（植物学专业论文）东南景天植株的再生及其愈伤组织对镉的富集.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 现代工业和农业的发展致使土壤重金属污染日益严重，应用超积累植物对土壤 进行植物修复是当前治理土壤重金属污染的重要举措。超积累植物通过各种耐受机 制，例如：合成谷胱甘肽、植物络合素、金属硫蛋白或有机酸等金属结合配体，以 及细胞区室化作用等来降低重金属毒害。本文综述了土壤重金属污染的植物修复技 术及高等植物对重金属的耐受与解毒机理，在此基础上研究了超积累植物东南景天 再生植株和愈伤组织对重金属c d 的响应。 本文对z r d c d 超积累植物矿山生态型东南景天的组织培养技术进行了研 究。以叶片作为外植体，在添加1 0 0m gl 。12 ，4 一d 和o 5 0m gr 16 b a 的m s 培养基 中愈伤组织最大诱导率可达7 0 。以茎段作为外植体，在添加o 1 0m gl 。12 ，4 d 和 0 1 0m gl 6 一b a 的m s 培养基中最大诱导率可达8 3 。在添加0 2 0m gl 。12 ，4 一d 和 o 0 5m gl 以t d z 的培养基中，愈伤组织可快速增殖。在添加2 0m gl 6 b a 和0 3m g l 。1n a a 的m s 培养基中，芽的诱导效率达到最大且生芽数最多，分别为9 3 和1 7 芽愈伤组织。在添加3 0m gl 以g a 3 的培养基中，小芽显著伸长。i b a 对于生根诱 导比i a a 和n a a 更有效，在添加2 0m gl 以i b a 的培养基中3 0 天后生根数达到最 大( 2 1 4 根苗) 。对再生植株进行c d 耐受性实验，发现再生植株具有从根部向地 上部高效转运c d 的能力，这表明再生植株可用于土壤重金属污染的治理。 东南景天愈伤组织对c d 具有耐受和超积累特性，但是在8 0 0g m o ll 1c d 处理下 愈伤组织内c d 积累量仅为相同条件下植株水平叶片中积累量的五分之一。经8 0 0 p m o l l 以c d 处理2 1 天，愈伤组织不表现出任何毒害症状，这可能是由于愈伤组织 c d 积累量较植株水平少，因而受毒害相对较轻。c d 可以显著诱导愈伤组织内生成 p c s ，处理6 天后组织内开始检测到p c s ，随着处理时间延长p c s 合成量逐渐增加， 到第2 l 天时合成量达8 0 肛g 茸1 ，这表明p c s 可能在东南景天愈伤组织对重金属c d 的耐受中发挥作用。 关键词：植物修复；超积累植物；愈伤组织诱导；植株再生；生根培养；植物络合 素；东南景天；镉 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t h e a v ym e t a lc o n t a m i n a t i o ni ns o i lb e c a m em o r ea n dm o r es e r i o u sd u et oi n d u s t r i a l a c t i v i t i e sa n da g r i c u l t u r a lp r a c t i c e s p h y t o r e m e d i a t i o ni san e wt e c h n o l o g yf o r r e m o v i n gt o x i cm e t a l sf r o mp o l l u t e ds o i lb yh y p e r a c c u m u l a t o r s h y p e r a c c u m u l a t o r s s h a r es e v e r a ls t r a t e g i e so fm e t a ld e t o x i f i c a t i o ns u c ha st h es y n t h e s i so fp h y t o c h e l a t i n s g l u t a t h i o n e ，m e t a l l o t h i o n e i n sa n do r g a n i ca c i d ，a n dv o c u o l a rc o m p a r t m e n t a l i z a t i o n t i l i s p a p e ri n t r o d u c e dt h ep h y t o r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h em e c h a n i s m so fh e a v ym e t a l h y p e r a c c u m u l a t i o na n dd e t o x i f i c a t i o nw i t h i nt h ep l a n t t h e n , t h ee f f e c t so fc a d m i u m o nc a l l u sa n dr e g e n e r a t e dp l a n t so fm i n i n ge c o t y p es e d u ma l f r e d i fh a n c ew e r e i n v e s t i g a t e d a ne f f i c i e n tm i c r o p r o p a g a t i o ns y s t e mf o rm i n i n ge c o t y p es e d u ma l f r e d i ih a n c e ，a n e w l yi d e n t i f i e dz n c dh y p e r a c c u m u l a t o r ，w a sd e v e l o p e di nt h ep r e s e n ts t u d y t h e c a l l u si n d u c t i o nr a t er e a c h e du pt 07 0 f r o mc u l t u r e dl e a v e so nm sm e d i u m 诵m1 o o m gl 2 ，4 一da n d0 5 0m g1 - 16 b a ，a n d8 3 f r o mc u l t u r e ds t e mm a t e r i a l sg r o w no nm s m e d i u mw i t l lo 10m gl - i2 4 一da n d0 10m gl - 16 一b a t h ec a l l u sw a sr a p i d l y p r o l i f e r a t e do nm sm e d i u mc o n t a i n i n g0 2 0m gl - 12 4 一da n d0 0 5m gl - it d z n l e m o s tn u m b e ro fa d v e n t i t i o u sb u d sn7p e rc a l u s ) a n dm a x i m a li n d u c t i o nr a t e ( 9 3 ) w e r e o b t a i n e dw h e nt h ec a l l iw e r eg r o w no nm sm e d i u m 、析t h2 0m gl 叫6 一b aa n d0 3m gl - i n a a t h ee l o n g a t i o no f a d v e n t i t i o u ss h o o t sw a se f f i c i e n t l yi m p r o v e da t3 0m gl - 1g a 3 i na d d i t i o n , i b aw a sm o r es u i t a b l ef o rt h er o o t i n gi n d u c t i o nt h a ni a aa n dn a a a n d 21 4r o o t sp e rs h o o tw e r ed e v e l o p e dw i t h i n3 0d a y sa t2 0m g1 - ti b a m e nt h e s ei n v i t r op l a n t sw e r eg r o w n h y d r o p o n i c a l l ya t2 0 0i t m o ll 。1c d ，t 1 1 e ye x h i b i t e dh i g he f f i c i e n c y o fc dt r a n s p o r tf r o mr o o tt os h o o ta n de x t r a o r d i n a r yc a p a c i t yo fc dh y p e r a c c u m u l a t i o n t h e s ei n d i c a t e dt h a tt h er e g e n e r a t e ds a l f r e d i ic o u l db eu s e df o rt h ep h y t o r e m e d i a t i o no f h e a v ym e t a lp o l l u t e ds o i l t h ec a l l u so f a l f r e d i i e x h i b i t e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft o l e r a t i n ga n d h y p e r a c c u m u l a t i n gc a p a b i l i t yt oc d h o w e v e r , t h ec dl e v e li nc a l l u sw a so n l y2 0 o f m a ti nw h o l ep l a n ta t8 0 0b m o li c dt r e a t m e n t n ot o x i c i t ys y m p t p mw a so b s e r v e d f o rt h ec a l l u st r e a t e dw i t h8 0 0l x m o l l c df o r21d a y s t i l i sw a sp e r h a p sd u et ol e s sc d c o n t e n ti nt h ec a l l u sc o m p a r e dw i t ht h ew h o l ep l a n t c a d m i u mc o u l ds i g n i f i c a n t l y i n d u c ep c ss y n t h e s i si nt h ec a l l u sa n dp c sw a sd e t e c t e di nt h ec a l l u st r e a t e dw i t h8 0 0 i t m o ll c df o r6d a y s i t sc o n t e n tw a si n c r e a s e dw i t ht h ee l o n g a t i o no fc de x p o s u r e t i m ea n dr e a c h e dam a x i m u mo f8 0b gg - 1a tt h e21t hd a y si n d i c a t e dt h a tp c s m i g h tp l a yar o l ei nc dt o l e r a n c ei nt h ec a l l u so fs a l f r e d i i k e yw o r d s ：p h y t o r e m e d i a t i o n , h y p e r a c c u m u l a t o r , c a l l u si n d u c t i o n ，p l a n tr e g e n e r a t i o n , r o o t i n g ，p h y t o c h e l a t i n s ，s e d u md p e a z ，c a d m i u m 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：趑素击龟日期：嘲年f 月j - 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同意华中 师范大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 作者签名：起案a 5 龟 日期：川年月j 日 导师签名：廓仅f 扯 日期：丑叶年占月j 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。回意途塞握交厦溢卮! 壁垒生；旦二生；旦三生筮鱼! 作者签名：i 起喜石冷 日期：q 年多月岁日 j 7 导师签名：戽仪吐 日期：如7 年多月日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第一章土壤重金属污染与植物修复技术 1 土壤重金属污染现状 1 1 重金属的概念 重金属是指密度大于5gm 3 的金属元素，在9 0 种天然存在的金属元素中有5 3 种为重金属元素( w e a s t1 9 8 4 ) 。随着工业的发展和农业生产的现代化，越来越多的 重金属被排放到环境中。土壤是生态环境的重要组成部分，也是人类赖以生存的主 要自然资源之一，其受到的重金属污染日益严重，其中以z n 、c u 、c r 、n i 、p b 、 c d 、h g 和a s 等元素的污染较为常见。重金属污染不仅使土壤退化，影响土壤的正 常功能，导致农作物产量和品质降低，并且可通过食物链等途径在生物体内富积进 而影响人类的健康。因此，土壤重金属污染的防治一直是国内外研究的热点和难点。 1 2 土壤重金属污染的来源 人类活动排放的重金属可通过以下四条途径进入土壤环境。一、重金属可随污 水进入土壤，其中污水包括生活污水和工业污水。通常，生活污水中重金属含量很 低，但是随着工业和矿业的发展，大量未经分流处理的污水排入湖泊和河流或排入 下水道与生活污水混合排放。应用工业和生活污水进行农业灌溉在世界各地已经有 近百年的历史，美国、澳大利亚、日本和以色列等国污水灌溉技术比较成熟。我国 污水灌溉的面积在不断扩大，2 0 世纪6 0 年代初以来南方地区的污水灌溉面积占6 ， 而北方旱作地区污水灌溉面积达9 0 以上( 陈怀满2 0 0 2 ) 。我国污水处理水平相 对较低，用于灌溉的污水水质严重超标，从而导致我国农田污染严重，土壤重金属 h g 、c d 、c r 、p b 和a s 等含量逐年增加。重金属进入土壤后，通过溶解沉淀、吸附一 解吸、络合等各种反应，形成不同的化学形态，其活性( 生物有效性和可移动性) 依不同形念而有较大的差别。c d 很容易被水中的悬浮物等吸附，水体c d 含量随着距 排污口的距离增加而逐渐减少，所以c d 污染范围相对较小。h g j 挂x - - 壤后其中有 9 5 被胶质体和有机体迅速吸附，h g 一般积累在土壤表层，自上而下递减。污水中 的c r 一般以三价或六价的形式存在，六价c r 在进入土壤后被有机质还原为三价c r ， 随之被吸附固定。污水中的a s 多以三价或五价状态存在，进入土壤后被铁、铝氢氧 化物及硅酸盐粘土矿物吸附，也可以和铝、铁、钙和镁等生成复杂的难溶性砷化物。 卢瑛等( 2 0 0 3 ) 研究表明，南京城市土壤中重金属活性态比例的大小依次为m n p b 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s z n c u n i c r 。二、重金属可随大气沉降进入土壤。大气中的重金属污染物主 要来源于以下几个方面：煤和石油等燃料在燃烧过程中产生的气体；工业生产过程 中产生的尘烟和废气；此外，由交通运输排放进入大气的污染也不容忽视，如尾气 排放可导致p b 污染( s u t h e r l a n de ta l2 0 0 3 ) 、轮胎磨损可导致z n 污染( s m o l d e r sa n d d e g r y s e2 0 0 2 ) 、润滑剂的使用可导致c d 、c u 和z n 污染( t u r e re ta l2 0 0 1 ；b i r c ha n d s e o l l e n 2 0 0 3 ) 。除汞以外，重金属基本上都以气溶胶形态进入大气，经自然沉降和 降水进入土壤。三、重金属可随农业生产进入土壤。某些农药含有h g 、a s 、c u 和 z n 等重金属，如杀真菌的农药通常含有c u 和z n 。磷肥中c d 含量较高，硝酸铵、磷 酸铵和复合肥中a s 含量较高。因此，农药和化肥的长期不合理使用会导致土壤重金 属污染。四、重金属可随固体废弃物进入土壤。在堆放工业或矿业固体废弃物过 程中，由于日晒、雨淋、水洗或风的传播等作用，重金属可进入周围土壤。有些 固体废弃物被加工成肥料，如工业废物磷石膏含有c r 、p b 、m n 和a s 等重金属，但 由于它含有一定量的正磷酸以及不同形态的含磷化合物，因而常被作为化肥大量 施入土壤。 1 3 土壤重金属污染的现状 世界范围的重金属污染日益严重，过去五十年间全世界累计向环境中排放了 2 2 0 0 0 吨c d 、9 3 9 0 0 0 吨c u 、7 8 3 0 0 0 吨p b 和1 3 5 0 0 0 0 吨z n ( s i n g he ta l2 0 0 3 ) 。在我国， 遭受重金属污染的土壤面积逐年增加，据1 9 9 4 年中国2 l 世纪议程中国2 1 世纪 人口、环境与发展白皮书公布的数据，我国矿山开采废弃地已达2 0 0 万公顷，每 年仍以2 5 万公顷的面积增加，因污水灌溉导致的重金属污染农田达1 0 0 ) j - 公顷，其 中c d 、p b 和c r 等污染比例较高。 2 土壤重金属污染的治理 土壤质量问题是经济可持续发展和社会全面进步的战略问题，它直接影响水质 状况、作物生长、农业产量和农产品品质等，并可通过食物链对人体健康造成危害。 另一方面，随着今后经济社会的发展，如生态退耕，农业结构调整及自然灾害损毁 等，土壤资源将进一步减少。因此，治理土壤重金属污染、改良土壤质量成为生态 环境保护工作的一项重要内容。目前，治理土壤重金属污染的方法大致可归纳为三 种：物理法、化学法和生物法( m c e l d o w n e y e ta l1 9 9 3 ) 。 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 1 物理方法 治理土壤重金属污染的物理方法有多种，如换土法，淋洗法，电动修复法和电 热修复法。换土法是将污染土壤深翻到土壤的底层，或将污染土壤挖走换上新的土 壤，或者直接在污染土壤上覆盖上新的土壤。这种方法可以有效降低土壤污染对植 物系统产生的毒害，但实施工程量大、投资费用高，只适用于小面积土壤污染严重 的状况。淋洗法是利用淋洗液把土壤固相中的重金属转移到土壤液相中，再把富含 重金属的废水进一步回收处理，该方法的关键是寻找一种既能提取各种形态的重金 属，又不破坏土壤结构的淋洗液。研究表明，应用e d t a 络合剂能有效去除土壤中 的c u 、n i 、c d 和z n ，当e d t a 浓度为o 0 1m o ll 。1 时能去除初始质量分数为1 0 0 3 0 0 m gk 9 1 重金属的8 0 。电热修复是利用高频电压产生的热能加热土壤，使土壤中挥 发性重金属( 如：汞和砷) 挥发，并进行回收和处理。电动修复是通过电流的作用， 在电场的作用下使土壤中重金属在阳极或阴极被移走。研究表明，电流能打断所有 金属一土壤键，当电压固定时，去除效率与通电时间成正比。对于渗透性较高而传导 性较差的土壤，电动力学的方法所能起到的作用微弱。该方法不适合沙性土壤的重 金属污染治理，该方法工艺虽然简单，但耗能大、操作费用高，并且可能引起土壤 肥力下降。 一 2 2 化学方法 化学修复方法是通过向土壤中加入改良剂和抑制剂，使土壤重金属发生氧化、 还原、沉淀、吸附、抑制和拮抗等作用，以降低重金属的生物有效性。该技术的关 键是选择有效的改良剂，常用的改良剂有石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸盐和 促进还原作用的有机物质。不同改良剂对重金属的作用机理不同，石灰和碳酸钙的 主要作用是提高土壤p h 值。研究表明，土壤重金属c d 2 + 的活性受土壤酸碱性的影响 很大，当p h 值升高时土壤颗粒灵 l c d 2 + 的吸附增加，并促进c d c 0 3 沉淀的产生，从而 使其活性逐渐降低，作物对c d 2 + 的吸收减少( 宗良岗等2 0 0 1 ) 。有研究表明，每公 顷土壤施用1 5 0 0 1 8 7 5 千克石灰，籽实的含c d 量可下降5 0 ( 陈怀满等1 9 9 9 ) 。合 成沸石具有高阳离子交换容量，能降低土壤中重金属的生物可利用性。一般认为， 磷酸盐和硅酸盐的作用是固化重金属，使土壤中的重金属形成难溶性沉淀。用主要 成分为c a l o ( p 0 4 ) 6 f 2 或c a l o ( p 0 4 c 0 3 ) f 2 的磷酸盐矿石处理废水溶液和污染土壤，重金 属铅的去除率可分别达到3 9 一1 0 0 和5 7 8 1 0 0 ( m a1 9 9 5 ) 。有机物可促进重金 属以硫化物的形式沉淀，同时有机物中的腐质酸能与重金属离子形成络合物以降低 其活性。化学修复在土壤原位进行，简单易行，但只是改变了重金属在土壤中的存 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 在形态，重金属元素仍保留在土壤中，容易再度活化危害植物，因而不是一种永久 性的修复措施。 2 3 生物修复 生物修复是利用生物的代谢活动降低环境中有毒有害物质的浓度或使其完全 无害化，从而使受污染的环境能够部分或完全恢复到原初状态的过程( 周启星 2 0 0 7 ) 。细菌、藻类和酵母等微生物在修复被重金属污染的土壤方面具有独特的 作用，微生物修复主要包括生物吸附和生物氧化还原两个方面。研究表明，细菌能 产生具有还原性的酶，而这类酶对c d 、c o 、n i 、m u 、z n 、p b 和c u 等有较高的亲和 力( g e e s e y1 9 8 9 ) o 顾红等( 2 0 0 5 ) 报道从含p b 、c r 和z n 的土壤中分离得到菌种 p s e u d o m o n a s ，它能将二价铅还原为不具备毒性的胶态铅。由于微生物的生物量小 且难于收集，吸收在其体内的重金属铅可能经过代谢或在其死亡后又释放到环境 中。因此，微生物在治理重金属污染方面的发展有限，通常会与植物修复一起使用。 3 植物修复技术 3 1 植物修复的种类 植物修复的概念f l 了c h a n e y 在1 9 8 3 年率先提出，其思想是利用植物清除和消减土 壤中的重金属。根据其作用过程和机理，重金属污染土壤的植物修复技术可分为以 下几种类型。 3 1 1 植物固定 植物固定( p h y t o i m m o b i l i z a t i o n ) 是指植物利用根际的一些特殊物质，使土壤 中的重金属污染物转化为低毒性形态的物质。这些植物可以通过根系分解、沉淀、 螯合和氧化还原等多种过程使污染物发生惰化，从而阻止其向地下水或空气中转 移，它们也可以吸附或吸收重金属，使其在根际沉淀下来。植物固定适用于大面积 的地表轻度污染( b e r t ia n dc u n n i n g h a m2 0 0 0 ) 。但是，这种方法不适用于重度污染 的土壤，因为普通的植物在重度污染的土壤中很难生长( b e r t ia n dc u n n i n g h a l l l 2 0 0 0 ) 。y o o ne ta l ( 2 0 0 6 ) 对生长在污染地区的3 6 种植物进行了评估，发现具有较 高的根部浓缩金属的能力和较低的金属转运能力的植物适用于植物固定。s m i t h 和 b r a d s h a w ( 19 9 2 ) 进行田间试验，发珊g r o s t i st e n u i s 和f e s t u c ar u b r a 可以固定c u 、 p b 和z n 。然而，植物固定并没有将环境中的重金属离子去除，土壤中的重金属含量 也并未减少，只是形态发生了变化。一旦环境条件发生变化，土壤中重金属的生物 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 可利用性有可能改变。 3 1 2 植物挥发 植物挥发( p h y t o v o l a t i l i z a t i o n ) 是利用一些植物来促进重金属转变为可挥发的 形态，以去除环境中的一些挥发性污染物，即植物将污染物吸收到体内后又将其转 化为气态物质，逸出土壤或植物表面后再回收处理。l e w i se ta l ( 1 9 6 6 ) 首次报道植 物可以以气态的形式挥发硒化物，他们发现s e 积累型植物和非积累型植物都可以挥 发s e 。之后，很多研究逐渐揭示了s e 的植物挥发( t e r r ye ta l1 9 9 2 ；b a f i u e l o se ta l1 9 9 3 ； m c g r a t h1 9 9 8 ) 。海洋藻类可以以二甲基砷化物的形式挥发a s ，但目前还不清楚陆 生高等植物是否也可以大量挥发a s ( p a d m a v a t h i a m m aa n dl i2 0 0 7 ) 。对高等植物中 a s 的吸收和分布进行研究发现，a s 大部分积累在根中，只有极少量可以运输到地上 部分。烟草能使h g 由毒性较大的二价转化为气态的零价( o u y a n g2 0 0 2 ) 。一些细 菌可以利用汞还原酶将汞离子还原成分子汞。r u g he ta l ( 1 9 9 6 ) 研究发现，转细菌 h g 还原酶基因的拟南芥植株对h g c l 2 的抗性增加，其将h 孑+ 还原为h g 的能力明显增 强。植物挥发的应用范围较小，只适用于一些易挥发的污染物，如：s e 、a s 和h g 等。另一方面，人们对植物挥发技术还存在很大争议，因为h g 和s e 等都具有毒性， 将它们以气态形式排放到大气中并不安全( s u s z c y n s k ya n ds h a n n1 9 9 5 ；w a t a n a b e 19 9 7 ) 。 3 1 3 植物吸收 植物吸收( p h y t o e x t r a c t i o n ) 也叫植物萃取，是指重金属经植物根系吸收后，被 转移贮存到植物茎叶，从而达到去除土壤中重金属的目的。具有这种特征的植物被 定义为超积累植物。植物吸收是目前研究最多，并且最有发展前景的植物修复方式。 3 2 超积累植物的概念及特征 b r o o k se ta l ( 1 9 7 7 ) 首次提出超积累植物的概念，具体定义为在干燥的叶片中 能够积累大于1 0 0 0 肛gf 1 n i 的植物。之后，超积累植物的定义被扩展为能够在干燥 的叶片中积累c o 、c u 、p b 和n i 大于1 0 0 0p g 茁1 ，积累z n 大于1 0 0 0 0i - t gg - 1 ，积累c d 大于1 0 0l a gg - i 的植物，超积累植物在其体内积累的金属可以超过普通植物的1 0 0 倍 以上( b r o o k s1 9 9 8 ；b a k e r e ta l2 0 0 0 ) 。之后，超积累植物的定义中又添加了新的标 准，要求植物地上部分积累金属量与地下部分积累量之比大于l ，而非积累型植物 根部重金属的积累量一般高于其地上部分( s h e ne ta l1 9 9 7 ) 。 迄今为止，已有4 5 个科约4 5 0 种植物被证明具有超积累特性( r e e v e sa n db a k e r 2 0 0 0 ；g u e r i n o ta n ds a l t2 0 0 1 ) ，占被子植物总量的0 2 ( b r o o k s1 9 9 8 ；b a k e re ta l 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 0 0 0 ) 。它们分布广泛，从温带至热带均有分布，其中大约近三分之二为n i 超积累 植物，而c d 、c o 、c u 、p b 和z n 超积累植物相对较少。 超积累植物通常都是一些古老的物种，它们大多是在不良环境的长期胁迫下驯 化产生的适应型突变体。自然条件下生长的超积累植物可以单独在它们的原生地生 长，它们一般生长缓慢，生物量较小，对某一种或几种重金属具有特殊的选择性吸 收功能( c l e m e n se ta l2 0 0 2 ) 。在众多的超积累植物中，b r a s s i c a c e a e 科植物最具代 表性( r e e v e sa n db a k e r2 0 0 0 ；g r a f f t oe ta l2 0 0 5 ；n a v a z ae ta l2 0 0 6 ) 。t h l a s p i c a e r u l e s c e n s 可以超积累c d 、n i 、p b 和z n ；t h l a s p ig o e s i n g e n s e 和t h l a s p io c h r o 拓u c u m 可以超积累n i 和z mt h l a s p ir o t u n d i f o l i u m 可以积累n i 、p b 和z n ( b a k e ra n db r o o k s 1 9 8 9 ；b a k e ra n dw a l k e r1 9 9 0 ；k r s x n e re ta l1 9 9 6 ；p r a s a d2 0 0 5 ) 。最早报道的p b 超积累 植物是zr o t u n d i f o l i u m ，它可以在叶片中积累o 1 3 8 2gk g dd w 铅( r e e v e sa n db r o o k 1 9 8 3 ) 。l e m n ag i b b a 是砷超积累植物，已被用来去除工业废水中的a s ( m k a n d a w i r e a n dd u d e l2 0 0 5 ) 。b r a s s i c a c e a e 科植物a s t r a g a l u sb i s u l c a t u s 和s t a n l e y ap i n n a t a 生长在 富含硒的土壤中，并且对硒具有超积累能力。近期发现了一种m n 超积累植物 p h y t o l a c c aa c i n o s a ，当生长在富含m n 的土壤中时这种植物可以积累1 9 3gk 9 1d w 锰( x u e e t a l2 0 0 4 ) 。 超积累植物用于植物修复一般要具备以下特征：( 1 ) 生物量大并对特定重金属 具有超量积累能力，地上部分( 茎和叶) 重金属含量是普通植物在同一生长条件下 的1 0 0 倍( m c g r a t h1 9 9 8 ；p i l o n - s m i t s2 0 0 5 ) 。由于各种重金属元素在土壤和植物中 的自然浓度不同，其临界含量如表1 所示。( 2 ) 植物可收割部位即地上部分必须能够 耐受和积累高浓度的重金属。普通植物根内部的z n 和c d 浓度往往比茎叶中的相应元 表1 重金属在土壤和普通植物中的平均浓度以及超积累植物积累重金属的临界标准( 沈振国 和刘友良1 9 9 8 ) t a b l e1 t h ea v e r a g ec o n t e n t so fh e a v ym e t a l si ns o i l s ，t h eo r d i n a r yp l a n t sa n dt h ec r i t i c a ls t a n d a r d f o rh y p e r a c c u m l a t i o n 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 素浓度高1 0 倍以上，但超积累植物茎叶内重金属浓度超过了根中的水平。( 3 ) 在野外 和实验条件下这类植物能良好地生长，一般不会发生毒害现象，如b r a s s i c a c e a e 科植 物zc a e r u l e s c e n s 自然生长的土壤中z n 含量为2 1 8 1 6 6 5 5p gg - 1 ，p b 为4 0 9 6 0 2 5p gg - 1 ， c d 为4 0 1 1 8 gg - 1 。( 4 ) 植物在应用过程中对重金属污染的修复能力与期望值相吻合。 ( 5 ) 对病虫害有较强的抵抗能力。( 6 ) 植物对农业措施如施肥等能产生积极的响应。 4 超积累植物对重金属的富积与解毒机理 4 1 超积累植物对重金属的富集机制 目前，关于超积累植物如何吸收并在地上部富集重金属的机制研究多集中在以 下几个方面。 4 1 1 植物根系对土壤重金属的活化作用 植物根系通过向土壤中分泌有机酸和一些特殊的金属结合蛋白来螯合重金属， 通过还原酶还原土壤中的重金属，从而活化土壤重金属。植物根系可分泌质子，从 而可以促进植物对土壤中重金属元素的活化和吸收( m a r s c h n e r1 9 9 5 ) 。根袋实验 表明，土壤中有效态锌的下降量不及超积累植物zc a e r u l e s c e n s 吸收锌总量的1 0 ， 这说明zc a e r u l e s c e n s 可以将土壤中难溶态的z n 转化为有效态，因而土壤中的有效态 z n 含量并未下降很多( m c g r a t he ta l1 9 9 7 ) 。然而，zc a e r u l e s c e n s 对c d 的反应却并 非如此，rc a e r u l e s c e n s 对土壤中不溶性或难溶性c d 的活化作用并不比非积累型植物 l e p i d i u mh e t e r o p h u l l u m 强( h u t c h i n s o ne ta l ，2 0 0 0 ) 。为了吸收和积累重金属，超积 累植物在根系生长和形态上产生了适应性反应。w h i t i n ge ta l ( 2 0 0 0 ) 向土壤中添加 z n 和c d ，发现zc a e r u l e s c e n s 的根部可以主动搜索土壤中的重金属，然后精确地将 根分配到富含重金属的地方，这表明植物可以感知土壤中的重金属，而重金属可以 作为一种触发因子影响植物根的生长方向。超积累植物根系能够分泌有机酸，耐灿 型菜豆品种根系分泌的柠檬酸是a l 敏感型菜豆品种的l o 倍( m i y a s a k ae ta l1 9 9 1 ) ， 耐a l 型玉米品种分泌的柠檬酸是舢敏感型玉米的1 0 倍( p e l l e te ta l1 9 9 5 ) ，耐舢型 小麦品种根系分泌的苹果酸是a l 敏感型小麦品种的5 1 0 倍( d e l h a i z ee ta l1 9 9 3 ) 。 i n s k e e pa n dc o m f o r t ( 19 8 6 ) 研究表明，根系分泌的有机酸对结合f e 和z n 有重要作 用。s a l te ta l ( 2 0 0 0 ) 在n i 超积累植物zg o e s i n g e n s e 的根系分泌物中并未发现对n i 有高亲和力的物质。相反，用n i 处理非积累型植物t h l a s p ia r v e n s e ，其根系分泌的组 氨酸和柠檬酸比超积累型zg o e s i n g e n s e 多，这说明za r v e n s e 通过分泌组氨酸和柠檬 酸来降低n i 的吸收和毒害。目前，还未见c d c u p b 超积累植物根系分泌物的报道 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ( m c g r a t he ta l2 0 0 1 ) 。研究认为，植物根细胞质膜上的专一性酶可以将土壤中的 高价金属离子还原，增加其溶解性。在缺f e 或c u 的条件下，一些植物根系还原f e ” 或c u 2 + 的能力增强，吸收的f e 、c u 、m n 和m g 等也相应增多( w e l c he ta l1 9 9 3 ) 。 4 1 2 根际微生物的作用 当前对超积累植物根际微生物的研究比较少，对根际微生物如何影响植物吸收 重金属也不明确。超积累植物根际土壤中的微生物结构与非根际土壤存在很大区 别，z n 超积累植物rc a e r u l e s c e n s 根际土壤中微生物的数量明显高于非根际土壤，且 根际土壤中的重金属耐受型细菌比例较高( d e l o r m ee ta l2 0 0 1 ) 。a b o u - s h a n a r be ta l ( 2 0 0 3 ) 发现，n i 超积累植物a l l y s u mm u r a l e 根际土壤中的细菌、真菌、放线菌和耐 n i 菌的数量均显著高于非根际土壤。龙新宪等( 2 0 0 7 ) 向土壤中添加五种锌化合物 ( z n s 、z n o 、z n 3 ( p 0 4 ) 2 、z n s 0 4 和z n c 0 3 ) ，研究两种生态型东南景天根际微生物 的特征，发现五种锌化合物对两种生态型东南景天的根际土壤微生物活性和数量均 有不同程度的抑制作用，而超积累型东南景天对土壤微生物的活性和数量具有较强 的促进作用。此外，关于菌根的研究也有一些报道，菌根对植物吸收金属有促进作 用也有抑制作用( m a r s c h n e r1 9 9 5 ) 。目前发现的b r a s s i c a c e a e 科超积累植物大多没 有菌根，所以菌根不大可能直接影响b r a s s i c a c e a e 科超积累植物对重金属的吸收 ( m c g r a t he ta l2 0 0 1 ) 。b o y de ta l ( 1 9 9 4 ) 认为，超积累植物体内高浓度的重金属 会抑制细菌和真菌的生长，因而菌根与重金属的吸收关系不大。 4 1 3 植物吸收金属离子的分子机制 近几年，植物吸收金属离子的分子机制研究有了很大进展，一些金属转运蛋白 先后被发现，如质膜上的z i p 一4 、i r t l 、c o p t l 和a t v r a m p l 3 4 ，液泡膜上的z a t 、 a t m r p 、h m t l 、c a x 2 和a b c 型转运蛋白，以及位于高尔基体的r a n l 等，这些转 运蛋白负责转运的金属离子如表2 所示( s h a h a n d n o n g k y n r i h 2 0 0 7 ) 。 负责f e 2 + 和z n 2 + 吸收的转运蛋白多属于z i p 家族，如：z r t 和i r t 相关蛋白，其中第 一个被分离得到的是a r a b i d o p s i si r t l ( e i d ee ta l1 9 9 6 ；f o xa n d g u e r i n o t19 9 8 ) 。对 侬丌的克隆导致了z i p 家族相关基因的发现，j t h s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s a e 中的z r t l 和 z r t 2 ，a r a b i d o p s i s 中的z 驴j 一4 等。酵母z r t lz r t 2 突变株在高z n 浓度的培养基中才能正 常生长，这表明z r t l 和z r t 2 在酵母吸收和转运z n 的过程中发挥重要作用。p e n c ee t a l ( 2 0 0 0 ) 从zc a e r u l e s c e n s 中克隆到一个l ：j a r a b i d o p s i sz i p 4 同源的z n 转运蛋白基因 z n t l ，该基因的表达可以提高z r t lz r t 2 突变株对z n 的吸收。据推测，枷r a b i d o p s i s 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 中有八个基因编码z i p s ( g a i t h e ra n de i d e2 0 0 1 ) 。与非积累型植株相比，z n c d 积 累型植物( 如：zc a e r u l e s c e n s 和a r a b i d o p s i sh a l i e r i ) 中一些z i p 基因的表达量相对 较高( w e b e re ta l2 0 0 4 ；h a m m o n de ta l2 0 0 6 ) 。a r a b i d o p s i s 中c o p t l 是第一个被发 现的c u 转运蛋白，该蛋白的表达可以互补c e r e v i s i a e 突变体c t r l - 3 对c u 吸收的不足 ( k a m p f e n k e le ta l1 9 9 5 ) 。从拟南芥和水稻中发现的另一类与金属离子吸收有关的 蛋白是n r a m p 家