土壤-超积累植物体系中稀土元素的空间富集-分异特征与富集机理

离子吸附型稀土矿是我国南方特色的优质稀土资源,但由于落后的采矿方式和无节制的开采,大量稀土元素(稀土元素+Y,简称稀土元素)被带入环境中,导致稀土矿区周边出现许多环境污染和植被退化问题。乌毛蕨是一种对稀土元素具有较强耐受性和超强富集能力的蕨类超积累植物,能被用于稀土污染土壤或尾矿的生态修复。本研究以离子吸附型矿区表生土壤上生长的稀土超积累植物乌毛蕨及其根际土为研究对象,通过化学消解和ICP-MS方法测定根际土、根表、根部、叶柄、叶片中稀土元素的含量,分析土壤–植物体系中稀土元素的空间分布、富集与分异特征;采用顺序提取法测定土壤中不同化学形态的稀土元素含量,同时利用微区X射线荧光光谱(μ-XRF)与扫描电镜能谱分析技术(SEM-EDS),阐明乌毛蕨对稀土元素的吸收与富集机理。化学测试结果表明,乌毛蕨对稀土元素有较强的富集和地上转运能力,富集系数(BF)和转移系数(TF)分别为2.61和2.85;植物器官富集能力顺序为:叶片(1750μg/g)>根部(512μg/g)>叶柄(56.5μg/g);植株整体稀土元素配分模式具有与根际土相似的富轻土元素和Ce负异常特征,不同的是,植株整体Eu无异常(根际土δEu=0.51);根际土壤中富集离子交换态的轻稀土离子(34%~64%,(La/Yb)N=2.36),与根系表面呈轻微富轻稀土元素((La/Yb)N=1.29)的现象暗示根际大部分轻稀土元素能以离子形式被根系吸收,重稀土元素与有机配体络合而被吸附在根系表面;稀土元素在向上迁移过程中,(La/Yb)N值下降(叶柄=27.63,叶片=17.17),揭示木质部伤流液的重稀土元素可能比轻稀土元素更容易向上迁移;μ-XRF与SEM-EDS结果显示,乌毛蕨地上部的超富集器官(叶片)将稀土元素主要储存在叶缘的表皮层细胞,且能将大部分非生理需要的稀土元素有效区室化。上述认识揭示了在离子吸附型稀土矿区表生环境中,稀土元素从土壤向植物体内迁移并在地上部富集与分异的过程、规律和主要原因,为今后利用稀土超积累植物实现植物采矿或稀土尾矿生态修复提供科学认知基础。

土壤类型对超积累植物东南景天叶际微生物群落结构和功能的影响

叶际微生物在促进植物生长、抵御生物和非生物胁迫中发挥重要作用。然而,目前对重金属超积累植物叶际微生物的群落结构和功能缺乏了解。本试验采用16S rRNA基因高通量测序,研究了红壤、紫色土、水稻土、青紫泥4种不同土壤类型对镉超积累生态型和非超积累生态型东南景天叶际微生物群落结构和功能的影响。结果表明:在青紫泥和水稻土中,东南景天叶际放线菌门和诺卡菌属微生物的相对丰度更高,而在红壤和紫色土中,东南景天叶际变形菌门、拟杆菌门、绿弯菌门微生物的相对丰度更高;在不同土壤中,超积累生态型东南景天叶际诺卡菌属、鞘氨醇单胞菌属和甲基杆菌属微生物的相对丰度均高于非超积累生态型。土壤类型和生态型显著影响东南景天叶际微生物的群落结构,且土壤类型的影响更大,解释了28.17%的群落变异。与青紫泥和紫色土相比,水稻土和红壤中叶际微生物的共存网络更为复杂;而所有土壤中超积累生态型叶际微生物的共存网络比非超积累生态型更为复杂。基于PICRUSt2软件的功能预测结果表明,土壤类型显著影响东南景天叶际微生物的谷胱甘肽代谢、D-谷氨酰胺和谷氨酸代谢、细菌趋化等通路的相对丰度(p<0.01),而在不同土壤中,超积累生态型叶际微生物的碳水化合物代谢(柠檬酸循环)、氨基酸代谢(谷胱甘肽代谢、苯丙氨酸代谢、半胱氨酸和甲硫氨酸代谢)通路的相对丰度显著高于非超积累生态型(p<0.01)。综上所述,土壤类型显著影响东南景天叶际微生物的群落结构和功能,且超积累生态型叶际微生物比非超积累生态型具有更强的镉胁迫抵抗能力。

一种新发现的镉超积累植物——钻叶紫菀(Aster subulatus Michx.)

通过野外调查和温室营养液砂培试验,发现并鉴定出钻叶紫菀(Aster subulatus Michx.)是一种新的镉(Cd)超积累植物。调查结果发现,钻叶紫菀对土壤中高含量的Cd有很强的忍耐、吸收和积累能力,其地上部茎、叶Cd含量分别为90.0—150.7mg/kg和119.8—172.6mg/kg,平均值分别为132.8mg/kg和139.2mg/kg。砂基营养液培养试验证明,钻叶紫菀对生长介质中的Cd有很强的忍耐能力,当生长介质中Cd浓度高达150mg/L时,植株仍生长正常,其株高与对照相比无显著差异;地上部Cd含量及其积累量均随生长介质中Cd浓度的增加而增加,当生长介质中Cd浓度为120mg/L时,地上部茎Cd含量和积累量达到最高值,分别为5672.50mg/kg、4.93mg/株。结果表明,钻叶紫菀是一种新的Cd超积累植物,为今后探明植物超积累Cd的机理和Cd污染土壤的植物修复提供一种新的种质资源。

中国首次发现的锰超积累植物——商陆

自 2 0 0 0年以来 ,对位于湖南省湘潭锰矿污染区的植物和土壤进行了一系列的野外调查 ,以着力寻找锰的超积累植物。结果表明 ,商陆科植物商陆对锰具有明显的富积特性 ,叶片内锰含量最高达 1 92 99mg/ kg。这一发现填补了我国锰超积累植物的空白 。

间作条件下超积累和非超积累植物对重金属镉的积累研究

通过温室盆栽试验,研究了超积累植物龙葵、非超积累植物黑麦草、苋菜分别与玉米间作条件下对重金属Cd的积累特性。结果表明,几种间作作物中地上部生物量最大的是龙葵,其次是苋菜,最小的是黑麦草,其中土壤Cd浓度为1.59mg/kg时,龙葵地上部生物量分别是苋菜、黑麦草的2.41、10.6倍;土壤Cd浓度为1.92mg/kg时,龙葵地上部生物量分别是苋菜、黑麦草的2.42、9.06倍,3种富集植物地上部生物量的差异达到显著水平。玉米间作条件下超积累植物龙葵各器官中Cd含量表现为叶>茎>籽粒>根,即地上部大于根部;而苋菜中Cd含量表现为根>茎>叶,黑麦草中Cd含量表现为根部>地上部,即非超积累植物Cd含量为根部大于地上部。土壤中Cd含量为1.59mg/kg时,龙葵地上部Cd累积量分别为苋菜、黑麦草的28.0、59.9倍;龙葵的富集系数是苋菜、黑麦草的28.2、59.3倍,转运系数分别是苋菜、黑麦草的8.08、55.9倍。土壤中Cd含量为1.92mg/kg时,龙葵地上部Cd累积量分别为苋菜、黑麦草的30.8、43.5倍;龙葵的富集系数分别是苋菜、黑麦草的29.4、41.4倍,转运系数分别是苋菜、黑麦草的7.98、53.6倍。综上可知,超积累植物龙葵对土壤中Cd的吸收与转运能力远远大于非超积累植物苋菜、黑麦草,龙葵是最理想的与玉米间作的Cd污染土壤修复的植物修复材料。

一种新发现的湿生铬超积累植物——李氏禾(Leersia hexandra Swartz)

通过对广西某电镀厂附近的植物和土壤的野外调查,发现了湿生铬超积累植物--李氏禾（Leersia hexandra Swartz）.结果表明,多年生禾本科李氏禾对铬具有明显的超积累特性,叶片内平均铬含量达1786.9mg/kg,变化范围为1084.2～2977.7mg/kg;叶片内铬含量与根部土壤中铬含量之比最高达56.83,叶片内铬含量与根茎中铬含量之比最高达11.59,叶片内铬含量与水中铬含量之比最高达517.86.李氏禾不仅对铬有很强的富集能力,而且具有生长快、地理分布广、适应性强的特点,因此李氏禾的发现将为植物的铬超积累机理与铬污染环境的植物修复研究提供新的重要物种.

铜矿区超积累Cu植物的研究

Plant species distributing in three Cu mining area were investigated, and Cu concentrations in soils and plants were analyzed. The results showed that Cu ore deposit mostly was distributed at the altitude of about 630 m. Elsholtzia splendens and Rumex acetosa were distributed only on the Cu ore deposit or the place with high Cu concentration, and the maximum Cu concentrations in these two plants were 1060 mg·kg -1 DW and 1006 mg·kg -1 DW, which reached the critical of hyperaccumulator. Cu accumulations in Elsholtzia splendens and Rumex acetosa were positively and closely correlated with Cu concentration in soil.

修复铀污染土壤超积累植物的筛选及积累特征研究

采用土壤盆栽试验,以十字花科、锦葵科、菊科共十种植物为研究材料,在100mg/kg铀浓度土壤环境中培养55d后收割,采用ICP-AES分析方法测定植物地上部分和根部铀的含量。结果表明:试验的十种植物中,特选榨菜地上部分铀含量最高(1115mg/kg干重),艾蒿地上部分铀提取量最大(1113μg/盆);泡青菜和特选榨菜地上部分铀含量高于根部,迁移系数、生物富集系数均大于1,这两种植物地上部分均有较高的铀提取量,适合推荐作为铀超积累植物进行植物修复。

磷对超积累植物——东南景天生长和积累锌的影响

通过溶液培养试验 ,探讨了东南景天植株体内磷锌相互关系 .结果表明 ,在一定范围内供磷 ( 0 5— 2 0mmol·L- 1)能明显促进东南景天的生长 ,显著提高叶片、茎和根的生物量 .适当的增磷 ( 0 5— 1 0mmol·L- 1)极显著提高东南景天叶片、茎的锌含量和地上部的锌积累量 ;高磷 ( 2 0mmol·L- 1)则降低地上部的锌含量和积累量 .无论在何种磷锌水平处理下S(地上部的锌积累量 ) R(根系的锌积累量 )比值始终大于 1,表明在东南景天植株体内可能存在明显的“增磷诱导锌需求 (Phosphorus inducedzincrequirement)”现象 .从植物修复角度来说 。

超积累植物龙葵及其对镉的富集特征

超积累植物筛选是重金属污染土壤植物提取修复的基础和核心问题,同时也是污染环境植物修复的难点及前沿.杂草具有抗逆境能力强、生长迅速、繁殖能力强以及在环境条件适宜情况下生物量能够急剧提高等特点,可以弥补现有超积累植物的某些缺点和不足,是较理想的超积累植物资源.本文通过室外盆栽模拟试验及重金属污染区采样分析试验,首次发现并证实杂草龙葵(SolanumnigrumL .)是一种Cd超积累植物.其中,盆栽试验表明,在Cd污染水平为2 5mg/kg条件下,龙葵茎及叶的Cd含量分别超过了1 0 0mg/kg这一公认Cd超积累植物应达到的临界含量标准,其地上部Cd含量大于其根部Cd含量,且地上部Cd富集系数大于1 ,同时,与对照相比,植物的生长未受到抑制.污染区采样分析试验进一步表明,龙葵对Cd的富集符合Cd超积累植物的基本特征.这一通过未污染区对超积累植物进行筛选的方法,可以为Cd污染土壤的植物修复获得更多具有实用价值的新材料.

古老铅锌矿山生态型东南景天对锌耐性及超积累特性的研究

植物长期生长在重金属污染的生境中 ,逐渐进化成不同的生态型。通过调查中国东南部古老 Pb/ Zn矿和非矿山生境中的植物种群 ,发现生长在古老 Pb/ Zn矿的东南景天 (Sedum alfredii Hance)是一种新的 Zn超积累植物。在自然和控制条件下 ,古老 Pb/ Zn矿生态型比非矿山生态型植株的茎粗、叶片大、植株高。在矿山土壤 Zn有效含量为 10 5 .5～ 32 5 .4 m g· kg- 1 时 ,矿山生态型东南景天植株地上部 Zn含量为 4 134～ 5 0 0 0 mg· kg- 1 ;当营养液中 Zn浓度为 12 2 3.6μmol时 ,其 Zn含量高达 2 %。在相同 Zn浓度下 ,矿山生态型地上部 Zn含量比非矿山生态型高 30倍左右。两种生态型体内 Zn分布也不同 ,古老铅锌矿山生态型的不同器官中 Zn含量以茎 >叶片 >根系 ,而非矿山生态型则以根系 >茎 >叶片。古老铅锌矿山生态型地上部积累的 Zn占植株总积累量的 90 %以上 ,其中叶片和茎分别占 4 1.6 6 %± 5 .4 6 %和 5 4 .75 %± 5 .87% ;非矿山生态型各器官中积累的 Zn远远低于古老铅锌矿山生态型 ,各器官中积累的 Zn以茎 >根系 >叶片。本研究表明 ,这两种生态型东南景天的发现 ,为今后探讨植物耐高 Zn胁迫和超积累 Zn的微进化过程提供了非常有价值的材料 ,也为

氮对超积累植物东南景天生长和镉积累的影响

通过水培试验,研究了氮素水平对超积累植物东南景天植株生长和镉吸收积累的影响。结果表明,在一定范围内供氮（4.0-16.0 mm ol/L）能明显促进东南景天的生长,随着氮素水平的升高,地上部和根系的生物量也提高,在供氮水平为16.0 mm ol/L时达到最大值,而当供氮水平≥32.0 mm ol/L时,东南景天的生长受到严重的抑制,其地上部和根系的生物量开始下降,各项根系形态的指标（包括根系长度、根系表面积、根系直径、根系体积）均有所降低。氮对东南景天体内镉积累有一定的促进作用,随着氮素用量的增加,体内镉含量逐渐升高,与生物量不同,镉含量在氮水平32.0 mm ol/L条件下达到最大。研究结果表明,适当提高营养液氮素水平,有利于东南景天的生长和镉吸收,为进一步利用东南景天修复镉污染土壤,提高修复效率提供科学依据。

商陆(Phytolacca acinosa Roxb.)的锰耐性和超积累

超积累植物的确证对成功实施重金属污染环境植物修复是必不可少的。通过野外调查和营养液培养试验 ,研究超积累植物商陆 (PhytolaccaacinosaRoxb )的锰富集特性 ,结果表明 ,商陆对生长介质中的Mn具有很强的耐性和累积能力。商陆在锰含量高达 114× 10 3 mgkg-1的尾矿废弃地上依然生长良好 ,叶锰含量最高达 19 3× 10 3 mgkg-1。温室培养条件下 ,当生长介质中Mn浓度为 8 0 0 0mmolL-1时 ,虽然其生物量与对照相比有所降低 ,但植株仍能生长。随着生长介质中Mn浓度的升高 ,商陆叶和茎的Mn含量逐渐增加 ,生物富集系数则逐渐降低 ,但是地上部分锰积累量则先增加后减少。当Mn浓度为 5 0 0 0mmolL-1时 ,商陆地上部分锰积累量达到最大值 2 5 8 2mgplant-1;当Mn浓度为 12 0 0 0mmolL-1时 ,商陆仍能完成整个生命周期 ,叶锰含量达到最大值 36 4× 10 3 mgkg-1,生物富集系数为 5 5。不同锰供应水平下 ,商陆吸收的锰有87%～ 95 %被转移到地上部分。这进一步验证商陆的锰超积累特性 ,为利用超积累植物对大面积污染土壤实施植物修复提供了有力证据 。

镉超积累植物龙葵叶片中镉的积累与有机酸含量的关系

采用盆栽试验方法,研究镉超积累植物龙葵(Solanum nigrumL.)不同生育期叶片中有机酸的含量与组成,及其与镉生物积累的关系.结果表明,当土壤中镉浓度为25μg.g-1时,苗期和成熟期龙葵叶片镉积累量均达到100μg.g-1以上,且地上部镉含量大于根部镉含量.苗期与成熟期有机酸的含量变化差异显著,苗期龙葵叶片4种有机酸的含量大小为乙酸>酒石酸>苹果酸>柠檬酸;成熟期有机酸含量顺序为苹果酸>酒石酸、乙酸>柠檬酸.苗期龙葵叶片中酒石酸含量与镉含量呈极显著相关,成熟期则发现乙酸和柠檬酸含量与叶片中镉含量呈显著相关,说明龙葵叶片中酒石酸、柠檬酸和乙酸分别可以指示不同生育期龙葵叶片中镉的积累.

超积累植物吸收重金属的生理及分子机制

超积累植物从根际吸收重金属 ,并将其转移和积累到地上部 ,这一过程包括跨根细胞质膜运输、从根表皮细胞向中柱的横向运输、从根系的中柱薄壁细胞装载到木质部导管、木质部长途运输、从木质部卸载到叶细胞 (跨叶细胞膜运输 )、跨叶细胞的液泡膜运输等主要环节和调控位点。

稀土元素超积累植物研究进展

概述了稀土元素的环境生态学特性及其超积累植物,并对稀土元素超积累植物研究的重要科学意义进行了介绍。在此基础上,详细综述了近年来稀土元素超积累植物的研究成果,包括其种属、空间地域分布,其体内稀土元素的分布、分异特征及影响因素,其吸收富集稀土元素的生理及生化机制,并展望了稀土元素超积累植物及其修复应用研究的发展前景。

超积累植物修复铜污染土壤的研究现状

铜是植物必需的营养元素,但是过量的铜会严重影响动植物的生长,随着现代工农业的发展,铜已经成为了我国重金属污染土壤中主要的污染元素之一。在污染土壤的修复措施中,植物修复是一种绿色技术,具有传统土壤治理方法所无法比拟的优点,也是现今国际环境修复的热点和前沿领域。近年来,我国铜污染土壤的植物修复研究发展很快,发现了海州香薷、鸭跖草、蓖麻等铜超积累植物,同时有机酸、耐铜微生物也能加强超积累植物的修复作用。综述了植物修复的一般原理,介绍了现今研究较多的超积累植物对铜的富集效果,超积累植物对铜的耐性及解毒机理以及其他因素的强化作用。

Cd-Pb复合污染条件下3种花卉植物的生长反应及超积累特性研究

采用水培实验方法,研究了3种耐性较强的花卉植物在Cd-Pb复合污染条件下的生长反应及可能的超积累特性.结果表明,花卉植物种不同,其对复合污染的生长反应也不同,它们的耐性大小顺序为蜀葵(AlthaearoseaCav.)>凤仙花(ImpatiensBalsaminaL.)>金盏菊(CalendulaofficinalisL.);Cd对植物生长的影响较大、Pb的影响相对较小.3种花卉植物对重金属的积累量都是根部大于地上部;蜀葵对重金属Cd具有很强的耐性和积累性,在Cd、Pb复合污染条件下极具植物修复的潜力.对于这3种花卉植物,Cd-Pb相互作用效应与多种因素有关,包括重金属之间的浓度组合、植物种和植株部位等,表现得极为复杂,不仅仅是单纯的加和、拮抗或协同作用.

氮素营养对重金属超积累植物东南景天吸收积累锌和镉的影响

以重金属锌、镉超积累植物东南景天Sedum alfredii为研究材料,采用营养液培养法研究了氮素营养对东南景天生长及对重金属锌、镉吸收、积累和转运能力的影响。结果表明:适当的氮素营养能够促进东南景天的生长,提高东南景天地上部富集重金属的能力,在供氮2.50～5.00mmol·L-1时,东南景天地上部生长和重金属吸收、积累最佳,锌和镉质量分数分别达12.00g·kg-1和2.00g·kg-1。在应用东南景天重金属超积累植物进行土壤重金属污染修复时需要合理施用氮肥,从而提高植物修复土壤重金属污染的效率。

超积累植物东南景天根际土壤酶活性研究

通过野外调查和盆栽试验研究了超积累植物东南景天根际土壤酶活性变化及其与重金属有效态的关系。研究结果表明,在矿山土壤、重度污染土壤和轻度污染土壤上,种植超积累生态型东南景天后,根际土壤有效态Zn分别比非根际减少了14.3%,7.9%和47.4%,有效态Cd分别比非根际减少25.1%,21.9%和20%。在铅锌矿区,东南景天生长地段土壤蔗糖酶、酸性磷酸酶、脱氢酶活性高于其它植物生长地段。在矿山土壤和重度污染土壤中,超积累生态型东南景天根际土壤酶活性明显高于非根际土壤,同时也高于非超积累生态型根际土壤。Pb、Zn、Cd、Cu4种重金属对东南景天根际土壤脲酶、蔗糖酶、脱氢酶活性均有抑制作用,而Pb对磷酸酶有一定的刺激作用。东南景天根际土壤脱氢酶、酸性磷酸酶活性与重金属有效态含量呈极显著相关。