根际化学性状对水稻铁、镉吸附和吸收的影响研究

【摘要】研究镉(Cd)在稻田土壤一水稻系统中的迁移与转运机制将为控制稻田Cd污染、保障稻米品质安全提供依据。研究进展表明,土壤中Cd活性与水稻Cd含量之间存在正或负的相关关系,这可能受到根际土壤性状、铁(Fe)化学行为和水稻根系分泌物的影响,但具体机制还不十分清楚。本文采用蛭石模拟根际环境,进行营养液一蛭石联合培养,研究了不同处理下水稻根际性状和根系分泌低分子量有机酸的种类和含量,分析了这些因素对水稻根际蛭石表面、水稻根系表面Fe.Cd吸附量、根内和地上部Fe.Cd积累量的影响。主要研究结果如下：1.不同根际化学性状对水稻根际蛭石表面和根系表面Fe.Cd吸附的影响设置系列pH(4.5～7.5)和Fe.Cd处理,研究不同pH及Fe.Cd浓度对水稻和蛭石表面Fe.Cd吸附的影响。结果表明,不同pH处理下的根际氧化还原电位和酸度不同,0.9mgL-1Cd处理下的根际氧化程度低于0.5mgL-1Cd处理,50mgL-1Fe处理下的根际酸度高于30mgL-1Fe处理。根表吸附Fe.Cd组分和数量都受根际Eh值、pH制约,根表Fe.Cd吸附量在处理pH6.0时最低,并分别在处理pH7.5和处理pH4.5达到最高。但根系表面对Fe.Cd的吸附机制与蛭石表面不同。蛭石吸附Fe主要为晶态Fe,占Fe总沉积量的73%～87%,水稻根表沉积Fe以非晶态Fe为主,占Fe总沉积量的91%～95%,与处理pH和根际Eh值之间有显著的相关性(ppH=0.011*,pEh=0.042*;ppH=0.050*,pEh=0.004*).蛭石表面交换Fe及交换Cd与处理pH和Eh值间存在显著的相关性(pFe=0.000***,pCd=0.009**;pFe=0.016*,pCd=0.002**),而根表交换态Fe及交换态Cd仅与处理pH间有显著的相关性(pFe=0.007*,pCd=0.048*).不同Fe.Cd浓度处理对根际Eh值、pH的升降和根表Fe、Cd吸附均有影响。与对照相比,增Cd处理可以降低根际Eh值和升高pH,减少溶液Cd浓度并增加根表Cd吸附量；增Fe处理则可以升高根际Eh值和降低pH,减少溶液Fe.Cd浓度并减少根表Fe.Cd吸附量。2.不同根际化学性状对水稻Fe.Cd吸收的影响采用与Fe.Cd吸附试验相同的处理设置,研究不同pH及Fe.Cd条件下,水稻Fe.Cd吸收转运的规律。研究结果表明,根际环境pH、Eh值和Fe浓度等对水稻根系Fe、Cd吸收与转运具有非常重要的作用。在pH5.5时,水稻生长较旺盛,根系氧化力最高,可以阻挡根际外的Fe、Cd进入水稻根际圈内。增Cd处理下,水稻根际pH升高、Eh值降低,蒸腾作用被抑制,与对照相比增加了Fe、Cd在根表的吸附、并减少Fe、Cd的摄入。增Fe处理下水稻根际pH降低,Eh值升高；蒸腾作用被抑制,并且抑制程度比增Cd处理显著,与对照相比不仅降低了根表面Fe、Cd吸附也减少了水稻的Fe、Cd吸收。3.缺Fe预培后水稻根际性状对水稻Fe、Cd吸附和吸收的影响比较了缺Fe预培和正常Fe营养供应下水稻根际pH、Eh值、根表铁膜数量和根系分泌的低分子量有机酸的种类与数量,通过分析比较缺Fe预培下的水稻根际性状与代谢产物进一步探讨了水稻的抗Fe、Cd胁迫机制。研究结果表明,缺Fe预培下水稻根际的酸度增加,还原性增强,根际可溶性Fe、Cd含量增加。与正常Fe营养处理相比,缺Fe预培下根际蛭石表面吸附的非晶态Fe和交换态Cd含量均下降,根表铁膜中Fe的沉积吸附减少,降低了Fe与Cd在根际蛭石和表铁膜中吸收/吸附位点的竞争；根际蛭石中非晶态Cd含量增加,但根表铁膜中Cd含量变化不显著。缺Fe预培下水稻地上部Fe、Cd含量和积累量的增加可能与低分子量有机酸分泌的降低作用有关。与络合态Fe、Cd相比,根际自由态Fe、Cd更易于被水稻根系所吸收。4.不同Fe形态处理下的水稻根际性状对水稻Fe、Cd吸附和吸收的影响设置pH4.5和pH5.5两个pH处理和硫酸亚铁、草酸亚铁和柠檬酸铁三种Fe形态处理。分别探讨了不同pH和Fe形态处理下的不同根际性状对水稻根系分泌低分子量有机酸、根际蛭石表面、根系表面Fe、Cd吸附及根系Fe、Cd吸收的影响。研究结果表明,低分子量有机酸在水稻根际性状、根系Fe、Cd吸附、吸收及转运过程中扮演着很重要的作用。在pH5.5处理下,水稻根系分泌更多地低分子量有机酸,不仅在一定程度上酸化水稻根际土壤,提高水稻根际Fe、Cd活性；还与根际Fe络合形成弱吸附态Fe吸附于蛭石表面,与根际Cd络合形成弱吸附态Cd吸附于根系表面,而减少其进入水稻根内和地上部。施用柠檬酸铁增加了水稻根系分泌的低分子量有机酸总量,对水稻Fe、Cd吸收与转运有促进作用。草酸亚铁处理下活性态Fe增加,抑制了缺Fe机制策略I的表达,进而减少了对Cd具有转运功能的膜转运蛋白OsIRTl和OsIRT2,降低根系对Cd的吸收。硫酸亚铁处理下的自由态Fe2+极易被氧化成Fe3+,以非晶态形式大量吸附于根际环境中,减少了Cd在根内的积累量,但是Cd的转运率高于草酸亚铁处理。
【作者】刘丹青；
【导师】葛滢；
【作者基本信息】南京农业大学，环境科学，2013，硕士
【关键词】水稻；根际性状；镉；铁；吸收；转运；

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