典型镉超富集和耐性植物中镉同位素分馏特征及过程研究

As a new non-traditional isotope, cadmium isotope can provide a new tool for tracing the Cd source and elucidating the mechanisms of Cd enrichment in plants. Limited by the lack appropriate analytical technology, the mechanisms of Cd isotope fractionation in nature is insufficiency, which has restricted the application of Cd isotope in the environmental geochemistry. Based on our previous results, the present study adopted the Cd-hyperaccumulator Solanum nigrum and Cd-tolerant Ricinus communis, cultured under controlled conditions in a nutrient solution with variable Cd supply, cultured days and chelator supply, to test the isotopic fractionation of Cd during plant adsorption, diffusion, complexation. This study will further investigate the main processes inducing Cd isotope fractionation in plants and elucidate the relationship of Cd isotope fractionation with Cd translation and enrichment in plants. The results will be not only consummate the Cd isotope fractionation mechanism in a certain extent, but also provide technical support for remediation of contaminated soil by hyperaccumulators.

镉（Cd）同位素作为新兴的非传统同位素技术手段，可为Cd污染源解析及植物富集Cd机理的阐明提供新的方法。由于受到分析技术的限制，Cd同位素在自然界的分馏机理并不完善，从而在一定程度上影响了Cd同位素体系在环境地球化学领域的应用。本申请在前期研究基础上，以Cd超富集植物龙葵和耐性植物蓖麻为研究对象，针对引起植物中金属同位素分馏的因素（吸附、扩散、络合等作用），设定不同Cd浓度、培养时间和螯合剂对两类植物进行室内培养，深入研究不同培养条件下营养液和植物各组织体中Cd同位素组成、亚细胞及形态分布和元素含量，探明吸附、扩散和络合作用下两类植物体内的Cd同位素分馏特征，探讨引起植物Cd同位素分馏的主要过程，揭示Cd同位素分馏与Cd在植物体迁移和富集的响应效应。研究成果不仅在一定程度上完善Cd同位素分馏机理，而且为更好地利用超富集植物修复Cd污染土壤提供技术支撑。

重金属镉（Cd）污染问题已成为我国广泛关注的重大生态环境问题。植物修复是一项非常有应用前景的重金属污染处理新技术，镉同位素作为新兴的非传统同位素技术手段，在研究Cd的迁移转化方面显示出较好的示踪效果，将Cd同位素技术与植物修复相结合，可为探明植物的富集及耐性机理提供新的方法。由于受到分析技术的限制，Cd同位素在自然界的分馏机理并不完善，从而在一定程度上影响了Cd同位素体系在环境地球化学领域的应用。本研究在前期研究基础上，以Cd超富集植物龙葵和耐性植物蓖麻为研究对象，针对引起植物中金属同位素分馏的因素，设定不同Cd浓度、培养时间和螯合剂对两类植物进行室内培养。研究取得的主要成果如下：1）龙葵和蓖麻在低Cd/高EDTA条件下比在高Cd/低EDTA条件下更加富集较轻Cd同位素，而且超富集植物龙葵比耐性植物蓖麻更加富集较轻Cd同位素，Cd同位素的分馏程度受营养液中Cd浓度、EDTA浓度、植物品种的影响；EDTA促进了超富集植物龙葵对Cd的吸收，而且络合作用可以导致蓖麻和龙葵富集较轻的Cd同位素；Cd同位素的分馏信息可以用来研究Cd在植物体中的传输过程，这也表明Cd同位素可以作为用来识别超富集及耐性植物的一个技术手段。2）Cd含量及浓度数据表明，蓖麻和龙葵对Cd均具有一定的耐性和累积性，而且龙葵的耐性程度要比蓖麻的高，而蓖麻对低Cd浓度胁迫的耐性较强，龙葵叶片比蓖麻叶片富集更多的Cd；Cd胁迫条件下，龙葵地上部吸收的矿质元素高于蓖麻，Cd胁迫促进了两种植物根部对Ca、Cu、Pb的吸收、叶片对Ca、Mg的吸收，抑制了两种植物根部对Fe、Al的吸收；Cd同位素随时间变化的结果表明，植物受Cd毒害程度越大，Cd同位素的分馏值越小，Cd同位素的分馏程度在一定程度上反映了植物受毒害的程度。研究成果不仅在一定程度上丰富了Cd同位素分馏机理的认识，而且可为更好地利用超富集植物修复Cd污染土壤提供技术支持。在本基金支持下，发表第一标注且第一作者文章4篇（其中3篇SCI），第二标注文章4篇（其中2篇SCI）。