超积累植物商陆的锰富集机理及其对污染水体的修复潜力

【摘要】：锰是人类和动物必需的微量元素,然而摄入过量的锰,则引起锰中毒,主要 表现为类帕金森氏综合症,也对生殖系统、免疫系统和心血管系统产生异常反应。 锰在工农业方面广泛使用以及锰矿开采已造成大面积土壤、地表水和地下水的锰 污染。超积累植物是一种极端的金属积累型,因其超寻常的重金属积累能力而被 广泛应用于污染环境修复。因此,筛选生物量大、生长快、地理分布广,适应性 强的锰超积累植物,并深入探讨植物的锰超积累机理,是开展锰污染环境植物修 复的关键科学问题。 通过对位于湖南省湘潭锰矿污染区的植物和土壤进行了一系列的野外调查, 在中国首次发现商陆对锰具有明显的超富集特性,填补了我国锰超积累植物研究 的空白。将野外调查和温室培养相结合,以不同种群商陆为材料,综合运用扫描 电子显微镜技术、透射电子显微镜技术、X射线能量分散谱技术、扩展X射线精 细结构分析、电感耦合等离子体原子发射光谱仪、高效液体色谱技术、高速离心 技术等分析手段较系统研究了商陆的锰耐性及超富集特性及其可能的生理机制, 并考察其对Mn、Cd、Zn的去除能力,以期为重金属污染环境修复和人工湿地植 物筛选提供理论依据。通过研究取得以下主要结果: 商陆(Phytolacca acinosa Roxb.)对生长介质中的Mn具有极强的耐性和超 富集能力,是一种生物量大、生长快、适应性强的锰超积累植物。商陆在锰含量 高达114000 mg/kg的尾矿废弃地上依然生长良好,叶锰含量最高达19300mg/kg。 温室培养条件下,当生长介质中Mn含量为8000μmol/l时,虽然其生物量与对 照相比有所降低,但植株仍能生长。随着生长介质中Mn浓度的升高,商陆叶和 茎的Mn含量逐渐增加,生物富集系数则逐渐降低,但是地上部分锰积累量则先 增加后减少。当Mn浓度为5000 μmol/l时,商陆地上部分锰积累量达到最大值 258. 2 mg/plant;当Mn供应水平达到12000 μmol/l时,商陆仍能完成整个生命 周期,叶锰含量达到最大值36380 mg/kg,生物富集系数为55。不同锰供应水平 下,商陆吸收的锰有87%-95%被转移到地上部分。 商陆的锰耐性和超积累能力可能是其固有特性。 尽管不同种群商陆在自然 检 摘要 叼岁 条件对生长介质中Mn的积累量存在显著差异,但是在控制条件下都能忍耐高锰 胁迫,具有很强的锰积累能力,而且不同种群之间没有显著差异。商陆在不受污 染的荷花玉兰人工林中叶片锰含量1574m叭g,而在锰含量高达114010m叭g 的尾矿废弃地上依然生长良好,叶片锰含量最高达1930om叭g。温室培养条件 下,随着锰供应水平的增加,两个种群商陆的叶、茎和根的锰含量均呈增加态势, 当锰浓度增加到8000林 mol/l时,叶片锰含量达分别为33770m叭g(矿区)和 3427om叭g(非矿区),但是商陆地上部Mn积累量先是增加,当锰供应水平为 5000卜mol/l时达到最大值,为258.2mg(矿区),251.4mg(非矿区),此后又呈 下降态势。根系Mn积累的变化趋势与商陆地上部分Mn积累变化趋势相似。不 同锰供应水平下,商陆吸收的Mn90%左右分布在地上部分。在相同的锰供应水 平,两个种群商陆表现出相以的锰耐性和积累能力。 超积累植物商陆对锰的吸收和转运与锰供应水平和生长时间密切相关。在 Hoagland营养液中加入MnclZ模拟Mn2+污染环境,商陆根、茎和叶的锰含量基 本随着锰供应水平的升高而增加;在不同锰供应水平条件下,商陆根、茎和叶锰 含量均随着生长时间的延长呈现波动变化,在植物处理5d时出现一个峰值,其 后有所降低;商陆在锰处理开始的48h内存在一个快速的吸收过程,但是高锰供 应水平变化幅度要大于低锰供应水平。 应用电子显微镜镜和X射线能谱分析技术,研究锰在超积累植物商陆不同 组织部位的微分布及不同锰供应水平条件下商陆根和叶的超微结构变化。商陆根 系锰含量很低,叶片部位锰含量较高;叶片没有表皮毛;锰在叶片维管束部位含 量相当低,其它部位含量较高;小脉锰含量远高于上表皮、下表皮、栅样组织和 海绵组织。这表明商陆的超富集能力不可能通过叶片的表皮和表皮毛积累锰来实 现,锰主要积累在叶肉组织和小脉部位。生长在2000卿ol/l Mn的营养液条件下, 商陆根、叶细胞的细胞结构和细胞器未受到任何伤害,但是有沉积物质出现;当 锰供应水平增加到10000脚ol八Mn时,商陆根和叶的细胞己出现部分损伤,细 胞壁断裂,细胞核核质不均,叶细胞内叶绿体变形、基粒结构模糊,淀粉粒和嗜 饿颗粒增多,但是根细胞和叶细胞中的线粒体、高尔基体和内质网均未受到损伤。 这表明商陆对生长环境中的锰胁迫具有极强的耐性。 利用商陆种苗实施低浓度重金属废水的植物修复具有良好的应用前景。选 浙江大学博士学位论文 薛生国:超积累植物商陆锰富集机理及其对污染水体的修复潜力 笼瑟剔 取生长一致的商陆幼苗置于不同重金属水平的生长介质,10天后,商陆对Mn、 Zn、Cd的去除率分别为35.4%僻9.7%、38.1%一40%、50.8%一53.7%;不同条件 下商陆体内重金属含量不同,但均随着生长介质中重金属水平的提高而上升。商 陆地上部分Mn含量相对较高,而锌和福则主要吸附在根系。商陆对水体重金属 的去除能力表现为植株吸收和根系吸附作用的复合。 关键词:商陆(尸妙r口lacca acinosa Roxb.);锰;