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尾矿砂锰超富集植物鸭跖草的富集机制研究及其应用展望

刘丰豪  
【摘要】:超富集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,筛选生长快、地理分布广,适应性强的锰超富集植物,探讨植物的锰超富集机制,是开展锰污染环境植物修复的关键科学问题。 通过对湘潭锰尾矿废弃地系统调查,发现鸭跖草(Commelina communis L.)可能是一种新的锰超富集植物。通过温室培养,采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)、透射电镜—能谱联用技术、傅里叶红外光谱分析技术(FTIR)等研究鸭跖草的锰富集特性、鸭跖草锰耐性的FTIR分析、鸭跖草锰富集的生理响应,以期探讨鸭跖草的锰超富集机制,为锰污染环境修复和锰尾矿废弃地生态重建提供科学依据。 鸭跖草是一种新发现的锰超富集植物。鸭跖草叶中的Mn含量远远高于茎和根中的Mn含量;水培条件下,在Mn处理浓度为500μmol·L-1时,鸭跖草叶片中Mn含量高达13140mg·kg-1,而无明显受害症状;随着Mn供应水平的提高,鸭跖草叶中的Mn含量持续增加,并在Mn处理浓度为15000μmol·L-2时达到最大值415440mg·kg-1。随Mn处理浓度的提高,鸭跖草不同组织器官内Mn含量逐渐增加,Ca,Mg和Fe含量则随Mn含量的增加而减少,但都维持在正常水平范围内。 红外光谱研究表明,鸭跖草茎组织在处理浓度500μmol·L-1后3420和2926cm-1处峰高先上升后下降,反映糖类和氨基酸等有机物在低Mn处理浓度下往往作为渗透性调节物质出现,其含量升高,但随着Mn含量的升高,其合成和运输受限,含量逐渐下降;鸭跖草根2926cm-1处200μmol·L-1后峰高先减弱后增强,说明鸭跖草分泌的有机酸不断螯合Mn2+,造成羧酸O-H的减少,随着锰毒害的加重,其羧酸螯合能力变弱。叶组织在1640cm一处的显著吸收峰可能与鸭跖草叶中氨基酸、多肽和蛋白质类物质含量升高有关,或与根部输送的羧酸盐过多有关,且与根部此处峰值的下降趋势吻合;鸭跖草根、茎、叶的1060cm-1处在最高浓度下峰值的变化,主要表现是膜脂过氧化,这可能是鸭跖草的锰耐性有关。 透射电镜—能谱联用仪研究发现,当Mn处理浓度为1000μmol·L-1时,鸭跖草根、茎和叶细胞结构完整,细胞器清晰可见,未发生任何损伤。当Mn处理浓度为10000μmol·L-1时,鸭跖草组织细胞内细胞器未发生缺失。然而,根细胞内线粒体数量减少,茎细胞的线粒体嵴数量减少变得稀疏、叶绿体开始受损,叶细胞叶绿体膜结构出现破损,基粒片层结构减少,嗜锇颗粒数量明显减少。随着锰处理浓度的提高,锰在鸭跖草叶细胞内和细胞间隙以针状结晶物出现。


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