华中蹄盖蕨（Athyrium wardii）对镉的耐性生理机制研究

论文摘要

植物稳定修复（Phytostabilization）是利用耐重金属植物根系吸收或固定大量的重金属以降低其在土壤中的活性或迁移性,从而减少重金属通过地下水或空气扩散进一步造成环境污染的可能性。植物稳定修复技术已经被证实具有广泛的应用前景。目前,国内外已经对部分植物的稳定修复潜力进行了报道。然而对Cd污染土壤的稳定修复植物研究较少,且主要停留在野外筛选阶段。华中蹄盖蕨（Athyrium wardii）是一种Pb富集植物,并对Cd具有一定耐性,是一种潜在的Pb/Cd （?）急定修复植物。为了更好的应用植物稳定修复技术,有必要了解和把握其对重金属的耐性生理机制。本研究以矿山生态型华中蹄盖蕨和非矿山生态型华中蹄盖蕨为试验材料,采用室内盆栽及根袋试验,较系统的研究了两种生态型华中蹄盖蕨对Cd的耐性生理特征,包括植株的生长情况、抗氧化保护酶活性、Cd在植物体内的亚细胞分布及其化学形态、根际理化特性差异等,取得的主要研究结果如下：（1）随着Cd浓度处理的增加,两种生态型华中蹄盖蕨的生物量均呈现降低的趋势,矿山生态型下降幅度低于非矿山生态型,前者平均生物量为后者的1.8倍；植株地上部和地下部Cd含量均显著增加,且矿山生态型增幅大于非矿山生态型。两种生态型华中蹄盖蕨叶片MDA的含量随Cd处理浓度的增加,总体上表现出增加的趋势,在低Cd浓度处理时,两种生态型MDA含量差异不显著,在高Cd浓度处理（50mg/kg）时,两种生态型华中蹄盖蕨叶片的MDA含量均达到最大值,但矿山生态型MDA含量显著低于非矿山生态型,后者达到前者的1.22倍。在低Cd浓度处理时,两种生态型华中蹄盖蕨叶片SOD、POD和CAT的活性差异不显著,而高Cd浓度处理时,三种酶的活性均是矿山生态型显著高于非矿山生态型。（2）两种生态型华中蹄盖蕨根、叶柄、羽叶三部分的Cd浓度表现为：根>叶柄>羽叶。从亚细胞分布来看,Cd主要分布在两种生态型华中蹄盖蕨的细胞壁（24.02%-53.54%）和可溶性组分（19.61%-43.29%）,细胞器组分分布最低。Cd主要以果胶酸盐、与蛋白质呈结合态、吸着态和难溶的重金属磷酸盐（氯化钠和醋酸提取态）为主,占到总Cd的41.52%-71.76%,而活性较高的乙醇提取态和水提取态含量均较低,变幅较小。由此推测,华中蹄盖蕨能够限制吸收进入根部的Cd往地上部运输,细胞壁吸附沉淀Cd或与Cd在细胞质中形成Cd复合物,并向可溶性组分（液泡）转移等方式,则很可能是矿山生态型华中蹄盖蕨细胞内积累或忍耐Cd的有效机制。（3）Cd胁迫显著降低两种生态型华中蹄盖蕨的株高和生物量,但显著增加了植株体内的Cd含量。总体而言,在各Cd浓度处理下,两种生态型华中蹄盖蕨根际土壤pH和DOC含量均高于非根际土壤和种植前土壤。矿山生态型pH增加了0.3-0.5个单位,非矿山则增加0.1-0.5个单位。矿山生态型华中蹄盖蕨DOC在Cd处理浓度为10mg/kg和200mg/kg时达到最高,与种植前土壤相比分别增加了83.6%和100.2%；非矿山生态型华中蹄盖蕨根际土壤DOC含量变化幅度较小,位于96.2-119.8mg/kg。在相同Cd浓度处理下,两种生态型华中蹄盖蕨根际土壤可交换态Cd低于非根际土壤,碳酸盐结合态、铁锰氧化态、有机态和残渣态则高于非根际土壤,且矿山生态型表现尤为明显,表明其对Cd的吸收、固定能力强于非矿山生态型。由此可见,矿山生态型华中蹄盖蕨能够通过吸收、转化或沉淀作用,降低上壤中Cd的活性,从而实现稳定修复的目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1 立题背景
• 2 文献综述
• 2.1 我国Cd污染现状
• 2.2 Cd对植物的毒害
• 2.2.1 Cd对植物生长发育的影响
• 2.2.2 Cd对植物生理生化的影响
• 2.3 植物对Cd的耐性
• 2.3.1 细胞区隔化作用
• 2.3.2 络合作用
• 2.3.3 增强抗氧化保护系统
• 2.3.4 根际土壤特性
• 2.3.4.1 根际土壤pH
• 2.3.4.2 根际土壤溶解性有机质
• 2.3.4.3 根际土壤重金属形态
• 2.4 植物稳定修复研究现状
• 3 研究内容
• 3.1 华中蹄盖蕨对Cd的积累和耐性生理特征
• 3.2 Cd在华中蹄盖蕨亚细胞中分布与化学形态
• 3.3 Cd在华中蹄盖蕨根际的迁移行为
• 4 技术路线
• 第二章 华中蹄盖蕨对Cd的积累与耐性生理特征
• 1 材料与方法
• 1.1 供试材料
• 1.2 试验设计与处理
• 1.3 测定项目和方法
• 1.3.1 样品采集与制备
• 1.3.2 土壤和植物样品分析方法
• 1.3.3 植物叶片的生理指标的测定
• 1.4 数据处理
• 2 结果与分析
• 2.1 不同Cd浓度处理对华中蹄盖蕨生长的影响
• 2.2 不同Cd浓度处理对华中蹄盖蕨Cd含量的影响
• 2.3 不同Cd浓度处理对华中蹄盖蕨叶片MDA含量的影响
• 2.4 不同Cd浓度处理对华中蹄盖蕨叶片抗氧化保护酶活性的影响
• 3 讨论
• 第三章 Cd在华中蹄盖蕨中的亚细胞分布和化学形态
• 1 材料与方法
• 1.1 供试材料
• 1.2 试验设计与处理
• 1.3 测定项目和方法
• 1.3.1 华中蹄盖蕨根、叶柄和叶的亚细胞组分分离及Cd含量的测定
• 1.3.2 Cd在华中蹄盖蕨根、叶柄和叶的化学形态分析
• 1.4 数据处理
• 2 结果与分析
• 2.1 Cd在两种生态型华中蹄盖蕨中的亚细胞分布
• 2.2 Cd在两种生态型华中蹄盖蕨中的化学形态分析
• 3 讨论
• 第四章 Cd对华中蹄盖蕨根际与非根际土壤理化特性的影响
• 1 材料与方法
• 1.1 供试材料
• 1.2 试验设计与处理
• 1.3 测定项目和方法
• 1.3.1 样品采集与制备
• 1.3.2 土壤样品分析方法
• 1.3.3 植物样品分析
• 1.4 数据分析处理
• 2 结果与分析
• 2.1 Cd胁迫对华中蹄盖蕨生长及Cd含量的影响
• 2.2 Cd胁迫对华中蹄盖蕨根际与非根际土壤pH和DOM的影响
• 2.3 Cd胁迫对华中蹄盖蕨根际与非根际土壤Cd形态的影响
• 2.3.1 可交换态Cd在华中蹄盖蕨根际与非根际上壤中的变化
• 2.3.2 碳酸盐结合态Cd在华中蹄盖蕨根际与非根际土壤中的变化
• 2.3.3 铁锰氧化态Cd在华中蹄盖蕨根际与非根际土壤中的变化
• 2.3.4 有机态Cd在华中蹄盖蕨根际与非根际土壤中的变化
• 2.3.5 残渣态Cd在华中蹄盖蕨根际与非根际土壤中的变化
• 3 讨论
• 第五章 全文主要结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间论文发表情况