尾矿砂锰超富集植物鸭跖草的富集机制研究及其应用展望

摘要

超富集植物是一种极端的金属积累型，因其超寻常的重金属积累能力而被广泛应用于污染环境修复。因此，筛选生长快、地理分布广，适应性强的锰超富集植物，探讨植物的锰超富集机制，是开展锰污染环境植物修复的关键科学问题。
　　 通过对湘潭锰尾矿废弃地系统调查，发现鸭跖草(Commelinacommunis L.)可能是一种新的锰超富集植物。通过温室培养，采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)、透射电镜—能谱联用技术、傅里叶红外光谱分析技术(FTIR)等研究鸭跖草的锰富集特性、鸭跖草锰耐性的FTIR分析、鸭跖草锰富集的生理响应，以期探讨鸭跖草的锰超富集机制，为锰污染环境修复和锰尾矿废弃地生态重建提供科学依据。
　　 鸭跖草是一种新发现的锰超富集植物。鸭跖草叶中的Mn含量远远高于茎和根中的Mn含量;水培条件下，在Mn处理浓度为500μmol·L-1时，鸭跖草叶片中Mn含量高达13140 mg·kg-1，而无明显受害症状;随着Mn供应水平的提高，鸭跖草叶中的Mn含量持续增加，并在Mn处理浓度为15000μmol·L-1时达到最大值415440mg·kg-1。随Mn处理浓度的提高，鸭跖草不同组织器官内Mn含量逐渐增加，Ca，Mg和Fe含量则随Mn含量的增加而减少，但都维持在正常水平范围内。
　　 红外光谱研究表明，鸭跖草茎组织在处理浓度500μmol·L-1后3420和2926 cm-1处峰高先上升后下降，反映糖类和氨基酸等有机物在低Mn处理浓度下往往作为渗透性调节物质出现，其含量升高，但随着Mn含量的升高，其合成和运输受限，含量逐渐下降;鸭跖草根2926cm-1处200μmol·L-1后峰高先减弱后增强，说明鸭跖草分泌的有机酸不断螯合Mn2+，造成羧酸O-H的减少，随着锰毒害的加重，其羧酸螯合能力变弱。叶组织在1640cm-处的显著吸收峰可能与鸭跖草叶中氨基酸、多肽和蛋白质类物质含量升高有关，或与根部输送的羧酸盐过多有关，且与根部此处峰值的下降趋势吻合;鸭跖草根、茎、叶的1060 cm-1处在最高浓度下峰值的变化，主要表现是膜脂过氧化，这可能是鸭跖草的锰耐性有关。
　　 透射电镜—能谱联用仪研究发现，当Mn处理浓度为1000μmol· L-1时，鸭跖草根、茎和叶细胞结构完整，细胞器清晰可见，未发生任何损伤。当Mn处理浓度为10000μmol· L-1时，鸭跖草组织细胞内细胞器未发生缺失。然而，根细胞内线粒体数量减少，茎细胞的线粒体嵴数量减少变得稀疏、叶绿体开始受损，叶细胞叶绿体膜结构出现破损，基粒片层结构减少，嗜锇颗粒数量明显减少。随着锰处理浓度的提高，锰在鸭跖草叶细胞内和细胞间隙以针状结晶物出现。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 文献综述

1．1 引言

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究目的和意义

1．2 重金属污染修复技术的研究现状

1．2．1 土壤重金属污染修复技术的研究现状

1．2．2 植物修复技术

1．3 超富集植物和富集机理研究现状

1．3．1 超富集植物

1．3．2 锰超富集植物

1．3．3 锰超富集植物富集机理

1．4 研究内容

1．5 技术路线

第二章 鸭跖草的锰富集特性研究

2．1 材料和方法

2．1．1 研究材料

2．1．2 温室培养

2．1．3 植物样品预处理

2．1．4 植物样品元素含量测定

2．1．5 数据处理

2．2 结果与分析

2．2．1 锰对鸭跖草生长发育的影响

2．2．2 锰供应水平对鸭跖草锰富集的影响

2．2．3 鸭跖草对矿质元素吸收

2．3 讨论

2．3．1 鸭跖草对锰的吸收和富集能力

2．3．2 高锰胁迫下，鸭跖草组织Ca和Mg含量仍处正常范围

2．3．3 锰对鸭跖草吸收其他元素的影响

2．4 结论

第三章 鸭跖草锰耐性的FTIR分析研究

3．1 研究材料与方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验方法

3．1．3 傅里叶红外光谱分析

3．2 结果与讨论

3．2．1 鸭跖草根的FTIR分析

3．2．2 鸭跖草茎的FTIR分析

3．2．3 叶的FTIR分析

3．3 结论

第四章 鸭跖草锰富集的生理响应

4．1 实验材料与方法

4．1．1 实验植物

4．1．2 营养液培养

4．1．3 透射电子显微镜样品制备

4．2 结果与讨论

4．2．1 锰对鸭跖草根细胞超微结构的影响

4．2．2 锰对鸭跖草茎细胞超微结构的影响

4．2．3 锰对鸭跖草叶细胞超微结构的影响

4．2．4 锰在鸭跖草叶内的亚细胞分布

4．3 结论

第五章 鸭跖草超富集机制研究的应用与展望

5．1 应用展望

5．2 研究展望

5．2．1 同步辐射X射线吸收光谱分析

5．2．2 硬X射线微聚焦分析

第六章 主要结论与创新点

6．1 主要结论

6．2 创新点

参考文献

硕士期间取得的成果