克隆植物强化修复重度铬污染场地及克隆整合机制研究

Environmental problem caused by heavy Cr-polluted sites (e.g. chromium slag heaps) has drawn great attention. Phytoremediation of heavy Cr pollution does very favorably. However, there are still some issues of remediation by plants, such as inhibition to growth and Cr accumulation caused by high concentration of Cr pollution, long remediation circle, and so on. Clonal-plant is one type of plants with vegetative propagation ability and special growth traits (e.g. clonal integration). Some well-known Cr-hyperaccumulators are also clonal-plants. So far, these are few studies on how to enhance remediation efficiency with clonal characteristics and associated mechanisms. Therefore, in this project, Cr-hyperaccumulators with clonal characteristics are taken as research objects to study how to use clonal integration to strengthen tolerance, growth and Cr accumulation abilities of hyperaccumulators. By means of subcellular distribution of Cr in stonlons/rhizomes among clonal system, and driving force of Cr transfer, regularity of Cr distribution in horizontal direction (i.e. risk spreading) is determined. Antagonism between physiological integration on water and nutriment (i.e. resourch sharing), and distribution of Cr in xylem/phloem is analyzed. These results may reveal effects of clonal integration on phytoremediation, and preliminary clarify mechanisms of tolerance and remediation to Cr. The research whereby provides scientific evidence for strengthened remediation of heavy Cr-polluted sites by clonal-plant.

重度铬污染场地（如铬渣堆场等）引起的环境污染问题已引起广泛的关注。植物修复在重度铬污染修复方面具有很大优势，但存在高浓度铬影响生长和铬积累、修复周期长等问题。克隆植物是一类具有无性繁殖和独特生长能力（如克隆整合）的植物。一些已知的铬超积累植物也属于克隆植物，目前对如何利用其克隆特性强化修复效率及相关机制研究较少。本项目以具有克隆特性的铬超积累植物为对象，研究利用克隆整合特性增强植物对重度铬污染的耐受、生长和铬积累能力。通过对铬在植物系统不同植株间的连接结构（匍匐茎/根状茎等）中的亚细胞分布，以及转移分布动力研究，探讨克隆系统内铬在水平方向的转移分布（即风险分摊）特征；探究铬的转移分布对连接结构木质部/韧皮部中水分和营养物质生理整合（即资源共享）的拮抗作用；这两方面将揭示克隆整合在修复过程中的作用，初步阐明克隆植物对铬的耐受和修复机制。借此为重度铬污染场地的克隆植物强化修复提供科学依据。

重度铬污染场地（如陆地铬渣堆场及邻近水陆交错带）引起的环境污染已引起广泛关注。植物修复在铬污染修复方面潜力巨大，但存在高浓度污染影响生长和铬积累、修复周期长等问题。一些重金属污染修复植物属于克隆植物，具有无性繁殖和独特克隆生长能力，利用其克隆特性能强化其修复效率。本项目以具有克隆特性的铬污染修复植物为对象，研究利用克隆整合特性增强植物对重度铬污染场地的修复能力；铬在克隆植物系统内的转移分布特征；及铬的转移分布对营养物质生理整合过程的拮抗作用。研究结果表明随重金属浓度的增大，克隆植物的重金属富集浓度均随之增大；与生长于污染环境中的污染子株相连的母株也检测到重金属，浓度随子株遭受的污染浓度增加而增加；与不相连的子株相比，相连子株的重金属浓度有所降低，可能由重金属的转移和相连母株支持子株生长等原因造成。利用某些克隆植物具有水陆两栖生长特性，模拟克隆植物在水陆交错带向污染水体中扩散的生态过程，及对铬污染的修复可能。发现种植在无污染土壤中的母株能支持处于污染条件下子株的生存及生长；受污染的子株茎的机械强度下降，导致茎在水中增大受到的机械损伤的风险；铬污染对直接生长于污染水体中子株的生长具有显著负面影响，对相连的母株，低浓度污染对生长有一定促进作用，但不能超过一定阈值。植物凋落物或死亡残体在水和土壤中会发生分解，将铬释放回环境中，实现污染转移；当污染水体中同时存在植物营养元素磷时有利于促进分株的生长和污染物累积。相连母株和子株间的ATP酶活性没有显著差异；再通过对分株间水势测定和品红追踪可推测铬在相连分株间的传输可能是随水分进行扩散。污染浓度较低时，可溶性蛋白质含量增大，但高污染浓度导致其含量降低；可溶性糖含量随污染浓度的增大逐渐增大；随着铬污染浓度的增加，各亚细胞组分中污染物含量也随之增加；氮磷钾等含量与铬之间存在负相关关系。研究结果为强化克隆植物修复铬及其他重金属污染提供了科学依据。