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《山东大学》 2012年
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典型湿地植物对氨氮、有机污染物的耐受性及其机理研究

徐景涛  
【摘要】:人工湿地已被广泛用于多种污水的处理。人工湿地处理各种污水的同时,污水中携带的各类污染物可能对湿地中生长的植物造成负面的影响。氨氮和有机污染物是污水中常见的污染物成分,研究氨氮和有机污染物胁迫下湿地植物的污染物耐受性及其机理,对于保证人工湿地的处理效果和生态系统的可持续维持具有重要的意义。 本论文利用植物生理生化研究手段,研究了在氨氮和有机污染物胁迫下,典型湿地植物芦苇、浮萍、苦草的生理响应机制,明确了典型湿地植物对氨氮和有机污染物的耐受性,探讨了典型湿地植物在氨氮和有机污染物胁迫之后的恢复规律;并利用蛋白质组学研究技术,对典型湿地植物进行了差异蛋白质组的比较分析,研究了湿地植物对氨氮和有机污染物胁迫的分子抗性机制。研究结果如下: (1)在氨氮、有机污染物胁迫下,湿地植物的生理活动受到了不同程度的影响。如膜系统受到伤害,叶绿素含量降低。但是,植物具有一定的自我防御能力,可以抵抗一定的胁迫。通过研究典型湿地植物生理生化指标对氨氮、有机污染物胁迫的响应规律,明确了典型湿地植物对氨氮、有机污染物的耐受性。 ①芦苇对氨氮、有机污染物具有较高的耐受性。在氨氮浓度、有机污染物浓度(CODCr)分别为160mg L-1、200mg L-1时,芦苇叶绿素含量、膜系统稳定性、营养元素含量、抗氧化防御系统和渗透调节物质含量处于正常水平,说明160mg L-1氨氮、200mg L-1CODCr未对芦苇产生胁迫,芦苇正常生长。 ②浮萍对氨氮、有机污染物具有一定的耐受性。在氨氮浓度、CODCr分别为80mg L-1、400mg L-1时,浮萍叶绿素含量、膜系统稳定性、营养元素含量、抗氧化防御系统和渗透调节物质含量处于正常水平水平,说明80mg L-1氨氮、400mg L-1CODCr没有对浮萍产生胁迫,浮萍正常生长。 ③苦草对氨氮、有机污染物较为敏感,耐受性较低。在氨氮和CODCr浓度分别为2mg L-1、100mg L-1时,苦草叶绿素含量、膜系统稳定性、营养元素含量、抗氧化防御系统和渗透调节物质含量处于正常水平,说明2mg L-1氨氮、100mg L-1CODCr没有对苦草产生胁迫,苦草正常生长。 (2)植物具有自我修复能力,在一定限度的胁迫条件下,不会造成植物的不可逆损伤,在去除胁迫后植物能够恢复到正常水平。通过研究芦苇、浮萍、苦草在去除胁迫之后生理生化指标的恢复规律,考察了典型湿地植物恢复能力。 ①320mg L-1氨氮、400mg L-1CODCr胁迫30天后的芦苇,在去除胁迫后,其相对电解质渗透率、丙二醛、活性氧、叶绿素、营养元素含量、抗氧化防御系统、渗透调节物质含量恢复到正常水平;当氨氮浓度、CODCr过高(分别≥640mgL-1、800mg L-1),则超过芦苇的耐受范围,芦苇受到不可逆伤害,在去除胁迫后不可恢复。 ②160mg L-1氨氮、800mg L-1CODCr胁迫14天后的浮萍,在去除胁迫后,其相对电解质渗透率、丙二醛含量、活性氧含量、叶绿素含量、抗氧化防御系统、渗透调节物质含量恢复到正常水平;当氨氮浓度、CODCr过高(分别≥320mg L-1、1000mg L-1),则超过浮萍的耐受范围,浮萍受到不可逆伤害,在去除胁迫后不可恢复。 ③4mg L-1氨氮、200mg L-1CODCr胁迫14天后的苦草,在去除胁迫后,其相对电解质渗透率、丙二醛含量、活性氧含量,叶绿素含量、抗氧化防御系统、渗透调节物质含量恢复到正常水平;当氨氮浓度、CODCr过高(分别≥8mg L-1、300mg L-1),则超过苦草的耐受范围,苦草受到不可逆伤害,在去除胁迫后不可恢复。 (3)结合蛋白质组学研究技术,对典型湿地植物进行了差异蛋白质组比较分析及鉴定,研究了湿地植物对氨氮和有机污染物胁迫的分子抗性机制,同时,对典型挺水、漂浮和沉水型湿地植物进行耐受能力比较分析。 ①氨氮胁迫对芦苇、浮萍和苦草具有类似的伤害机制。过高浓度的氨氮胁迫会抑制氮代谢过程中关键酶——谷氨酰胺合成酶和光合作用关键酶——1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶的表达下调,造成自由氨在体内过量积累和光合作用减弱,抑制湿地植物的正常生长。 ②芦苇、浮萍和苦草对氨氮的耐受机制存在差异。三种湿地植物通过调节抗氧化防御相关蛋白的表达上调抵抗氨氮的伤害,其中,芦苇体内上调表达的是过氧化氢酶、谷胱甘肽转移酶;浮萍体内上调表达的是过氧化氢酶、锰超氧化物歧化酶和过氧化物酶;苦草体内上调表达的是锰超氧化物歧化酶。 ③有机污染物胁迫对芦苇、浮萍和苦草的伤害机制存在差异。在有机污染物胁迫下,芦苇体内参与光合作用的1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶的表达受抑制,进而减弱其光合作用,导致芦苇的正常生长受阻碍;浮萍和苦草体内参与能量代谢的三磷酸腺苷合酶的表达下调,导致生物体的三磷酸腺苷的合成受阻,引起能量供应不足,植物生长受到阻碍。 ④芦苇、浮萍和苦草对有机污染物的耐受机制存在差异。在有机污染物胁迫下,芦苇通过上调尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶的表达,促进糖类物质的合成,从而为机体提供更多的能量,进而提高芦苇对有机污染物的耐受能力;浮萍通过上调甘油醛-3-磷酸脱氢酶和谷胱甘肽转移酶的表达,提高体内的能量供应和抗氧化防御能力,进而提高浮萍对有机污染物的耐受能力;苦草通过上调谷胱甘肽转移酶的表达,提高对有机污染物的耐受能力。 ⑤就湿地植物对氨氮的耐受能力而言,芦苇适合于氨氮浓度不超过160mgL-1的污水处理,浮萍适合于氨氮浓度不超过80mg L-1的污水处理,苦草适合于氨氮浓度不超过2mg L-1的污水处理;就湿地植物对有机污染物的耐受性而言,芦苇适合于CODCr不超过200mg L-1的污水处理,浮萍适合于CODCr不超过400mg L-1的污水处理,苦草适合于CODCr不超过100mg L-1的污水处理。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:X703

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