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。

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。

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.

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 。

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。

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.

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 。

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。

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。

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。

有机酸在超积累植物重金属解毒机制中的作用

有机酸是植物体内一种重要的金属配体,在超积累植物的解毒机制中具有重要作用。文章综述了有机酸参与超积累植物对重金属的吸收、运输、积累和解毒过程的生物学机制,最后对其存在问题进行了分析,并展望了未来的发展方向。

锰超积累植物——水蓼

超积累植物筛选是重金属污染土壤植物修复的基础和核心问题,同时也是重金属污染环境植物修复的难点及前沿。本文通过野外调查与营养液模拟试验相结合的方法,初次发现并证实水蓼(Polygonum hydropiper L)是一种锰超积累植物。野外调查结果表明,生长在土壤锰含量为2000mg·kg-1的水蓼,叶部锰的富集量可达3675.89mg·kg-1,且转移系数为1.37。营养液模拟培养试验证实,当营养液中锰的浓度为5000μmol·L-1时,水蓼植株生长正常,但叶中锰含量超过了10000mg·kg-1,达到了锰超积累植物应达到的临界含量标准,水蓼地上部富集系数高达19.41(大于1),转移系数为1.05(也大于1)。当营养液中锰的浓度为15000μmol·L-1时,水蓼叶、根和茎三部分的锰含量均达到最大值,分别为24447.17mg·kg-1、11574.47mg·kg-1和10343.52mg·kg-1。这一发现为锰污染土壤和水体的植物修复提供了一种新的可能的种质资源。

一种新发现的铜积累植物——密毛蕨

对铜尾矿上生长的密毛蕨(Petridium revolutum)进行了野外调查分析和温室营养液砂培实验.结果表明,密毛蕨所生长的废铜矿土壤中Cu含量平均为2 432 mg.kg-1DW,最高达7 554 mg.kg-1DW;地上部生物量平均为18.33 g.plant-1DW,最高达40.05 g.plant-1DW;地上部Cu含量平均为201 mg.kg-1DW,最高达567 mg.kg-1DW;地下部Cu含量平均为346 mg.kg-1DW,最高达1 723 mg kg-1DW;密毛蕨对Cu的转移系数平均为0.81,最高达3.88.在营养液砂培的条件下,Cu 7 mg.L-1处理没有抑制密毛蕨地上部的生长;密毛蕨体内的Cu含量随着介质中Cu浓度的增加而显著增加,但是大部分的Cu积累在地下部.密毛蕨对Cu具有较强的忍耐和较高的积累能力,可作为修复Cu污染土壤的新材料.

超积累植物吸收重金属的根际效应研究进展

阐述近年来国内外在超积累植物吸收重金属的根际微生态效应这一领域的最新研究成果 ,介绍了根际微生态效应在植物修复中的应用 ,并对当前超积累植物在根际微生态效应研究中的不足之处和需要进一步深入研究的方向进行讨论。

基于重金属污染土壤修复目标下的超积累植物与速生乔木研究进展分析

植物修复是一种绿色、经济、可行的修复土壤重金属污染的实用技术,针对性地选择修复植物类型是其关键之一。当前,国内外在草本与木本植物修复技术方面,展开了大量的研究,但对两者之间的修复能力、科学机制、技术应用等方面对比分析的论述,则相对缺乏。综述了超积累植物与速生乔木在重金属修复方面的优缺点,从逆境耐性、吸收转运能力、外源强化技术、经济技术成本、环境风险及后续处理技术等方面进行了论述,以期为今后重金属污染土壤植物修复工作的开展提供科学参考。

美洲商陆(Phytolacca americana L.)——一种新的Mn积累植物

通过野外调查和水培试验,研究了锰在美州商陆体内积累情况及对其生长发育的影响,发现并鉴定出美洲商陆(Phytolacca am ericana L.)是一种新的M n积累植物。调查结果发现,美洲商陆对土壤中高含量的锰有很强的忍耐、吸收和积累能力,叶片中M n含量为5160￣8000m g·kg-1,平均为6490m g·kg-1。营养液培养试验证明,美洲商陆对生长介质中的M n有很强的忍耐能力,当生长介质中M n浓度高达10m m ol·L-1,叶片中M n含量达到11.76g·kg-1,植株仍生长正常。地上部M n含量及其积累量均随生长介质中M n浓度的增加而增加,当生长介质中M n浓度为50m m ol·L-1时,叶片中M n含量达到47.06g·kg-1。结果表明,美洲商陆是我国发现的一种新的M n积累植物,为今后探明植物积累M n的机理和M n污染土壤的植物修复提供了一种新的种质资源。

超积累植物的富集特征及耐性机理

利用超积累植物来修复重金属污染土壤是目前最有发展前途的一种植物修复技术.综述了超积累植物的富集特征、耐性机理和应用前景.