抗砷细菌及根系有机酸对砷超富集植物蜈蚣草促生及吸砷机理研究

发布时间：2017-12-18 13:31

  本文关键词：抗砷细菌及根系有机酸对砷超富集植物蜈蚣草促生及吸砷机理研究

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【摘要】：砷(As)由于其毒性和广泛存在性,已备受关注,在土壤中主要以砷酸盐(AsV)形式存在。AsV与磷(P)是同主族化学类似物,具有相似的化学性质和化学行为。铁(Fe)是生命有机体必需元素,并在植物和微生物新陈代谢过程中发挥重要作用。在土壤中,As和P以含氧阴离子形式存在,通常与金属(例如Ca,Al和Fe)结合,形成难溶性物质,降低其生物可利用性,使其不易被植物和微生物吸收。植物和微生物通过分泌有机配体,溶解土壤中难利用矿物。微生物在缺乏环境分泌铁载体,是其获取Fe的主要方式。植物通过根系分泌物溶解根际难溶矿物。在根系分泌物中,低分子量有机酸因其广泛存在性和溶解高效性,具有突出的研究价值。蜈蚣草(Pterisvittata;PV)是第一种被报道的砷超富集植物。蜈蚣草喜碱性钙质土壤,此类土壤具有Fe和P可利用性极低的特点。说明蜈蚣草及其根际微生物可能进化得到特有的溶解根际难溶矿物、活化砷和获取铁磷营养的策略。然而,关于砷铁磷活化、获取及其相关根际过程的研究较少。因此,本研究通过系列水培和组培实验,探究蜈蚣草根际微生物胞外产物的特性及溶矿能力、根系分泌物对外界砷胁迫的响应及溶矿特性、微生物与植物在溶矿过程中的互作方式和机理以及对植物砷铁磷吸收和促生的影响及机理。主要研究结果如下:(1)蜈蚣草根际抗砷细菌PG12高产儿茶酚型铁载体。水培实验结果表明,PG12铁载体可有效溶解砷铁矿(FeAs04),其培养液中溶解性Fe和As的浓度分别为34.6和3.07 μM,分别是真菌铁载体甲磺酸去铁胺(DFO-B)的1.6和1.4倍。与空白对照相比,PG12铁载体处理组蜈蚣草地上部As含量从14.3升高至78.5 mg kg~(-1),地下部Fe含量从2.93升高至6.24 g kg~(-1),此外,且其生物量增长量是DFO-B处理组的2.6倍。结果表明,产铁载体-抗砷根际细菌PG12具有提高砷污染土壤修复效率的潜力。(2)四种植物,砷超富集蕨类植物蜈蚣草(Pterisvittata;PV)、井栏边草(Pteris multifa;PM),非超富集蕨类植物剑叶凤尾蕨(Pteris ensiformis;PE)和非蕨类植物番茄(Solanum lycopersicum)煎的水培实验结果表明,植酸和草酸是蕨类植物根系有机酸的主要成分,其中,蜈蚣草的根系有机酸分泌量最高(PV,PM和PE的植酸分泌量分别为50-83,15-42和0-32 mg kg~(-1);草酸分泌量分别为10~(-1)5,7-26和4~(-1)2 mg kg~(-1)),且PV的植酸分泌与溶液As浓度呈正相关。植酸可有效溶解砷铁矿,促进蜈蚣草对砷铁的吸收和生物量增长。植酸+砷铁矿、单一植酸和单一砷铁矿处理组蜈蚣草地上部As含量分别为340,20和130 mg kg~(-1),地下部Fe含量分别为7900,1600和4100 mg kg~(-1)。表明,砷诱导分泌的植酸有助于活化根际难溶态砷和铁,促进其植物吸收与植物生长,利于提高砷污染土壤的实地植物修复效率。(3)根际微生物胞外产物(PG12铁载体,真菌铁载体DFO-B)和植物根系分泌物(植酸,草酸)溶矿实验结果表明,砷吸附使针铁矿溶解性降低,铁载体/有机酸二元体系对砷吸附针铁矿(砷-针铁矿)的溶解表现为协同作用。有机螯合剂使溶解性As浓度从0.03升高至0.27-5.33 mg L~(-1)。铁载体/植酸二元体系释放溶解性Fe浓度为7.42 mg L~(-1),是铁载体和植酸单一体系溶铁浓度之和的1.2倍。植物水培实验结果表明,铁载体/植酸二元体系可有效释放砷铁,且植物的持续吸收使砷-针铁矿进一步溶解,从而促进植物对砷铁的吸收和植物生长:蜈蚣草体内总As含量从0.01升高至0.43 mg plant~(-1),总Fe含量从2.7升高至14.8 mg plant~(-1),生物量增长量从1.2升高至3.1 gplant~(-1) fw。根际微生物胞外铁载体与植物根系分泌物在植物根际微生境中共存,其溶矿的协同作用对高效的砷污染土壤植物修复具有重要作用。(4)组培实验结果表明,无机磷抑制蜈蚣草(Pteris vittata;PV)和剑叶凤尾蕨(Pteris ensiformis;PE)对砷的吸收,相反,有机态磷—植酸,可促进蜈蚣草对砷磷的吸收,但对剑叶凤尾蕨砷磷吸收不表现促进作用。50 μ砷+50 μM植酸(砷50+植酸50)处理组蜈蚣草地上部和地下部As含量分别为157和31 mg kg~(-1),是砷50处理组的2.2和3.1倍。砷处理使蜈蚣草体内P含量降低27%(P vs.P+As),而植酸处理组P含量增加73%(植酸500 vs.植酸500+As),表明蜈蚣草可有效利用植酸中的磷。砷和植酸都未影响蜈蚣草对铁的吸收,但使剑叶凤尾蕨地下部Fe含量降低46-56%。增加的砷和磷吸收以及未被抑制的铁吸收使蜈蚣草生物量得到提高。因此,砷污染土壤中施加植酸可能对促进蜈蚣草砷吸收和植物生长具有一定作用。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X173

【参考文献】

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本文编号：1304353