沉水植物对砷的富集特征及机理研究

摘要

近些年，水体砷污染问题日趋严重，其治理已成为国内外共同面临的难题。植物修复技术是目前最有前景的土壤或水体污染修复技术，是土壤学、植物学、环境科学等领域的重要研究前沿之一。沉水植物处于食物链的底端且对水体中的砷有较好的富集作用。研究沉水植物对砷的富集特征及机理，将为发展廉价、高效、环境友好的水体砷污染植物修复技术提供合适的物种资源，为保障人、动物健康提供理论依据及技术支撑。本论文在对常见沉水植物（苦草、狐尾藻、黑藻、菹草及金鱼藻）富砷能力筛选的基础上，着重以苦草为研究对象，较系统地探讨了沉水植物对水体中砷的富集特征及解毒机制，取得的主要结果如下: (1)苦草、黑藻、菹草、狐尾藻及金鱼藻加砷水培试验研究结果表明，在用5 mg/L As(Ⅴ)处理7d后，5种沉水植物中砷浓度都超过1000 mg/kg(dw)，对砷的富集系数(BCF)都超过220。因此这5种沉水植物都能富集大量的砷，对污染水体中的砷都有较好的去除作用。五种沉水植物对砷的富集能力:苦草＞黑藻＞菹草＞狐尾藻＞金鱼藻，苦草对砷富集能力显著高于其它4种沉水植物(p＜0.05)。在用5 mg/L As(Ⅴ)处理7d后，苦草中砷含量超过1800 mg/kg(dw)，富集系数(BCF)超过了360，这表明苦草对砷污染的水体有着很好的修复效果。有根系的沉水植物（苦草、黑藻、菹草、狐尾藻）能显著比没有根系的金鱼藻富集更多的砷，根系可能在沉水植物吸收水中污染物质的过程中也有着重要的作用。 (2)苦草在不同砷水平（0、0.1、0.2、0.5、1.0和2.0 mg/L）处理下均生长良好，即使在最高砷浓度2.0 mg/L，苦草的生长在整个试验时间(28d)内都没有受到抑制，苦草生物量的变化与没有添加砷的对照相比没有显著的差异(p＞0.05)，这表明苦草对砷有很好的耐受性。不同砷水平处理下，苦草对砷的吸收随时间的增加而增加，用0.2 mg/L砷处理21 d，苦草的对砷的富集能达到1300倍。时间和外源砷浓度是影响苦草富集砷的两个重要因素。苦草中砷浓度与时间、外源砷浓度之间显著正相关。 (3)不同pH（5、7和9）水培试验研究结果表明，水体pH为7左右是苦草生长最适宜的酸碱度。pH过高(9)或过低(5)都会明显降低苦草中叶绿素的含量，抑制植物的光合作用。砷胁迫也能引起苦草中叶绿素含量的下降，这种抑制作用随砷浓度的增加而加剧，但在0～2 mg/L的范围内并没有对苦草的生长产生明显的影响，这可能是苦草的生长还与其它因素（如温度、营养水平及时间等）有关。 (4)在pH5-9的范围内，苦草对砷的吸收是随着pH的升高而增加。这可能是随pH升高，溶液中AsO43-形态增加，苦草中磷-砷转蛋白对电负性相对较强的AsO43-比电负性相对较弱的HAsO42-、H2AsO4-亲和性更强。随着pH的升高，苦草各亚细胞组分（F1:细胞壁组分;F2:细胞器组分，F3:可溶性组分）中砷的含量都有增加的趋势，但在可溶性组分F3中增加最多。这表明因pH升高增加苦草吸收的砷主要存储在液泡中。 (5)苦草中砷价态分析结果表明，苦草对As(Ⅴ)吸收后在植物体内有较强的还原能力，As(Ⅲ)是苦草体中砷的主要存在形态。在用0.5、2 mg/L As(Ⅴ)处理7d后，富集到苦草体内69％以上的As(Ⅴ)被还原成As(Ⅲ)。苦草对As(Ⅴ)的还原能力随As(Ⅴ)浓度增加而降低，不同浓度砷处理下苦草的还原能力存在显著性差异(p＜0.05)。pH的改变也会影响苦草对砷的还原能力，如pH5时95％的As(Ⅴ)被还原为As(Ⅲ)，pH9时，仅82％的As(Ⅴ)被还原为As(Ⅲ)。 (6)酶系统（SOD、CAT和APX）在苦草抵抗砷毒害过程中发挥的作用并不明显，苦草主要是通过非酶系统(-SH)的作用来降低砷对植物体的毒害，砷处理会刺激苦草中非酶物质巯基类化合物合成，使得苦草中非酶物质巯基类化合物浓度的有所升高，但是苦草的这种合成能力是有限的。 (7)苦草各亚细胞组分中砷的分析结果表明，富集到苦草体内的绝大部分砷和As(Ⅲ)存储在液泡中(＞64％)。苦草的细胞壁对砷有一定的固持作用，但相对其它植物来说，苦草的这种作用比较有限，仅18％左右的砷被细胞壁所固持。SEM+EDX结果也证实苦草对砷的吸附较弱。苦草对砷的隔离区域化及对As(Ⅴ)较强的还原能力可能是苦草对砷表现出较高富集能力及较强耐受性的重要原因。 (8)磷与砷的相互作用试验证实苦草对As(Ⅴ)的吸收是通过磷的通道进行的，磷能明显影响苦草对砷的吸收。随着磷供给的增加，苦草中对砷的吸收呈先升高后降低的趋势。这可能是在磷供给充足的情况下，磷转运蛋白对磷比对砷有着更高的亲和力，磷酸盐与砷酸盐之间的竞争抑制了苦草对砷酸盐的吸收，磷可以在一定程度上缓解砷对苦草的毒性。因此，适量的磷水平下能增加苦草对砷的吸收，提高修复效率。 (9)硫与砷的相互作用结果表明，加硫处理能增加苦草对砷的吸收。但是当培养液中硫浓度＞30 mg/L，硫促进苦草中砷的积累作用不再明显。加硫处理能提高苦草中的抗氧化酶(SOD、POD、APX)活性及巯基类化合物的合成，从而降低砷对植物的毒害作用。因此施用一定量的硫能显著促进砷在苦草中的积累，提高苦草对砷的耐受性。

目录

声明

论文说明

致谢

图表目录

摘要

第一章 绪论

1 环境中的砷

1．1 砷元素

1．2 水体砷的来源

1．3 水体砷污染的现状

2 水体砷污染的去除

2．1 沉淀法

2．2 吸附法

2．3 离子交换法

2．4 膜分离技术

2．5 生物技术

2．6 其它除砷技术

3 水生植物对砷的富集

3．1 植物对砷的吸收

3．2 砷对植物生长的影响

3．3 植物对砷的解毒机制

3．4 植物富集砷的影响因素

4 研究背景、内容及技术路线

4．1 研究背景

4．2 研究内容

4．3 技术路线

第二章 不同沉水植物对砷富集的差异性及时间、浓度对苦草富集砷的影响

1 引言

2 材料与方法

2．1 沉水植物材料

2．2 试验方法

2．3 数据处理

3 结果与分析

3．1 不同沉水植物对砷的富集能力

3．2 不同砷水平处理下苦草生物量随时间的动态变化

3．3 不同砷水平处理下苦草对砷富集随时间的动态变化

3．4 苦草中砷浓度与外源砷浓度之间的关系

4 讨论

4．1 不同沉水植物对砷富集的差异性

4．2 苦草对砷富集的特征

5 小结

第三章 苦草对砷的抗氧化反应及解毒机理

1 引言

2 材料与方法

2．1 植物的预培养

2．2 砷处理的水培试验

2．3 叶绿素含量的测定

2．4 丙二醛(MDA)的测定

2．5 抗氧化酶(SOD、CAT、APX)活性的测定

2．6 巯基类化合物(Thiols)的测定

2．7 As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的测定

2．8 数据处理

3 结果与分析

3．1 砷处理对叶绿素含量的影响

3．2 砷胁迫下苯二醛(MDA)含量的变化

3．3 砷胁迫下抗氧化酶(SOD、CAT、APX)活性的变化

3．4 砷胁迫下巯基类化合物(Thiols)含量的变化

3．5 砷在苦草体内的价态变化

4 讨论

4．1 砷胁迫对苦草光合作用的影响

4．2 砷处理引起的氧化胁迫

4．3 苦草抗氧化酶系统变化与砷胁迫的关系

4．4 苦草非酶系统变化与砷胁迫的关系

4．5 苦草对砷的还原能力

5 小结

第四章 砷在苦草中的微区分布及价态分析

1 引言

2 试验方法

2．1 植物材料

2．2 苦草亚细胞组分的分离

2．3 As(Ⅲ)、As(Ⅴ)的测定

2．4 扫描电子显微镜与能谱检测的样本制备

2．5 数据处理

3 结果与分析

3．1 各亚细胞组分中砷的含量

3．2 各亚细胞组分中砷的价态

3．3 能谱分析

4 讨论

4．1 砷在苦草亚细胞中的分布

4．2 苦草各亚细胞组分中砷的价态分析

4．3 电镜及能谱分析结果

5 小结

第五章 pH、磷和硫对苦革富集砷的影响

1 引言

2 试验方法

2．1 植物的预培养

2．2 pH对苦草富集砷的影响试验

2．3 磷对苦草富集砷的影响试验

2．4 硫对苦草富集砷的影响试验

2．5 砷的测定

2．6 巯基类化合物(Thiols)的测定

2．7 苯二醛(MDA)的测定

2．8 数据处理

3 结果与分析

3．1 不同pH砷处理下苦草叶绿素含量的变化

3．2 不同pH下苦草对砷的富集

3．3 不同pH下苦草各亚细胞组分中砷含量的变化

3．4 磷对苦草吸收砷的影响

3．5 硫对苦草吸收砷的影响

4 讨论

4．1 pH对苦草光合作用的影响

4．2 pH对苦草积累砷的影响

4．3 pH对砷在亚细胞中分布的影响

4．4 不同磷水平对苦草富集砷的影响

4．5 不同硫水平对苦草富集砷的影响

4 小结

第六章 结论与展望

1 研究结论

1．1 不同沉水植物对砷富集的差异性及时间、浓度对苦草富集砷的影响

1．2 苦草对砷的抗氧化反应及解毒机理

1．3 砷在苦草中的微区分布及价态分析

1．4 pH、磷和硫对苦草富集砷的影响

2 创新点

3 展望

参考文献

攻读博士学位期间主要成果