Si對(duì)紅樹(shù)植物抗耐重金屬的內(nèi)源與環(huán)境調(diào)節(jié)機(jī)制的解析

硅對(duì)一些植物生長(zhǎng)發(fā)育有益，能夠顯著提高植物的耐逆性，尤其能夠增強(qiáng)一些植物的抗重金屬性的能力。本項(xiàng)目在已對(duì)硅影響紅樹(shù)秋茄鎘亞細(xì)胞分布等研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，以白骨壤和桐花樹(shù)為研究對(duì)象，通過(guò)盆栽實(shí)驗(yàn)，對(duì)硅介導(dǎo)紅樹(shù)植物重金屬耐性機(jī)制方面進(jìn)行進(jìn)一步系統(tǒng)研究，探討硅對(duì)紅樹(shù)植物耐受鎘脅迫的機(jī)制，尋覓紅樹(shù)植物對(duì)重金屬的耐性機(jī)制和影響耐性的關(guān)鍵因素，為紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)重金屬污染治理和紅樹(shù)林作為生物修復(fù)系統(tǒng)提供新的理論依據(jù)。主要研究結(jié)果概括如下： 1、追蹤痕量重金屬，研究了硅介導(dǎo)的重金屬在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)特征和賦存特征規(guī)律，結(jié)果顯示外源硅顯著降低各器官鎘的累積濃度；硅均增強(qiáng)白骨壤幼苗細(xì)胞壁對(duì)重金屬鎘的吸附能力，通過(guò)區(qū)隔化作用，抑制重金屬的質(zhì)外體運(yùn)輸，一定程度上改變重金屬在植物體的區(qū)域化分布，有利于避免重金屬對(duì)細(xì)胞原生質(zhì)的毒害。 2、研究硅介導(dǎo)的植物體內(nèi)有機(jī)酸代謝和根際分泌物的動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果顯示鎘脅迫顯著降低白骨壤幼苗各器官和根系分泌物中低分子量有機(jī)酸含量；硅對(duì)有機(jī)酸代謝的影響隨鎘處理水平不同而不同，在對(duì)照和低濃度鎘處理下，硅對(duì)各器官有機(jī)酸含量影響不顯著或降低其含量，高濃度鎘處理下，硅顯著增加葉片和莖部有機(jī)酸總量，顯著增加根系分泌物中檸檬酸含量；白骨壤各器官和根系分泌物有機(jī)酸含量?jī)蓛砷g顯著相關(guān)。由此推測(cè)硅是白骨壤生長(zhǎng)的有益元素，硅缺乏造成的營(yíng)養(yǎng)脅迫促使植物體內(nèi)有機(jī)酸代謝做出響應(yīng)；硅促進(jìn)高濃度鎘處理下植物體內(nèi)的有機(jī)酸代謝，對(duì)緩解白骨壤鎘毒害效應(yīng)具有重要意義。 3、研究硅介導(dǎo)的紅樹(shù)植物根和葉片解剖結(jié)構(gòu)，探討解構(gòu)變化與植物體鎘累積、根系泌氧以及硅緩解效應(yīng)之間聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示硅通過(guò)影響葉片解剖結(jié)構(gòu)從而緩解鎘脅迫對(duì)植株水分代謝和光合作用的抑制；硅促進(jìn)鎘脅迫下根系質(zhì)外體壁壘的發(fā)育，進(jìn)而降低根對(duì)鎘的吸收；硅對(duì)根系中柱木質(zhì)部發(fā)育的促進(jìn)作用緩解了鎘脅迫對(duì)水分代謝的抑制作用。硅的添加顯著增加兩種紅樹(shù)植物根系錳膜含量，而顯著降低鎘脅迫下鐵膜含量。但硅對(duì)白骨壤和桐花樹(shù)根系泌氧總量影響不一致，硅顯著增加白骨壤根系泌氧總量而顯著降低桐花樹(shù)根系泌氧總量。 研究在結(jié)題前在已經(jīng)在《Environment Pollution》、《Journal of plant growth regulation》等刊物上發(fā)表SCI收錄論文12篇。培養(yǎng)博士生三名、碩士生三名 2100433B

Si是地殼中含量第二豐富的元素。我們的前期研究表明:外源Si能夠顯著提高紅樹(shù)植物對(duì)重金屬Cd的耐受性，項(xiàng)目擬就Si對(duì)紅樹(shù)植物抗耐重金屬的內(nèi)源因子與外源環(huán)境要素調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行深入、系統(tǒng)的解析。研究Si對(duì)重金屬進(jìn)入植物的外部環(huán)境機(jī)制與重金屬在植物體內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)、結(jié)合、累積過(guò)程與機(jī)理的作用，揭示紅樹(shù)植物對(duì)重金屬的耐受性機(jī)制及其關(guān)鍵影響因子。闡明紅樹(shù)植物的生理過(guò)程或代謝過(guò)程中Si對(duì)重金屬生物有效性的作用及其關(guān)鍵影響因子。對(duì)化學(xué)提取分離的絡(luò)合肽金屬進(jìn)行耦合分析，結(jié)合能量彌散X射線光譜（ EDXS ）和掃描電鏡對(duì)重金屬與Si進(jìn)行定位分析，微觀解析Si對(duì)重金屬進(jìn)入植物體的阻滯機(jī)理。解析紅樹(shù)植物體內(nèi)是否存在硅-重金屬?gòu)?fù)合物，揭示Si對(duì)紅樹(shù)植物重金屬區(qū)域化分布的影響及機(jī)制。

（一）外部調(diào)節(jié)機(jī)制

從商品流通角度來(lái)講，商品流通主體的運(yùn)行，包括單個(gè)主體的運(yùn)行、商品流通整體的運(yùn)行等。因而調(diào)節(jié)的作用范圍相應(yīng)有這兩個(gè)層次的范圍。外部調(diào)節(jié)包括兩個(gè)方面，一是流通機(jī)制的自發(fā)調(diào)節(jié)。這里邊主要是通過(guò)商品流通供求關(guān)系的變化，以及由供求關(guān)系而引起的價(jià)格變化來(lái)調(diào)節(jié)商品流通主體的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)。二是自覺(jué)的調(diào)節(jié)，主要是國(guó)家或政府運(yùn)用各種經(jīng)濟(jì)、法律的手段以及必要的行政干預(yù)來(lái)調(diào)節(jié)商品流通主體的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)。

（二）內(nèi)部調(diào)節(jié)機(jī)制

這是指商品流通企業(yè)在既定的外部力量的條件下，能自動(dòng)地保持對(duì)外部市場(chǎng)環(huán)境靈敏的變化和良好的適應(yīng)性，以及保持企業(yè)的運(yùn)轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)和平衡。這種內(nèi)部調(diào)節(jié)機(jī)制其實(shí)質(zhì)是企業(yè)內(nèi)在活力和外在競(jìng)爭(zhēng)力的具體體現(xiàn)。

從植物種植前后和投加雙氧水前后沉積物中重金屬總量和存在形態(tài)的種類(lèi)和數(shù)量的變化、根際環(huán)境對(duì)植物吸收和累積重金屬的影響、根際微生物種群的變化、植物以及植物根際與非根際重金屬累積重金屬的情況對(duì)比、酶活性的變化等幾個(gè)方面對(duì)植物修復(fù)的效果進(jìn)行了分析，首次表明雙氧水可以促進(jìn)植物對(duì)沉積物中鉛、鎘、銅、鋅、錳和鎳等重金屬總量和各種形態(tài)重金屬數(shù)量的吸收累積，還可以改變不同形態(tài)重金屬的種類(lèi)，根際環(huán)境和微生物以及酶活性的變化表明沉積物中的重金屬被有效活化，植物吸收、運(yùn)移重金屬的能力明顯增強(qiáng)。 通過(guò)對(duì)植物的根、莖和葉等各個(gè)部位吸收和累積重金屬的情況看出，植物各個(gè)部位對(duì)重金屬的吸收和累積機(jī)制各不相同，種植時(shí)間的延長(zhǎng)可以使植物中累積的重金屬數(shù)量增加，而修復(fù)效率下降。種植時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)植物中累積重金屬的數(shù)量不同，沉積物中的有機(jī)物種類(lèi)在植物種植前后有較大變化。根際分泌物的增多、沉積物中微生物種群的變化以及酶活性的變化均說(shuō)明植物可有效修復(fù)沉積物中的重金屬，特別是針對(duì)多酚氧化酶活性恢復(fù)較快這一點(diǎn)，本文首次提出將沉積物中多酚氧化酶活性的恢復(fù)作為判斷植物修復(fù)沉積物效果的一個(gè)重要指標(biāo)，從而為植物修復(fù)沉積物的研究工作提供新的參考。 在分析植物吸收和累積沉積物中重金屬機(jī)理的基礎(chǔ)上，以植物吸收累積重金屬的四個(gè)過(guò)程為模型依據(jù)，將植物吸收重金屬的動(dòng)態(tài)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型表述成非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的形式，并首次結(jié)合Lyapunov穩(wěn)定性理論對(duì)植物吸收和累積重金屬的非線性動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了嚴(yán)格的穩(wěn)定性分析。穩(wěn)定性結(jié)論可表達(dá)成線性矩陣不等式(Linear matrix inequality, LMI)的形式，求解方便。數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證表明了所選模型的合理性及理論分析方法的有效性，該理論分析方法將為受重金屬污染的河道沉積物的植物修復(fù)技術(shù)提供重要的參考作用。

河道底泥中的重金屬污染已成為各國(guó)面臨的重要環(huán)境問(wèn)題。植物修復(fù)技術(shù)能有效利用植物及其共存的微生物體系吸收底泥中的重金屬，受到廣泛關(guān)注。目前對(duì)植物吸收底泥中重金屬過(guò)程的定量分析較少，因而不能準(zhǔn)確地把握其機(jī)理。如何對(duì)植物吸收重金屬的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行精確的動(dòng)力學(xué)分析和調(diào)節(jié)，是研究植物修復(fù)底泥中重金屬污染問(wèn)題的關(guān)鍵所在。本項(xiàng)目擬將控制科學(xué)中處理動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的魯棒控制理論和最優(yōu)控制理論應(yīng)用于植物吸收重金屬動(dòng)態(tài)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析及最優(yōu)調(diào)節(jié)中，基于微分方程方法及分段線性化技術(shù)對(duì)植物吸收重金屬的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行建模，從而利用分段線性系統(tǒng)理論對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和調(diào)節(jié)?？紤]化學(xué)助劑對(duì)植物吸收重金屬動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響，將植物吸收重金屬動(dòng)態(tài)過(guò)程的最優(yōu)調(diào)節(jié)問(wèn)題轉(zhuǎn)化成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問(wèn)題，設(shè)計(jì)智能優(yōu)化算法求解最優(yōu)控制器，從而得到一種最優(yōu)的調(diào)節(jié)機(jī)制使植物在生長(zhǎng)周期內(nèi)最有效地吸收底泥中的重金屬，為植物修復(fù)重金屬污染問(wèn)題的研究提供新方法。