外源有機(jī)酸和肥料對(duì)李氏禾富集鉻的影響及其栽培生態(tài)條件研究.pdf

1、重金屬污染的治理是全球面臨的重大環(huán)境問(wèn)題,植物修復(fù)技術(shù)是重金屬污染治理的重要手段。而超富集植物則是實(shí)現(xiàn)植物修復(fù)的重要材料和首要前提。但目前超富集植物種類數(shù)量偏少和已知超富集植物生物量偏低以及富集過(guò)程中富集效果不明顯都限制了該技術(shù)的應(yīng)用和改良。李氏禾(LeersiahexandraSwartz)是在我國(guó)西部某電鍍廠附近河流中首次發(fā)現(xiàn)的鉻超富集植物,也是國(guó)際上發(fā)現(xiàn)的為數(shù)不多的鉻超富集植物之一,而且對(duì)銅、鎳等重金屬也表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐性和富集能力

2、。本研究通過(guò)水培,盆栽等系列試驗(yàn),篩選出高富集鉻李氏禾生活型作為后期研究的材料。探討了李氏禾富集鉻過(guò)程中添加不同有機(jī)酸和無(wú)機(jī)肥的影響,同時(shí)對(duì)李氏禾生長(zhǎng)的最適生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了研究,以期擴(kuò)大生物量為該植物今后應(yīng)用于修復(fù)重金屬污染水體和土壤的實(shí)踐提供更多理論和技術(shù)支持?，F(xiàn)將本研究的主要結(jié)果總結(jié)如下:
　　 1.水培條件下,從桂林荔浦縣、桂林市雁山區(qū)和桃花江三個(gè)地方采集來(lái)的李氏禾對(duì)Cr的富集能力均超過(guò)1000mg/kg,而且其對(duì)Cr具有較

3、強(qiáng)的耐受能力,各組李氏禾生長(zhǎng)狀況良好。培養(yǎng)期間Cr污染條件下生長(zhǎng)的李氏禾生物量與對(duì)照相比無(wú)顯著減少。在80mg/L營(yíng)養(yǎng)液中生長(zhǎng)的李氏禾根、莖和葉的重金屬含量均高于在20mg/L營(yíng)養(yǎng)液中生長(zhǎng)的李氏禾的含量,45d后在重金屬含量為80mg/L營(yíng)養(yǎng)液中生長(zhǎng)的李氏禾葉、莖、根中Cr含量最高分別達(dá)到8177.51mg/kg、3129.52mg/kg、3592.54mg/kg。培養(yǎng)期間,李氏禾能使培養(yǎng)液中重金屬Cr含量大幅降低。各樣品的SIR平均值

4、為1.24＞1,即證明李氏禾對(duì)重金屬Cr有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。同時(shí),這三種不同生活型的李氏禾對(duì)Cr的富集能力有差別,在Cr濃度為20mg/L的培養(yǎng)液培養(yǎng)的樣品中,采集自桂林荔浦縣電鍍工業(yè)區(qū)的李氏禾樣品其葉、莖、根中Cr含量最高分別達(dá)到達(dá)到3864.62mg/kg、2022.22mg/kg、1410.63mg/kg,比采集自桂林市桃花江沿岸的李氏禾葉、莖、根中Cr含量分別高出18.56％、30.32％、27.59％,比采集自桂林雁山的李氏禾根

5、、莖、葉中Cr含量分別高出7.55％、57.75％、1.60％;在Cr濃度為80mg/L的培養(yǎng)液培養(yǎng)的樣品中,采集自桂林荔浦縣電鍍工業(yè)區(qū)的李氏禾樣品其葉、莖、根中Cr含量最高分別達(dá)到8177.51mg/kg、3129.52mg/kg、3592.54mg/kg,比采集自桂林市桃花江沿岸的李氏禾根、莖、葉中Cr含量分別高出9.75％、38.10％、44.63％4,比采集自桂林雁山的李氏禾葉、莖、根中Cr含量分別高出33.43％、36.42％

6、、41.56％?？梢?jiàn)3個(gè)李氏禾生活型都是鉻超富集植物,而無(wú)論培養(yǎng)液Cr濃度如何,來(lái)自桂林荔浦縣電鍍工業(yè)區(qū)李氏禾對(duì)Cr有更強(qiáng)的富集能力,是后期試驗(yàn)的最優(yōu)材料。
　　 2.盆栽試驗(yàn)中,向經(jīng)Cr處理的土壤中加入EDTA、酒石酸、草酸和檸檬酸4種有機(jī)酸后,李氏禾的生長(zhǎng)速度比對(duì)照有所增加,且以檸檬酸處理李氏禾增加較快,但相互之間差異性不顯著(p=0.086＞0.05)。加入酒石酸、草酸和檸檬酸對(duì)交換態(tài)Cr的含量略有減少,但與對(duì)照比較差異不

7、顯著(p=1.184＞0.01);而EDTA處理則顯著提高了交換態(tài)Cr的含量,與對(duì)照相比提高了80.30％。添加EDTA極顯著地提高了李氏禾根系對(duì)Cr的吸收,根系Cr的含量達(dá)3671mg·kg-1,是對(duì)照的3倍,與添加其他有機(jī)酸差別顯著(p=0.02＜0.05),而其它有機(jī)酸處理對(duì)李氏禾根系的Cr含量影響不大,與對(duì)照相比差異不顯著(p=0.791＞0.01)。施加EDTA顯著提高了Cr向地上部分的遷移能力,遷移(轉(zhuǎn)移)系數(shù)由對(duì)照的1.1

8、6增加到1.44,提高了24％;檸檬酸對(duì)Cr的遷移也起到了一定的促進(jìn)作用,但效果不如EDTA明顯;草酸和酒石酸甚至略微降低了Cr向地上部分的遷移,遷移系數(shù)比對(duì)照分別下降0.11和0.08,說(shuō)明草酸和酒石酸對(duì)Cr的遷移有一定抑制作用。
　　 3.NH4NO3、(NH4)2SO4和Ca(NO3)2三種氮肥的施用對(duì)李氏禾生物量的影響與對(duì)照(未施肥)差別顯著,對(duì)鉻的富集也會(huì)產(chǎn)生不同影響。其中NH4NO3處理李氏禾生物量最大,土壤鉻濃度為

9、高污染水平400mg/kg和低污染水平100mg/kg時(shí),其生物量分別達(dá)到18.60g/10株和20.50g/10株,而(NH4)2SO4處理只有4.45g/10株和5.70g/10株;Ca(NO3)2處理只有5.61g/10株和6.82g/10株,對(duì)照處理為4.12g/10株4.67g/10株。施用NH4NO3的李氏禾生物量與施用其它兩種氮肥及對(duì)照的李氏禾生物量差異極其顯著(p=0.00＜0.01)。用(NH4)2SO4處理過(guò)的李氏禾

10、的根、莖和葉中的鉻濃度最大,在土壤鉻濃度為400mg/kg時(shí),分別達(dá)到19546mg/kg,3265mg/kg,6118mg/kg,施用(NH4)2SO4李氏禾植株地上部和根吸收鉻量均高于施用NH4NO3的,施用NH4NO3植株地上部和根吸收鉻量高于施用Ca(NO3)2的。施用(NH4)2SO4的李氏禾吸附鉻量與其他處理差異顯著(p=0.013＜0.05);對(duì)照處理與施用Ca(NO3)2和NH4NO3的李氏禾吸附鉻差異不顯著(p=0.3

11、19＞0.05)。
　　 4.在李氏禾富集鉻過(guò)程中施用無(wú)機(jī)肥,會(huì)引起李氏禾的生理生化指標(biāo)不同的變化。三種肥料處理中施NH4NO3的李氏禾的蛋白質(zhì)含量最高,與其它處理差異顯著(p=0.041＜0.05);同時(shí),NH4NO3處理中植物的葉綠素相對(duì)對(duì)照要高,而且與其它處理差異顯著(p=0.027＜0.05)。不同N處理之間含糖量差異不顯著(p=0.409＞0.05),但相同處理不同重金屬濃度之間植物含糖量有差別(p=0.049＜0.0

12、5),高濃度下的植物含糖量高于低濃度,各種肥料處理中,在400mg/kg鉻處理土壤上生長(zhǎng)的李氏禾總糖都多于100mg/kg處理。
　　 5.以室內(nèi)模擬重金屬鉻污染并添加外源有機(jī)酸(乙二胺四乙酸,EDTA)下的李氏禾栽培植株新鮮葉片為供試材料,采用CTAB法來(lái)提取李氏禾基因組總DNA,瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果顯示提取的DNA符合RAPD反應(yīng)對(duì)模板DNA的要求。在對(duì)46個(gè)隨機(jī)引物進(jìn)行RAPD引物的初步篩選中,通過(guò)對(duì)瓊脂糖凝膠電泳圖譜分析,

13、篩選出S43、S51和S55隨機(jī)引物作為本研究中重金屬鉻污染下李氏禾遺傳多樣性RAPD分子標(biāo)記的引物。以S43作為引物對(duì)李氏禾植株的RAPD擴(kuò)增結(jié)果在瓊脂糖凝膠電泳上顯示,在添加10mmol/L濃度的EDTA下,在1000bp附近出現(xiàn)DNA多態(tài)性條帶;以S51作為引物的RAPD擴(kuò)增結(jié)果顯示,在添加5mmol/濃度的EDTA下,在1904bp和3530bp大小附近出現(xiàn)DNA多態(tài)性條帶;以S55作為引物的RAPD擴(kuò)增結(jié)果顯示,在添加10mm

14、ol/L濃度的EDTA下,在1548bp附近出現(xiàn)DNA多態(tài)性條帶。
　　 6.對(duì)影響李氏禾RAPD反應(yīng)的模板用量、引物用量、dNTP濃度、Taq酶濃度等因素進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明:25μL反應(yīng)體系中含10×Buffer緩沖液2.5μL,模板0.5μL,Mg2+2μL(20μmol/L),引物0.3μL(120μmol/L),dNTP0.5μL(200μmol/L),Taq酶為2.0U時(shí),RAPD擴(kuò)增的效果較好,DNA條帶清晰且數(shù)目較

15、多,擴(kuò)增結(jié)果穩(wěn)定且重復(fù)性良好,可應(yīng)用于李氏禾的RAPD分析,檢測(cè)其遺傳多樣性的研究,進(jìn)而為從分子水平進(jìn)一步了解其重金屬富集機(jī)制提供參考數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。
　　 7.在試驗(yàn)水分單因子對(duì)李氏禾的影響中,在土壤含水量為100％、60％、和30％三個(gè)分組中,李氏禾在60％水分梯度下生長(zhǎng)表現(xiàn)最好。在光照和溫度影響試驗(yàn)中,李氏禾的生長(zhǎng)速度受光照的影響差異性極其顯著(p=0.001＜0.01),李氏禾在照強(qiáng)度達(dá)到30001x左右生長(zhǎng)最好。在肥料

16、、光照和水分的交互試驗(yàn)中,李氏禾的生長(zhǎng)速度受水分和光照交互作用的影響差異性不顯著(p=0.124＞0.05)。李氏禾的生長(zhǎng)速度受肥料的影響差異性不顯著(p=0.072＞0.05);受水分的影響差異性極其顯著;生長(zhǎng)速度受水分和肥料交互作用的影響差異性不顯著(p=0.890＞0.05)。李氏禾的生長(zhǎng)速度受肥料的影響差異性不顯著(p=0.149＞0.05),即施肥與未施肥對(duì)李氏禾生長(zhǎng)速度的影響不大。相關(guān)性分析表明,李氏禾生長(zhǎng)過(guò)程中新增葉片數(shù)、

17、新增分蘗數(shù)、最大根系長(zhǎng)度和最大葉片均與是否施加肥料有關(guān)(p=0.011,0.021,-0.747,0.034＜0.05)。可見(jiàn),在培育過(guò)程中適當(dāng)施肥能增加李氏禾生物量。試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)計(jì)的三個(gè)生態(tài)因子交互作用對(duì)生長(zhǎng)的影響,認(rèn)為李氏禾在土壤含水量為60％、中光照度(30001x左右)和適當(dāng)追肥的條件下生長(zhǎng)最好,是以后李氏禾培養(yǎng)過(guò)程中選擇的組合。
　　 6、本次研究首次對(duì)鉻超富集植物李氏禾不同生活型進(jìn)行篩選,確定了生長(zhǎng)在荔浦地區(qū)的李氏禾