植物生长过程中的Zn、Cu同位素分馏研究

Plants is the bridge of connecting the geosphere and biosphere,. Zn and Cu flux through plants is a significant part of global element cycling.The uptake and transport of the element by plants lead to isotope fractionation,and it is meaningful to understanding the regularity and the range of the fractionation for discussing the natural metal cycling process and the fractionatin mechanisms in plants. The Elsholtzia splendens and Sedum plumbizincicola were chosen as research objects,This thesis studies the fractionation of Zn and Cu in the uptake process( plant and soil) and the transportation process(the inward parts of the plant)，and the influence on isotope fractionation of plants grown in soil treated using Zn and Cu .This research enrich the knowledge of geochemistry by means of the cognition on the isotope fractionation during uptake process by the root of plant,and enrich the knowledge of ecological isotope by means of the cognition on the isotope fractionation effect and mechanism during transport process in the inward parts of the plant,and it also provide new methodes to determine the process of absorption, and use of mineral metals by plant.

作为架构地圈和生物圈的桥梁，植物的吸收利用是地圈（岩石-土壤-河流）、地圈-生物圈元素循环很重要的一部分。而植物的生长活动过程会导致元素同位素的分馏，对植物生长活动过程中元素同位素分馏规律、分馏范围的认识对探讨自然元素循环、植物体内元素同位素分馏机理的探讨有重要意义。本研究以Cu耐性-植物海州香薷和Zn超级累植物-伴矿景天为研究对象，开展植物吸收过程（植物和土壤）、植物运输矿质营养元素过程（植物不同部位）Zn、Cu同位素分馏研究，开展不同Zn、Cu胁迫条件对植物吸收和运输过程的Zn、Cu同位素分馏效应的影响。通过该项研究可以了解植物生长活动对自然界元素循环的影响，丰富地球化学认识；可以了解植物体内的元素同位素组成的变化，探讨其同位素分馏机理，不但可以丰富生态同位素研究的知识，同时也为探讨植物对元素的吸收和利用过程提供了新的研究方法。

近年，生物生长活动导致元素同位素分馏的研究已取得了很大的研究进展，前人已经开展了Cu、Zn、Fe、Ca、Mg同位素分馏的研究，对分馏过程和分馏机制有了初步的认识。.本项目的主要研究内容有以下几部分：1) 开展植物根际土壤的研究；2) 开展植物吸收及运输过程中Cu、Zn同位素分馏研究；3) 开展土壤条件-土壤中不同 Cu、Zn浓度对植物生长过程对Cu、Zn同位素分馏研究影响的研究；4) 植物中Cu、Zn同位素分馏机理的探讨。获得了一批比较有意义的同位素数据，结果如下：1) δ65Cu母壤为0.25‰，δ66Zn母壤为-0.60‰。相对于原母壤，单次培养植物后的Ck、S、EDDS、S+EDDS土壤的Cu、Zn同位素组成没有变化 (-0.06‰﹤Δ65Cu培养后土壤 – 原壤﹤0.03‰；-0.08‰﹤Δ65Cu培养后土壤 – 原土壤﹤0.02‰)；2) 相对于全土壤，土壤中植物可利用态成份的Cu、Zn同位素组成变化明显不同 (Δ65Cu植物可利用态 – 全壤 = 0.30‰；Δ66Zn植物可利用态 – 全壤 = -0.02‰)；3) 植物生长活动过程导致了Cu、Zn同位素的分馏 (-1.42‰﹤Δ65Cu植物 –土壤﹤-0.44‰，-0.31‰﹤Δ66Zn植物 –土壤﹤0.29‰)。取得以下几点认识：1) 植物从土壤中吸收矿质营养元素，但单株植物生长的过程不会影响土壤中Zn、Cu同位素的变化，单株植物生长过程，土壤可以作为一个恒定的库; 2) 植株中Cu、Zn浓度受土壤中植物可利用态成份的Cu、Zn浓度的影响，而植株和植物可利用态成份中Cu自由离子的Cu同位素组成有一定的相关性，但Zn没有，表明植物吸收过程中元素间存在明显的差异；3) 针对于全壤，植株富集Cu、Zn轻同位素；4) 相对于Zn，由于氧化还原反应的发生，植株在吸收和转运运输Cu过程导致的同位素分馏程度较大；5) 本研究首次发现除了根、茎、叶等器官中Cu、Zn同位素组成发生变化，不同组织中 (如，木质部和韧皮部)及大分子成份中Cu同位素组成也不同；6) 首次明确证明了植物对元素的转移再利用过程导致了Cu同位素的分馏，但Zn则没有。.总之，通过本项目研究，对植物生长过程中Cu、Zn同位素分馏及机制有了更深刻的认识，对利用Cu、Zn同位素组成示踪植物吸收及运输矿质元素的过程提供了更明确的理论支持。