超累积植物与高生物量植物提取镉效率的比较

超累积植物与高生物量植物提取镉效率的比较杨勇;王巍;江荣风;李花粉【摘要】利用植物修复污染的土壤已受到广泛的关注.采用土壤盆栽试验,比较了超累积植物遏蓝菜与3种高生物量植物印度芥菜、烟草和向日葵对长期施用含镉有机、无机肥料污染的土壤(总Cd,2.87mg·kg-1)的提取效率.研究结果表明,遏蓝菜富集镉的能力明显高于其他3种植物,其地上部镉含量可达43.7mg·kg-1,分别是烟草、印度芥菜和向日葵(叶)的10、27和56倍;而地上部生物量最高的植物烟草,其生物量干重为24.8g· pot-1,分别是遏蓝菜、印度芥菜、向日葵的35倍、3倍、2倍.4种植物提取镉最多的是烟草,每盆可以提取117μg,遏蓝菜和印度芥菜提取镉量分别为35μg·pot-1和30μg·pot-1,向日葵提取量最少,每盆仅为10μg左右.植物对土壤中镉的提取效率分别为:烟草 1%,遏蓝菜0.6%,印度芥菜 0.5%,向日葵0.08%.4种植物种植后,土壤总镉和有效态镉含量没有显著的变化.【期刊名称】《生态学报》【年(卷),期】2009(029)005【总页数】6页(P2732-2737)【关键词】植物修复;重金属;烟草;超累积植物【作者】杨勇;王巍;江荣风;李花粉【作者单位】中国农业大学资源与环境学院,教育部植物-土壤相互作用重点实验室,农业部植物营养与养分循环重点实验室,北京,100193;中国农业大学资源与环境学院,教育部植物-土壤相互作用重点实验室,农业部植物营养与养分循环重点实验室,北京,100193;中国农业大学资源与环境学院,教育部植物-土壤相互作用重点实验室,农业部植物营养与养分循环重点实验室,北京,100193;中国农业大学资源与环境学院,教育部植物-土壤相互作用重点实验室,农业部植物营养与养分循环重点实验室,北京,100193【正文语种】中文【中图分类】Q143;Q948;X171随着我国经济的飞速发展和工业废水、废气和废渣的大量排放，土壤和农作物重金属污染问题日趋严重。

密级：中国科学院大学ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙＳｃｉｅｎｃｅｓ博士学位论文２０１３年５月专业综述：调控植物镉吸收转运及耐受性的分子遗传机制研究进展专业综述调控植物镉吸收转运及耐受性的分子遗传机制研究进展摘要镉（ｃａｄｍｉｕｍ，Ｃｄ）对生物有很大毒害作用，因此对抗镉作用机制的研究，增强植物对镉的抗性，调控植物体内不同组织和器官的镉积累水平均具有重要意义。

Ｃｄ２＋主要通过同为二价阳离子的Ｆｅ２＋、Ｃａ２＋或ｚｎ”的低特异性转运蛋白或通道蛋白进入植物细胞内，主要被贮存在根细胞液泡中，但有相当部分通过木质部导管长途转运地上部分，再通过韧皮部进行再分配，储存在不同组织的液泡或者细胞壁等部位。

在植物和真菌的重金属解毒机制中，植物螯合肽（ｐｈｙｔｏｃｈｅｌａｔｉｎｓ，ＰＣｓ）起着核心的作用，能与重金属螫合为复合物，再通过跨液泡膜转运区室化到液泡，降低细胞质中重金属成分的含量。

本文对近年来调控植物镉吸收转运及耐受性的分子遗传机制研究新进展进行了概述。

关键词镉；螫合；区室化。

在生命的演化进程中，植物形成了多样化的机制来维持体内与周围环境存在的可利用重金属离子之间的平衡关系。

植物面临着两个重要任务，一是从生长环境中选择吸收生长所必需的重金属离子并拒绝吸收非必需的重金属离子，二是在细胞内维持这些金属离子保持最适宜的生理浓度（Ｃｏｂｂｅｔｔｅｔａ１．，２００２）。

对金属离子的吸收和累积机制随着植物的种类的不同而不同，即使是在同一个属，不同种植物的吸收机制也不尽相同（Ｓｉｎｇｈａ１．，２００３）。

植物可通过根部直接吸收水溶性重金属，植物根组织不但可以通过根细胞膜上的质子泵使根际（ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ）酸化，而且能够分泌具有金属螫合功’－能的低分子量复合物，使得土壤的金属离子更易被根部吸收。

现在并不清楚是否植物铁载体（ｐｈｙｔｏｓｉｄｅｒｏｐｈｏｒｅ）或有机酸（例如柠檬酸盐）参与了非必需的毒性金属离子（例如Ｃｄ”）的吸收过程。

超积累植物龙葵及其对镉的富集特征一、本文概述本文旨在深入探讨超积累植物龙葵及其对镉的富集特征。

我们将首先概述龙葵作为一种超积累植物的基本生物学特性，包括其生长习性、分布范围以及生理生态特征。

随后，我们将重点分析龙葵对镉元素的富集机制，包括其在植物体内的吸收、转运和积累过程，以及镉在龙葵体内不同组织器官的分布规律。

我们还将探讨龙葵对镉胁迫的响应机制，包括其生理生化变化和对镉的解毒策略。

我们将对龙葵作为镉污染土壤修复植物的潜力进行评估，并讨论其在实际应用中的前景和挑战。

通过本文的研究，我们期望为深入理解超积累植物对重金属的富集机制提供新的视角，并为镉污染土壤的生物修复提供理论依据和技术支持。

二、龙葵的生长特性及对镉的适应性龙葵（Solanum nigrum L.）是一种具有超积累能力的植物，其独特的生长特性使其在重金属污染环境中具有显著优势。

龙葵属于茄科茄属，是一种多年生草本植物，广泛分布于我国南北各地，具有较强的适应性和生命力。

龙葵的生长特性表现在其能够快速生长、繁殖能力强、根系发达、生物量大等方面。

在重金属污染土壤中，龙葵能够通过其强大的根系吸收和固定土壤中的重金属离子，如镉（Cd）。

龙葵的根系具有大量的根毛和侧根，增加了与土壤的接触面积，从而提高了对重金属的吸收效率。

龙葵对镉的适应性表现在多个方面。

龙葵能够在较高浓度的镉胁迫下正常生长，甚至在一定范围内表现出促进作用，这与其体内镉的耐受机制和解毒机制有关。

龙葵能够将吸收的镉主要积累在地下部分，如根部和茎基部，从而降低了地上部分的镉含量，减少了镉对植物生长的负面影响。

龙葵体内还具有一套高效的镉转运和储存机制，能够将吸收的镉转运到液泡中，与有机酸结合形成稳定的化合物，从而降低镉的毒性和生物有效性。

龙葵作为一种超积累植物，在重金属污染土壤中表现出强大的生长优势和镉适应性。

其独特的生长特性和对镉的富集特征使其成为重金属污染土壤修复和植物提取技术的理想选择。

镉（Cd）作为一种高度有毒且生物累积性强的重金属污染物，对植物生态系统构成了严重威胁。

在土壤-植物连续体中，镉因其显著的毒性和流动性，引起了土壤科学家和植物营养学家的广泛关注。

为了深入探究镉对植物生长发育及生理机能的影响，本研究以年轻嫩叶蔬菜品种Eruca sativa（芝麻菜）为对象，通过设计盆栽试验，模拟了不同浓度Cd（0、1.5、6和30 μmol/L）对幼苗的施用情境，对其形态、生理及生化适应性进行了详尽的研究。

研究结果显示，在高镉胁迫下，E. sativa幼苗叶片中镉积累显著增加，这种积累可能会对植物细胞结构和生理功能造成严重干扰。

进一步的分析表明，镉胁迫使光合作用受到了显著抑制，表现为光合速率明显下降，同时，叶绿素a、b以及其他色素含量也出现了不同程度的降低。

这暗示镉可能通过损害光合器官结构、抑制光合色素合成以及破坏光合电子传递链，从而削弱了植物的光合能力。

此外，镉胁迫对植物抗氧化防御系统产生了重大影响。

抗氧化酶活性检测结果显示，抗坏血酸过氧化物酶（APX）、愈创木酚过氧化物酶（GPX）、过氧化氢酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）等抗氧化酶活性在镉处理后均呈现出显著降低的趋势。

这些酶在正常情况下起着清除活性氧、维持细胞内氧化还原平衡的关键作用，其活性的降低表明镉胁迫使植物抗氧化防御系统遭受了严重破坏。

与此形成对比的是，植物体内总抗坏血酸（TAS）的浓度在所有Cd施用水平上均有上升，这可能是植物在响应镉胁迫时的一种自然保护机制，试图通过提高抗坏血酸的含量来抵御镉引起的氧化应激。

然而，抗坏血酸（ASA）和脱氢抗坏血酸（DHA）的变化趋势较为复杂，在1.5μmol/L镉处理时不显著增加，而在6和30 μmol/L处理时表现出显著上升，但在最高浓度30 μmol/L镉处理下并未观察到显著下降。

综上所述，面对镉胁迫，E. sativa幼苗被迫将大量能量从生长转移至抗氧化代谢物和渗透调节物质的合成中，以期对抗镉的毒性效应。

摘要：木薯在污染土壤上的生物修复和能源植物利用方面具有巨大潜力。

为探究不同木薯品种重金属Cu 、Zn 、Cd 的吸收转运差异及人体暴露风险评估，选取华南地区生产上常用的三个木薯品种（华南5号、华南205号、华南8号）进行污染小区试验。

结果表明，华南8号在三个木薯品种中产量最高，在宁西样地可达53125kg ·hm -2，三个木薯品种各组织器官中Cu 、Zn 、Cd 的含量均表现为：茎>叶>块根；进一步比较发现，华南8号对三种重金属的总富集量系数最大，其中Cu 为4.30、Zn 为2.86、Cd 为2.80，适宜在中轻度污染土壤上推广种植。

靶标危害系数方法（THQ ）计算结果显示,宁西样地三个木薯品种通过块根途径暴露接触重金属对成人和儿童均具潜在健康风险。

关键词：木薯品种；土壤重金属；Cu ；Zn ；Cd ；植物修复；健康风险分析中图分类号：X171.5文献标志码：A 文章编号：1672-2043（2017）06-1044-09doi:10.11654/jaes.2017-0075Accumulation of heavy metals copper,zinc,and cadmium in cassava varieties and the associated human health riskZENG Lu-ping 1,2,3,QIN Jun-hao 1,2,3,DONG Shu-yu 1,2,3,ZHANG Run-han 1,2,3,LI Hua-shou 1,2,3*（1.Institute of Tropical and Subtropical Ecology,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;2.Ministry of Agriculture Key Laboratory of Agro-Environment in the Tropics,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;3.Key Laboratory of A -groecology and Rural Environment of Guangdong Regular Higher Education Institutions,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China ）Abstract ：Cassava （Manihot esculenta ）has great potential for bioremediation of contaminated soil and utilization as an energy plant.Threecassava varieties （SC5,SC205,and SC8）were selected to investigate the differences in their accumulation of heavy metals copper （Cu ）,zinc （Zn ）,and cadmium （Cd ）and to perform human health risk assessments through field plot experiments.The results showed that SC8had the highest yield among the three cassava cultivars,at up to 53125kg ·hm -2at the sample site Ningxi.The concentrations of Cu,Zn,and Cd inthe three cassava varieties were all ranked in the order stem >leaf >root.The total enrichment coefficient of SC8was much higher than that of the other two cassava cultivars,with Cu of 4.30,Zn of 2.86,and Cd of 2.80.It may be important to promote planting of cassava variety SC8in moderately polluted soil.Furthermore,the result of target hazard quotient （THQ ）analyses showed that adults and children who consume cassava tubers and roots from the Ningxi plots had potential health risks due to heavy metal contamination.Keywords ：cassava （Manihot esculenta ）cultivar;soil heavy metal;copper;zinc;cadmium;phytoremediation;human health risk analysis收稿日期：2017-01-13作者简介：曾露苹（1993—），女，广东汕头人，硕士研究生，研究方向为污染生态学。

科学家揭示超富集植物伴矿景天叶绿体对镉解毒的分子机制镉（Cd）是一种具有高毒性的重金属，对动植物均有极强毒害作用。

镉能够对叶绿体进行毒害，抑制光合作用进行。

伴矿景天（Sedum plumbizincicola）是已知的对镉超富集能力最强的植物之一，能在地上部组织中积累大量的镉元素而不呈现毒害症状，在土壤重金属污染治理中具有重要应用价值。

但伴矿景天及其他镉超富集植物如何防止叶绿体内镉的积累、保护光合反应免受毒害的机制仍然未知。

中国科学院植物研究所王亮生研究组科研人员从伴矿景天中克隆到一个重金属转运蛋白基因SpHMA1。

研究人员发现，SpHMA1蛋白定位于叶绿体膜上，对镉元素具有转运功能；该基因在伴矿景天叶片中呈现高丰度表达，相比于非超积累生态型的东南景天（S. alfredii）的同源基因SaHMA1n，其表达高200倍以上。

研究人员利用研究组建立的伴矿景天稳定遗传转化系统，构建了基因干扰（SpHMA1-RNAi）和CRISPR/Cas9敲除突变植株，发现SpHMA1基因沉默和突变植株的叶绿体中镉积累显着增加，光系统II的活性受镉胁迫抑制更显著，表明SpHMA1参与叶绿体对镉元素的外排解毒，从而防止叶绿体发生镉积累而保护光合作用的正常进行。

该研究团队前期研究发现，伴矿景天中存在另一个重金属转运蛋白SpHMA3，主要负责将镉转运到液泡中进行区隔化，实现镉的胞质解毒。

该研究进一步揭示伴矿景天对镉高抗性的分子机制及其生理功能，对了解重金属超富集植物高抗性的分子进化和环境适应性具有重要意义。

该成果于10月12日在线发表于国际学术期刊Plant, Cell & Environment。

植物所硕士毕业生赵海霞为论文第一作者，王亮生研究组副研究员徐文忠为通讯作者。

该研究得到国家重点研发计划的资助。

(a) 伴矿景天野生型（WT）和SpHMA1-RNAi转基因株系（L1/L3）镉处理条件下的叶绿素荧光分析光系统II的活性；(b) 伴矿景天野生型（WT）和SpHMA1-RNAi转基因植株叶绿体中镉含量积累分析；(c) 伴矿景天叶细胞中SpHMA1和SpHMA3参与镉高抗性解毒的模式图。

阅读书目：1、环境土壤学，陈怀满著，20052、土壤环境与生态安全，骆永明编，20093、黏土矿物材料与环境修复吴平霄20044、土壤物理化学李法虎2006Cd的超累积植物等：[1]杨勇,江荣风,李花粉等.土壤容重改变对锌/镉超累积植物遏兰菜根系特征及吸镉的影响.环境科学,2010,31(12)为了探讨土壤容重的变化对锌/镉超累积植物遏兰菜（Thlaspi&nbsp；caerulescens）根系形态特征及吸收土壤中镉、锌的影响,采用土壤盆栽方法,研究了土壤结构改良剂（EB.a）对镉污染土壤（2.12&nbsp；mg·kg^-1）的容重和遏兰菜提取镉/锌效率的影响.EB.a用量分别为0、0.1%和2%,植物种植100&nbsp；d后收获.结果表明,EB.a可有效地降低土... [2]韩文轩,徐一鸣,杜威等.ICP—AES分析不同锌浓度培养下锌镉超累积植物遏蓝菜的元素计量变化.光谱学与光谱分析,2009,29(9)锌镉超累积植物遏蓝菜（Thlaspicaerulescens）是重要的重金属污染土壤修复植物，但环境Zn浓度是否会影响该植物对其他元素的吸收，进而影响土壤养分的平衡，此前并不清楚。

研究采用可同时测量多种元素的ICP-AES技术，分析高、中、低Zn浓度（5，50和500μmol·L^-1）多元素营养液培养的遏蓝菜中Zn，Cd，K，P，Mg，Ca，Fe，Mn，C... [3]杨勇,王巍.超累积植物与高生物量植物提取镉效率的比较.生态学报,2009,29(5)利用植物修复污染的土壤已受到广泛的关注。

采用土壤盆栽试验,比较了超累积植物遏蓝菜与3种高生物量植物印度芥菜、烟草和向日葵对长期施用含镉有机、无机肥料污染的土壤（总Cd,2.87mg·kg^-1）的提取效率。

研究结果表明,遏蓝菜富集镉的能力明显高于其他3种植物,其地上部镉含量可达43.7mg·kg^-1,分别是烟草、印度芥菜和向日葵（...[4]苏德纯.油菜作为超累积植物修复镉污染土壤的潜力.中国环境科学,2002,22(1)以超累积植物印度芥菜为参比植物，通过温室盆栽土培试验研究了筛选出的两种芥菜型油菜的吸Cd特征和作为超累积植物修复Cd污染土壤的潜力。

镉超富集植物标准镉超富集植物是指在环境中长期暴露于镉等重金属污染物的情况下，植物体内镉积累超过正常范围的植物。

镉超富集植物具有较高的对镉耐受性和积累能力，使其成为生物修复、镉污染土壤治理和生物指示器等领域的重要研究对象。

为了规范对镉超富集植物的研究和评价，科研工作者们提出了一系列的镉超富集植物标准，用以指导相关研究和实践。

在研究领域中，镉超富集植物标准是非常重要的指导性文件。

通过制定和遵守这些标准，可以保证镉超富集植物研究的科学性和客观性，有助于提高研究的可比性和数据的可信度。

本文将对镉超富集植物标准进行深入探讨，探讨其制定背景、内容要点和应用前景，旨在为相关研究工作提供参考和借鉴。

一、镉超富集植物标准的制定背景随着环境污染的不断加剧，重金属污染已成为我国生态环境领域的一个突出问题。

镉是一种常见的重金属元素，是一种易积累于植物体内的有毒物质。

在镉超富集植物的研究领域中，由于缺乏统一的标准和规范，给研究工作带来了很大的困难。

为了规范对镉超富集植物的研究和评价，科研工作者们迫切需要一套统一的标准体系。

在这种背景下，镉超富集植物标准得以制定出来。

这些标准通过梳理和整合已有研究成果，结合国内外相关标准和规范，以及专家学者的研究经验，最终形成了一套比较系统和完整的标准体系。

二、镉超富集植物标准的内容要点镉超富集植物标准主要包括对镉超富集植物的定义、分类、检测方法、评价指标、标准要求等方面内容。

这些内容旨在为研究者提供一个规范的研究框架，使得他们在开展镉超富集植物相关研究时，能够有章可循、有据可依。

首先，镉超富集植物标准明确了对镉超富集植物的定义和分类。

镉超富集植物是指在镉等重金属污染环境中，植物体内镉积累超过一定范围的植物。

根据镉的积累能力和毒性效应，镉超富集植物可分为高积累型、高耐受型以及中低积累型等不同类型。

其次，镉超富集植物标准规定了检测方法和评价指标。

镉超富集植物的镉积累量是评价其富集能力的关键指标，因此标准明确了镉的检测方法和测定指标。

重金属超富集植物特征
重金属超富集的植物被称为超富集植物。

这些植物具有特定的特征，使其能够从土壤或水体中富集和积累高浓度的重金属。

以下是一些重金属超富集植物的典型特征：
1.高耐受性：超富集植物通常对重金属具有较高的耐受性。

它们可以在高浓度的重金属环境中生存和生长，而不像其
他植物那样受到严重的毒害。

2.快速生长：一些超富集植物具有较快的生长速度，使它们
能够在相对较短的时间内富集大量的重金属。

3.高生物量：超富集植物通常具有高的生物量，这意味着它
们可以从土壤或水体中吸收和积累更多的重金属。

4.深根系：一些超富集植物具有发达的根系系统，可以在土
壤深处或含重金属较高的土层中吸收和富集重金属。

5.重金属转运机制：超富集植物具有特殊的吸收和转运机制，
使其能够高效地吸收和积累重金属。

这可能包括根壁或细
胞壁的特殊结构，以及活性转运蛋白等。

6.积累器官：超富集植物通常将重金属集中存储在特定的器
官中，如根系、茎和叶片等。

这些器官在植物体内形成重
金属富集的主要部位。

超富集植物对于修复和治理重金属污染的环境具有重要意义。

它们可以用于吸收和富集土壤和水体中的重金属，然后通过采集或收获来移除重金属。

此外，超富集植物还可以在生物矿化、
矿物富集和零废弃物农业等领域中发挥作用。

然而，在使用超富集植物进行重金属修复时，要注意潜在的环境影响和安全问题，并进行合适的监测和管理。