大型水生植物对砷的吸收、富集特征和机理

运用植物修复技术修复砷污染环境的关键是找到适合的砷超富集植物或砷耐性植物。目前全球已报道12种砷超富集植物，全是陆生蕨类，其在砷污染土壤的植物修复上起了很大作用，但对修复受砷污染的大水体作用有限。本研究首先对云南、贵州砷污染区主要河流、湖泊、库塘中的大型水生植物进行野外调查，初步筛选出砷富集型和非砷富集型植物；其次，两类植物各选1-2种，注意考虑不同生活型，通过室内添加不同形态和价态砷的水培实验，研究植物对砷吸收、分布和富集规律及主要影响因素（磷酸盐、铁、pH、Eh和主要重金属）；再次，研究植物细胞超微结构、砷在亚细胞的区隔化、主要根分泌物种类和数量、植物螯合素的合成及主要酶活性（砷酸盐还原酶和抗氧化酶系）的变化机理及其与砷吸收和富集的关系；最后，通过已有砷对陆生植物影响的成果，比较分析水生和陆生植物对砷吸收、分布和富集机理的异同，为深入研究砷在水体和土壤不同介质中的环境行为奠定理论基础。

本项目在野外调查基础上，结合室内水培实验，筛选出富集砷的植物种类，研究了植物对砷的吸收、吸附和富集特征、培养液和植物体砷形态的变化及影响因素，并从植物细胞对砷的区隔化、砷酸盐还原酶活性、有机酸、植物络合素和抗氧化酶活性等方面研究大型水生植物对砷的吸收、富集特征和机理。结果表明：（1）黑藻、金鱼藻、八药水筛、小眼子菜和穗状狐尾藻同时对As、Zn、Cu、Cd、Pb具有较强富集能力。（2）供试植物以少量吸附和大量吸收的方式从培养液中积累As，在As(Ⅲ)培养下，植物培养液中的As(Ⅲ)发生了迅速氧化。在As(III)和As(V)处理下，As在植物叶细胞中主要分布在细胞壁和以液泡为主的细胞质可溶部分，但在DMA处理下，As主要分布在细胞壁。（3）As(Ⅲ)培养下，植物根部和茎叶部的砷形态主要是As(Ⅲ)，As(Ⅴ)培养下植物根部主要是As(Ⅴ)，茎叶部主要是As(Ⅲ)，DMA培养下植物根部和茎叶内均主要是DMA。（4）低、中浓度As(Ⅴ)处理下，大薸根部和黑藻茎叶的As(Ⅲ)含量显著增加，且该部位的砷酸盐还原酶（AR）活性显著增高，这是砷解毒的关键机制。（5）不同形态砷胁迫下黑藻和竹叶眼子菜根系分泌物中均检测出草酸、丙二酸、琥珀酸和棕榈酸，但只有在As(Ⅲ)或As(Ⅴ)处理时黑藻分泌的草酸与体内As含量呈显著正相关。因此，As(Ⅲ)或As(Ⅴ)胁迫下黑藻向体外分泌草酸是其富集砷的一种重要机制。（6）As(Ⅲ)和As(Ⅴ)处理显著诱导了黑藻谷胱苷肽（GSH）、植物络合素PC2和PC4的合成，且与黑藻体内As含量呈显著正相关，PCs对DMA胁迫不敏感。PCs可选择性作为As(Ⅲ)和As(Ⅴ)胁迫下黑藻的生物标记物。（7）过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）在砷胁迫下植物抗氧化体系中起到关键作用，活性随体内砷含量的增加而增加；但在非砷富集植物中，CAT对砷较为敏感。（8）酸性条件（pH=5.0）能显著提高黑藻、竹叶眼子菜对As(V)的吸收；不同浓度Fe2+处理均显著提高植物对As(V)的吸收。黑藻、金鱼藻在高浓度 (1.5 mg•L-1) Fe3+处理下能显著提高其对As(III)的吸收，不同浓度Fe3+处理均显著提高了金鱼藻、竹叶眼子菜对As(V)的吸收。（9）As对黑藻细胞的毒害因细胞器而异，内质网和高尔基体是最易受伤害的细胞器，而叶绿体则受害最轻。