两种优势湿地植物对水体中镉的富集特征及响应机制

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环境中重金属污染问题日益严重,已经威胁到农作物质量安全、人体健康和生态安全,尤其是水体中的镉污染问题更加引起社会的广泛关注。植物修复是目前重金属修复中一种低成本高效率的治理方法,其中湿地植物对水体重金属的污染具有良好的修复效果,由于对植物修复重金属机理认识的不足限制了该技术的应用。为了进一步了解镉在湿地植物中的富集特征及其响应机制,本研究选取水蓼、蒌蒿两种优势湿地植物为研究材料,利用盆栽试验分析了镉离子在水蓼、蒌蒿植物体内的富集特征,同时探讨了不同镉浓度、柠檬酸以及水位基质对两种植物的生长指标、光合作用及生理生化指标的影响。本研究获得的主要结果如下:(1)以水蓼为研究对象,研究不同镉浓度(0,0.5,1和2mg·L-1)胁迫下,水蓼对镉的富集特征以及生长和生理响应。结果表明,水蓼根、茎和叶的镉含量随处理浓度的升高而增加,在2mg·L-1处理下分别达到134、47和48 mg·kg-1。在1mg·L-1的镉处理下,水蓼的富集系数和转运系数最高,地上和地下富集系数分别为45.6和111.7,转运系数为0.41。在处理15天时,水蓼生物量、叶绿素含量和超氧化物歧化酶(SOD)活性在2mg·L-1处理下显著降低。在处理30天时,水蓼的总生物量在不同镉浓度胁迫下无显著差异,但丙二醛(MDA)、SOD和过氧化氢酶(CAT)活性在0.5–2mg·L-1镉处理下均显著增加,叶绿素含量下降。(2)以水蓼和蒌蒿为研究对象,研究同一镉浓度(1mg·L-1),不同基质(沙基质,土基质,土加沙基质)和水位(0cm,30cm)条件下水蓼和蒌蒿对镉的富集特征以及生长和生理响应。结果表明:在同种基质下,水蓼和蒌蒿根、茎、叶和总镉含量随水位的升高而呈增加趋势,在相同水位下,水蓼和蒌蒿根、茎、叶和总镉含量在沙基质处理下最高。在30cm水位沙基质处理下,水蓼和蒌蒿根、茎、叶和总镉含量最高(水蓼为67.2、39.1、25.1和40.8mg·kg-1;蒌蒿分别为48.6、11.6、10.3和16.3mg·kg-1)。在30cm沙基质处理下,水蓼的富集系数和转运系数最高,地上和地下富集系数分别为33.3和67.5,转运系数为0.52。30cm沙基质处理下,蒌蒿的富集系数最高,地上和地下富集系数分别为12.3和46.5;转运系数在0cm土基质处理下最高,为0.62。在不同水位和基质处理下,蒌蒿根、茎和叶生物量均无显著差异。水蓼根生物量在不同水位不同基质处理下无显著差异,在土和沙土混合基质处理下水蓼总、茎和叶生物量随着水位的增加而降低。(3)以水蓼和蒌蒿为研究对象,研究不同柠檬酸浓度(0,5,10umol·L-1)和不同镉浓度(高镉,低镉)条件下,水蓼和蒌蒿对镉的富集特征以及生长和生理响应。结果表明:在同种镉处理下,两种植物在不同浓度的柠檬酸处理下其根、茎、叶中的镉含量以及植株总镉含量均随镉浓度的升高而增加,但在同一浓度镉处理下,柠檬酸浓度的增加对两种植物的根茎叶和总镉含量无显著影响。在高、低浓度镉和不同浓度柠檬酸处理下,两种植物的叶绿素含量无显著差异,水蓼和蒌蒿地上部富集系数和地下富集系数均无显著差异;但转运系数在高镉处理下较低镉处理下显著降低。这些研究结果表明水蓼可以通过提高抗氧化酶活性等机理抵抗镉胁迫产生的自由基氧化损伤,并且水蓼对镉的富集和转运系数较高,具有在镉污染水体修复中应用的潜力。在不同基质和水位处理下,沙基质相较于其他基质对植物富集镉和耐受镉起到了一定的帮助作用,且随着水位的增加对植物富集镉起到了积极作用,这表明通过调节水位和基质等环境因子对植物修复水体中的总金属污染具有一定意义。在添加不同浓度有机酸条件下,柠檬酸的添加对植物富集镉和耐受镉并没有起到关键性作用,但随着镉浓度的增加对植物富集镉起到了促进作用。
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