湿地植物吸收富集镉的特征及其耐性机理研究

利用耐性植物或超积累植物提取重金属是行之有效的、具有巨大发展前景的植物修复技术。但是，以往的研究大多集中在富集重金属陆生植物的筛选及其修复机理和效果等方面，而对耐重金属的湿地植物筛选及其吸收、富集、分布的特征及其耐性机理方面少有研究。本项目在前期研究基础上，拟选用耐镉的湿地植物为研究材料，通过水培试验从湿地植物耐镉的结构机制（根系渗氧、孔隙度、根形态等的差异）和代谢机制（根表铁膜和根系分泌物的差异）来研究湿地植物耐镉的机理；通过模拟人工湿地根箱试验，分析pH值、Eh值、CEC、水溶性有机质、铁、锰、植物有效性镉以及不同形态镉的含量，明确湿地植物耐镉的根际化学机制及其吸收、富集、分布重金属的特征，探明湿地植物耐镉的结构机制和代谢机制，发展一种经济可行、对环境友好的湿地植物修复的理论和技术。

本项目通过水培和土培试验，采用差速离心法、原子吸收光谱、电感耦合等离子色谱、高效液相色谱、透射电镜扫描和能谱分析等手段，研究了湿地植物红蛋吸收、富集、分布重金属的特征及其耐镉的结构机制、代谢机制和根际化学机制。主要结果为：（1）镉抑制红蛋根系泌氧，而增加根表铁膜与铁膜中Cd的含量，表明根表铁膜对红蛋吸收Cd有着积极的作用。（2）红蛋体内非酶抗氧化系统如抗坏血酸（AsA）、还原型谷胱甘肽（GSH）、非蛋白巯基（NPT）和植物螯合肽（PCs）能减缓镉对红蛋的毒害，这可能是红蛋抵御重金属镉伤害的机理之一。（3）镉胁迫下，红蛋根系可以分泌草酸、柠檬酸、酒石酸、丁二酸和乙酸5种低分子有机酸，其中草酸和柠檬酸的分泌量随镉浓度的增加而显著增加。此外，外源草酸/柠檬酸降低了镉对红蛋的毒害，促进红蛋对重金属镉的吸收和累积。（4）红蛋根系有活化重金属的效应，红蛋根区土壤中酸提取态和可氧化态Cd含量较高，而可还原态Cd含量较低。（5）红蛋具有很强的吸收累积镉的能力，镉处理27天后，红蛋地上部和地下部镉含量分别达到502.97 mg kg-1 和2742.95 mg kg-1。各器官中镉含量为根系＞叶柄＞叶片。红蛋根系和叶柄的镉都以乙醇提取态和氯化钠提取态两种形态为主，叶片中的镉以离子水提取态和乙醇提取态为主。镉在红蛋的亚细胞分布特征满足：液泡及细胞可溶性组分＞细胞壁及残渣组分＞细胞器组分，液泡和细胞壁是红蛋植物体内镉的两个重要结合位点;红蛋植物体内镉主要以无机形态、有机酸形态及蛋白质、氨基酸等结合态存在。（6）经透射电镜观察到，红蛋植株可通过将Cd区隔在液泡和质外体细胞壁中来减轻Cd对植株的毒害。根系能谱扫描图片显示，红蛋根系具有很强的将Cd向地上部转运的能力，但凯氏带对限制Cd向地上部运输有着重要的作用，且这种阻碍作用起主导作用。. 综上所述，红蛋根表铁膜的存在促进了红蛋对Cd的吸收，通过根系的截留作用、凯氏带的阻隔作用、合成抗氧化剂、分泌草酸和柠檬酸等机制减缓镉的毒害，通过细胞壁和液泡对镉的区隔化作用和螯合剂螯合作用对镉进行解毒。红蛋植物对镉具有很强的耐性和吸收积累性，是一种具有应用前景的镉富集植物。