硫对铜污染土壤中蓖麻铜耐性的影响及机制

发布时间：2020-09-10 20:31

　　铜(Cu)是植物生长所必需的营养元素,参与植物体内许多生理过程,但过量的Cu会对植物产生毒害,Cu污染土壤的修复与再利用一直是人们所关注的问题。蓖麻(Ricinus communis L.)由于生长迅速、生物量大、具有一定的重金属耐性以及经济价值较高等特点,是一种理想的植物修复材料。本文以蓖麻为研究对象,通过水培实验,研究了蓖麻根部对Cu的固定作用以及硫对缓解蓖麻Cu毒害的影响,部分揭示了蓖麻的耐Cu机制;通过土壤盆栽实验,研究了施用硫(S)肥对两种Cu污染土壤中Cu形态、蓖麻生长和富集Cu的影响,并通过16S rRNA测序技术揭示了两种土壤中影响土壤硫化学行为的关键微生物。主要结果如下:(1)水培试验结果显示,Cu主要积累在蓖麻的根部。当营养液中Cu浓度为12.5μmol L~(-1)时,Cu主要分布在根部可溶性组分及细胞壁中,分别占根部总Cu的48.76%和40.95%。随着Cu胁迫加剧(25μmol L~(-1)和50μmol L~(-1) Cu处理),蓖麻根细胞壁中Cu占根部总Cu比例上升至58.01%和57.86%。蓖麻根细胞壁中大部分Cu被固定在半纤维素1组分中,约占细胞壁总Cu的44.85%-67.78%。此外,一部分Cu被固定在半纤维素2组分和果胶组分中。但与半纤维素1和半纤维素2相比,果胶对Cu的固定能力很容易达到饱和。二维红外相关分析(2D-FTIR-COS)结果表明,半纤维素C-O-C、C-C或C-OH最先对Cu胁迫做出响应,其次是果胶中的C=O或木质素和木聚糖中的C=O,最后是蛋白质中的C=O。(2)Cu胁迫促使蓖麻根部植物螯合肽(PCs)的合成来螯合过量的Cu离子,同时导致了根中还原型谷胱甘肽(GSH)的消耗。硫可以缓解Cu对蓖麻根系的毒害,但在不同程度的Cu胁迫下,硫缓解Cu对蓖麻根系毒害的机制也不同。当外界Cu胁迫程度较轻时(≤25μmol L~(-1) Cu处理),增加硫的供给量可以通过增加蓖麻根部GSH的含量来提高蓖麻抗氧化能力,从而缓解Cu毒害;当外界Cu胁迫较重时(50和100μmol L~(-1) Cu处理),增加硫供给量主要是促进蓖麻根中植物螯合肽的合成来缓解Cu毒害。(3)盆栽试验结果显示,在pH为7.90,Cu含量为1507 mg kg~(-1)的土壤中(采自铜绿山矿区,MS-Soil),施用硫肥(0-4 g kg~(-1))减少了蓖麻对Cu的吸收量,促进了蓖麻的生长。与不施用硫肥相比,施用硫肥后蓖麻根部和地上部Cu含量分别下降了12.96%-45.35%和12.73%-23.85%,而地上部的生物量增加了10.48%-29.14%。而在pH为6.46,Cu含量为790 mg kg~(-1)的土壤中(采自矿区周边菜地,FS-Soil),施用硫肥加剧了Cu对蓖麻根系的毒害,抑制了蓖麻生长。与不施用硫肥处理相比,施用4 g kg~(-1)的硫肥后蓖麻根中Cu含量增加了43.82%,而根部生物量下降了45.98%。在盆栽实验中,施用硫肥引起蓖麻对Cu吸收量的改变可能是影响蓖麻生长的主要原因。(4)施用硫肥后对供试两种土壤中Cu的化学形态和生物有效性也产生了不同影响。在MS土壤中,施用硫肥降低了土壤中弱酸提取态Cu和可还原态Cu的比例,增加了可氧化态Cu和残渣态Cu的比例,降低了土壤中Cu的生物有效性。施用4 g kg~(-1)硫肥后土壤中可还原态Cu的比例由29.83%(CK)下降至4.71%,而可氧化态Cu和残渣态Cu的比例则由CK的12.41%和56.82%上升至30.83%和60.52%。而在FS土壤中,施用硫肥后造成了土壤pH显著下降,活化了土壤中的Cu。与CK处理相比,施用4 g kg~(-1)硫肥后土壤中DTPA提取态Cu的含量增加了4.45%。(5)利用16S rRNA测序技术分析了供试两种污染土壤种植蓖麻及施用硫肥后土壤微生物群落结构的变化。结果表明,施用硫肥虽然都降低了两种土壤微生物群落的多样性,但对两种土壤中的微生物群落结构产生的影响有所不同。在MS土壤中,蓖麻生长和施用单质硫肥增加了广古菌门(Euryarchaeota)和变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度。Thiobacillus是MS土壤中参与单质硫氧化的关键菌属。而在FS土壤中,蓖麻生长和施用硫肥增加了土壤中变形菌门(Proteobacteria)和酸杆菌门(Acidobacteria)的相对丰度,参与FS土壤硫氧化的关键菌属则为Sulfurifustis。两种土壤中,蓖麻根际土壤性质、微生物群落结构的差异可能是导致硫对土壤Cu形态产生不同影响的原因。
【学位单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S565.6;X53;X173
【部分图文】：

细胞壁,外源,图谱,特征峰

HC2 (c) fractions2.3.5 蓖麻根细胞壁的 FTIR 分析及 2D-COS 分析如图2-5a所示，随着营养液中外源Cu浓度的增加，蓖麻根细胞壁中1650 cm-1和 1325 cm-1处吸收峰的强度逐渐降低。通常 1650 cm-1处的吸收峰被认为是蛋白质酰胺Ⅰ带 C=O 的特征峰（Meyer et al 2015）;而 1325 cm-1处被认为是蛋白质中N-H 的特征峰（Ma et al 2014）。这表明，Cu 胁迫不仅引起了蓖麻根细胞壁多糖组分的改变，也造成了蛋白质成分的改变。

土壤图,蓖麻,土壤,硫肥

理下两种土壤特有及共有的 OTU 分布 Venn 图（A：未种植蓖B：未种植蓖麻、种植蓖麻未施硫肥、种植蓖麻施用 4 g kg-1硫植蓖麻、种植蓖麻未施硫肥、种植蓖麻施用 4 g kg-1硫肥的 Fnn diagram of OTU detected in two types of contaminated soils w (A: unplanted MS-Soil and FS-Soil; B: unplanted MS-Soil、plafur application、planted MS-Soil with 4 g kg-1sulfur; C: unpland FS-Soil without sulfur application、planted FS-Soil with 4 g k对土壤细菌群落 α-多样性的影响示了两种土壤种植蓖麻前后及施用硫肥后土壤细菌群

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理土壤样品中的核心微生物（A：MS 土壤门水平；B：MS 土FS 土壤门水平；D：FS 土壤属水平）。ryplot diagram of the key microbe in different treatment soils (: genus level in MS-Soil: C: phylum level in FS-Soil; D: genus 土壤细菌群落组成的影响映了两种土壤种植蓖麻前后及施用硫肥后土壤细菌在上（图 B）的相对丰度变化。Actinobacteria 菌门、Bcteria 菌门在未种植蓖麻的两种污染土壤中均具有较高丰度在 MS 土壤和 FS 土壤中分别高达 81.79%和 67es 菌门在 MS 土壤中具有较高的相对丰度（9.93%）；而

【参考文献】