Cd胁迫对凤眼莲(Eichhornia crassipes)根系分泌及体内小分子有机物代谢的影响研究

摘要

水资源对人类生存至关重要，但随着工业发展和人类活动的加剧，水体重金属污染日益严重。研究表明，水生植物凤眼莲可以对水体中的多种重金属进行有效去除，具备修复水体重金属污染的潜力。本研究通过室内模拟水培凤眼莲幼苗，以不同浓度Cd2+(0、0.5、1、2、3mg/L)对其进行处理，在不同处理时间（1周、4周、7周）进行取样分析，探讨了Cd胁迫下凤眼莲基本生理指标（生物量、光合作用、Cd富集情况）及其根系分泌和体内小分子有机物（有机酸、氨基酸、可溶性糖）代谢的变化，并通过外源添加草酸和甘氨酸初步验证了这两种物质对凤眼莲富集Cd的影响。主要结论如下:
　　1、Cd胁迫下，凤眼莲的生长发育受到了明显的抑制作用。这种抑制作用体现在降低了凤眼莲的生物量（主要为茎叶部），减弱了凤眼莲的光合作用。就Cd在凤眼莲体内的分布情况来看，凤眼莲根部对Cd的富集量要高于茎叶部，但随着Cd胁迫浓度的升高和胁迫时间的延长，凤眼莲具备将更多的Cd从根部转移到茎叶部的能力。
　　2、Cd的加入会显著降低凤眼莲根系分泌物的pH，同时其TOC和TN的含量也会随之发生变化。草酸和酒石酸是凤眼莲根系分泌物中含量较高的两种有机酸。在Cd胁迫1周时，Cd的加入对这两种酸的分泌起到了一定的促进作用;在Cd胁迫4周时，Cd的加入对这两种酸分泌的影响体现在低浓度促进高浓度抑制;在Cd胁迫7周时，Cd的加入对这两种酸的分泌则是产生了一定的抑制作用。而在凤眼莲体内，草酸、柠檬酸和苹果酸是主要的有机酸，且茎叶部的含量要高于根部。在Cd胁迫1周时，Cd对凤眼莲根内有机酸的影响表现为促进柠檬酸和苹果酸的积累，抑制草酸的积累，对茎叶内有机酸的影响表现为促进草酸的积累，抑制柠檬酸和苹果酸的积累;在Cd胁迫4周时，Cd对凤眼莲根内有机酸的影响表现为抑制草酸和柠檬酸的积累，对茎叶内有机酸的影响表现为促进草酸的积累，抑制柠檬酸的积累;在Cd胁迫7周时，Cd对凤眼莲根内有机酸的影响主要体现在草酸和苹果酸的积累，表现为低浓度促进，高浓度抑制，对茎叶内机酸的影响表现为促进草酸的积累，抑制柠檬酸和苹果酸的积累。相关性分析结果表明，凤眼莲体内Cd含量与有机酸代谢水平之间存在显著相关性。
　　3、在凤眼莲根系分泌物中一共检测出了13种氨基酸成分，甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸是含量较高的三种氨基酸。Cd对凤眼莲根系总氨基酸分泌的影响较为明显，具体表现为:在Cd胁迫1周时，Cd的加入会促进根系氨基酸的分泌;在Cd胁迫4周时，Cd的加入对根系氨基酸的分泌未产生明显影响;在Cd胁迫7周时，Cd的加入抑制了根系氨基酸的分泌。在Cd胁迫1周和4周时，凤眼莲体内均是14种氨基酸被检出，同时Cd对凤眼莲茎叶内氨基酸总量的影响要高于根部，不同的是，在Cd胁迫1周时，Cd的加入会促进氨基酸在茎叶部的积累，在Cd胁迫4周时，Cd的加入则是抑制氨基酸在茎叶部的积累。在Cd胁迫7周时，凤眼莲体内只有12种氨基酸被检测到，半胱氨酸和苯丙氨酸未检测到，Cd的加入对凤眼莲体内氨基酸总量的影响要体现在抑制氨基酸在根部的积累。相关性分析结果表明，凤眼莲体内Cd含量与氨基酸代谢水平之间存在显著相关性。
　　4、在Cd胁迫1周时，凤眼莲根系分泌可溶性糖含量呈现出先升高后降低的趋势，在Cd胁迫4周和7周时，凤眼莲根系分泌可溶性糖含量均呈现出先降低后升高而后再降低的趋势。在Cd胁迫1周时，Cd的加入会促进凤眼莲根内可溶性糖的积累，对茎叶内可溶性糖含量的影响不大。在Cd胁迫4周时，Cd的加入会导致凤眼莲根内可溶性糖含量有所降低，对茎叶内可溶性糖的影响主要表现在高浓度促进(3mg/L)。在Cd胁迫7周时，Cd的加入会同时促进凤眼莲根和茎叶内可溶性糖的积累。相关性分析结果表明，凤眼莲体内Cd含量与可溶性糖代谢水平之间存在显著相关性。
　　5、外源添加草酸和甘氨酸对凤眼莲富集Cd的影响主要体现在促进Cd在根部的富集，其中甘氨酸的促进作用要强于草酸。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 水体中的Cd污染

1．1．1 水体中的Cd污染现状及原因

1．1．2 水体中的Cd对人体的危害

1．1．3 Cd对植物的毒害作用

1．2．1 限制Cd的吸收和转运

1．2．2 抗氧化系统

1．2．3 金属配体的螫合作用

1．2．4 细胞壁、液泡等细胞器的区室化作用

1．2．5 渗透物质的调节

1．3 根系分泌物的研究概况

1．3．1 根系分泌物的组成和分类

1．3．2 根系分泌物的产生机理

1．3．3 根系分泌物的功能

1．3．4 影响根系分泌物组成和含量的因素

1．3．5 根系分泌物的收集

1．3．6 根系分泌物的分离纯化与浓缩

1．3．7 根系分泌物的分析检测

1．4 凤眼莲在重金属污染水体修复中的作用

1．5 研究内容及技术路线

1．5．1 研究背景和意义

1．5．2 研究内容

1．5．3 技术路线

2 Cd胁迫下凤眼莲生理变化及对Cd的富集

2．1 前言

2．2 材料与方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 仪器与试剂

2．2．3 水培试验设计

2．2．4 凤眼莲生物量的测定

2．2．5 凤眼莲光合参数的测定

2．2．6 凤眼莲体内Cd含量的测定

2．2．7 数据分析

2．3 结果与分析

2．3．1 Cd胁迫下凤眼莲生物量的变化

2．3．2 Cd对凤眼莲光合作用的影响

2．3．3 凤眼莲对Cd的富集情况

2．4 讨论

2．5 小结

3 Cd胁迫对凤眼莲低分子量有机酸代谢的影响

3．1 前言

3．2 材料与方法

3．2．1 仪器与试剂

3．2．2 根系分泌物的收集

3．2．3 根系分泌物pH和TOC／TN的测定

3．2．4 有机酸检测方法的选择

3．2．5 LC-MS／MS测定有机酸

3．2．6 根系分泌物中有机酸的测定

3．2．7 凤眼莲体内有机酸的提取及测定

3．3．1 Cd胁迫下凤眼莲根系分泌物pH的变化

3．3．2 Cd胁迫下凤眼莲根系分泌物TOC和TN的变化

3．3．3 Cd胁迫下凤眼莲根系分泌有机酸的变化

3．3．4 Cd胁迫下凤眼莲体内有机酸的变化

3．4 讨论

3．5 小结

4 Cd胁迫对凤眼莲氨基酸代谢的影响

4．1 前言

4．2．2 LC-MS／MS测定氨基酸条件

4．2．4 凤眼莲体内氨基酸的提取及测定

4．3 结果与分析

4．3．1 Cd胁迫下凤眼莲根系分泌氨基酸的变化

4．3．2 Cd胁迫下凤眼莲体内氨基酸的变化

4．3．3 凤眼莲体内Cd含量与氨基酸的相关性分析

4．4 讨论

4．5 小结

5 Cd胁迫对凤眼莲可溶性糖代谢的影响

5．1 前言

5．2 材料与方法

5．2．1 仪器与试剂

5．2．2 葡萄糖标准曲线的制作

5．2．3 根系分泌物中可溶性糖的测定

5．2．4 凤眼莲体内可溶性糖的提取及测定

5．3 结果与分析

5．3．1 Cd胁迫下凤眼莲根系分泌可溶性糖的变化

5．3．2 Cd胁迫下凤眼莲体内可溶性糖的变化

5．3．3 凤眼莲体内Cd含量与可溶性糖的相关性分析

5．4 讨论

5．5 小结

6 外源添加有机酸和氨基酸对凤眼莲富集Cd的影响

6．1 前言

6．2 材料和方法

6．2．1 仪器与试剂

6．2．2 外源添加模拟实验

6．2．3 凤眼莲体内Cd含量的测定

6．3 结果与分析

6．3．1 外源添加草酸对凤眼莲体内Cd含量的影响

6．3．2 外源添甘氨酸对凤眼莲体内Cd含量的影响

6．4 讨论

6．5 小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢