论文部分内容阅读
土壤电化学不仅广泛应用于无机体系，在生物体表面化学性质研究中也应发挥重要作用。植物根系作为生物体的代表，是植物隐藏于地下部的重要组成，也是土壤中的养分和污染物进入植物体内的第一道屏障。植物根表面含有丰富的活性官能团，如羧基、羟基、酚羟基和磷酰基等。这些官能团解离以后使得根表面带有电荷且以负电荷为主。植物根表的带电特征影响植物对养分元素和污染物的吸收以及它们在土壤中的迁移与运输。带负电荷的根系可以对金属阳离子产生静电吸附，也可以作为配体与金属离子发生络合作用在根表形成表面络合物（专性吸附）。由于不同植物根表官能团的种类和数量存在差异，这会影响根系对金属离子的吸附能力及其形态分布，从而影响植物对毒害离子的耐受性。因此，研究根表面的电荷特征及其对金属离子吸附的内在机制具有重要的科学意义。
目前用于表征根表电荷的常用方法有CEC、酸碱滴定方法、膜电位-模型方法和微电泳方法等。由于这些方法涉及提取根系的原生质膜或细胞壁等一系列复杂的前处理，并且操作过程中破坏了根的完整性，测定的结果不一定能真实反映出完整根系表面的电化学特征。因此，需要开发表征完整根系表面电荷性质的新方法。本文通过水培和盆栽实验获取植物根系，然后利用流动电位方法研究了:(1)不同植物根表的zeta电位及其与根表吸附Mn的关系;(2)比较植物含根尖部位与不含根尖部位表面化学性质的差异;(3)探究pH和氮素形态对植物根表电荷及其根表锰吸附的影响;(4)依据根系电荷特征建立耐铝毒水稻品种的筛选方法。
主要研究结果如下:
(1)研究了七种常见豆科作物和十种常见非豆科作物的根表zeta电位及对锰吸附的影响。结果表明锰在根系表面以交换态为主并随锰的初始浓度升高吸附量增加。豆科作物根系吸附的交换态和络合态锰明显高于非豆科作物，与两类作物根表zeta电位、根系CEC和表面电荷量的大小相一致。根系红外光谱的分析结果表明，豆科植物根表较多的含氧官能团是豆科作物根系zeta电位、CEC和表面负电荷高于非豆科植物的主要原因。豆科作物根表官能团数量和负电荷量高于非豆科作物，能为金属离子提供更多的结合位点，是前者对Mn吸附量高于后者的主要原因。将zeta电位分别与阳离子交换量、表面电荷量和锰的吸附量进行线性相关分析，结果表明zeta电位与阳离子交换量及表面电荷量之间均有极显著的相关性，说明可以用zeta电位来表征根表电荷特征;Zeta电位与锰的吸附量也具有极显著的相关性，进一步说明根表电荷和官能团是影响Mn吸附的主要因素。这些结果为解释豆科作物比非豆科植物能够吸收和积累更多的无机阳离子提供理论依据。
(2)为了研究含根尖部位和不含根尖部位表面化学性质及其对Mn吸附的差异，以沙培实验获取大豆和玉米的鲜根，将根系分为含根尖和不含根尖2部分。分析根表的zeta电位，用红外光谱(ATR-FTIR)测定根表官能团。将根系吸附的Mn区分为交换态、络合态和沉淀态。研究结果表明吸附在植物根表的Mn主要以交换态存在，并且含根尖部位的交换态Mn和总吸附Mn的量要明显大于不含根尖部位。流动电位和红外光谱结果表明，与不含根尖部位相比，含根尖部位带有有更多的官能团并带更多负电荷。因此，含根尖部位含有更多官能团和带有更多负电荷是含根尖部位比不含根尖部分吸附更多Mn的主要原因。
(3)为了证明pH是影响植物根表电荷性质和官能团数量变化的主要原因，并验证了这一现象的普遍性，同时探究不同处理的植物根表对锰吸附能力的差异。通过不同形态氮素处理的水培实验和不同pH土壤的盆栽实验获取完整植物根系，用流动电位法和红外光谱(ATR-FTIR)分别测定了根表的zeta电位和官能团。再用0.1mol/L KNO3、0.05mol/L EDTA-2Na、0.01mol/L HCl连续提取吸附在根表的交换态锰、络合态锰和沉淀态锰。结果显示:单一NH4+处理的营养液pH大幅下降，而单一NO3-处理的营养液pH明显升高。与单一NH4+处理和低pH土壤培养的植物相比，单一NO3-处理和高pH土壤培养的植物根表带有更多的负电荷和官能团数量也更多。因此能够吸附更多的交换态锰和络合态锰，并且Mn主要以交换态存在于植物根表。水培实验和盆栽实验的结果表明:生长介质的pH改变植物根表电荷性质和官能团数量的现象具有普遍性。本文的结果为植物对不利环境的适应提供理论依据:为了适应过高或过低pH的不利环境，植物通过自身调节增加或减少根表的负电荷和官能团数量，从而增加或减少对营养元素和有毒金属离子的吸收，最终实现对不利环境的适应性。
(4)为了探索水稻根系的电荷特征与水稻耐铝毒能力之间的关系，用水培实验获取47种不同基因型的水稻根系，通过流动电位法和衰减全反射红外光谱法测定了根系的zeta电位和根表官能团，用相对根伸长率确定了水稻的耐铝毒特性。根表吸附的铝离子通过化学方法区分为交换态、络合态和沉淀态。结果表明水稻根系的zeta电位与相对根伸长率之间存在极显著正相关性，说明可以用根系的zeta电位表征水稻的耐铝性。筛选出12个耐铝水稻品种、25个中等耐铝水稻品种和10个铝敏感水稻品种，发现所有水稻根表吸附的Al(Ⅲ)主要以络合态为主，耐铝水稻品种根系吸附的络合态Al(Ⅲ)和总Al(Ⅲ)均低于其他水稻品种，这是由于耐铝水稻根系所带的官能团数量和负电荷数量低于其他品种水稻。将根系的zeta电位和相对根伸长率分别与Al(Ⅲ)的吸附总量进行相关性分析，结果显示它们之间均呈现极显著负相关性，进一步表明用根系的zeta电位表征水稻耐铝性是可行的。这为耐铝水稻品种的筛选提供了新思路。
目前用于表征根表电荷的常用方法有CEC、酸碱滴定方法、膜电位-模型方法和微电泳方法等。由于这些方法涉及提取根系的原生质膜或细胞壁等一系列复杂的前处理，并且操作过程中破坏了根的完整性，测定的结果不一定能真实反映出完整根系表面的电化学特征。因此，需要开发表征完整根系表面电荷性质的新方法。本文通过水培和盆栽实验获取植物根系，然后利用流动电位方法研究了:(1)不同植物根表的zeta电位及其与根表吸附Mn的关系;(2)比较植物含根尖部位与不含根尖部位表面化学性质的差异;(3)探究pH和氮素形态对植物根表电荷及其根表锰吸附的影响;(4)依据根系电荷特征建立耐铝毒水稻品种的筛选方法。
主要研究结果如下:
(1)研究了七种常见豆科作物和十种常见非豆科作物的根表zeta电位及对锰吸附的影响。结果表明锰在根系表面以交换态为主并随锰的初始浓度升高吸附量增加。豆科作物根系吸附的交换态和络合态锰明显高于非豆科作物，与两类作物根表zeta电位、根系CEC和表面电荷量的大小相一致。根系红外光谱的分析结果表明，豆科植物根表较多的含氧官能团是豆科作物根系zeta电位、CEC和表面负电荷高于非豆科植物的主要原因。豆科作物根表官能团数量和负电荷量高于非豆科作物，能为金属离子提供更多的结合位点，是前者对Mn吸附量高于后者的主要原因。将zeta电位分别与阳离子交换量、表面电荷量和锰的吸附量进行线性相关分析，结果表明zeta电位与阳离子交换量及表面电荷量之间均有极显著的相关性，说明可以用zeta电位来表征根表电荷特征;Zeta电位与锰的吸附量也具有极显著的相关性，进一步说明根表电荷和官能团是影响Mn吸附的主要因素。这些结果为解释豆科作物比非豆科植物能够吸收和积累更多的无机阳离子提供理论依据。
(2)为了研究含根尖部位和不含根尖部位表面化学性质及其对Mn吸附的差异，以沙培实验获取大豆和玉米的鲜根，将根系分为含根尖和不含根尖2部分。分析根表的zeta电位，用红外光谱(ATR-FTIR)测定根表官能团。将根系吸附的Mn区分为交换态、络合态和沉淀态。研究结果表明吸附在植物根表的Mn主要以交换态存在，并且含根尖部位的交换态Mn和总吸附Mn的量要明显大于不含根尖部位。流动电位和红外光谱结果表明，与不含根尖部位相比，含根尖部位带有有更多的官能团并带更多负电荷。因此，含根尖部位含有更多官能团和带有更多负电荷是含根尖部位比不含根尖部分吸附更多Mn的主要原因。
(3)为了证明pH是影响植物根表电荷性质和官能团数量变化的主要原因，并验证了这一现象的普遍性，同时探究不同处理的植物根表对锰吸附能力的差异。通过不同形态氮素处理的水培实验和不同pH土壤的盆栽实验获取完整植物根系，用流动电位法和红外光谱(ATR-FTIR)分别测定了根表的zeta电位和官能团。再用0.1mol/L KNO3、0.05mol/L EDTA-2Na、0.01mol/L HCl连续提取吸附在根表的交换态锰、络合态锰和沉淀态锰。结果显示:单一NH4+处理的营养液pH大幅下降，而单一NO3-处理的营养液pH明显升高。与单一NH4+处理和低pH土壤培养的植物相比，单一NO3-处理和高pH土壤培养的植物根表带有更多的负电荷和官能团数量也更多。因此能够吸附更多的交换态锰和络合态锰，并且Mn主要以交换态存在于植物根表。水培实验和盆栽实验的结果表明:生长介质的pH改变植物根表电荷性质和官能团数量的现象具有普遍性。本文的结果为植物对不利环境的适应提供理论依据:为了适应过高或过低pH的不利环境，植物通过自身调节增加或减少根表的负电荷和官能团数量，从而增加或减少对营养元素和有毒金属离子的吸收，最终实现对不利环境的适应性。
(4)为了探索水稻根系的电荷特征与水稻耐铝毒能力之间的关系，用水培实验获取47种不同基因型的水稻根系，通过流动电位法和衰减全反射红外光谱法测定了根系的zeta电位和根表官能团，用相对根伸长率确定了水稻的耐铝毒特性。根表吸附的铝离子通过化学方法区分为交换态、络合态和沉淀态。结果表明水稻根系的zeta电位与相对根伸长率之间存在极显著正相关性，说明可以用根系的zeta电位表征水稻的耐铝性。筛选出12个耐铝水稻品种、25个中等耐铝水稻品种和10个铝敏感水稻品种，发现所有水稻根表吸附的Al(Ⅲ)主要以络合态为主，耐铝水稻品种根系吸附的络合态Al(Ⅲ)和总Al(Ⅲ)均低于其他水稻品种，这是由于耐铝水稻根系所带的官能团数量和负电荷数量低于其他品种水稻。将根系的zeta电位和相对根伸长率分别与Al(Ⅲ)的吸附总量进行相关性分析，结果显示它们之间均呈现极显著负相关性，进一步表明用根系的zeta电位表征水稻耐铝性是可行的。这为耐铝水稻品种的筛选提供了新思路。