水蜈蚣(Kyllinga brevifolia Rottb)对镉的积累特征研究

摘要

植物修复技术作为一种新兴的污染环境修复技术，以其独特的优势在重金属污染土壤的修复中得到了广泛认可。目前，国内外的学者已经对部分植物的重金属污染修复潜力进行了研究，但在土壤重金属污染日趋严重的背景下，更多的对重金属有高积累能力的植物的发现和应用仍具有重要的现实意义。水蜈蚣（Kyllinga brevifolia Rottb）为多年生草本植物，分布广泛，生命力强，有研究指出，其对Pb有明显的积累效果，而目前有关水蜈蚣对Cd的积累特征的报道甚少。本研究以矿山生态型水蜈蚣和非矿山生态型水蜈蚣为试验材料，采用室内盆栽试验，系统研究了两种生态型水蜈蚣对Cd的积累特征，包括在不同浓度Cd处理条件下两种生态型水蜈蚣的植株生长情况、Cd含量、Cd积累量、Cd在植株体内的亚细胞分布及其化学形态、Cd在根际与非根际土壤中的不同分级、根际土壤pH和水溶性有机质(DOM)含量的变化情况、水蜈蚣体内非蛋白巯基(NPT)、谷胱甘肽(GSH)和植物络合素(PC)含量的变化情况等，取得的主要研究结果如下:
　　(1)随着Cd处理浓度的增加，两种生态型水蜈蚣的生物量均呈现降低的趋势，且非矿山生态型地上部和地下部生物量大于矿山生态型;植株地上部和地下部Cd含量均显著增加，且非矿山生态型增幅大于矿山生态型。在200 mg·kg-1Cd处理时，非矿山生态型地上部Cd含量和Cd积累量最高，分别为105.13mg·kg-1～498.66 mg·kg-1和65.52μg·pot-1～154.06μg·pot-1，其地下部的Cd含量和Cd积累量分别为325.83 mg·kg-1～1016.09 mg·kg-1和89.60μg·pot-1～229.39μg·pot-1，均高于矿山生态型，表现出较强的Cd积累能力。两种生态型水蜈蚣的富集系数在不同浓度Cd处理条件下均大于或接近于1，将土壤中的Cd吸收转移到体内的能力较强。两种生态型水蜈蚣对Cd污染土壤均具有较强的净化能力，在高浓度（50和200 mg·kg-1）Cd污染土壤中，非矿山生态型表现出一定的Cd积累优势。
　　(2)两种生态型水蜈蚣根际土壤pH和DOM含量均高于非根际土壤。随着Cd处理浓度的增加，矿山生态型水蜈蚣根际土壤pH增加了0.06～0.18个单位，非矿山则增加了0.03～0.19个单位。在不同浓度Cd处理条件下，非矿山生态型水蜈蚣根际土壤DOM含量在45.77～100.82 mg·kg-1之间，在Cd处理浓度为10mg·kg-1时达到最高值100.82 mg·kg-1，是非根际土壤DOM含量的1.39倍。矿山生态型水蜈蚣根际土壤DOM含量的变化幅度较小，在25.12～85.04 mg·kg-1之间。在两种生态型水蜈蚣植株体内，交换态和Fe-Mn氧化物结合态为Cd的主要存在形态，且不同形态Cd的含量随着Cd处理浓度的增加而增加，根际土壤交换态Cd含量低于非根际土壤。非矿山生态型水蜈蚣根际土壤中去离子水提取态和碳酸盐结合态等迁移能力较强形态的Cd含量均高于矿山生态型。
　　(3)从亚细胞分布情况来看，在两种生态型水蜈蚣植株体内，Cd主要分布在细胞壁(24.02％～53.54％)和可溶性组分(20.01％～55.64％)中，且非矿山生态型这两种组分中Cd所占的比例高于矿山生态型，表明水蜈蚣通过增加Cd在活性较低的细胞组分中的分布来增强植株对Cd的积累能力。在两种生态型水蜈蚣体内，Cd的主要存在形态为氯化钠提取态和醋酸提取态，地下部这两种组分中的Cd所占比例较高。在非矿山生态型水蜈蚣体内，乙醇提取态等易于向地上部迁移形态的Cd含量大于矿山生态型，一定程度上利于Cd由地下部向地上部的运输，进而使非矿山生态型水蜈蚣地上部对Cd的积累能力强于矿山生态型。
　　(4)在Cd胁迫条件下，非矿山生态型水蜈蚣细胞内非蛋白巯基(NPT)、植物络合素(PC)和谷胱甘肽(GSH)的含量随着Cd处理浓度的增加先增加后下降。表明Cd胁迫显著诱导了NPT、PC和GSH的合成。水蜈蚣地上部NPT、GSH和PC的最高含量分别达到0.97、0.91和0.18 nmol· g-1 FW，地下部则分别达到1.06、0.89和0.29 nmol·g-1 FW。水蜈蚣地上部三种巯基化合物含量大于地下部，有助于水蜈蚣地下部与更多的Cd进行络合，减少其向地上部的运输，并降低Cd对植株的危害，为应用水蜈蚣修复Cd污染土壤提供了理论依据。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 绪论

1 立题依据

2 国内外研究现状

2．1 镉对植物的影响

2．2 植物对镉的耐性

2．3 根际土壤特性

2．4 重金属在土壤中的化学形态

3 研究内容和技术路线

3．1 研究内容

3．2 技术路线

第二章 水蜈蚣对镉的积累特征

1 材料与方法

1．1 供试材料

1．2 试验设计与处理

1．3 测定项目及方法

1．4 数据处理

2 结果与分析

2．1 不同镉处理对两种生态型水蜈蚣生物量的影响

2．2 不同镉处理对两种生态型水蜈蚣镉积累特性的影响

2．3 两种生态型水蜈蚣对镉污染土壤的净化能力

3 讨论

4 小结

第三章 镉在水蜈蚣根际的分布特征

1 材料与方法

1．1 供试材料

1．2 试验设计与处理

1．3 测定项目及方法

1．4 数据处理

2 结果与分析

2．1 不同镉处理对两种生态型水蜈蚣生物量的影响

2．2 不同镉处理对两种生态型水蜈蚣镉含量的影响

2．3 水蜈蚣根际土壤pH和DOM含量的变化

2．4 水蜈蚣根际土壤镉形态变化

3 讨论

4 小结

第四章 镉在水蜈蚣中的亚细胞分布与化学形态

1 材料与方法

1．1 供试材料

1．2 试验设计与处理

1．3 测定项目及方法

1．4 数据处理

2 结果与分析

2．1 不同镉处理对两种生态型水蜈蚣生物量的影响

2．2 不同镉处理对两种生态型水蜈蚣镉含量的影响

2．3 镉在两种生态型水蜈蚣中的亚细胞分布

2．4 镉在两种生态型水蜈蚣中的化学形态

3 讨论

3．1 镉在两种生态型水蜈蚣中的亚细胞分布

3．2 镉在两种生态型水蜈蚣中的化学形态

4 小结

第五章 镉胁迫条件下水蜈蚣体内非蛋白巯基的变化

1 材料与方法

1．1 供试材料

1．2 试验设计与处理

1．3 测定项目及方法

1．4 数据处理

2 结果与分析

2．1 不同镉处理对水蜈蚣生物量的影响

2．2 不同镉处理对水蜈蚣镉含量的影响

2．3 不同镉处理对水蜈蚣非蛋白巯基的影响

3 讨论

4 小结

第六章 全文主要结论及研究展望

1 全文主要结论

2 研究展望

参考文献

致谢

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