土壤与大气重金属胁迫下苋菜对镉铅的累积及生理响应研究

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重金属污染已经成为一个严重的环境问题,我国大量耕地重金属超标,其中Cd、Pb污染严重。重金属在土壤-植物系统中具有高度的流动性,使土壤成为植物中重金属的重要来源,此外大气沉降也能有效增加植物重金属含量。目前关于重金属对植物影响的研究大部分基于土壤或大气单一污染环境,现实情况诸如在燃煤电厂、采矿、冶炼等污染源周边,农作物往往受到来自土壤和大气沉降重金属的双重污染胁迫,但其重金属累积分布和生长生理响应尚未受到足够重视,不利于区域重金属污染综合防治和农作物安全。本文以苋菜为研究对象,通过喷洒Cd、Pb溶液和Cd、Pb污染土壤盆栽试验,模拟研究不同浓度大气和土壤Cd、Pb胁迫对苋菜幼苗和成熟植株的生长发育和生理生化特征的影响,以及Cd、Pb在其体内的累积分布。研究结果表明:(1)土壤是苋菜中的Cd(92-98%)和Pb(68-94%)的主要来源,于根部大量积累,且大气沉降也能有效地增加茎、叶中Cd(2-3%)和Pb(18-28%)的含量。苋菜细胞中的Cd、Pb大部分储存于细胞壁部分,但在高浓度土壤胁迫下会转移到液泡中。苋菜中Cd主要与果胶和蛋白质结合,Pb主要与不溶性磷酸盐和草酸盐结合,低活性化学形态占比较大有利于提高苋菜对Cd、Pb的耐受程度,两种重金属中Cd具有更高的迁移性和生物毒性。苋菜对Cd、Pb的吸收和分配与其胁迫浓度和途径相关。(2)大气单独胁迫对苋菜的生长发育主要表现为促进作用,株高、鲜重等生长参数在HA组达到最大值。高浓度土壤单独胁迫和土壤大气共同胁迫则抑制了苋菜的生长,大部分生长参数在HSHA组达到最小值。由于暴露周期较短,与成熟植株相比苋菜幼苗表现出较好的耐受程度。(3)大气沉降中的Cd、Pb促进了苋菜叶片可溶性糖、蛋白的合成,但是土壤中高浓度的Cd、Pb胁迫则抑制了苋菜生理活动,主要表现为过氧化氢(H2O2)和丙二醛(MDA)含量增加,对细胞膜造成严重破坏。当苋菜体内Cd、Pb含量较低时,抗氧化酶(过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD))活性和抗氧化剂(抗坏血酸(As A)、谷胱甘肽(GSH))含量增加能有效缓解重金属造成的氧化胁迫,但Cd、Pb含量过高时却失效,且对植物细胞抗氧化系统造成破坏。因此,多源污染胁迫下植物对Cd、Pb的积累和生理响应主要受土壤重金属浓度的影响,虽然大气沉降的影响较小但不能忽略。此研究为多源重金属污染地区蔬菜的风险评估和污染防治提供重要的理论依据。
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