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人类活动如矿山开采、金属冶炼、农田污灌、污泥农用以及肥料的施用，使锌、镉、铅等重金属常以高含量复合伴生的形态进入土壤系统，已严重威胁着生态环境和人类健康，土壤污染治理与修复迫在眉睫。八十年代以来，植物修复技术因其经济有效、环境友好和操作简便等优点成为国际上的研究热点，而植物修复成功的关键是对超富集植物吸收、转运、忍耐重金属机理的深入认识。目前，世界上共发现超富集植物500多种，但通常只能对一种重金属元素表现出较强的富集能力，仅极少数可以超富集两种或两种以上重金属。近年来我国科学家在超富集植物的筛选方面做了大量工作，迄今已发现砷、锌、镉、锰、铬的超富集植物多种。但整体而言，我国可供选择的超富集植物品种不多，可以用于重金属复合污染修复的多金属超富集植物资源更是缺乏。因此，对多金属超富集植物进行筛选和鉴定，并探讨其吸收富集多种重金属的机理，仍是当前重金属污染土壤植物修复领域的重要研究内容。
本研究通过对铅锌矿区的土壤、植被和生态调查，筛选出多种对锌、镉、铅具有超富集特征的草本植物。在此基础上，以多金属超富集植物圆锥南芥(Arabis paniculata)为材料，研究了其对锌、镉、铅的的吸收特征及解毒机理。主要内容包括圆锥南芥对锌镉铅的吸收特征和生理响应、锌镉铅对圆锥南芥小分子有机酸的影响、锌镉铅在圆锥南芥中的微区分布、圆锥南芥对镉的抗氧化反应、以及螯合剂对圆锥南芥吸收锌镉铅的影响等。主要研究结果如下：
1.调查了兰坪铅锌矿区架崖山和北厂两个矿段的土壤和植被重金属含量及群落特征。共采集植物25种114个样品，隶属17科，22属。生态调查显示目前群落仍处于共优势种草本群落的演替早期阶段。矿区土壤中Zn、Cd和Pb的平均含量分别达到49，156、627和14，804 mg kg-1，极高的重金属浓度是限制矿区植被定居的主要因子。通过植物的重金属含量及其转运能力，初步筛选出7种Zn、2种Cd和4种Pb的超富集植物，其中圆锥南芥(Arabis paniculata)和滇苦菜(Picris divaricata)对Zn、Cd和Pb具有多金属超富集特征，而长柔毛委陵菜(Potentilla griffiihii)能够超富集Zn。这些植物的发现为多金属超富集机理的研究以及后续开展植物修复实践提供了较好的种质资源。
2.野外条件下，圆锥南芥生长的矿区土壤富含Zn、Cd和Pb等重金属元素，最高可达32.8％Zn、0.65％Cd和5.4％Pb，其地上部能够富集20800 mg kg-1 Zn，434 mg kg-1 Cd和2300 mg kg-1 Pb，且对三种重金属的转运系数均大于1；通过水培实验表明，圆锥南芥在1223μM Zn、9μM Cd和24μM Pb时即达到相应的超富集标准，而且适量浓度范围的Zn、Cd和Pb处理对植物生物量和叶绿素合成具有明显的刺激效应。研究结果表明圆锥南芥对Zn、Cd和Pb具有极强的耐性和富集能力，是我国境内新发现的一种多金属超富集植物。它的发现为多金属共超富集性以及重金属对植物刺激效应的生理机制研究提供了一种较好的实验材料。
3.通过高效液相色谱(HPLC)研究了圆锥南芥中低分子有机酸的种类特征及其对吸收Zn、Cd和Pb的作用。圆锥南芥体内有机酸的种类及含量大小顺序为：苹果酸>乙酸、柠檬酸>富马酸。各种有机酸在地上部的积累量均高于地下部。612-2447μM的Zn处理促进了地上部苹果酸和柠檬酸、以及地下部柠檬酸的积累；高浓度Cd处理(89-267μM)则降低地上部的苹果酸和柠檬酸含量，以及地下部苹果酸和乙酸含量。Pb胁迫对圆锥南芥有机酸的积累没有显著影响。相关分析表明，苹果酸和柠檬酸可能参与了圆锥南芥对Zn的吸收和贮存，但与Cd、Pb的吸收关系不大。
4.采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)与X—射线能谱(EDS)联用技术，研究了Zn、Cd、Pb在圆锥南芥中的微区分布。在根部，Zn、Cd和Pb的信号强度在横切面上均呈现由内(维管束)向外(表皮)逐渐降低的趋势。Zn最高含量出现在木质部导管内容物中，其次是木质部薄壁细胞以及韧皮部；Cd主要分布在木质部薄壁细胞、导管壁以及韧皮部中：Pb的主要贮存部位则包括木质部薄壁细胞、皮层和韧皮部。结果表明细胞壁沉淀不是圆锥南芥根部贮存重金属的主要方式，Zn、Cd、Pb能够有效通过共质体途径进入维管束薄壁细胞。但Zn比Cd和Pb更易装载到木质部向上运输。在叶片中，Zn主要分布在上表皮内容物中，其次是木质部导管、韧皮部和叶肉细胞，而细胞壁Zn含量较低，表明Zn能够有效地从木质部卸载，并运输到表皮细胞通过液泡的区室化作用解毒。Cd仅在上表皮、下表皮和韧皮部中少量分布，而SEM—EDS未能在叶片中检测到Pb。叶片表皮毛对Zn具有很强的富集能力，特别是表皮毛基部中央的狭窄区域Zn含量可高达20％，这一结果与Zn在A.halleri表皮毛的分布极为相似，说明Zn在表皮毛中的区室化作用是圆锥南芥Zn耐性的另一重要机制。而表皮毛对Pb和Cd的富集能力较弱。
5.通过水培实验研究了圆锥南芥对Cd的抗氧化胁迫反应。研究证实了圆锥南芥对Cd具有很强的耐性和富集能力，且中、低浓度的Cd(22-89μM)对圆锥南芥的生长具有明显的促进作用。中、低浓度Cd处理下(22-89μM)未对圆锥南芥产生明显的氧化胁迫，Cd的添加更导致根部MDA、O2-1和H2O2的含量的降低，氧化胁迫状况得到缓解。中、低浓度Cd处理(22-89μM)下，圆锥南芥叶片与根系对抗氧化胁迫的方式不同。叶片通过SOD、GPX、CAT以及抗坏血酸/谷胱甘肽循环来清除O2-1和H2O2；而在根部，Cd的添加对植株产生刺激效应，减少了ROS的产生。高浓度Cd(178μM)处理抑制了圆锥南芥的生长，叶片和根均受到氧化胁迫，O2-1和H2O2以及MDA含量上升，叶片通过提高5种抗氧化酶活性，而根部通过提高SOD、GPX和GR活性，对抗产生的氧化胁迫。
6.通过土培实验，研究了EDTA、草酸和柠檬酸3种螯合剂对圆锥南芥吸收Zn、Cd、Pb的影响。3种螫合剂处理对土壤中水提态Zn、Cd和Pb的活化能力表现为EDTA＞＞CA＞OA。施加3 mmol kg-1 EDTA使水提态Pb含量比对照增加326倍，Zn增加26倍，Cd增加41倍。EDTA显著促进了地上部对Zn、Cd和Pb的吸收，尤其对Pb的吸收是对照的3.7和4.4倍;同时，EDTA能使Pb的转运系数显著提高4.3和6.4倍，并显著促进植物地上部对Pb的富集量，但对Zn、Cd富集量没有影响。而草酸和高浓度柠檬酸处理对土壤中的Zn、Cd和Pb具有钝化作用，总体上草酸和柠檬酸对重金属吸收、转运的强化效果不明显。施加3种螯合剂会明显抑制圆锥南芥的生长，特别是地上部。低浓度草酸和高浓度EDTA使地上部生物量比对照降低42％和39％，说明螯合剂对圆锥南芥具有毒性作用。