施加钾离子对铯胁迫小桐子生理生化响应的影响.docx

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施加钾离子对铯胁迫小桐子生理生化响应的影响

Southwestuniversityofscienceandtechnology

毕业设计

施加钾离子对铯胁迫小桐子生理生化响应的影响

施加钾离子对铯胁迫小桐子生理生化响应的影响

摘要：

土壤是人类赖以生存发展的基础，土壤资源的利用与保护程度也是与人类社会生存、发展息息相关的。

但是随着工业化、城市化、农业聚集化的发展，大量的重金属等污染物充斥在环境中，通过各种途径向土壤转移。

并残留在土壤中，造成严重的土壤重金属污染。

并通过食物链危害人体健康。

所以治理土壤的重金属污染迫在眉睫。

植物修复技术是近年来发展起来的新技术。

以其低成本、无二次污染等优点，迅速得到广泛的关注。

本文利用盆栽土培的办法，观察不同土壤介质中小桐子对铯胁迫和铯胁迫下施加不同浓度钾的生长及生理生化响应。

结果显示，铯胁迫下小桐子的生长指标及叶绿素含量均显著下降，且随时间的增加差异越来越显著；丙二醛含量、游离脯氨酸含量、电导率及膜脂抗氧化酶含量均显著升高，且随时间增加，差异越来越显著，说明铯胁迫下，小桐子的生理生化受到了严重的影响。

施加钾以后，小桐子幼苗的株高和生物量等明显增加，叶绿素的含量也显著升高，表明小桐子的光合能力受到的胁迫程度在逐渐减弱；丙二醛MDA含量显著降低，说明受到的膜脂过氧化胁迫下降；游离脯氨酸Pro含量明显降低，表明麻疯树叶片的受到的渗透调节胁迫下降；电导率呈下降趋势，说明胁迫也在逐渐缓解；膜脂抗氧化酶含量总体比铯胁迫下降低了，说明氧化胁迫也得到了一定程度的缓解。

但是施加高浓度的K+缓解胁迫的能力却有所降低。

砂土与壤土的变化趋势基本一致，但总体长势壤土好于砂土。

即K+在壤土介质中能更好的缓解小桐子受到的胁迫。

所以结论就是：

在铯污染的壤土中，施加低浓度的钾能够缓解小桐子的受到的铯胁迫，增加耐受能力。

该研究一方面为植物修复铯污染的土壤提供依据，另一方面为木本植物用于植物修复领域奠定基础。

关键词：

土壤重金属污染铯胁迫小桐子钾

Abstract：

Thesoilisthefoundationofthedevelopmentofhumansurvival,soilintheuseofresourcesandprotectingdegreewithhumansocietyiscloselyrelatedtotheexistenceanddevelopment.Butastheindustrialization,theurbanizationandthedevelopmentoftheagriculturalgatheredtogether,alotofheavymetalpollutantssuchasfillenvironment,throughthevariouswaystotransfertothesoil.Andremaininsoil,causeserioussoilheavymetalpollution.Andthroughthefoodchainendangerhumanbodyhealth.Sothecontrolofsoilheavymetalpollutionisimminent.Phytoremediationtechnologyisdevelopedinrecentyearstonewtechnology.Withitslowcost,nosecondarypollutionetc,andquicklygetbroadattention.

Inthispaperthemethodwhichpottingsoil,observedifferentsoilmediatosmallandmedium-sizedJatrophacurcasL.cesiumstressandcsstressconcentrationofpotassiumbyapplyingdifferentgrowthandphysiologicalandbiochemicalresponse.TheresultsshowedthatunderJatrophacurcasL.cesiumstresssmallindicatorsofgrowthandthechlorophyllcontentaredownsignificantly,andtheincreaseofovertimemoreandmoreremarkabledifference;Malondialdehyde,freeprolinecontent,conductivityandmembranelipidcontentofantioxidantenzymesweresignificantlyincreased,andincreasedovertime,moreandmoreremarkabledifferences,cesiumstressthat,JatrophacurcasL.thephysiologicalandbiochemicalsufferedseriousinfluence.Exertpotassiumafter,JatrophacurcasL.seedlingheightandbiomass,increasedsignificantly,thechlorophyllcontentisalsosignificantlyincreased,showsthatJatrophacurcasL.photosyntheticcapacitybythedegreeofstressintheweakenedgradually;Malondialdehyde（MDAcontentwassignificantlylower,explaintheMDAcontentbystressdrop;FreeprolinecontentofProreducedsignificantly,andthatleavestheleprosyofbytheosmoticregulationstressdrop;Conductivitydeclined,andgraduallyeasethatstressin;Membranelipidantioxidantenzymescontentthanloweroverallcesiumstress,suggestingthatthestressofoxidationalsogotsomedegreeofease.ButexerthighlevelsofstressreliefK+abilitywasreduced.Sandyloamandthechangetendencyofthebasicagreement,butoveralltheloaminsandysoilisgood.Namely,K+inloamcanbettereasemediumJatrophacurcasL.bystress.

Sotheconclusionis:

inthepollutionofcesiumloamandputlowconcentrationofpotassiumcanalleviatetheJatrophacurcasL.bycesiumstress,increasetolerance.Thestudyonthesoilpollutionrepairplantcesiumprovidesthebasis,ontheotherhandforwoodyplants,whichlaidthefoundationforplantrepairfield.

Keywords：

SoilHeavymetalpollutionCesiumstressJatrophacurcasL.potassium

目录

1绪论５

1.1土壤污染的现状５

1.2土壤污染的危害５

1.3土壤污染治理的发展５

1.4植物修复技术６

1.4.1植物修复技术的概念６

1.4.2植物修复的类型６

1.4.3植物修复技术的研究进展７

1.4.4木本植物修复研究进展８

1.5小桐子简介８

1.6麻疯树抗逆性研究９

1.7本研究的目的和意义９

2实验材料与方法１０

2.1实验材料１０

2.2实验试剂１０

2.3设备仪器１１

2.4实验方法１１

2.4.1土壤的理化性质１１

2.4.2种子预处理１１

2.4.3育苗１２

2.4.4实验设计１２

2.4.5幼苗的生长指标１２

2.4.6叶绿素含量的测定１２

2.4.7MDA的测定１２

2.4.8游离脯氨酸的测定１３

2.4.9细胞质膜透性的测定１３

2.4.10膜脂抗氧化酶系统的测定１４

2.5数据处理１５

3结果分析１５

3.1幼苗的生长影响１５

3.2叶绿素含量的影响１７

3.3丙二醛MDA的含量１８

3.4游离脯氨酸的含量１９

3.5细胞质透性即伤害率的情况２０

3.6膜脂抗氧化酶的含量２０

4结论２１

5参考文献２２

1绪论

1.1土壤污染的现状

土壤是人类赖以生存发展的基础，土壤资源的利用与保护程度也是与人类社会生存、发展息息相关的。

但是随着工业化、城市化、农业聚集化的发展，大量未经处理的工业废水、废气、废渣排到自然环境中，造成各种污染物向土壤转移。

在自然条件下，土壤有一定的自净能力，但是一旦超出土壤的自净能力，有害物质就会残留在土壤中，造成土壤污染。

2011年上半年由国家环保部组织的全国土壤污染调查结果显示，全国受污染的耕地约有1.5亿亩，污染耕地3250万亩，固废堆存占地200万亩，合计约有10%的耕地面积重金属超标问题突出。

重金属污染是指由于人类活动,致使土壤中的重金属（密度大于5g/cm3）含量过高,并造成生态环境质量恶化的现象。

重金属以其在土壤中难降解、毒性强、具有积累效应等特征受到科学家们的广泛关注[2]。

在2011年10月，中国工程院院士罗锡文应邀到广东演讲时，曾透露全国3亿亩耕地正在受到重金属污染的威胁，占全国农田总面积的1/6。

我国土壤污染总体形势相当严峻。

土壤重金属污染日益严重[1]。

由土壤污染引发的农产品安全和人体健康事件时有发生,成为影响农业生产、群众健康和社会稳定的重要因素。

1.2土壤污染的危害

土壤一旦遭受污染,不仅直接影响农作物的生长和产品质量,还能通过食物链和饮水间接危及人体健康。

首先，土壤污染导致严重的直接经济损失。

农作物的污染、减产。

对于各种土壤污染造成的经济损失，目前尚缺乏系统的调查资料。

仅以土壤重金属污染为例，全国每年就因重金属污染而减产粮食1000多万吨，另外被重金属污染的粮食每年也多达1200万吨，合计经济损失至少200亿元。

其次，土壤污染导致生物的质量不断下降。

可见土壤的重金属污染的危害有多大。

我国大多数城市近郊土壤都受到了不同程度的污染，有许多地方粮食、蔬菜、水果等食物中镉、铬、砷、铅等各种重金属含量超标或接近临界值。

土壤污染除影响食物的卫生品质外，也明显地影响到农作物的其他品质。

有些地区污灌已经使得蔬菜的口感变差，易烂，甚至出现难闻的异味;农产品的储藏品质和加工品质也不能满足深加工的要求。

再次，土壤污染严重危害人体健康。

土壤污染会使污染物在植物体中积累，并通过食物链富集到人体和动物体中，危害人畜健康，引发癌症和其他疾病等。

最后，土壤污染导致其他环境问题。

土地受到污染后，含重金属浓度较高的污染表土容易在风力和水力的作用下分别进入到大气和水体中，导致大气污染、地表水污染、地下水污染和生态系统退化等其他次生生态环境问题。

所以土壤污染的治理刻不容缓。

1.3土壤污染治理的发展

土壤污染的治理主要有以下几种方法。

第一是物理修复，包括客土法，即在被污染的土壤上覆盖非污染土壤表层或混匀，使污染物浓度降低或减少污染物与植物根系的接触，从而达到减轻危害的目的。

换土法，即将表层部分或全部移走后换上新的未污染的土壤。

深耕翻土法，即采用深耕将上下土层翻动混合的做法，使表层土壤污染物含量降低，但这只适用于土层深厚且污染较轻的土壤，同时要增加施肥量，以弥补因深耕导致的耕层养分的减少。

这些措施都可以降低土壤中的重金属含量，减少重金属对土壤植物系统的毒害。

这是比较传统和经典的土壤重金属污染治理方法，但是工程量大，且重金属等污染物还是在土壤中，并未完全除去。

第二是化学修复，即施用石灰、磷酸盐、氧化铁等化学改良剂，减轻土壤中重金属的毒害，采用烯酸和氧化铁处理土壤可加速排除土壤中的重金属，但具体实施时要注意防止污染地下水。

化学修复虽然可以减少部分重金属，但是易造成二次污染。

更加的不安全。

第三是生物修复，指一切以利用生物为主体的环境污染的治理技术。

它包括利用植物、动物和微生物吸收、降解、转化土壤中的污染物，使污染物的浓度降低到可接受的水平，或将有毒有害的污染物转化为无害的物质，也包括将污染物稳定化，以减少其向周边环境的扩散。

一般分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类型。

根据生物修复的污染物种类，它可分为有机污染生物修复和重金属污染的生物修复和放射性物质的生物修复等。

生物修复具有成本低、不破坏土壤生态平衡、二次污染少等优点。

是目前研究最热门的方向。

1.4植物修复技术

1.4.1植物修复技术的概念

植物修复技术（Phytoremediation）是指植物在生长过程中能从土壤中吸收、分解、挥发或固定特定的重金属（包括放射性核素），并在可被收割的部位富集,人们通过将植物富集部位的收割处理,达到降低重金属在土壤中的含量和有效态含量，处理污染土壤的目的从而降低其对生物的危害。

近年来植物修复理论与实践的发展赋予植物修复技术新的内涵。

根据近年来国内外的研究现状和发展趋势，可将植物修复定义为直接利用绿色植物在原位去除或控制土壤、沉积物、污泥、固体废弃物、地表水、地下水和大气环境中的污染物，如重金属、类金属、放射性元素和有机污染物（杀虫剂、有机溶剂、炸药、原油和多环芳烃等），从而最大限度地降低其环境风险的一类环境友好技术。

1.4.2植物修复的类型

1.4.2.1　植物提取

植物提取（phytoextraction）是目前研究较多的一种利用植物去除环境污染物的方法，主要是利用金属富集植物或超富集植物将土壤或水体中的重金属转运到植物的地上部分，再通过收获植物将重金属移走，以降低土壤或水体中的重金属含量。

超富集植物是指某些具有很强的吸收重金属并运输到地上部分的植物，重金属富集植物则是指某些本身不具有超量富集特性但通过特殊过程可以诱导出超量重金属的植物。

因此，植物提取技术可分为2种：

利用超富集植物吸收土壤或水体中的重金属的持续植物提取技术和利用鳌合剂促进植物吸收重金属的诱导植物提取技术。

1.4.2.2　植物挥发

植物挥发（phytovolatilization）是植物去除环境中一些挥发性污染物的方法，即通过植物和根际微生物的作用，将环境中挥发性污染物吸收到体内后再将其转化为毒性小的挥发态物质，释放到大气中，不需收获和处理含污染物的植物。

1.4.2.3　植物过滤

植物对水体重金属和类金属的去除主要是通过植物过滤（phytofiltration）作用来实现的，植物过滤包括根系过滤和种苗过滤2种方式。

Raskinetal指出，根系过滤是植物通过根部对毒害性金属进行吸收、浓缩和沉淀，是比现行化学法和微生物沉积重金属法更具吸引力的处理含重金属废水的方法。

1.4.2.4　植物固定

植物固定（phytostabilization）是耐性植物利用其自身的机械稳定作用和吸收沉淀作用来固定土壤中重金属的方式，可以降低重金属的生物有效性和防止其进入水体和食物链，从而降低其对环境的污染风险。

重金属植物固定技术主要应用于矿山废弃地、城市垃圾填埋场、污水处理厂污泥和各种污染土壤的修复

1.4.2.5　水力泵技术

水力泵技术（hydraulicpumping）是利用一些根系深且发达的速生植物强大的蒸腾作用，将植物作为一种生物泵来减少地表污染物下渗进入地下水或流入地表水体的技术。

水力泵技术的具体应用包括种植溪流、河岸植物，建立河岸廊道和垃圾填埋场缓冲带等。

此外，在垃圾填埋场地表可用植被覆盖来取代原来的粘土或塑料覆盖层，不仅可减少填埋场地表的侵蚀和渗滤液的流出量，而且有利于下层废物的降解。

1.4.3植物修复技术的研究进展

早在1983年，美国科学家Chaney[3]就提出了利用能够富集重金属的植物来清除土壤重金属污染的设想,即植物修复技术。

目前国内外关于铯污染植物修复的研究还处于初级阶段，主要是富集植物的筛选，研究发现不同种科、属的植物对放射性核素的积累不同，它们之间存在很大差异，而同种植物的不同器官对低放核素的积累也不相同，相同植物的相同器官对不同的低放核素积累也存在差异，而且土壤对植物富集低放核素也有一定的影响[39]。

1996年赵文虎等研究了14科169种植物的90Sr及10科28种植物的137Cs富集能力。

发现一些科属对放射性核素富集作用强[37]，Broadley等也进行类似的筛选[38]。

研究特点是以放射性核素137Cs和90Sr为主。

从1999年开始，在国家“863”计划、“973”计划和国家自然科学基金重点项目的支持下，地理科学与资源研究所环境修复中心研究员陈同斌带领的研究组筛选出一种砷超富集植物，解决了砷污染土地植物修复技术中的一系列关键难题，在国际上建立了第一个砷污染土地的植物修复示范工程，并先后在广西河池和云南红河州开始推广应用。

该研究的成功，为植物修复技术的发展添上了浓墨重彩的一笔。

1.4.4木本植物修复研究进展

植物修复能有效地降低土壤中重金属的毒害程度及清除土壤中的有机污染物，然而传统的植物修复材料，特别是重金属超累积植物材料虽然具有超量累积特定重金属的能力，但由于生物量低、生长缓慢等特点，使其在具体实践中应用受到很大制约；现今发现的超累积植物很少能在田间应用，很难解决大面积的污染修复。

木本植物具有生长迅速、生物量大、根系发达等理想特征，利用其对污染环境进行修复成为生物修复研究领域的一个热点。

树木修复被认为是环境保护研究领域一项应用前景广阔的新兴环境友好技术，国内外相继开展重金属及有机物污染土壤的树木修复相关研究，树木修复在国内外已出现产业化趋势。

利用树木修复土壤重金属污染被认为是低投资、可持续及生态安全的途径具有超同化能力的树木将有害的重金属等污染物通过根系吸收后，输送并储存在植物体根部及地上部分，经过转化、隔离或螯合作用减轻对植物体的毒害，并通过采伐、收获等手段达到清除土壤中重金属的目的。

目前，利用树木修复土壤重金属污染的研究集中在麻疯树。

麻疯树能够通过植物提取或固定的方法修复多种重金属污染，其中包括放射性元素。

修复过程中有的重金属适合植物提取，有的适合植物固定；而植物提取也存在提取效率的不同，这与重金属种类、树种、树龄、生长季节、土壤特点及水文特征等多种因素有关。

1.5小桐子简介

小桐子（JatrophacurcasL.）又名麻疯树、膏桐、臭油桐，是大戟科麻风树属的一种油料植物。

它是一种喜光阳性、抗旱耐瘠的植物，根系粗壮发达，具有较强的耐干旱瘠薄能力，枝、干、根近肉质，组织松软，含水分、浆汁多、有毒性而又不易燃烧，抗病虫害。

原产美洲，现广泛分布于亚热带及干热河谷地区，我国引种有300多年的历史。

野生麻风树分布于两广、琼、云、贵、川等省，以及非洲的莫桑比克、赞比亚等国，澳大利亚的昆士兰及北澳地区，美国佛罗里达的奥兰多地区、夏威夷群岛地区等均有分布。

干热河谷野生状态下的种子，一般一年一熟，少有一年两熟，枝、干具再生能力，种子发芽率在90%以上。

麻疯树生长迅速，生命力强，在部份地方可以形成连片的森林群落。

由于该树种植可用杆插法繁殖，而且成活率高，生长速度快，头年就有收成，产量逐年增加，果实采摘可达50年。

近年来，由于退耕还林的推动，各地大量种植。

目前仅四川一地的麻疯树资源量即在26万亩以上，可产种籽17万吨，可提炼麻疯树油6万吨。

显示了一定的资源潜力。

未来全国麻疯树种植面积至少可达3000万亩以上，预计可产柴油580多万吨（按每亩每年产干果650公斤，每公斤果可榨取0.3公斤柴油计），显示了良好的资源开发利用前景。

它不但人工造林容易，天然更新能力强，还耐火烧，可以在干旱、贫瘠、退化的土壤上生长。

适宜在热带、亚热带以及雨量稀少、条件恶劣的干热河谷地区种植，是保水固土、防沙化、改良土壤的主要选择树种。

麻疯树具有极强的生育繁殖能力，枝叶浓密，林地郁闭快，落叶易腐不易燃，改良土壤能力强。

生长在陡坡上的麻疯树林成为良好的生物防火隔离带。

它不仅能生产生物能源，也是生物农药、生物医药、生物饲料的主要原料。

1.6麻疯树抗逆性研究

目前对麻疯树生物学特性研究主要集中在种子的化学成分毒理学及分子生物学方面，关于麻疯树对环境的生理适应性研究较少，仅有很少关于麻疯树对重金属、对盐胁迫、对低温、干旱适应性的研究报道，且目前利用保水性差、贫瘠的非耕地种植麻疯树已备受国内外关注。

毛铁清等人通过盆栽试验研究了多效唑（PP333）浸种对NaCI胁迫麻疯树幼苗的生长调节效应，证明PP333能改善麻疯树幼苗耐盐能力；陈健妙等人从光和生理探讨了盐胁迫对麻疯树幼苗生长的影响，结果表明，麻疯树通过降低植株生长和诱导酶活性变化来提高耐盐性，并证明麻疯树具有良好的耐盐适应性；窦新永等人从光合生理研究了麻疯树对干旱胁迫的耐受能力，结果表明，干旱浓度<20%时光合作用并未受到损伤，光合活性受到高浓度胁迫的损伤，在解除胁迫后能迅速恢复，说明麻疯树对干旱有较强的耐受能力；毛俊娟等人也从温度和铝浓度对麻疯树生理指标的影响做了研究，结果证明低浓度铝对麻疯树有一定促进作用，同时土壤离子浓度和环境温度也一定程度上提高麻疯树对铝毒性的抵抗能力。

目前关于铯对植物生长的影响已有大量研究，但未见关于铯对麻疯树影响的报道，对麻疯树能源价值研究比较多，但利用麻疯树作为耐贫瘠非食用木本植物修复核素污染土壤的材料没有报道。

为此，本文利用核素铯浇灌模拟土壤污染条件，再施加不同浓度的钾，以盆栽育苗研究麻疯树在铯胁迫及钾调条件下幼苗的生长状况，生理生化指标，其他指标的变化，探讨其对重金属胁迫的适应特性及耐受程度，在麻疯树具有一定的抗盐抗旱能力和其能在在贫瘠土地生长的基础上，旨在为麻疯树作为原位修复重金属和核素污染土壤的木本推广应用提供理论依据。

1.7本研究的目的和意义

植物修复是近年来新兴的一种对土壤重金属污染的修复技术。

1983年，美国化学家Chaney提出了永超富集植物清除土壤中重金属污染的思想，美国Baker博士也随之提出超富集植物具有清洁金属污染土壤和实现金属生物回收的实际可能性。

利用植物修复的方法来治理重金属污染土