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施硫强化烟草对镉污染土壤的修复及其机制研究

余浩  
【摘要】:随着工业的发展,农田土壤污染问题越来越严重,其中重金属污染问题尤其突出。据统计,我国耕地土壤污染总的超标率为19.4%,其中镉污染问题尤其突出。土壤受镉污染后,会通过生物富集作用进入人体,危害人体健康。目前土壤镉污染的植物修复技术是研究的热点。有研究发现,烟草对镉具有较强的富集能力且生物量大,有望用于农田土壤镉污染的修复。本研究筛选了对镉具有高富集能力的烟草品种,并研究了外源添加硫素强化烟草富集镉的机制,从而为采用烟草用于镉污染土壤修复奠定了基础。主要结果如下:(1)采用盆栽试验,以7种常见的烟草品种(云烟87、中烟100、粤烟96、长脖黄、K326、8326和NC628)为供试植物,对其生长状况、镉的积累能力、富集系数和去除率进行对比发现,“长脖黄”是生物量最大的品种,根、茎和叶生物量均最高;对于烟草镉含量,“云烟87”叶镉含量最高,达到64.67 mg/kg,“长脖黄”茎镉含量最高,达到27.1 mg/kg,“8326”根镉含量最高,达到23.75 mg/kg;从镉贮存部位看,不同品种烟草体内镉含量均为叶茎根;从镉的去除率看,“长脖黄”对镉去除率最高,达3.48%。通过高效液相色谱法(HPLC)分析根际土壤有机酸含量发现,镉胁迫下7种烟草主要分泌草酸。因此,烟草有望被用于土壤重金属污染的实际修复,其中“长脖黄”最具优势,在镉胁迫下烟草根系分泌较多的低分子量有机酸尤其是草酸可能是烟草对镉具有较高富集能力的原因之一。(2)以前期筛选的优势品种“长脖黄”为富集植物,外源添加硫素强化其富集能力,并分析了施用硫素对烟草富集镉能力的影响。结果发现在高硫处理中,烟草叶片、根和茎的镉含量分别达到了66.3 mg/kg、42.5 mg/kg和46.1 mg/kg,显著高于未施硫,且并未影响烟草的正常生长发育。通过分析烟草体内全硫、非蛋白巯基化合物(NPT)和总谷胱甘肽(T-GSH)含量发现,与未施硫相比,高硫处理下烟草体内全硫含量显著提升,NPT含量变化不显著,总谷胱甘肽(T-GSH)含量显著提升。因此发现施硫可以影响烟草对镉的吸收和积累,但与施硫量有关,只有施硫量较高时才可以有效的促进烟草对镉的吸收。施硫后烟草体内谷胱甘肽含量的增加,这可能是促进烟草对镉的吸收和积累的原因之一。(3)应用高通量测序和荧光定量PCR技术进一步研究了硫素调控烟草富集镉的根际微生物机制研究。结果发现随着处理中硫含量的增加,OTU1718和OTU1216逐渐成为丰度最大的两个OUT,OTU1718和OTU1216同属Thiobacillus sp.;在属水平上,高硫和低硫处理中硫杆菌属(Thiobacillus)丰度均最大分别达6.3%和11.54%,高硫和低硫处理均显著提高了dsrA和soxB基因的拷贝数,而sqr基因拷贝数降低;分析了根际土壤pH和有效镉发现,施硫后pH下降,有效镉含量提升。因此推测在硫氧化过程中,Thiobacillus属细菌以及soxB和dsrA基因起到了主要作用,适度施硫可通过硫氧化作用降低土壤pH值,提高了土壤中镉的生物有效性,这可能是促进烟草对镉吸收的原因之一。施硫对土壤细菌群落多样性和结构的影响较小,且在土壤中不会长期积累,是一种相对有效、安全的植物修复强化措施。


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