植物组合技术修复铅、镉污染土壤的研究

【摘要】土壤重金属污染不仅影响到整个人类生存环境的质量,而且能通过直接接触、食物链传递等途径危及人类的健康和生命,世界各国都非常重视有效治理土壤重金属污染。利用多种组合技术强化植物修复,可弥补单一技术的不足。植物组合修复技术是指将植物修复技术与其它土壤重金属污染治理方法综合利用形成的修复土壤中重金属污染的技术。由于它能很大限度地清除土壤中的有害重金属,并且投资少,和单一修复方法相比,植物组合修复技术应用的周期短,操作程序简单。本研究是植物组合技术修复重金属污染土壤的新尝试,拟通过细菌、螯合剂强化植物修复效应的研究,对我国的环境污染治理、生态恢复重建有着重大的理论意义和实践意义。实验室筛选出对重金属Pt、Cd具有较强抗性的菌株,研究其活化效能、环境影响因素、吸附条件等。用荧光定量PCR技术(qPCR)研究抗性菌株抗性基因的差异表达,为下一步克隆抗性基因提供理论基础。利用生理学指标测定和重金属含量分析希望从草类植物中筛选出Pb、Cd超富集植物,研究Pb、Cd复合污染对植物的影响和植物富集Pb、Cd的机理。通过盆栽试验研究菌株、乙二胺二琥珀酸(EDDS)和EDDS/菌株三种处理对植物富集Pb、Cd的影响,比较不同处理下植物富集Pb、Cd的能力,探讨生物修复的机制,以寻找更加高效经济的修复措施,以期对重金属污染的可持续治理提供理论基础和技术积累。主要结果如下：(1)筛选得到2株生长势好、活化硝酸铅、硫酸镉效果显著的抗性菌株JB11和JB12,菌株JB12对Pb、Cd抗性最强,选用JB12作为最优菌种,用于植物实验。经生理生化和16SrDNA序列分析鉴定JB11为肠杆菌科泛菌属成团泛菌(Pantoeaagglomerans),Genbank登录号为JX262490。JB12为肠杆菌科伯克霍尔德氏菌属洋葱伯克霍尔德菌(Burkholderiacepacia.)Genbank登录号为JQ346057。对菌株JB11和JB12生物学特性的研究结果表明,菌株对重金属、抗生素有普遍的耐受性。在最佳培养条件下,JB11和JB12对Pb2、Cd2+的吸附实验结果表明,JB11对Pb2+吸附应选择投菌量5g/L、pH5、吸附30min;JB11对Cd2+吸附应选择投菌量5g/L、pH6、吸附35min。JB12对Pb2+吸附应选择投菌量6g/L、pH5、吸附20min;JB12对Cd2+吸附应选择投菌量5g/L、pH6、吸附20min。(2)运用荧光定量PCR(qPCR),研究了在Pb、Cd胁迫下JB12内与Pb2+、Cd2+转运相关的基因的表达差异。选取金属离子运输蛋白基因NRAMP(Naturalresistance-associatedmacrophageProteins)和外流基因CadCA系统的调节因子CadR基因作为研究对象,进行Pb、Cd胁迫下基因转录水平表达变化的研究。JB12在4种浓度的Pb和Cd的环境中,培养0.5h、2h和4h后CadR和Nramp基因多有上调表达,表明CadR和Nramp基因对Pb和Cd胁迫非常敏感,促进重金属的运输和外流,在细菌Pb、Cd抗性机制中起着重要作用。(3)选取34种草类植物为研究对象,筛选Pb、Cd超富集植物,对Pb单一污染有较强耐性的非超富集植物有13种,对Cd单一污染耐性较强的非超富集植物有12种,对Pb、Cd复合污染有较强抗性的植物有7种,可以用于Pb、Cd复合污染土壤的植物修复。用含Pb/Cd浓度为500/50mg/kg的溶液处理高羊茅和红三叶植物幼苗,分别在胁迫5d、10d、15d和20d后测定地上部长度、根长、地上部干重、根部干重及叶绿素含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性、丙二醛(MDA)含量和可溶性蛋白含量等生理指标。结果显示随胁迫时间延长各生理指标都有显著变化,7种植物对较低浓度Pb、Cd复合污染有较强的抗性和适应性。(4)在花盆中分别装入含不同浓度重金属的土样400g,每盆分别播入高羊茅和红三叶种子,播种30d后,在生长良好的植株根部接入对数期的JB11或JB12,设以下4种处理：接无菌水的空白对照(CK)、接无菌水洗的1×106cfu/g菌液(JB11或JB12)、接1.0mmol/kgEDDS、接0.5mmol/kgEDDS+5×105cfu/g菌液(1/2EDDS+JB11或JB12)。收获后称地上部和根部的干重,以及重金属离子浓度。结果表明菌株JB11和JB12能明显提高供试植物的生物量和Pb、Cd吸收量,且高羊茅中的增加量大于红三叶。EDDS能提高植物地上部Pb、Cd浓度和总吸收量。1/2EDDS+菌株的复合处理下植物重金属吸收量多数高于菌株和EDDS单独处理。
【作者】金忠民；
【导师】沙伟；
【作者基本信息】东北林业大学，遗传学，2013，博士
【关键词】重金属污染；植物组合修复；超富集植物；抗性菌株；鳌合剂；

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