镉胁迫下白骨壤酚酸变化及对互花米草化感作用的研究

摘要

近年来，随着地区经济的快速发展，越来越多的重金属污染物排入并汇集于海陆交错带的红树林生态系统，使得红树林湿地面临着愈加严重的重金属污染;互花米草也在我国沿海表现出极强的扩散能力和适应能力，不仅侵占了大量红树林宜林滩涂，包围了红树林，而且逐年正以惊人的速度扩散，造成红树林的更新受阻并开始逐渐退化。
　　 酚酸化感物质是一类重要的次生代谢产物。在重金属污染胁迫下，植物体内产生的酚酸物质含量增加，一方面释放到环境中的酚酸还可以抑制周围其它植株的生长，另一方面植物体内以及根系分泌的各种酚酸物质可通过还原、配位和酸化等反应来缓冲胁迫对植物的伤害以及活化根际土壤中的难溶性养分，促进植物对养分的吸收和利用。
　　 目前国内外对红树林这一特殊生态系统中重金属污染的研究已经有比较广泛的研究报道，但红树林根际沉积物中酚酸对重金属污染胁迫会产生怎样的影响，尤其是酚酸化感物质在红树林湿地这种特殊生态环境对互花米草的化感作用的研究还未见报道。
　　 本研究以福建漳江口红树林湿地沉积物为研究对象，选择该区域三种常见的重金属元素(Cd、Fe、Mn)，研究污染河口红树林湿地重金属的形态分布和酚酸的组成分布，探讨沉积物理化性质及酚酸对沉积物重金属生物有效性的影响;结合水培盆栽试验，探寻白骨壤（Avicennia marina）幼苗体内酚酸对重金属Cd胁迫的响应;最后通过研究酚酸对互花米草（Spartina alterniflora）种子萌发及幼苗生长的化感效应来从化感方面探讨互花米草入侵红树林的机制。为控制互花米草进一步入侵红树林生态系统提供新的科学理论依据。本研究主要结论如下:
　　 1.漳江口红树林湿地沉积物中不同位置重金属含量对比研究表明:Cd在林内的含量高于林缘及林外光滩。造成这一差异的原因是沉积物中有机质含量、机械组成、Fe、Mn含量等多种因素综合作用的结果。红树林湿地柱状样沉积物分析表明，Cd含量基本稳定，差异不明显。
　　 2.重金属Cd在红树林湿地不同位置沉积物中的形态分配存在较大差异。林外光滩和林缘可交换态和碳酸盐结合态、有机质及硫化物结合态比例较高，林内以残渣态为主要结合形态，其他几种结合态比例均较低。重金属结合形态还会随着沉积物深度的增加而变化，Fe/Mn氧化物结合态随着沉积物深度的增加而增加。相关分析表明:沉积物中Cd的Fe/Mn氧化物结合态与沉积物中pH存在显著相关关系，有机质及硫化物结合态则受沉积物中有机质、总C/N比和TS含量以及沉积物机械组成共同制约。
　　 3.用改进的高效液相色谱法(色谱条件为:Agilent1200型高效液相色谱及其色谱工作站，Hypersil-ODS，HC-C18(2)，Analytical4.6×250 mm反向色谱柱，流动相为2％乙酸溶液(pH2.6)+甲醇混合液(75％:25％)，流速为1 ml·min-1，进样量为100μl，柱温25±2℃，检测波长为280 nm和320 nm，能有效分离检测对羟基苯甲酸、香草酸、丁香酸、绿原酸、咖啡酸和阿魏酸）对漳江口红树林沉积物中酚酸化感物质的含量与分布进行了研究，探讨了植物根际、林内和林外不同区域沉积物中酚酸的分布。沉积物中均可检测到对羟基苯甲酸、香草酸、丁香酸和绿原酸，在林缘和林内可检测到阿魏酸;沉积物不同区域酚酸分布不同，酚酸含量从多到少的顺序为:林内＞林缘＞林外，林内又表现为:根际＞非根际;6种酚酸含量在林内通常表现出随着沉积物深度的增加而增加的趋势，其中对羟基苯甲酸含量最高。沉积物中酚酸与Cd的形态分配呈一定的相关性，分析表明林内沉积物中部分酚酸的含量与Cd的水溶态和碳酸盐结合态、Fe/Mn氧化物结合态呈显著正相关，与有机质及硫化物结合态呈显著负相关。
　　 4.采用水培盆栽实验，探讨了重金属Cd对白骨壤幼苗体内酚酸含量的影响。结果表明白骨壤各器官酚酸含量对不同浓度Cd的响应不同，通常表现为随着Cd处理浓度升高而降低，随着处理时间的增加而增加。同一浓度处理水平下，酚酸在各个器官含量表现为:叶＞茎＞根。这可表明，重金属Cd污染均可使得红树植物幼苗各器官中对羟基苯甲酸、香草酸、丁香酸、绿原酸、咖啡酸和阿魏酸含量发生变化。相关分析表明白骨壤幼苗体内酚酸叶绿素含量呈显著正相关，与体内Cd积累量、PPO活性及叶绿素a/b比值呈负相关。
　　 5.不同浓度Cd处理不同时间对白骨壤幼苗PAL活性、PPO活性、叶绿素含量以及叶绿素a/b比值均有一定的影响。在同一浓度处理水平下，叶中的PAL活性、PPO活性在幼苗体内表现为:叶＞根;叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量均随着Cd处理浓度的增加而减少，且Cd对叶绿素b的抑制作用更大，叶绿素a/b比值在低浓度Cd胁迫时随处理时间增加而增加，在高浓度时呈现先上升后降低又上升的趋势。这可表明，不同浓度Cd均可造成白骨壤幼苗PAL、PPO活性的变化，均可降低叶片中叶绿素含量，这可能是造成体内酚酸含量变化的原因之一。
　　 6.不同浓度Cd处理白骨壤幼苗不同时间后，幼苗根、茎、叶中Cd积累量明显高于对照，各器官Cd的积累浓度为:根＞茎＞叶，且对Cd的吸收累积随着Cd处理浓度的增加而增加，其中叶中Cd积累量在两种浓度Cd处理下随着处理时间的增加先表现出先增加后减少又增加的趋势，这与白骨壤具盐腺及具有腺体功能的表皮毛有关。这可表明，Cd在植物体内的逐步积累可能是造成体内酚酸含量变化的原因之一。
　　 7.采用滤纸湿润法培养法，探究4种酚酸和混合酸对互花米草种子的萌发、幼苗胚芽及胚根长度的化感效应。大体上，酚酸在0.2-25 mg·L-1对胚芽的萌发率及胚芽长度表现为化感促进效应，且随着化感物质浓度的增加，化感作用的强度也逐渐减弱，酚酸对胚根的萌发率表现出低浓度促进，高浓度则无明显影响，对胚根长度表现出低浓度促进高浓度抑制的趋势;不同浓度混合酸表现出低浓度促进，高浓度则对种子萌发和胚芽长度无明显影响，但对幼苗胚根长度则均表现出化感抑制效应，且随着处理浓度的增加抑制作用越强。这可表明，单个酚酸化感物质可促进互花米草胚芽及胚根的萌发和生长，但相对于胚芽，对胚根的化感促进作用较低，但混合酸则具有明显的化感抑制效应。
　　 8.不同酚酸一定浓度可促进互花米草幼苗的成活率及生长。部分酚酸对互花米草幼苗成活率的表现出较强的化感促进效应，对幼苗根长和株高表现为低浓度促进、高浓度抑制，对幼苗叶片数的化感效应不明显，可促进生物量的积累;不同浓度混合酸均显著降低互花米草成活率，对根长、株高和生物量表现为低浓度促进，高浓度抑制。这可表明，单个酚酸化感物质一定浓度可促进互花米草幼苗的成活率及生长状况，酚酸混合后则在高浓度时对互花米草的成活及生长具有化感抑制效应。
　　 以上结果表明:Cd污染增加了白骨壤幼苗各器官酚酸含量，在白骨壤吸收红树林底泥沉积物中Cd后，体内酚酸含量发生变化，一方面是参与植物对重金属的解毒过程，另一方面植物器官经凋落或腐解后，酚酸逐渐在沉积物中累积，而沉积物中酚酸含量却可在一定程度上促进了互花米草种子的萌发及幼苗的生长，这可能是互花米草大量入侵白骨壤林宣林滩涂的机制之一。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 酚类化感物质的生态学意义

1．1．1 环境胁迫对植物化感作用的影响

1．1．2 重金属污染对酚酸化合物的影响

1．1．3 土壤中酚酸化感物质的来源

1．1．4 酚酸物质化感作用的机制

1．2 河口红树林湿地保护区面临的问题

1．2．1 红树林生态系统重金属污染物的研究

1．2．2 互花米草入侵红树林湿地的研究

1．3 研究目的意义及主要内容

第二章 材料与方法

2．1 试验地概况

2．2 野外沉积物的采集与试验处理

2．3 植物材料的培养及试验处理

2．3．1 白骨壤幼苗与互花米草幼苗的培养

2．3．2 试验与处理设计

2．4 试剂与仪器

2．4．1 主要试剂

2．4．2 主要仪器

2．5 分析测试方法

2．5．1 生长和生理指标测定

2．5．2 沉积物理化指标的测定

2．5．3 沉积物中重金属形态测定

2．5．4 总Cd、Fe含量的测定

2．5．5 沉积物中二价铁含量的测定

2．5．6 沉积物和植物器官中化感物质酚酸含量的测定

2．6 统计分析

第三章 结果与讨论

3．1 重金属镉在红树林湿地的形态分布特征与沉积物理化性质关系

3．1．1 红树林湿地沉积物的理化性状

3．1．2 重金属在云霄漳江口红树林湿地沉积物中的空间分布

3．1．3 沉积物理化性质对Cd在红树林湿地不同样点柱状样沉积物中形态分布的影响

3．1．4 小结

3．2 红树林湿地沉积物酚酸的组成分布

3．2．1 酚酸标准样品色谱图

3．2．3 红树林湿地不同样点柱状样沉积物酚酸的含量

3．2．4 沉积物中酚酸含量与重金属Cd形态分布的关系

3．2．5 小结

3．3 镉胁迫下对白骨壤幼苗体内酚酸含量及生理的影响

3．3．1 Cd胁迫下白骨壤幼苗酚酸含量的变化

3．3．2 Cd胁迫对白骨壤幼苗PAL和PPO活性的影响

3．3．3 Cd胁迫对白骨壤幼苗叶绿素含量以及叶绿素a／b比值的影响

3．3．4 Cd在白骨壤幼苗根、茎、叶中的累积与分布

3．3．5 小结

3．4 酚酸对互花米草种子发芽及幼苗生长的影响

3．4．1 酚酸对互花米草种子发芽率、胚芽及胚根生长的影响

3．4．2 酚酸对互花米草幼苗根长、株高、叶片数和生物量的影响

3．4．3 小结

第四章 结论与展望

4．1 主要结论

4．2 研究特色与创新

4．3 不足之处与展望

参考文献

致谢