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.     

抗氧化系统在蜈蚣草细胞砷解毒机制中的作用

砷超富集植物——蜈蚣草体内可以富集高浓度的砷且不表现出受害症状,暗示蜈蚣草细胞具有较强的砷解毒机制.为探讨抗氧化系统在蜈蚣草砷解毒机制中的作用,测定了0、0.5、1和2mmol/L的砷酸盐[As(Ⅴ)]、亚砷酸盐[As(Ⅲ)]和二甲基胂酸盐(DMA)处理下蜈蚣草愈伤组织的丙二醛(Malonyldiadehyde,MDA)含量、非酶类抗氧化物质含量和酶类抗氧化物质的活性.结果表明,0.5mmol/L As(Ⅴ)和DMA就可以诱导氧化胁迫的产生,浓度越高胁迫程度也越严重.而1mmol/L的As(III)仍未使蜈蚣草愈伤组织产生氧化胁迫.在As(Ⅲ)处理下,酸溶性巯基含量增加,叶绿素和类胡萝卜素含量不变,过氧化氢酶(Catalase,CAT)和过氧化物酶(Peroxidase,POD)活性增加.在As(Ⅴ)处理下,酸溶性巯基含量减少,叶绿素和类胡萝卜素含量略有上升;CAT和POD活性先增加后减少.在DMA处理下,酸溶性巯基含量减少,叶绿素含量降低而类胡萝卜素含量增加,CAT和POD活性先增加后减少.与As(Ⅴ)和DMA相比,As(Ⅲ)处理下高酸溶性巯基含量、高氧化酶活性和低MDA含量暗示As(Ⅲ)对蜈蚣草的毒性可能比As(Ⅴ)和DMA要小.这些结果表明,酸溶性巯基和酶类抗氧化物质(CAT和POD)在蜈蚣草细胞砷解毒机制中发挥着重要作用.图4参22     

砷浓度、形态及碳酸氢盐对蜈蚣草吸收砷的影响

为了探讨超富集植物蜈蚣草在处理高砷地下水方面的可行性,研究了水培条件下砷的浓度、形态和碳酸氢盐(HCO-3)对超富集植物蜈蚣草吸收砷的影响。实验中使用了浓度为0.1～100mg·L-1的As(III)和As(V)溶液。HCO-3处理中,HCO-3浓度范围为0.5～20mmol·L-1,As(III)或As(V)的浓度为5mg·L-1。结果表明,在水培条件下,蜈蚣草具有明显的耐高砷特征。当介质砷含量高达100mg·L-1时,砷的去除率可达到80%,且对As(III)的吸收效率高于As(V)。植物体内砷形态研究表明,蜈蚣草体内2种形态砷的含量与外源砷形态有一定的关系,As(V)处理条件下,植物体中的As(V)比例较As(III)处理高。高浓度的HCO-3(20mmol·L-1)处理对蜈蚣草地上部分生物量没有明显影响,但是抑制了地下部分的生长,并且对砷的吸收表现出明显的抑制作用。     

蜈蚣草对Pb、Zn复合污染的响应

为探明蜈蚣草修复重金属复合污染土壤的能力,本实验利用水培实验研究Pb、Zn交互作用下蜈蚣草对Pb、Zn积累变化以及蜈蚣草对Pb、Zn的解毒机理.实验结果显示,在Pb、Zn复合污染情况下,重金属Zn在0—10 mg.L-1下可促进蜈蚣草根、茎对Pb的富集能力,降低蜈蚣草对Pb的转运能力;而Pb则促进蜈蚣草对Zn的转运系数,提高蜈蚣草茎、叶对Zn的富集能力,并呈现出蜈蚣草对Pb的富集能力大于对Zn的富集能力.实验结果进一步显示,随着重金属复合暴露浓度增加,蜈蚣草叶绿素含量先上升后下降,丙二醛含量先下降后上升,淀粉、蔗糖、O2-含量则逐渐上升.这说明淀粉、蔗糖、O2-.等具有一定的解毒作用,能增强植物对重金属的抗性.实验结果还显示,蜈蚣草对Pb、Zn具有较强的耐性和富集能力,可利用蜈蚣草修复Pb污染土壤以及低Zn浓度的Pb-Zn复合污染土壤.     

Modelling phytoremediation by the hyperaccumulating fern, Pteris vittata, of soils historically contaminated with arsenic

Pteris vittata plants were grown on twenty-one UK soils contaminated with arsenic (As) from a wide range of natural and anthropogenic sources. Arsenic concentration was measured in fern fronds, soil and soil pore water collected with Rhizon samplers. Isotopically exchangeable soil arsenate was determined by equilibration with ⁷³As^V. Removal of As from the 21 soils by three sequential crops of P. vittata ranged between 0.1 and 13% of total soil As. Ferns grown on a soil subjected to long-term sewage sludge application showed reduced uptake of As because of high available phosphate concentrations. A combined solubility-uptake model was parameterised to enable prediction of phytoremediation success from estimates of soil As, ‘As-lability’ and soil pH. The model was used to demonstrate the remediation potential of P. vittata under different soil conditions and with contrasting assumptions regarding re-supply of the labile As pool from unavailable forms.     

蜈蚣草总黄酮体外抗氧化作用的研究

通过回流法提取蜈蚣草黄酮类化合物,利用分光光度法测定总黄酮的含量,并分析了它对羟基自由基、超氧阴离子自由基的清除作用和总抗氧化能力。结果表明,蜈蚣草总黄酮含量为6.15%,且具有较好的抗氧化能力。     

蜈蚣草总黄酮提取工艺的优选

采用水浴法提取总黄酮,以蜈蚣草为原料、总黄酮得率为考察指标,通过正交试验研究乙醇浓度、提取时间、提取温度及料液比对提取蜈蚣草总黄酮得率的影响。结果表明,各因素对总黄酮提取率的影响程度为∶乙醇浓度提取时间提取温度料液比;最佳的提取工艺条件为:乙醇浓度60%,料液比1∶15,提取温度60℃,每次3h,提取3次,在此条件下提取的总黄酮得率为6.15%。     

不同磷肥对砷超富集植物蜈蚣草修复砷污染土壤的影响

施肥是提高重金属污染土壤的植物修复效率的必要强化措施之一.通过研究农业生产中常用磷肥对砷超富集植物蜈蚣草生长、砷累积及氮磷钾吸收的影响,确定可提高蜈蚣草修复砷污染土壤能力的最佳磷肥类型.结果表明,与不施砷对照组相比.添加砷处理中施用相应磷肥的蜈蚣草总生物量中蜈蚣草均有所降低(除钙镁磷肥外);在添加砷的情况下,钙镁磷肥、磷酸二氢钙和磷酸二氢铵等3个施磷处理总生物量相对较高.显著高于其他磷肥处理和不施磷处理(0.83 g/pot);地上部砷累积量由大到小的顺序为:磷酸二氢钙>钙镁磷肥>磷酸二氢铵>磷酸二氢钾>磷酸二氢钠>不施磷>过磷酸钙;磷酸二氢钙处理的砷去除效率高达7.28%.由此可见,磷肥能一定程度提高砷超富集植物的修复能力,但不同磷肥对其砷去除效率的影响可达数倍之差,磷酸二氢钙是首选磷肥类型,综合考虑土壤pH、N、P和有效态砷等各种因子,磷酸二氢铵和钙镁磷肥也可作备选肥料类型.     

Impact of waterlogging on the uptake of arsenic by hyperaccumulator and tolerant plant

A significant proportion of arsenic (As)-contaminated sites are temporarily or permanently under reducing condition, which may affect phytoextraction efficiency using the As-hyperaccumulator Pteris vittata L. In this work, a pot experiment was conducted to investigate the solubility and redox species of As in soil. The uptake of As by two populations of P. vittata and As-tolerant grass Holcus lanatus under different water regimes was examined. Waterlogging decreased the redox potential from 350 to?50 mV, leading to an approximately 40% reduction of As(V) to As(III) and an increased dissolved As concentration by 150%–300%. The changes in the speciation and concentration of As influenced its uptake by plants. A population collected from a temporarily waterlogged riverside in Guangxi province (GX population) had ninefold higher shoot As concentration under the waterlogged condition than that under the non-waterlogged condition, indicating that it preferred taking up As in the form of As(III). By contrast, a population of P. vittata collected from a dry land in Yunnan province (YN population) and H. lanatus demonstrated a preference to As(V). The GX population was an appropriate species for the phytoextraction of waterlogged sites. These results implied the importance of habitat ecology on the extraction efficiency of hyperaccumulators.     

苯并(α)芘与砷在蜈蚣草中的赋存转运规律及其交互作用

蜈蚣草能够超累积土壤中的砷,对土壤环境中的多环芳烃也具有较好的耐受能力,是修复砷和多环芳烃复合污染的理想修复手段之一.为探究在苯并（a）芘和砷（As）单独污染和复合污染条件下的蜈蚣草对两种污染物的吸收转运,通过水培模拟实验揭示蜈蚣草体内砷与苯并（a）芘的交互作用,同时采用双光子激光共聚焦扫描显微技术检测观察苯并（a）芘在蜈蚣草中的赋存和分布.结果表明,添加苯并（a）芘使得蜈蚣草各部分总砷含量均下降.其中,叶、茎、根分别下降149.4、78.59、47.05 mg·kg^-1（以DW计）（p<0.05）,叶部下降幅度最大,达到47.3%,根部及茎部含量分别下降了40.9%和38.2%（p<0.05）.同时苯并（a）芘的添加也改变了砷在蜈蚣草体内的赋存形态,根部与叶部三价砷的比例分别下降了3.87%、4.20%（p<0.05）,而茎部两种砷形态比例无显著变化.砷的添加促进了蜈蚣草各部分对苯并（a）芘的积累,每株根部、茎部和叶部的累积量分别增加了4680、109.26和226.61 ng（p<0.05）,说明苯并（a）芘和砷在蜈蚣草植株中交互作用显著,砷的添加不会改变苯并（a）芘的赋存位点,但会增强蜈蚣草对于苯并（a）芘吸收,而苯并（a）芘的添加则会抑制砷的吸收,苯并（a）芘首先由蜈蚣草根部表皮细胞吸收,通过茎部的U型维管束及茎部外缘细胞转运到叶部,赋存于叶部的表皮细胞、叶脉组织及气孔细胞当中.