【作者】 刘春英
【关键词】 迁移转化 湿地植物 铅 鄱阳湖 铁膜 转运机制 重金属
【导师姓名】弓晓峰
【学位名称】博士
【学位年度】2015
【授予单位】南昌大学
【分类号】 X173;|X53
【录入时间】2017-05-14
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【摘要】湿地植物根表铁膜是污染物进入植物体内的门户,对植物消减污染物起着重要作用。铁膜的形成不仅影响植物对营养元素的吸收利用,而且影响根际土壤中重金属的迁移和转化。因此,研究湿地植物根表铁膜对重金属的生物有效性、迁移、转化及其影响,对深入了解湿地植物净化土壤中重金属的内在机理有着积极的意义。为探索湖泊湿地植物根表铁膜对湿地植物富集重金属的作用,本研究以典型淡水湖泊湿地——鄱阳湖湿地为例,采用溶液培养和土-砂联合培养的试验方法,结合扫描电镜-能量色散谱(SEM-EDX)以及化学提取法(DCB法),研究鄱阳湖湿地植物根表铁膜的形成以及对铅在植物体内累积和迁移转化的影响。主要结果如下:(1)鄱阳湖湿地植物根表铁膜的含量为禾本科莎草科蓼科菊科。不同植物种类根表铁膜的含量具有显著性差异,即使是同属一科的湿地植物,其根表铁膜的含量也存在差异,如同属于莎草科的苔草根表铁膜的含量是刚毛荸荠的6倍;不同生境中,活性铁含量高的南矶山湿地植物根表铁膜量普遍高于吴城;不同季节采集三种鄱阳湖优势种群湿地植物的根表铁膜量也存在差异,11月份植物根表铁膜的含量高于4月份。(2)植物根系氧化力、溶液pH值、Fe2+浓度、培养时间、水位变化以及根系分泌物等对根表铁膜的形成具有显著影响。根系氧化力高的苔草根表铁膜的含量高于根系氧化力弱的虉草;当pH为5.5~6时,两种湿地植物铁膜含量均达到最高值;两种植物的根表铁膜都随溶液中Fe2+浓度的增加而增加,根表铁膜的量与溶液中Fe2+浓度具有显著的正相关;苔草根表铁膜的含量随诱导时间的增加呈现先升高后变缓的趋势,7 d作为苔草根表铁膜含量的最佳形成时间;随着淹水水位的增加,苔草和虉草根表铁膜的含量均有所增长,在淹水2~3 cm前根表铁膜的含量随土壤水分含量的增加而增加;根系分泌物中的草酸、苹果酸和柠檬酸等能与溶液中的Fe2+发生螯合从而降低了溶液中Fe2+浓度,减少了铁膜的含量。(3)培养时间对苔草的生长、根系氧化力、根表铁膜的含量以及铁膜的活性具有影响。苔草根表铁膜的含量随培养时间的增加呈现先上升后降低的趋势,第一周根表铁膜的生成速率最大,第三周趋于平衡,第四周开始铁膜的生成速率开始出现负值,铁膜的含量开始下降;苔草根系氧化力随培养时间呈现出先增加后降低的趋势,且低浓度的铁可以促进苔草的根系氧化力;苔草根表铁膜无定形态的铁只占铁氧化物总量的6%~18%,大部分的铁为结晶态的铁氧化物。从第五周开始,苔草根表铁膜开始出现老化现象。(4)通过电镜扫描(SEM)观察可知,苔草根表面有一层非结晶态的颗粒物沉积在表皮细胞外,但分布并不均匀。不同铁浓度水平下,铁膜的紧密程度也不一致,不加铁处理的根表铁膜比较稀疏,加铁处理的苔草,根表铁膜更密实。由能谱分析(EDX)分析得出,苔草根表铁膜主要含有C、O、Al、K、Si、Ca、Fe等,有铁膜的根表铁的含量高于无铁膜的植物根表。通过XRD分析得出,根表铁膜主要是结晶态的铁α-Fe2O3(赤铁矿)。(5)鄱阳湖湿地植物苔草和虉草根表铁膜对溶液中的铅具有吸附作用。铅在苔草和虉草中的分配为铁膜根内地上部分,约有50%~60%累积在根表铁膜中,根表提取的铅含量与根内铅含量具有显著的相关性。约90%的铅累积在根内,说明根表铁膜能够吸附铅,且在一定程度上可以抑制铅由根内向地上部分迁移。(6)鄱阳湖湿地植物苔草根表铁膜对土壤中的铅具有富集作用。苔草根表铁膜的含量受土壤中Fe2+添加量以及铁、铅交互作用的影响,但铅的添加对根表铁膜含量的影响并不显著。在铅浓度为0~100 mg·kg-1(处于鄱阳湖湿地土壤目前实际的铅浓度范围内)时,添加500 mg·kg-1的铁,苔草根表铁膜的含量可达到13.63 g·kg-1,根部铅的百分含量提高了14.95%,苔草根表铁膜促进了铅在根部的累积。苔草铅的TFroot和TFshoot在不同处理中分别为0.61~3.32和0.17~0.90,加铁处理可增加苔草铅的TFroot,降低TFshoot,铅在苔草中的DC随着铁浓度的提高而显著降低。苔草根表铁膜的存在促进了铅从苔草根表向根内迁移,而且大量富集在根内。对于鄱阳湖湿地这种低铅污染的土壤,可添加铁来增强根表对土壤中铅的吸附,促进铅由湿地土壤向苔草根系的迁移,起到净化湿地土壤重金属的作用。从而避免了湿地土壤中的重金属通过“土壤-水生生物-候鸟”生物链间接被候鸟吸收。...
【全文】湿地植物根表铁膜是污染物进入植物体内的门户,对植物消减污染物起着重要作用。铁膜的形成不仅影响植物对营养元素的吸收利用,而且影响根际土壤中重金属的迁移和转化。因此,研究湿地植物根表铁膜对重金属的生物有效性、迁移、转化及其影响,对深入了解湿地植物净化土壤中重金属的内在机理有着积极的意义。为探索湖泊湿地植物根表铁膜对湿地植物富集重金属的作用,本研究以典型淡水湖泊湿地——鄱阳湖湿地为例,采用溶液培养和土-砂联合培养的试验方法,结合扫描电镜-能量色散谱(SEM-EDX)以及化学提取法(DCB法),研究鄱阳湖湿地植物根表铁膜的形成以及对铅在植物体内累积和迁移转化的影响。主要结果如下:(1)鄱阳湖湿地植物根表铁膜的含量为禾本科莎草科蓼科菊科。不同植物种类根表铁膜的含量具有显著性差异,即使是同属一科的湿地植物,其根表铁膜的含量也存在差异,如同属于莎草科的苔草根表铁膜的含量是刚毛荸荠的6倍;不同生境中,活性铁含量高的南矶山湿地植物根表铁膜量普遍高于吴城;不同季节采集三种鄱阳湖优势种群湿地植物的根表铁膜量也存在差异,11月份植物根表铁膜的含量高于4月份。(2)植物根系氧化力、溶液pH值、Fe2+浓度、培养时间、水位变化以及根系分泌物等对根表铁膜的形成具有显著影响。根系氧化力高的苔草根表铁膜的含量高于根系氧化力弱的虉草;当pH为5.5~6时,两种湿地植物铁膜含量均达到最高值;两种植物的根表铁膜都随溶液中Fe2+浓度的增加而增加,根表铁膜的量与溶液中Fe2+浓度具有显著的正相关;苔草根表铁膜的含量随诱导时间的增加呈现先升高后变缓的趋势,7 d作为苔草根表铁膜含量的最佳形成时间;随着淹水水位的增加,苔草和虉草根表铁膜的含量均有所增长,在淹水2~3 cm前根表铁膜的含量随土壤水分含量的增加而增加;根系分泌物中的草酸、苹果酸和柠檬酸等能与溶液中的Fe2+发生螯合从而降低了溶液中Fe2+浓度,减少了铁膜的含量。(3)培养时间对苔草的生长、根系氧化力、根表铁膜的含量以及铁膜的活性具有影响。苔草根表铁膜的含量随培养时间的增加呈现先上升后降低的趋势,第一周根表铁膜的生成速率最大,第三周趋于平衡,第四周开始铁膜的生成速率开始出现负值,铁膜的含量开始下降;苔草根系氧化力随培养时间呈现出先增加后降低的趋势,且低浓度的铁可以促进苔草的根系氧化力;苔草根表铁膜无定形态的铁只占铁氧化物总量的6%~18%,大部分的铁为结晶态的铁氧化物。从第五周开始,苔草根表铁膜开始出现老化现象。(4)通过电镜扫描(SEM)观察可知,苔草根表面有一层非结晶态的颗粒物沉积在表皮细胞外,但分布并不均匀。不同铁浓度水平下,铁膜的紧密程度也不一致,不加铁处理的根表铁膜比较稀疏,加铁处理的苔草,根表铁膜更密实。由能谱分析(EDX)分析得出,苔草根表铁膜主要含有C、O、Al、K、Si、Ca、Fe等,有铁膜的根表铁的含量高于无铁膜的植物根表。通过XRD分析得出,根表铁膜主要是结晶态的铁α-Fe2O3(赤铁矿)。(5)鄱阳湖湿地植物苔草和虉草根表铁膜对溶液中的铅具有吸附作用。铅在苔草和虉草中的分配为铁膜根内地上部分,约有50%~60%累积在根表铁膜中,根表提取的铅含量与根内铅含量具有显著的相关性。约90%的铅累积在根内,说明根表铁膜能够吸附铅,且在一定程度上可以抑制铅由根内向地上部分迁移。(6)鄱阳湖湿地植物苔草根表铁膜对土壤中的铅具有富集作用。苔草根表铁膜的含量受土壤中Fe2+添加量以及铁、铅交互作用的影响,但铅的添加对根表铁膜含量的影响并不显著。在铅浓度为0~100 mg·kg-1(处于鄱阳湖湿地土壤目前实际的铅浓度范围内)时,添加500 mg·kg-1的铁,苔草根表铁膜的含量可达到13.63 g·kg-1,根部铅的百分含量提高了14.95%,苔草根表铁膜促进了铅在根部的累积。苔草铅的TFroot和TFshoot在不同处理中分别为0.61~3.32和0.17~0.90,加铁处理可增加苔草铅的TFroot,降低TFshoot,铅在苔草中的DC随着铁浓度的提高而显著降低。苔草根表铁膜的存在促进了铅从苔草根表向根内迁移,而且大量富集在根内。对于鄱阳湖湿地这种低铅污染的土壤,可添加铁来增强根表对土壤中铅的吸附,促进铅由湿地土壤向苔草根系的迁移,起到净化湿地土壤重金属的作用。从而避免了湿地土壤中的重金属通过“土壤-水生生物-候鸟”生物链间接被候鸟吸收。