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荠菜对Cd、Pb胁迫的生理响应与富集特性研究

刘英杰  
【摘要】:植物修复是目前重金属污染地区实施环境修复技术中最为经济、安全有效和耗能低的一种绿色生物技术,其核心是利用超富集植物对土壤中重金属的高富集特性来净化土壤环境,而该技术的关键是筛选具有较高实际应用价值的超富集植物,并在此基础上,建立配套的技术措施和修复体系。然而,现阶段超富集植物筛选面临的问题有:一是已筛选的植物可能作为外来物种会造成生物入侵导致应用区域生态恶化:二是多数已筛选的植物并不是在全年都有较好的生长势,尤其在冬季低温条件下,这严重地制约了植物修复范围和修复效率。本研究就是基于解决上述两大问题而开展的。本研究发现,荠菜(Capsella bursa-pastoris (L.) Medic)一种冬季生长的当地农田杂草,在土壤全镉浓度为60.10mg/kg时,其地上部分镉含量为142.50 mg/kg;在土壤全铅含量100.25mg/kg时,其地上部分铅含量为69.72mg/kg。由此可以初步判定该植物是一种冬季镉超富集植物和铅富集植物的多用途修复植物。本课题以荠菜为材料,通过盆栽控制性试验,模拟镉、铅重金属污染环境,研究荠菜在单一镉(0、25、50、75、100、125、150mg/kg)、单一铅(0、200、400、600、800、1000、1200、1400、1600mg/kg)浓度梯度下的生长状况、生理响应、富集特性和土壤修复能力。其结果如下:(1)荠菜分别对镉、铅具有较好的耐性和较强的富集能力,是一种能够适应冬季低温环境的镉、铅富集植物。在(0、25、50、75、100、125、150mg/kg)镉浓度范围内,荠菜地上部镉含量最大值为382.13mg/kg,超过镉超富集植物标准值;其根部、地上部镉富集系数均大于1,最大值分别为4.03、3.32。在铅浓度(0、200、400、600、800、1000、1200、1400、1600mg/kg)范围内,荠菜地上部铅含量最大值为1783.95mg/kg,远大于铅超富集植物标准值;虽根部、地上部铅富集系数仅部分大于1,但最大值分别为1.24、1.11。(2)荠菜能够应用于冬季低温环境下单一镉、铅污染土壤的修复。荠菜分别在镉污染土壤浓度≤50mg/kg、铅污染土壤浓度≤400mg/kg时具有较好的修复效果。其吸收系数和转运量系数、相对修复年限、相对修复指数以及相对修复模量处在最佳范围,达到植物修复能力评价二级标准。(3)单一镉、铅低浓度处理对荠菜未造成明显的氧化损伤。在镉处理浓度≤50mg/kg或铅处理浓度≤600mg/kg时,荠菜叶片的MDA、H2O2、O2、含量与对照相比无显著差异(P0.05)。(4)荠菜抗氧化保护系统对镉、铅的作用机制不完全相同。在低浓度镉(25-50mg/kg)、铅(200-400mg/kg)处理时,荠菜抗氧化保护系统对镉、铅的作用机制相似,即荠菜叶片通过提升4种抗氧化酶(SOD、CAT、APX、GPX)活性和增加2种抗氧化物质(GSH、ASA)含量来清除H2O2和O2-;在中浓度镉(75-100mg/kg)、铅(600-1000mg/kg)处理时,荠菜抗氧化保护系统对镉、铅的作用机制则不完全相似,前者通过不断提升CAT、APX、GPX活性和GSH、ASA含量来清除H202和O2,而后者则是进一步提升4种抗氧化酶活性来抵抗氧化伤害;在高浓度镉(125-150mg/kg)、铅(1200-1600)处理时,荠菜抗氧化保护系统对镉、铅的作用机制则完全不同,前者通过稳定CAT活性和维持GSH、ASA含量来缓解氧化损伤,而后者则是通过稳定APX、GPX活性来缓解氧化损伤。


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