外源稀土在水-植物系统中的迁移及生态风险评价

稀土的广泛应用使通过工业废水排放、农田地表径流和渗漏等途径进入水体的稀土日益增多。因此，稀土对水生态系统的环境效应值得关注。近年来关于外源稀土对水生植物影响的研究较少且主要集中在生理水平，而从分子细胞水平探讨稀土作用机制的报道尚不多见。本项目拟通过用梯度浓度稀土溶液培养水鳖和黑藻等水生植物，通过电感耦合等离子体原子发射光谱仪、透射电镜、双向电泳、质谱技术和抑制性消减杂交技术等分析手段研究外源稀土在植物细胞内的积累、亚细胞定位分布、赋存形态以及对细胞形态结构、生长代谢、蛋白质和抗性基因表达等的影响。旨在探讨外源稀土对植物作用的剂量-效应关系，阐明外源稀土对植物的作用机制和环境效应，确定水体中稀土元素的最大允许浓度，为全面评价稀土元素的环境安全性提供科学依据，也为稀土的生物监测及水环境排放标准的制定提供借鉴和参考。

中国是世界稀土储备最丰富的国家（80%）。由于在工业、农业等领域的广泛使用，导致大量水溶性的稀土元素进入水体。本课题结合水环境污染日趋严重的现状，从稀土元素La、Ce、Y和Tb的生物学效应入手，以水鳖、荇菜、紫背浮萍、伊乐藻等高等水生植物作为实验系统，应用植物生理学、结构生物学、显微化学、分子生物学等综合分析手段，结合透射电镜技术、植物组织分级分离技术、傅立叶转化红外光谱显微技术、western-blot、离子组学、蛋白质组学技术和转录组测序等多种手段和方法，对稀土元素在水生植物体内的富集、亚细胞和分子分布以及生长状况、细胞超微结构变化、矿质营养吸收、光合作用、差异蛋白和差异基因表达等方面的变化进行了系统研究。结果表明：（1）水生植物对稀土元素有一定的富集能力；稀土主要分布在细胞壁组分，与纤维素和果胶结合的最多，FTIR分析显示C-O, C-H, N-H和O-H峰值明显上升。（2）离子组学研究发现水生植物对营养元素吸收显著紊乱。（3）水生植物光系统II化学活性明显抑制，叶绿体超微结构和叶绿素a荧光参数变化提供佐证。叶绿体类囊体膜蛋白降解，Western-blot分析显示其主要作用靶位点是D1蛋白。（4）稀土诱导水生植物产生明显的氧化胁迫，表现为活性氧水平和膜脂过氧化产物含量明显上升；叶绿素和可溶性蛋白含量下降；脂肪酸不饱和指数降低；细胞器（叶绿体、线粒体和细胞核等）超微结构明显损伤；引起细胞死亡和生长抑制。（5）蛋白质组学研究结果表明，稀土元素抑制或上调水生植物体内多条代谢通路的蛋白表达产生明显改变：光合作用，能量代谢、转运、防御、信号转导、转录和翻译以及未知功能蛋白。（6）转录组测序技术研究表明，外源稀土Yb处理调控了紫背浮萍体内1126个基因的转录片段的表达，其中523个上调，603个下调。KEGG分析表明主要涉及信号转导、代谢过程、细胞组分合成、核糖体蛋白等。通过该研究可以确定水体相应稀土元素的最大环境允许浓度，为环境保护机构对受污染水环境进行快速、科学的生态风险评价，以及制定合理、安全的水质标准提供理论依据和技术支持。本基金截止目前已发表研究论文5篇，其中SCI论文4篇；培养硕士研究生5名。