第9章植物修复-2.

第9章植物修复-2第三节修复植物的筛选与性能改进1.筛选条件与过程•筛选方法：野外采样分析法温室营养液或土壤盆栽模拟法根系分泌物及根系-微生物体系鉴定法细胞或组织培养法种子发芽试验法•筛选目的：根据不同的修复机理选择不同的植物。（1）植物降解、根际降解和植物稳定等3种修复方法，主要是利用植物根系分泌物和根系微生物降解体系修复污染土壤，筛选此类植物要从根际圈修复功能加以研究。•根际分泌物的研究方法：（2）植物吸收和挥发植物的筛选：•主要采用野外取样法和盆栽模拟法•Brooks（1977）的研究：植物标本分析法•Bake(1996)的研究：野外速测法Bake’spicturesProfessorAlanJ.M.Baker2.修复植物的性能改进2.1作物育种技术的利用1)常规育种技术的应用EngineeredArabidopsisplants(leftandcenter)thriveonarseniccomparedtonormalplants(right).©R.Meacher.2）转基因技术的应用•2.2化学强化技术•1）叶面施肥•无机肥料、腐殖酸肥料•2）生长调节剂•3）综合•2.3微生物制剂•修复植物与高效细菌、真菌等微生物联合起来的修复作用是改进修复植物性能的有效手段之一，目前已成为植物修复领域重要的研究方向。•通常的方法是将特效微生物做成某种剂型，以叶面肥或根部追施的方式加入于植物相结合。第四节植物根际及根际分泌物•植物根际圈是指植物根系和土壤微生物之间相互作用而形成的独特圈带，是土壤中极为独特的“生态修复单元”。•根际圈通过植物根及其分泌物和微生物、土壤动物的新陈代谢活动对污染物产生吸收、吸附和降解等一系列活动，在污染土壤的修复中起重要作用。植物根际Rhizosphere1根际圈的理化特点•pH•Nutrients•根的生理生态作用（分泌、合成、吸附、破坏）•有机质•有机酸•Eh•Rootssystems•矿物特性•吸附解吸2根际圈中植物-微生物相互作用1）细菌假单胞菌，固氮菌•细菌在好氧条件下，使疏水性污染物完全矿化2）真菌其数量和生物量可能超过细菌•菌根mycorhiza真菌的作用：mycorrhizalfungi•吸收养分•降解污染物•吸附污染物•阻隔污染物3）根际对微生物生物活性的促进作用3根际圈中植物-微生物-污染物的相互作用14C-化合物土壤处理胡敏酸和腐殖质成分(14C总量)/%芘灭菌土壤无植被土壤有植被土壤5.1±2.64.4±0.44.3±0.8萤蒽灭菌土壤无植被土壤有植被土壤1.4±0.22.7±0.55.8±0.2菲灭菌土壤无植被土壤有植被土壤1.8±0.37.1±4.530.6±13.8萘灭菌土壤无植被土壤有植被土壤15.6±4.514.6±5.940.8±7.05d暴露期后14C标记物在土壤中的分布•1）菌根（mycorrhizae）真菌对污染物的修复功能•菌根是自然界中普遍存在的高等植物与微生物之间的生命共生现象。•内生菌根Endomycorrhizalfungi•真菌的菌丝通过细胞壁大部分侵入到幼根皮层活细胞内，呈盘旋状态。在显微镜下，可以看到表皮细胞和皮层细胞内散布着菌丝，这就是内生菌根的特点。如胡桃、桑、葡萄、李、杜鹃及兰科等植物的根内，都有内生菌根。•a）菌丝本身能够吸收重金属，从而促进植物吸收重金属•b）菌丝吸收重金属后，有些真菌使之沉淀，阻碍植物根的吸收，对重金属起到机械屏蔽作用•c）菌根分泌某些物质，螯合重金属，固定在菌体中，减少其向根的传递•上述作用的大小取决于不同的情形。如果是超积累植物可能是促进作用大于屏蔽作用，对于非超积累植物则可能屏蔽大于促进。菌根（mycorrhizae）真菌对污染物的作用和效应•外生菌根ectomycorrhiza。真菌菌丝大部分包被在植物幼根的表面，形成白色丝状物覆盖层，只有少数菌丝伸入根的表皮、皮层细胞的胞间隙中，但不侵入细胞之中。以菌丝代替了根毛的功能，增加了根的吸收面积，具有外生菌根的根尖通常略变粗。如马尾松、云杉、栎属等。外生菌根(Ectomycorrhiza)主要存在于林木植物，而近85%的植物种类能够形成丛枝菌根(ArbuscularMycorrhiza)。•外生菌根真菌对重金属的吸收作用于内生菌根相似。不过，对重金属的屏蔽作用因菌套的形成而较为明显。•为此，具有外生菌根的植物通常作为废弃重金属矿区植被恢复的先锋植物。•外生菌根在对有机污染物吸收的同时，也对根圈中大多数有机污染物，尤其是POPs具有降解和矿化作用。•2)细菌•存在位置：共生，如根瘤菌；根表面；根周围•功能：•A)吸附能力•B)降解•3）腐生真菌，如whiterotfungi•4)动物，如蚯蚓4根际圈的生物降解过程1）好氧代谢降解通常是好氧分解过程。•多种微生物连续活动，污染物最终被矿化分解2）厌氧代谢厌氧状态下的电子受体•厌氧微生物：反硝化菌、甲烷化硫化菌•厌氧微生物对POPs如PCBs，DDT,和PCE(五氯乙烯)有较强的去除能力。•这对土壤和地下水的原位生物修复尤其重要。•一些有机污染物，如苯和苯系物在厌氧条件下可以完全矿化为无害物。3）腐植化过程由于腐植化过程，有毒有机物可以转化为惰性的物资被固定下来，达到脱毒的目的。•微生物加速污染物的腐植化过程4）深纤维根系效应•植物的细根改善微生物的活动，使得微生物与污染物的接触面增加，从而加强其生物降解率5）浓度因子•浓度因子为根内化学品的浓度与土壤水溶液中化学品浓度的比值。•植物根积累的污染物具有较高的辛醇/水分配系数（Ko/Kw）,通常植物根中积累的污染物比土壤水溶液高许多倍，而向地上部迁移量很少。•土壤污染通常是若干污染物参与的复合污染。5根系分泌物在污染土壤修复过程中的作用1）根系分泌物的种类•根系分泌物(rootexudates，RE)的种类有200种以上，按分子量的大小可分为：•高分子量分泌物和低分子量分泌物，•前者主要包括粘胶和外酶，其中粘胶有多糖和多糖醛酸;•后者主要是低分子有机酸、糖、酚及各种氨基酸(包括非蛋白氨基酸,如植物铁载体)，RE按作用性质分类：•可分为专一性RE和普通RE。•普通RE是大多数植物共有的化合物，而专一性分泌物是某种特殊植物，或某个植物在特定条件和环境下分泌的化合物等。•此外，ＲＥ中还含有一些生理活性物质，如激素、维生素及各种自伤性和他伤性化合物等。2）根系分泌的特性和机理•通常认为，根分泌现象是植物根对环境变化的一种适应性反应。•专一性分泌:如，由养分胁迫引起•非专一性分泌：是由于植物原生质膜遭到破坏的被动溢泌现象3）根分泌物的生态效应•==影响土壤pH•==影响矿物颗粒表面的吸附性能•==促进微生物的活动•==是土壤酶的来源•==促进养分的释放4）根分泌物在植物修复中的应用•=促进有机污染物的降解和无害化•=加强对无机物的活化和固定•这两个作用中都有根系分泌物自己左右和诱导产生的微生物的作用第五节重金属的植物修复•重金属的来源：自然，人为•过去：•采用覆盖，填埋•施加改良剂，使重金属沉淀或被吸附•改变耕作制度，旱改水，水旱轮作•积极利用：种植经济作物1.重金属污染化学特点(4个)1）不能为生物所分解，不能通过焚烧的方法从土壤中去除。相反地，重金属还会在生物体内富积，有些还会转化为毒性更大的甲基化合物。2）重金属污染多为复合性污染3）重金属可移动性差或迁移距离短4）重金属在土壤中有不同形态，并处于动态平衡中，当可溶性的浓度降低时，束缚态的会向可溶态的转化。因此，重金属的毒害往往具有潜伏性。重金属及常见污染源重金属天然矿物污染源污染物形态镉CdSCdO电池制造，电镀汞农药荧光灯催化剂砷雄黄AsS农药木材染料制革铜冶炼电镀采选生产铅电解电池工业生产铬皮革木材染色工业锌电池冶炼油漆镍电镀催化剂2.重金属对植物的伤害及机理1）重金属对植物萌发及生长的影响•重金属抑制种子萌发。这可能是由于种子酶活性受到了抑制。•重金属抑制植物生长，表现为植株矮小，生长缓慢，生物量小，生殖生长也受到影响，表现为生育期推迟、停止、不开花、不结果。•叶面积指数下降、发根少，叶片红，产量严重下降。2）重金属对植物生理的伤害•①细胞膜受到伤害，结构和功能遭到破坏。•②水分运输受阻，如As•③抑制光合作用，Cd降低水稻光合强度•Hg和Cu阻碍电子传递和CO2固定•④抑制呼吸作用•⑤糖类代谢，Cd污染降低植物体内可溶性糖含量•⑥氮素代谢，降低氮素吸收和硝酸还原酶的活性来改变氨基酸组成，阻碍蛋白质合成及加速蛋白质分解。•⑦核酸代谢失调•⑧激素异常•⑨影响根系微生态环境，产生营养胁迫。•⑩抑制微生物活动/降低土壤酶的活性•⑾与矿质元素产生拮抗和相助作用3）重金属对植物毒害的遗传伤害及分子机理3、植物对重金属的抗性机制（5大机制）1）阻止重金属进入体内•根部通过某种机制将大量的重金属离子阻止在根部。•分泌有机酸改变根际pH,改变Eh,•分泌螯合剂抑制重金属跨膜运输2）将重金属排出体外•排泄•衰老脱落3）植物对重金属的活性钝化•==沉积：将重金属沉积在细胞壁上•==放入液泡，区域化策略—隔离；且液泡中的有机酸、蛋白质、有机碱等都能使重金属结合使之钝化•==小分子螯合，使之钝化：谷胱甘肽（GSH）、草酸、组氨酸、柠檬酸等金属螯合蛋白解毒机制研究•金属硫蛋白（metallothionein,MT）：•是一类由基因编码的低分子量的富含半胱氨酸的多肽，可通过Cys残基上的巯基与金属离子结合成无毒或低毒的络合物。•Metallothioneins(MTs)areubiquitouslowmolecularweightproteinsandpolypeptidesofextremelyhighmetalandsulfurcontent.•金属硫蛋白是一种广泛存在的低分子量蛋白质和多肽物质，含有极高的金属和硫•Theyarethoughttoplayrolesbothintheintracellularfixationoftheessentialtraceelementszincandcopper,incontrollingtheconcentrationsofthefreeionsoftheseelements,inregulatingtheirflowtotheircellulardestinations,inneutralisingtheharmfulinfluencesofexposuretotoxicelementssuchascadmiumandmercuryandintheprotectionfromofavarietyofstressconditions•作用：•在必须微量元素（Zn、Cu）方面：在细胞内固定微量元素控制微量元素浓度调节微量元素分布•在污染元素方面：降低有害金属的毒害效应（Cd、Hg）降低各种胁迫•MTwasdiscoveredin1957whenMargoshesandVallee(1957)identifiedinequinekidneycortexacadmium-bindingproteinresponsibleforthenaturalaccumulationofcadmiuminthistissue.•MTsarestilltheonlybiologicalcompoundsknowntonaturallycontainthismetal.However,asalreadyshownintheearlieststudies,cadmiumistheonlyoneofseveraloptionalmetalliccomponents,theothersbeingmostcommonlyzincandcopper•Thus,MTsarekeycompoundsinvolvedintheintracellularhandlingofavarietyofessentialandnonessentialpost-transitionmetalions.Definitio