镧和酸雨对大豆苗根须生长及氮素营养复合影响概述.doc

镧和酸雨对大豆苗根须生长及氮素营养复合影响概述.doc 镧和酸雨对大豆苗根须生长及氮素营养复合影响概述 第一章 绪论 1.1稀土元素及其研究背景 稀土元素(Rare earth elements，REEs)是元素周期中原子序数从 57 至 71 的镧系元素(Ln)，以及与镧系元素性质非常相似的 IIIB 族元素钪(Sc)和钇(Y)共 17 种元素的总称[1]。因为分布在 6s、5d 和 4f 外层电子轨道上的三个价电子极易失去，稀土元素的价态一般是+3 价，特殊的如铈(Ce)具有稳定的+4 价，镨(Pr)和铽(Tb)亦有高的价态。由于稀土元素具有相同的外层电子，它们的物理、化学性质非常接近，使得它们总是伴生在同一矿中[2]。正是如此，在 18 世纪末时，提取和分离稀土难度很大，提取时既需要大量化学试剂又需要大量水，产生大量含化学药剂的废水;同时提取出的稀土氧化物其外观跟“土壤”酷似，难以熔化，且难溶于水，因而得名“稀土”。然而，数据表明，稀土并不稀少，地球上到处都有稀土元素，是地壳中丰富的元素，占地壳总重量的万分之一点五，其在地壳中含量高于 Cu、Pb、Zn 和 Ag 等常见金属元素[2-4]。根据 Y 和 Ln 的物理、化学性质和地球化学性质的相似性和差异性，同时为满足分离、提取稀土元素的需要，常把稀土元素分为轻稀土元素和重稀土元素两组，镧(La)到铕(Eu)为轻稀土元素(也称铈组)，钆(Gd)以后为重稀土元素(也称钇组)[2]。稀土元素是典型的金属元素，其金属活泼性仅次于碱金属和碱土金属[5]。电子层结构和核结构决定了稀土元素及其化合物特殊的催化、光学和磁学性质，5d 轨道的空缺使其具有催化作用，4f 电子的状态及自旋排列使其具有光学性质和磁学性质[6]。这些独特性质决定了稀土元素广泛的应用。稀土元素被广泛应用于钢铁、玻璃、陶瓷、电子、石油等传统工业中，素有“工业维生素”和“工业味精”之称[7, 8]。现在，稀土元素在信息、生物、新、新能源、空间和海洋等“六大新科技行业”中也大放异彩[5, 9]。另外，稀土元素也可用于血小板功能障碍鉴定、神经阻塞的追踪、癌症等的治疗;以及促进作物增产，增强作物抗逆性等[10, 11]。随着功能的不断开发，稀土元素需求量和开采量呈逐年上升趋势，稀土元素的全球开采量也从1995 年 7 万吨到 2010 年 13 万吨，并仍逐年上升[12]。预计 2014 年，全球稀土元素需求量可能会超过 20 万吨[13]。. 1.2酸雨污染及其研究背景 酸雨(Acid rain)是指 pH 值小于 5.6 的降水，是由于自然活动和人类活动排放的大量含硫化合物和含氮化合物等酸性物质，在大气中经一系列反应而被氧化为硫酸、硝酸和亚硝酸，溶于水降落到地面所形成[146]。酸雨是通俗的叫法，科学上称作“酸沉降(Aciddeposition)”，分为干沉降和湿沉降[147]。干沉降，如各种酸性气体、酸性气溶胶、酸性颗粒物等，主要成分:SO2，NO2，SO42 ，HF，HCl，HCOOH，CH3COOH，NO3 ，Cl 及 F 等。湿沉降，即通常所说的酸雨，包括:酸性雨，酸性雾，酸性露，酸性雪和酸性霜等。主要成分中阳离子包括:H+，Ca2+，NH4+，Na+，K+和 Mg2+;阴离子包括:SO42 ，NO3 ，Cl 和 HCO3 等[147]。我国酸沉降面积达国土面积的 40%以上，已成为继欧洲和北美之后的世界第三大酸雨区[148]，年平均 pH 小于 5.6 的降水由上世纪 80 年代初的西南、华南及东南沿海地区发展到现今西南、华南、华东、华中与华北等地区，且呈逐年加重和蔓延趋势[149]。对中国 329 个地级城市雨水质量监测表明酸雨主要分布在长江以南、青藏高原以东地区，主要包括江苏、浙江、福建、江西、湖南、贵州、重庆的大部分地区，以及长三角、珠三角、广西北部、四川东南部、湖北西部的少数地区[150]。 第二章 镧和酸雨对大豆幼苗根系形态与生长的复合影响 2.1 引言 稀土元素积累和酸雨污染在许多地区同时发生，使土壤成为两者在相同时空下的污染库[304]，导致植物根系成为稀土元素和酸雨复合作用下的靶器官。根系是植物长期适应陆地条件而形成的重要器官[123]，其形态与生长受基因控制，但很大程度上受环境因素的影响[306]，是植物响应环境变化的重要观测目标之一。植物根形态构型不仅决定了植物锚定植株能力的大小，也影响植物吸收利用养分的能力[124]。植物生长过程中需要各种矿质元素(K、Ca、Mg、Cu、Mn、Zn、Mo 和 Fe 等)以维持正常的生理活动，有的作为植物体组成成分，有的调节植物生理功能，也有兼备这两种功能的[207]。因此，矿质元素对植物非常重要，对根系的生长亦是如此。 已有众多研究表明，单一稀土或酸雨能影响植物根系的生长，也从不同角度阐述了其可能的影响机理[312]。本课组在研究镧和酸雨对大豆幼苗生长的复合影响过程中发现，镧和酸雨对根系干重和主根长存在明显的复合效应[55]，但镧和酸雨复合对根系形态和生长的复合作用仍不清楚。因此，本章仍依镧为稀土元素代表，采用应用 WinRHIZO根系图像分析系统结合生理生化方法，研究镧和酸雨对大豆幼苗根系形态和生长的复合影响，以认识稀土元素和酸雨对植物根系的复合作用。 2.2 材料与方法 根据中国土壤中稀土元素的平均含量及大部分地区酸雨pH值，选取3个镧浓度(0.08mmol L-1，0.40 mmol L-1和1.20 mmol L-1)及2个酸雨pH (pH 4.5;pH 3.0)[154, 313]。按照前人方法配制各溶液[55]。(1) 镧溶液配制:用无磷Hongland营养液溶解适宜质量的六水合氯化镧(LaCl3•6H2O，Sigma，美国);(2) 酸雨溶液:按SO42 和NO3 体积比为3:1[314]配制pH 1.0的酸液母液，后用去离子水稀释至pH 4.5和pH 3.0，作为喷施的酸雨溶液;同时，用酸雨母液调节无磷Hongland营养液至pH 4.5和pH 3.0，作为根施的酸雨溶液;(3) 镧和酸雨复合溶液:用酸雨母液调节上述镧溶液至pH 4.5和pH 3.0，作为根施的复合溶液。 第三章 镧和酸雨对大豆幼苗根系氮素营养......33 3.1 引言...... 33 3.2 材料与方法.... 33 3.3 结果和讨论.... 35 3.4 本章小结........ 46 第四章 镧和酸雨对硝酸还原酶基因转录的复合影响......47 4.1 引言...... 47 4.2 材料与方法.... 47 4.3 结果和讨论.... 52 4.4 本章小结........ 63 第五章 镧和酸雨直接作用硝酸还原酶机制探讨....65 5.1 引言...... 65 5.2 材料与方法.... 65 5.3 结果与讨论.... 66 5.4 本章小结........ 73 第五章 镧和酸雨直接作用硝酸还原酶机制探讨 5.1 引言 植物 NR 定位于细胞质中[270]，而镧能进入植物细胞内部。本课题组前期体内研究发现，镧进入辣根细胞内部与辣根过氧化物酶(HRP)作用，从而使 HRP 的电化学和催化活性被抑制[39, 140, 141]。因此推断，存在镧与 NR 直接相互作用的可能性，但是否存在这种可能性目前仍不清楚，同时也包括不同胞内 pH 条件下镧与 NR 的相互作用仍不清楚。La 与 NR 直接作用可能会引发一系列复杂生化过程的变化，单纯的实验手段很难满足这一研究，而分子模拟计算技术为此提供了可能。分子模拟计算技术是现代化学、生物学与生物化学领域研究的有力工具，可以提供现实实验上无法获得或很难获得的重要信息[412]。我们课题组将其应用与稀土元素与蛋白质的相互作用，取得了较好的成果[40, 131,140, 141]。因此，本章以分子动力学模拟和多种光谱技术相结合为手段，将计算和实验相结合，探讨不同 pH 条件下，NR 蛋白分子表面电荷分布和镧对 NR 蛋白分子构象的影响，用以揭示镧直接作用于 NR 的位点，揭示镧和酸雨影响 NR 活性的另一原因，并为深入研究稀土和酸雨作用于植物氮代谢的机理提供借鉴。 . 结论 (1) 镧和酸雨对大豆幼苗根系形态建成和生长存在明显复合效应。低浓度镧(0.08mmol L-1)处理对大豆幼苗根系形态建成和生长影响不明显，高浓度镧(0.40 mmol L-1和1.20 mmol L-1)处理明显抑制根系形态建成和生长。低强度酸雨(pH 4.5)对大豆幼苗根系形态建成和生长影响不明显;酸雨强度(pH 3.0)增加时，大豆幼苗根系形态建成和生长受到明显抑制。复合处理时，低浓度镧(0.08 mmol L-1)和酸雨(尤其是 pH 3.0)复合处理抑制根系形态建成和生长，表明低浓度镧对大豆幼苗根系形态建成和生长存在潜在危害。高浓度镧与酸 雨复合处理明显抑制大豆幼苗根系形态建成和生长，并比相应单一处理抑制效应明显。 (2) 镧和酸雨复合影响大豆幼苗根系形态建成和生长的原因之一:矿素营养紊乱。低浓度镧(0.08 mmol L-1)和酸雨复合处理促进大豆幼苗根系对 La 和矿质元素的吸收和利用。高浓度镧(0.40 mmol L-1和 1.20 mmol L-1)和酸雨复合处理时，大豆幼苗根系中 La、K、Mg 含量降低，Ca 和微量元素含量增加。可见，镧和酸雨复合处理影响大豆幼苗根系中营养元素吸收和利用，导致大豆根系某些矿质元素缺乏，而某些矿质元素过量，影响根系的多种生理过程;并且过量吸收过程消耗了大量物质和能量，影响根系的形态建成和生长。 ..........