的BCF、BAF和TF达到1.9、21和11,呈现了极强的总汞富集能力和转运能力;蜈蚣草在其它汞矿区也呈现较高的总汞含量,根部和地上部分别高达69 mg/kg和73 mg/kg,富集系数和转移系数最高达到2.9和6.0,在其它汞矿区进一步验证了蜈蚣草同样具有较强的汞累积能力,综合野外调查结果,本研究中笔者定义蜈蚣草为“潜在汞超富集植物”。3.优势耐性野生植物的根部和地上部甲基汞含量变化大,蜈蚣草对甲基汞也具有极强的富集能力和转移能力。甲基汞数据显示,上述57种优势野生植物的根部和地上部含量变化较大,分别为0.19-876μg/kg和0.06-275μg/kg,其中,荩草、蜈蚣草和何首乌体内甲基汞的含量显著高于同一研究区的其他植物,根部平均值分别达853±32μg/kg、127±239μg/kg和130±145μg/kg,地上部平均值分别达247±8.1μg/kg、64±95μg/kg和98±119μg/kg。其中,潜在汞超富集植物蜈蚣草也显示出了极强的甲基汞富集能力,BCFs、BAFs和TFs均值分别为14±28、10±18和1.3±1.8。值得关注的是,上述荩草根部甲基汞含量接近1000μg/kg,已经超出背景区植物总汞含量(一般低于10μg/kg)达1-2个数量级,显示出比蜈蚣草更强的甲基汞累积能力。4.蜈蚣草对汞具有极强的吸收-转运-富集能力,根部细胞壁和地上部胞液是汞结合的主要部位。室内汞胁迫实验结果显示,潜在汞超富集植物蜈蚣草在1000mg/kg浓度HgCl_2胁迫下,其根部和地上部总汞含量均超过了100 mg/kg,分别在640-1001 mg/kg范围和179-326 mg/kg范围,并且两者呈现极显著正相关关系(R=0.89,p0.0001),表明蜈蚣草对汞具有极强的吸收-转运-富集能力。胁迫后蜈蚣草体内亚细胞组分总汞分布特征显示,根系中细胞壁比例最高,介于19%-78%范围,平均值达52±19%;地上部胞液比例最高,介于93%-99%范围,平均值高达98±1.6%。细胞壁和胞液的高累积汞特征,可能是蜈蚣草富集和解毒汞的重要机制。汞胁迫下的生理生化指标显示,当HgCl_2浓度低于100 mg/kg时,蜈蚣草体内POD上升,表现为主动适应以清除大量产生的超氧自由基,当浓度增加至1000 mg/kg时,蜈蚣草体内MDA升高,细胞膜出现了损伤,对比透射电镜(TEM)结果,1000 mg/kg汞胁迫后根部细胞壁明显增厚,胞间间距增宽,内皮层细胞变小或消失,出现塌陷,髓细胞基本破坏,叶片叶绿体结构紊乱,出现空泡化,线粒体和细胞核消失,内膜结构疏松,暗示当HgCl_2浓度超过1000 mg/kg胁迫时,蜈蚣草的细胞抗性出现了降低特征。5.蜈蚣草体内汞以黑辰砂、谷胱甘肽结合态和红辰砂三种化合形态存在。对汞矿区废弃地自然定居生长的蜈蚣草(非室内汞胁迫;根部总汞含量为69-163mg/kg,地上部总汞含量为73-83 mg/kg),其体内汞化学形态的同步辐射(XANES)研究结果显示,无论根部还是地上部,蜈蚣草体内的汞化合形态以黑辰砂(β-HgS)、谷胱甘肽结合态(Hg-(SG)_2)和红辰砂(α-HgS)三种形态存在,其中根部主要以β-HgS化合物存在,含量介于51.9±4.9%-63.4±6.5%范围,其次为Hg-(SG)_2,含量介于31.2±9.8%-33.9±4.9%范围;地上部亦表现出同样的含量变化规律,以β-HgS最高,含量介于52.0±4.2%-60.5±4.9%范围,其次为Hg-(SG)_2,含量介于37.7±9.4%-45.9±4.2%范围。在上述三种形态中,红辰砂(α-HgS)含量最低,其在根部和地上部中的含量,分别介于5.3±12.6%-14.2±6.4%和1.8±12.2%-2.2±5.5%范围。
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X173
【图文】：

路线图,研究技术,路线

-1研究技术路线

位置图,水稻田,耕作土,三废

第二章研究区概况（24.3%）、红壤（35.6%）、石灰土（29.6%）和水稻田（10.5%）。全区农业生产条件较差，耕地面积 3.6 万亩，作为主要耕作土的水稻田法积 2.5 万亩，但长期的炼汞活动过程排放的三废导致稻田汞污染十分严重，.02 万亩为矿毒型稻土。矿区主要农作物为水稻、玉米和油菜，居民以自产稻米菜为主。

地理位置,汞矿,朱砂,酒店

酒店塘汞矿区地理环境形与气候：于北纬 27o21 22.48 ，东经 109o6 53.45 ，东西长 52.5 km，积 1508 km2。境内以山地为主，东南、西南和北部地势高势为南、西、北三面高，中部带状隆起。海拔 500-1100 m风湿润气候，四季分明，温暖湿润，严寒期短，无霜期较温 16.3 ℃，年均降雨量 1160.7 mm，全年无霜期 297.4 d概况矿开采于明朝末期，当地矿头和贵州商以手工火爆方法，，专取朱砂。清代中期，开始担提炼汞，1902 年后英法司，购矿石，此后数千人在酒店塘掘洞开矿炼汞，年产汞立晃县汞矿，1977 年，新晃汞矿达兴盛，职工 1922 人，矿。至 1980 年，产汞 2911 t，朱砂 302 t，1989 年产汞 120 t申请破产关闭。汞矿区地理位置图见图 2-1-2 所示。

【参考文献】