水动力学条件对沉水植物富集水体重金属的影响机制研究

Phytoremediation is a novel strategy for the removal of toxic metals from the environment using plants in ecological restoration. Previous results indicated that hydrodynamic conditions may affect the growth of submerged plants, and reversible physical adsorption is an important way to heavy metal bioaccumulation of submerged plants, which is closely related to hydrodynamic conditions. Thus, hydrodynamic conditions may play an important regulatory role in heavy metal bioaccumulation of submerged plants. Up to date, there are a series of question on the effects of hydrodynamic conditions on heavy metal bioaccumulation of submerged plants. Thus, the aim of this study will use H. verticillata as research material, and control light, temperature, nutrients, etc. to obtain the optimal culture conditions. Moreover, we will combine hydrodynamic conditions, like velocity and turbulence intensity, and lead levels to analyze the process of lead adsorption/absorption, bioaccumulation and migration, as well as the characters of growth, microstructure and tolerance mechanism. These findings will reveal the relationship between the biological behavior of H. verticillata and hydrodynamic conditions. Moreover, these findings will discover the lead bioaccumulation and the physiological adaptation mechanism exposed to heavy metal pollution under special hydrodynamic conditions. The present findings not only provide the optimization hydrodynamic conditions to improve a new way to improve the removing ability of heavy metal using submerged macrophytes, also provide theoretical and experimental basis for the application of submerged plant during the aquatic ecosystems recovery of heavy metal pollution.

用植物修复的方式去除水体重金属污染是生态修复的前沿和热点问题。前期研究发现：水动力学条件可影响沉水植物的生长，与水动力学条件密切相关的可逆物理吸附是沉水植物富集水体重金属的重要方式，水动力学条件对沉水植物富集水体重金属起重要调控作用。但至今，水动力学条件如何影响沉水植物富集水体重金属，尚不清楚。因此本项目拟用沉水植物轮叶黑藻为研究材料，控制光照、温度、营养盐等为最适培养水平，结合流速、紊动强度等水动力学条件和铅污染水平，研究轮叶黑藻对铅的吸附/吸收、累积、迁移过程，以及其生长性状、微观结构、解毒及耐受机制等生物学行为，揭示其生物学行为与水动力学表征指标之间的关系，以此为基础阐明轮叶黑藻在水动力学条件下富集水体中铅的规律及其生理适应机制。研究结果不仅为优化水动力学条件，提高沉水植物去污能力提供新思路；也为利用沉水植物修复水体重金属污染和水生生态环境开发保护提供理论依据和实验基础。

重金属是水环境中最难除去的污染物之一，其迁移、累积可能与水动力条件相关。本课题以轮叶黑藻为对象，设置不同流速、紊动强度和铅污染水平，采用正交设计确定工况，在轮叶黑藻生长过程中设计动态采样时间(7、14、21和28天)，研究轮叶黑藻对重金属铅的吸收、累积、迁移过程，及其生长性状、微观结构、解毒及耐受机理等生理生态适应过程。在水动力学条件和铅污染协同作用下，四个培养点轮叶黑藻表现出不同的生物量变化；实验过程中，发现轮叶黑藻部分叶片出现微卷曲，但无叶片变黄、枯萎现象，表明轮叶黑藻对铅污染毒害有较强的耐受能力。叶和茎的显微结构发生不同程度的损伤，主要表现在细胞核、叶绿体、液泡、质膜等发生异常，这些变化与铅污染水平、培养时间有显著的正相关性。轮叶黑藻叶、茎铅富集量与铅污染水平成正相关关系；综合考虑轮叶黑藻生长、显微结构、氮代谢和抗氧化酶等指标，可得到叶对铅累积的最大值为457.3mg/Kg，茎对铅的累积最大值为18.4mg/Kg。轮叶黑藻耐受性可能与脯氨酸、有机酸、谷胱甘肽、植物螯合肽及金属硫蛋白等的显著积累有关。叶含量均高于茎，可能由于叶接触面积较大及氨基酸、有机酸、谷胱甘肽(GSH)、植物螯合肽(PCs)和金属硫蛋白(MTs)等含量较高有关。此外，在测试的铅污染水体中，轮叶黑藻MDA水平表现出显著升高的趋势，预示着铅毒性可能诱导植株产生一定的氧化损伤，且损伤强度随着铅污染水体的升高而增强；在所有测试组合培养点，叶SOD、CAT、POD、PAL和PPO活性均显著高于茎中的活性。轮叶黑藻体内增强的SOD、POD、CAT、PAL和PPO活性可能是其重金属耐性机制中重要的一部分，而这些升高的酶活性协同作用清除组织内部因铅诱导产生的过量活性氧自由基，进而可减轻或缓解铅毒性诱导的氧化胁迫损伤。当前的研究结果可有助于阐明沉水植物累积铅及去除重金属过程，建立不同浓度重金属污染水体的修复方案，建立科学、经济的生物修复模式，为重金属污染修复奠定良好的理论基础。