基于细胞膜表面电势的Cu-Cd复合污染小麦毒性评价及机制研究

Multi-metal contamination in soil caused serious security problems of agricultural products, which makes the toxicity mechanisms of biological and environmental risk assessment of multiple heavy metals contamination is urgent. In view of the environmental risk of copper-cadmium (Cu-Cd) combined pollution in typical farmland soils (red soil, yellow brown soil), our research intends to "establish the response-multiplication toxicity model --- study the model applicability in soils --- explore the risk assessment and toxicity mechanism of multiple metals” as the main line. We establish the response-multiplication toxicity model for Cu-Cd contamination based on the cell membrane surface potential, using the wheat root toxicity test in simulated soil solution culture. After that, we evaluate the rhizotoxicity of Cu-Cd contamination of in soils using the established model above, and discuss the modified model applicability in soils. Therefore we can achieve the biological risk assessment of Cu-Cd contamination in soil conditions. To explore the dynamic distribution of Cu2+、Cd2+ in biological sensitive tissues and metal detoxification tissues, using the heavy metals subcellular separation technology in whole growth period of wheat. Though the μ-XRF and μ-XANES analysis of the wheat roots, leaves and seeds separately, we discuss metal ions binding forms and migration risk in different tissues cells. This study aimed to provide a new way and method for evaluating the multiple metals environmental risks and studying the toxicity mechanisms.

土壤重金属复合污染带来严重的农产品安全问题，这使得重金属复合污染的生物环境风险评价和毒性机制研究工作变得迫切。针对我国两种典型农田土壤（红壤、黄棕壤）中Cu-Cd复合污染的生态环境风险，拟以“复合污染静电毒性评估模型建立—土壤条件下模型适用性研究—重金属毒性机制和风险评估”为研究主线。通过模拟土壤溶液培养的小麦根毒性实验，建立基于细胞膜表面电势的Cu-Cd污染静电毒性预测模型，并探究土培条件下该模型对Cu-Cd污染的小麦根毒性预测能力及模型适用性，实现土壤环境下Cu-Cd复合污染的生物毒性评价；通过小麦全生育期内两种重金属的亚细胞分布研究，明确Cu2+、Cd2+在毒性敏感组织和金属解毒组织中的动态分布，并结合根、叶和籽实的 μ-XRF和μ-XANES分析，探明Cu2+、Cd2+在不同组织细胞中的结合形态及其迁移风险。本研究旨在为土壤中植物重金属复合污染风险评价和机制研究提供新的思路和方法。

土壤重金属复合污染带来严重的农产品安全问题，这使得重金属复合污染的生物环境风险评价和毒性机制研究工作变得迫切。项目围绕重金属污染物在植物体质膜表面离子活度值展开研究，主要研究结果如下：（1）模拟土壤溶液培养下，建立了基于小麦根膜表面金属离子活度值（{Cu2+}0、{Cd2+}0）的复合污染静电多重响应模型（response-multiplication model，RM），评价和预测小麦根毒性响应；结合小麦根际质子释放速率（ΔH+），明确了RM模型能够将小麦相对根伸长抑制率（RRE）响应HA-Cu-Cd复合污染的评价能力（R2）从0.863提高到0.927；小麦根细胞质膜表面{Cu2+}0和{Cd2+}0之间存在质膜表面静电效应和竞争效应的共同作用。（2）在三种不同类型土壤(潮土，红壤和黄棕壤)培养的条件下，研究了金属静电复合污染评价模型RM的适用性。原位采集的土壤溶液中Ca2+、H+和Mg2+影响小麦根细胞质膜表面电势0，进而影响金属离子Cd2+、Cu2+在质膜表面的富集活度。基于细胞质膜表面金属离子活度值所建立的RM模型对小麦根长的预测能力R2从0.444增加到0.848。（3）生菜体内Cu、Cd的化学形态分级提取及其根表金属离子活度值的计算，发现Cu和Cd在生菜-蜗牛食物链中积累和传递的能力，主要与金属在植物根膜表面金属离子活度值（{Cu2+}0和{Cd2+}0）和易随食物链迁移部分金属（Fi+ii+iii）含量密切相关（R2> 0.6）。本研究为土壤中植物重金属复合污染带来农产品安全、食物链传递风险及其机制研究提供了新的思路和方法。