【摘 要】
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现代工业与能源产业迅速发展不可避免的给环境带了严重的重金属污染,这些污染对人体健康以及生态环境的危害是潜在且长远的。生物修复手段在近年的研究中得到了极大的重视与发展,特别是植物修复技术在重金属污染治理方面表现出极大的应用潜力。而目前关于水体重金属Fe3+、Co2+、Ni2+污染的植物修复与植物逆境响应的相关研究较少且尚不系统,因此,本项目采用具有较强抗逆能力的苔藓植物东亚砂藓（R.japonicu
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现代工业与能源产业迅速发展不可避免的给环境带了严重的重金属污染,这些污染对人体健康以及生态环境的危害是潜在且长远的。生物修复手段在近年的研究中得到了极大的重视与发展,特别是植物修复技术在重金属污染治理方面表现出极大的应用潜力。而目前关于水体重金属Fe3+、Co2+、Ni2+污染的植物修复与植物逆境响应的相关研究较少且尚不系统,因此,本项目采用具有较强抗逆能力的苔藓植物东亚砂藓（R.japonicum L）为研究对象,探讨在水体环境Fe3+、Co2+、Ni2+重金属的污染胁迫下,东亚砂藓在光合生理、抗氧化生理及代谢组水平的生理生化响应机制和对重金属的富集能力和特征,并且探索砂藓富集重金属后生物质炭化的处理方式,从而为阐明Fe3+、Co2+、Ni2+污染水体的生物效应及污水生物治理提供科学依据。主要研究结果如下:1、在Fe3+、Co2+、Ni2+胁迫下,砂藓的氧化应激物质含量有部分提高。砂藓在高浓度的Fe3+（125mg//L）、Co2+（25mg//L）、Ni2+（25mg//L）胁迫后O2-含量都达到最高且显著高于对照组（P＜0.05）,Co2+、Ni2+胁迫浓度与砂藓O2-含量呈正相关;而Fe3+、Co2+胁迫浓度与砂藓的·OH生成速率正相关。中（25mg/L）、高浓度Fe3+胁迫都明显促进了砂藓的所有氧化应激产物生成。对于抗氧化酶系统,砂藓在低浓度（5mg/L）Fe3+胁迫下的POD、SOD、CAT活性都有提升,其中POD、CAT活性显著高于对照组,低浓度Co2+（1mg/L）、Ni2+（1mg/L）胁迫下砂藓的抗氧化酶活性就低于对照组并随胁迫增大而降低。所以Co2+、Ni2+胁迫下砂藓缓解胁迫主要通过ASA-GSH循环路径,其中Co2+胁迫下ASA、GSH的浓度以及GPX活性都随胁迫增大而增加,且APX、GST活性也有显著提升;对Ni2+胁迫,砂藓的GSH浓度以及APX、GPX、GST活性都与胁迫浓度呈正相关。Fe3+胁迫下,砂藓的ASA、GSH浓度以及GPX、GST活性都随胁迫浓度增加而增大,APX酶活也有明显的提升。总的来说,砂藓在低浓度Fe3+（5mg/L）胁迫下提高抗氧化酶活性应对应激反应,而ASA-GSH循环在Fe3+、Co2+、Ni2+胁迫下得到普遍的积极反馈。在光合生理研究中,砂藓的叶绿素含量在中、低Fe3+、Co2+、Ni2+胁迫下有所提高（P＜0.05）,在高浓度Fe3+、Co2+、Ni2+胁迫下显著下降（P＜0.05）;PSII的光能吸收、光电子转换效率在低浓度的Fe3+、Co2+、Ni2+下降低,且光损伤与热耗散部分能量比值增大,在高浓度Fe3+、Co2+胁迫下又同时增大了光化学反应能量比例。表明砂藓在Fe3+、Co2+、Ni2+胁迫后造成PSII效率下降,并使砂藓产生了损伤。砂藓则通过提升光化学反应能量占比以缓解胁迫。在离子富集方面,砂藓对Fe3+、Co2+、Ni2+的富集量随胁迫浓度提高而提高,在高浓度胁迫下对Fe3+、Co2+、Ni2+的富集量分别达到了5.64mg/g、4.13mg/L、1.09mg/L;Fe元素在亚细胞分布上具有规律性,多数Fe离子被保留在细胞壁及细胞壁外的结构中,在高浓度Fe3+、Ni2+胁迫下砂藓细胞边界模糊。2、对125 mg/L Fe3+胁迫后的砂藓的代谢物分析,共鉴定出288种代谢物,与对照组比较筛选出114种差异显著代谢物,其中11种代谢物上调,103种代谢物下调。上调代谢物主要为有机酸小分子及脂类代谢物,这些上调代谢物分布在TCA循环途径、甘油代谢途径、嘧啶及衍生物代谢途径以及信号分子转导代谢途径;下调代谢物主要包括29种氨基酸分子、19种糖及衍生物、29种有机酸小分子、9种脂类代谢物及其他种类代谢物。通过通路富集算法对差异代谢物分析表明,高浓度Fe3+胁迫主要影响氨酰基-t RNA生物合成途径以及ABC转运蛋白代谢途径,显著抑制大多氨基酸代谢途径,其次对糖及衍生物代谢途径、生物碱合成以及嘌呤代谢途径抑制。3、将砂藓及负载铁、钴、镍后的砂藓在1000℃下炭化1.5h,采用SEM、FT-IR、XRD、XPS、XRF等方法对材料进行表征。结果表明,砂藓生物质炭拥有密集介孔分布的表面形貌,保留了部分功能性含氧官能团,有较强的化学吸附性;负载了Fe3+、Co2+、Ni2+的砂藓生物质经过炭化后多数金属离子位于炭结构内核,且负载炭有较高的金属离子含量比值,电容测试结果显示不同重金属负载后呈现出相异的电容性能,表明负载铁、钴、镍金属离子的砂藓在炭化后具有一定的电化学的应用潜力。
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