超积累植物垂序商陆(Phytolacca americana L.)吸收锰机制的初步探讨

垂序商陆是中国境内发现的锰超积累植物,了解其对锰的吸收特性及机制可为植物修复提供基础信息.通过人工培养液温室培养方法,探讨了低锰浓度处理下垂序商陆吸收累积锰的特性;采用同步辐射荧光技术(SRXRF)分析了锰在垂序商陆根横截面的分布特征;应用能量代谢抑制剂2,4-二硝基苯酚(DNP)和矾酸钠(Na3VO4)、钙离子通道抑制剂氯化镧(LaCl3)研究了垂序商陆对锰吸收,并探讨了其吸收机制.结果表明,低锰浓度处理下,锰超积累植物垂序商陆仍然具有较高的吸收和累积锰的能力,5μmol·L-1低锰浓度处理下垂序商陆根、茎、叶锰含量(以干重计)仍可高达402、208、601 mg·kg-1.锰在垂序商陆根横截面中柱含量最高,其次为表皮,皮层锰含量最少,锰从皮层进入到中柱是一个从低浓度到高浓度的过程,表明垂序商陆对锰的吸收可能存在主动运输过程.DNP和Na3VO4对垂序商陆锰吸收有一定的抑制作用,表明锰进入细胞是需要消耗能量的,进一步说明垂序商陆对锰的吸收存在主动吸收的过程.钙离子通道抑制剂LaCl3抑制垂序商陆根对锰的吸收高达30%,表明垂序商陆对锰的吸收与钙离子通道密切相关.     

锰胁迫对美洲商陆种子发芽及幼苗生长的影响

以美洲商陆(Phytolacca Americana L.)种子为材料,采用培养皿滤纸水培培养法,研究不同ρ(Mn2+)(0、50、100、200、300、400和500 mg/L)对美洲商陆种子发芽参数(发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数)及幼苗生长指标(鲜重、芽长和根长)、超氧化物歧化酶(SOD)和丙二醛(MDA)含量的影响。结果表明,Mn2+处理对美洲商陆种子发芽产生负效应,降低了发芽率、发芽指数和种子活力,提前了种子集中萌发时间;低浓度Mn2+(≤200 mg/L)处理促进幼苗生长,但随着ρ(Mn2+)增加,幼苗生长受到抑制,且对芽的抑制大于对根的抑制;随着ρ(Mn2+)升高,美洲商陆幼苗SOD活性先升后降,ρ(Mn2+)为200 mg/L时达最大,在SOD活性升高时,MDA含量缓慢增加,在SOD活性降低时,MDA含量骤然增加,表明美洲商陆幼苗SOD活性与丙二醛含量存在某种关系,此外,美洲商陆幼苗对Mn2+胁迫具有一定耐性,其耐性机制可能与超氧化物歧化酶活性有关;高ρ(Mn2+)对美洲商陆幼苗产生毒性,其毒性机制可能与膜质过氧化有关。     

海州香薷根细胞壁对铜的吸附固定机制研究

海州香薷是铜耐性植物,细胞壁是其吸收积累铜的重要场所.本文利用细胞壁化学改性结合吸附动力学试验和红外光谱学研究了海州香薷根细胞壁及其组分对Cu2+的吸附动力学特征,以及它们吸附固定Cu2+的功能基团.吸附动力学试验表明,海州香薷根细胞壁对Cu2+吸附300 min后,吸附量已接近饱和水平,达到最大吸附量的90%左右;500 min时达到吸附饱和,饱和吸附量为5.85 mg·g-1.当细胞壁进行化学改性后,如氨水处理细胞壁使果胶变成低酯化的酰胺类果胶或者去除细胞壁中的纤维素,根细胞壁对铜的吸附量会显著降低.果胶和纤维素分别吸附了19.85%和25.48%的Cu2+,是细胞壁吸附固定Cu2+的两大主要组分.红外光谱研究也表明,在海州香薷根细胞壁吸附Cu2+的过程中,羟基、羧基和氨基是Cu2+的主要结合位点.其中,果胶为Cu2+的结合提供了羟基官能团,纤维素和半纤维素为Cu2+的结合提供了羧基官能团,而细胞壁蛋白提供了氨基官能团等结合位点.由此可见,根细胞壁及其各个组分对Cu2+具有较高的吸附固定能力,是海州香薷根系Cu耐性的重要机制.     

土壤胡敏素对铜离子的吸附作用及其机理研究

以暗棕壤为供试土壤,研究了不同溶液pH值、离子强度、接触时间、反应温度和初始铜离子(Cu~(2+))浓度条件下,胡敏素对Cu~(2+)的吸附作用;利用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线能量色散谱(EDS)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)和X-射线光电子能谱(XPS),对胡敏素/胡敏素-Cu~(2+)复合物的表面形貌、元素分布和官能团组成进行了分析;应用延展X-射线吸收精细结构谱(EXAFS),对吸附态Cu~(2+)的局域配位结构进行了表征.结果表明:胡敏素对Cu~(2+)的吸附量随pH值、接触时间、反应温度和Cu~(2+)浓度的增加而增加,但随离子强度的增加而下降;吸附动力学符合准二级动力学方程,而吸附等温线用Langmuir方程的拟合效果较好;吸附过程需要能量,是自发、吸热和自由度增加的缔合反应;吸附Cu~(2+)之后,胡敏素表面产生了团聚现象,表面羧基、羟基、吡啶氮和N—O基团参与了Cu~(2+)的吸附作用,同时吸附态Cu~(2+)是以内层配位形式与胡敏素表面的O/N和C原子结合.     

芹菜根细胞壁对镉的吸附固定机制及其FTIR表征研究

对芹菜根细胞壁Cd的吸附固定机制开展了相关研究.芹菜根细胞壁Cd吸附的动力学实验研究表明,根细胞壁经酯化改性处理后其对Cd的累积吸附量相对降低了42.6%,经氨基甲基化改性处理后其对Cd的累积吸附量相对降低了21.0%,经果胶酶改性处理后其对Cd的累积吸附量相对降低了40.5%.同时,利用傅立叶红外光谱技术表征了芹菜根细胞壁上Cd吸附位点的官能团信息.研究结果表明,Cd主要与细胞壁纤维素、半纤维素和木质素中的羧基官能团发生结合作用,同时,根细胞壁上的蛋白质和果胶质也参与了Cd的结合.     

美洲商陆生物炭对Zn、Pb、Cd和Cu的吸附特性分析

为探究美洲商陆生物炭对Zn、Pb、Cd和Cu的吸附特性,研究了溶液初始浓度和pH、吸附剂投加量、吸附温度、吸附时间等因素对其吸附效果的影响,并利用SEM、EDS以及XRD对生物炭进行表征。结果表明:该生物炭吸附重金属后其结构发生显著改变,且生物炭表面生成较多的金属化合物。4种重金属之间对该生物炭的吸附位点存在竞争关系,并且Pb、Cu具有更强的竞争力。大量H+的存在会抑制美洲商陆生物炭对Zn、Cd和Cu的吸附,但对Pb的吸附影响较小。在吸附剂投加量达到0. 2 g时,4种重金属均能得到充分的吸附,去除率接近100%。生物炭对Zn、Pb和Cd的吸附数据与Langmuir等温方程拟合的相关系数更大为0. 1651～0. 9657,但Cu的吸附数据与Freundlich等温方程拟合更好,相关系数为0. 4494～0. 9372。在吸附动力学方面,准二级动力学模型对4种重金属的吸附具有更好的拟合效果。美洲商陆生物炭对4种重金属均具有相对较强的吸附能力。     

臭氧-活性炭处理高浓度制药废水作用机制研究

该研究采用臭氧(O_3)-颗粒活性炭(GAC)处理高浓度制药废水,研究结果表明:(1)投加适量的GAC能提高O_3对高浓度有机物的去除能力,当O_3气体流速为120 L/h和GAC剂量30 g时,COD去除率可达到92%;(2)GAC可以提高O_3利用率,当O_3气体流量为60 L/h和GAC剂量30 g时,O_3利用率为50%,相比于单独O_3氧化时分别提高了30%;(3)pH值对O_3/GAC体系有机物去除和协同因子都有重要影响。在酸性条件下,COD的去除主要靠GAC的吸附和O_3氧化作用;在碱性条件下,靠GAC吸附和羟基自由基(HO·)氧化作用去除。协同因子在酸、碱性条件下分别为1.0、1.4;(4)在酸性和碱性条件下,GAC表面峰强度变化分别与GAC吸附有机物、GAC表面官能团的增多相关。废水经过O_3氧化后,原有的多环类化合物的浓度降低,但苯系衍生物和简单有机酸等浓度等却增加,还生成了简单的酚类物质;经过O_3/GAC体系作用后多环化合物的浓度水平显著下降;(5)O_3/GAC体系动态实验中,GAC吸附15 min即出现泄漏,进行到50 min出水水质与进水水质相同;运行到100 min时开始通入O_3,O_3/GAC体系共运行约250 min,运行期间保持对COD的良好去除效果,极大地延长了活性炭的使用周期。     

絮凝剂PTSS的分子结构研究

以聚硅酸和硫酸钛为原料制得絮凝剂聚硅硫酸钛(PISS),用电子显微镜观察其形貌,发现絮凝剂FISS呈现不同于聚硅酸球形颗粒状的分枝长链状结构,初步推测钛与聚硅酸发生了化学成键作用;通过红外光谱与X-射线衍射研究絮凝剂PTSS结构,证实钛与聚硅酸中的硅通过氧基成键.将该絮凝剂用于处理pH为8的模拟江水,在投加量(以钛离子计)为10 mg/L时,A254的去除率为70.9%,浊度去除率为99.3%,絮凝效果良好.测定不同pH下的Zeta电位,观察所形成絮体的形貌、测定絮体粒度分布以及观测红外光谱图均发现,絮凝剂PISS特殊的长链结构通过络合成键将模拟江水中的腐殖酸官能团带入絮体中,同时也通过吸附、网捕等作用将其余胶体颗粒去除.     

镉铅复合胁迫下根表铁锰氧化胶膜厚度对美洲商陆富集镉的影响

为了探讨根表铁锰氧化胶膜厚度及共存离子铅(Pb)对美洲商陆富集镉(Cd)影响,采用水培的方法,诱导培育了胶膜厚度具有极显著差异的美洲商陆(低膜美洲商陆、中膜美洲商陆和高膜美洲商陆),分别进行低Cd低Pb、低Cd高Pb、高Cd低Pb、高Cd高Pb等4种不同金属组合的胁迫处理,观察美洲商陆生长状况、测定植株对Cd的富集量、抗胁迫生理活性物质的表达量.结果表明:中膜和高膜美洲商陆侧根发达,新生根较多,高Cd胁迫对根系发育有较强的抑制作用.高Cd条件下,植株对Cd的富集量为高膜美洲商陆中膜美洲商陆低膜美洲商陆,高膜美洲商陆Cd总富集量可达89765.69 mg·kg-1(以干重计).低Cd条件下,植株对Cd的富集量为低膜美洲商陆高膜美洲商陆中膜美洲商陆.高Pb处理,可提高低膜和高膜美洲商陆Cd富集量,但显著降低中膜美洲商陆Cd富集量.根系分泌的可溶性还原糖含量、叶及根部合成的可溶性蛋白含量与根表铁锰氧化胶膜的厚度成正相关.中膜和高膜美洲商陆叶片及根部可溶性蛋白含量还受到不同金属组合胁迫的影响.镉铅复合胁迫使美洲商陆叶片及根部可溶性蛋白含量极显著高于对照组.     

新型纳米结构铈锰复合氧化物的磷吸附行为与机制研究

采用共沉淀法制备了一种新型铈锰复合氧化物吸附剂,对其进行了表征,并对磷吸附行为与机制进行了研究.表征结果分析表明,此氧化物由纳米级颗粒组成;铈锰复合氧化物中的铈氧化物有类似水合氧化铈的无定形结构;BET比表面积为157 m2·g-1,等电点为6.5.吸附实验结果表明,Langmuir吸附等温线模型可以更好地拟合铈锰复合氧化物对磷的吸附,最大吸附量为28.6 mg·g-1(p H=7.0);铈锰复合氧化物对磷具有较高的吸附速率,更符合准二级动力学模型;溶液p H对铈锰复合氧化物吸附磷的影响较为明显,随p H升高,吸附量降低;离子强度则影响不大;共存阴离子对吸附影响的大小顺序为Si O2-3CO2-3Cl-≥SO2-4.通过对铈锰复合氧化物吸附磷前后Zeta电位和红外谱图(FTIR)分析,可以推断磷在铈锰复合氧化物表面发生了特性吸附,磷酸根主要通过取代复合氧化物表面的金属羟基而被吸附去除.     

商陆和烟草对锰胁迫的抗氧化响应研究

研究植物的重金属累积能力对于植物修复和植物冶金意义重大.Mn超累积植物商陆(Phytolacca americana L.)的耐性/累积机制至今还不清楚,为了研究商陆在Mn胁迫下的抗氧化酶作用,将萌发6周的商陆和烟草幼苗分别放入1 mmol·L~(-1)或3 mmol·L~(-1)的1/2 Hoagland营养液处理4 d,实验表明商陆叶片光合速率降低幅度显著低于烟草,而烟草MDA含量和电解质渗漏量增加幅度大于商陆.如1 mmol·L~(-1) Mn处理4 d后,与对照相比,商陆和烟草的光合速率分别降低13.3%和75.5%;烟草MDA含量和电解质渗漏量分别增加347.3%和120.1%,而商陆的MDA含量和电解质渗漏量没有明显增加,表明Mn胁迫对超累积植物引起的氧化损伤明显低于非累积植物.随着Mn处理浓度的提高和时间的延长,2种植物叶片SOD和POD活性均迅速增加,其中商陆SOD活性的增加幅度大于烟草;另外,商陆CAT活性持续上升,而烟草CAT活性显著下降.如在1 mmol·L~(-1) Mn处理下,商陆SOD、POD和CAT活性分别提高161.1%、 111.3%和17.5%;烟草SOD和POD提高55.5%和206.0%,而CAT下降15.6%,表明商陆的抗氧化酶,特别是CAT,能够有效地清除Mn毒产生的自由基.这些结果说明抗氧化酶的抗氧化能力是重金属累积植物商陆的Mn耐性机制之一.     

美洲商陆和籽粒苋对接种伯克氏菌的生理生化响应及其对富集铯的影响

利用盆栽试验研究一株具有重金属耐性的伯克霍尔德氏菌(Burkholderia sp.D54)对美洲商陆和籽粒苋生长及对铯富集的影响.结果表明,接种菌株D54,美洲商陆和籽粒苋总干物重分别比对照处理增加19.8%～33.4%和22.9%～76.6%,美洲商陆和籽粒苋地上部铯含量分别增加4.9%～22.4%和8.1%～19.4%,根中铯含量分别增加6.8%～15.7%和1.1%～10.8%.同时,接种微生物还增加了植物对钾的吸收,提高供试植物的光合反应速率、气孔导度、蒸腾速率和水分利用率,增加铯胁迫条件下植物的抗氧化酶CAT、POD、SOD的活性,降低了MDA的含量.     

接种内生细菌对龙葵吸收积累镉的影响

通过在LB培养基中加入不同浓度的镉,从镉超富集植物龙葵植株内分离到3株很强的镉抗性内生菌株N1、N2、N4,最高耐受镉浓度达300 mg·L^-1.通过生理生化鉴定和16S rDNA序列分析,初步确定N1为芽孢杆菌属（Bacillus sp.）细菌,N2为肠杆菌属（Enterobacter sp.）细菌,N4为巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）.将龙葵种植在含有一定镉（50 mg·kg^-1）的土壤中进行盆栽试验,以灌根的方式分别接种分离到的3株细菌及其混菌组合,并对其株高、生物量及镉吸收能力进行分析.结果显示,N4菌株处理的龙葵叶、茎、根部镉含量比不接菌对照分别增加32.94%、14.50%、23.44%,差异显著（p<0.05）;接种N1+N2+N4混菌的处理龙葵叶、茎和根干重分别比不接菌对照高出118.22%、109.83%和113.01%,植株地上和地下镉吸收总量分别增加109.53%和83.01%,差异显著.试验表明供试菌株能显著促进植株生长,强化龙葵吸收土壤中镉的能力.     

接种丛枝菌根真菌对蜈蚣草吸收铀的影响

采用盆栽土壤实验,模拟铀(uranium,U)污染土壤,以蜈蚣草(Pteris vittata L.)为研究材料,每盆接种丛枝菌根真菌地表球囊霉(Glomus versiforme,Gv)30 g,探索蜈蚣草菌根对U污染土壤不同时间段的修复效果.结果表明,蜈蚣草菌根侵染率2013年9月最低为57.14%,2014年3月最高为75.20%,呈先上升后下降的年周期变化规律;同一时期蜈蚣草的生物量(干重)Gv组显著高于CK组,根系最为明显;接种Gv组蜈蚣草各器官总U含量均显著高于CK组,且被吸收的U主要固定在根部,Gv组根部总U含量均高于同一时期CK组;接种Gv组基质中总U含量小于CK组,其中接种Gv后蜈蚣草对铁锰氧化态和硫化物态U的吸收效果最好;基质中各形态U随培养时间的延长含量均呈下降趋势.接种Gv组比CK组富集系数大,且均大于1;菌根侵染率与富集系数呈显著正相关关系.以上结果说明接种Gv促进蜈蚣草对U的吸收,因此,蜈蚣草丛枝菌根真菌共生体对治理U污染土壤有良好的应用前景.     

Pseudomonas sp. QJX-1的锰氧化特性研究

从锰矿土壤样品中分离、纯化出1株高效锰氧化细菌(QJX-1),经16S rDNA序列鉴定为Pseudomonas sp.QJX-1.研究表明,Pseudomonas sp.QJX-1含有锰氧化的必需成分多铜氧化酶基因CumA,当初始Mn2+为5.05 mg·L-1,菌密度D600为0.020时,该菌可在48 h内将Mn2+转化,且转化率高达99.4%.在寡营养条件下该菌锰氧化速率较富营养条件下有显著提高;添加石英砂滤料促使生物膜的快速形成,进而促进Mn2+的生物转化.根据研究结果推测地下水处理过程中生物锰氧化速率较快.     

蜈蚣草中芘与砷的赋存特征及其相互作用

超富集植物蜈蚣草能够累积土壤环境中的砷,为探明蜈蚣草植株中芘的赋存特征及其与砷的相互作用,采用双光子激光共聚焦扫描显微技术检测观察芘在该植物中赋存和分布规律.结果表明,添加芘导致蜈蚣草各部位砷含量显著降低,其中叶部和茎部砷含量下降幅度达35%左右,根部砷含量减少20.5%.芘的添加使得植物各部位三价砷比例下降,五价砷比例升高,蜈蚣草叶部三价砷和五价砷赋存浓度下降幅度最大,下降幅度分别为42.2%和32.49%.添加砷可促进蜈蚣草根部和茎部中芘的积累,每株分别增加了9.8μg和139 ng,但对叶部中芘的积累无显著影响.芘主要分布于蜈蚣草细胞膜与细胞内部的细胞器膜结构及细胞核核膜附近,但细胞质中芘的含量较少,茎部韧皮部与皮层以及叶部栅栏组织和海绵组织中几乎没有检测到芘.     

砷-菲对蜈蚣草根部不同碳基团的影响

采用离体鲜根实验和固态13C核磁共振技术(13C-NMR)研究蜈蚣草根部对砷和菲的吸收特征及根部碳基团的影响作用.结果表明,蜈蚣草根部在无蒸腾作用的条件下能够有效地吸收砷和菲,添加菲能够促进离体鲜根对砷的吸收,添加砷也可提高菲的吸收,与对照相比,菲提高了15%~53%.蜈蚣草离体鲜根中以烷氧基C为主,羧基C比例最低,且主要为羧酸、酯和酰胺类羧基C,添加砷和菲会显著增加蜈蚣草离体鲜根中羧基C的比例.蜈蚣草离体鲜根为应对砷和菲的胁迫形成了分子结构更为稳定和复杂的芳香类有机质,从而提高离体鲜根的抗性和适应性.     

镉在三色堇中的积累及亚细胞与化学形态分布

通过营养液培养实验,研究了在不同Cd浓度(0、0.01、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4 mmol·L-1)处理下,三色堇地下部和地上部中Cd的含量与积累特征,进一步分析了Cd在三色堇体内的亚细胞分布特征和化学形态分布特征.结果表明,三色堇体内Cd积累量随着Cd浓度的增加而不断增加,对Cd具有很高的积累能力,是一种潜在的Cd超富集植物.三色堇地下部和地上部大部分的Cd分布在可溶组分和细胞壁中,而在细胞器中的分布较少.随着Cd处理浓度的增加,地下部细胞壁中镉的分配比例呈增加趋势.植株中大部分的Cd以乙醇提取态和水取提态存在,随着Cd处理浓度的增加,地上部中活性强、毒性较高的乙醇提取态和水提取态Cd分配比例总和减少,而活性较弱、毒性较低的氯化钠提取态和醋酸提取态Cd分配比例增加,这有利于降低总镉的相对毒性.因此,液泡区隔化、细胞壁固持和化学形态转化可能是三色堇应对Cd胁迫的重要耐性机制.     

不同水分条件对蜈蚣草修复砷污染土壤的影响

采用室内盆栽实验研究了不同土壤含水量(绝对含水量10%~60%)对蜈蚣草的生物量、砷富集及蜈蚣草和土壤中砷的形态的影响.结果表明,土壤含水量35%~45%的范围内蜈蚣草的修复效率显著高于其他处理,可达到4.48%~5.00%.在此水分区间内,植物细胞的质膜透性较小且植株的生物量较大.蜈蚣草地上部和地下部的最大干重出现在45%的含水量下,分别为2.95 g·plant-1和11.95 g·plant-1.适宜的水分条件利于蜈蚣草吸收和累积土壤中的砷,35%的含水量下植株地上部和地下部的砷含量可分别达到307.3 mg·kg-1和218.6 mg·kg-1,而总砷累积量在40%的含水量下达到峰值2.81mg·plant-1.将土壤含水量控制为35%~45%,还可提高蜈蚣草地上部中As(Ⅴ)的还原效率,促进了蜈蚣草的砷解毒.研究结果对于蜈蚣草大规模种植和工程应用中的水分管理措施具有重要的指导意义.