龙葵植物修复镉污染农田的根际效应及界面过程研究

Cadmium was one of the main pollutants in the farmland of Liaoshen area. It was imperative to remediate and control the farmland of cadmium pollution. Phytoremediation as low cost and environment friendly in-situ remediation technologies on farmland pollution control had a strong adaptability and operability..This project aimed at the real status of the cadmium polluted farmland in Liaoshen area and chose the typical heavy metal cadmium as the research object. We chose the cadmium soil of polluted irrigation area as the tested soil and chose the cadmium hyperaccumulator morel as the experimental material. We used the in-situ field tests and outdoor rhizosphere box tests, combined with the traditional method of soil science, using synchrotron radiation X-ray absorption spectroscopy (SRXAS) technique, electron microscopy energy spectrum (SEM-EDX) technique and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), etc. Under the the process of phytoremediation, we mainly researched on the rhizosphere effect and the molecular morphological transformation of cadmium in the root-soil-soil solution interface. Under the rhizosphere process of phytoremediation, we clarified root morphology and physiological response mechanism, confirmed the rhizosphere environment characteristics and the change of rhizosphere microorganisms and root exudation, explored the molecular morphology transformation mechanism of cadmium in the root-soil-soil solution interface, which will provide the scientific basis and technical reserves for improving the efficiency of phytoremediation for Chinese heavy metal polluted farmland.

镉是我国辽沈地区农田主要污染物之一，镉污染农田的修复与治理已刻不容缓。植物修复作为低成本、环境友好的原位修复技术在农田污染治理方面具有很强的适应性和可操作性。. 本项目针对辽沈地区农田土壤重金属镉污染的现状，选择典型重金属镉作为研究对象，以污灌区原位镉污染土壤为供试土壤，以镉超富集植物龙葵为试验材料，综合运用田间原位试验和室外根际箱培养法，结合传统土壤学方法技术，利用同步辐射X射线吸收光谱(SRXAS)技术、电镜-能谱(SEM-EDX)技术和ICP-MS元素测定等先进技术，开展龙葵植物修复镉污染农田的根际效应以及镉在根-土-土壤溶液界面的分子形态转化机制研究，阐明龙葵植物修复根际过程中的根系形态和生理响应机制，明确根际环境理化特征，根系分泌物和根际微生物的变化，探明镉在根-土-土壤溶液界面的分子形态转化机制，为提高我国农田土壤重金属的植物修复效率提供科学依据和技术储备。

本研究选择沈阳张士灌区镉污染土壤为修复对象，在试验区域土壤Cd 含量背景值调查的基础上，以龙葵为目标植物进行 Cd 污染土壤的原位植物修复研究。初步阐明龙葵植物修复根际过程中的生理响应机制和生态效应，初步探明镉在根-土-土壤溶液界面的形态转化机制和影响因素，为提高我国农田土壤重金属的植物修复效率提供科学依据和技术储备。. 龙葵C d含量分布规律为：叶>茎>果实>根。地上部Cd富集，转运系数均大于1。表明龙葵具有应用于实际植物修复的潜力。超富集植物龙葵根系分泌有机酸的量显著高于非超富集植物。有机酸分泌量的提高可以改变根际环境的理化性质，提高重金属Cd的生物可利用性，促进植物对重金属的富集和转运，因此，有机酸分泌量的提高可以表征龙葵作为镉超富集植物的特性。. 超富集植物龙葵的生理响应机制主要体现在MDA和细胞质膜透性升高,导致植株生物量降低,叶绿素含量降低，导致可溶性糖含量下降。脯氨酸和可溶性蛋白含量的升高是缓冲植物重金属逆境胁迫产生的伤害,抗氧化酶系统的不同变化对Cd胁迫所产生的伤害进行修复。. 龙葵非灭菌条件下根际土壤溶液Cd的浓度显著低于非根际（p<0.05），灭菌条件下差异不大；灭菌和非灭菌条件下，根际土壤溶液中DOC，土壤微生物量碳和氮含量显著高于非根际（p<0.05），主要在此过程中释放小分子有机化合物而导致根际土壤中DOC含量增加。根系分泌小分子有机酸的组成上相似，为苹果酸、柠檬酸、乙酸和酒石酸，但非灭菌的浓度比灭菌高（p<0.05）。. 随着不同来源DOM浓度的增加，总溶解性Cd的浓度均增大。根际土壤溶液中Cd浓度与非根际土壤溶液中Cd的含量相比均小。根际土壤溶液的DOC含量明显大于非根际。种植植物后，相同浓度处理时DOMc对应的DOC含量最高，这是由不同来源DOM自身的活性基团的数量决定。Cd污染土壤中添加DOM后，龙葵地上部Cd含量显著高于地下部Cd含量(p<0.05)，土壤溶液中总Cd量明显增加，这与DOM有机配位体和Cd络合形成溶解性有机络合物有关，并由此促进了土壤中Cd的溶解。