随着人类社会工业化和城镇化进程的广泛而深刻推进,物质文明达到空前繁荣,实现了当代人前所未有的便利和富足；同时也给生态环境造成了沉重负担,如重金属、永久性有机物污染和石漠化、荒漠化等。因为具有隐蔽性强、半衰期长、毒性大、难清除和易生物放大进入食物链危害人类健康等特点,重金属污染成为全球生态环境最大的威胁之一。重金属污染环境的修复方法很多,主要有物理修复、化学修复和生物修复,其中生物修复中的植物修复因具有成本低、环境友好、修复过程持久,尤其是能与当前重金属污染面J广一的特点相适合而被认为是最有发展前途的方法。植物修复的核心是超富集植物。本文以三叶鬼针草(B. pilosa L.)为研究对象,综合考察其在Cd、Pb胁迫下的光合生理、质膜氧化、有机酸及重金属形态、渗透调节物质、抗氧化酶、根际有机酸和营养素等响应,评估其对Cd、Pb污染土壤的修复潜能.最后以三叶鬼针草叶片诱导出毛状根,初步探索了其对Cd、Pb污染水体的修复潜能。通过实验本文主要得出如下结论：1.光合生理对Cd、Pb (?)协迫的响应。单一胁迫时,叶绿素含量、净光合率、气孔导度和蒸腾速率随单一Cd、Pb胁迫浓度增加先升后降,胞间CO2浓度微弱增加。Cd-Pb复合胁迫,表现出浓度加和效应,低浓度复合胁迫促进光合作用,高浓度复合胁迫抑制光合作用。Cd、Pb胁迫通过对光抑制(Fv/Fm)、非辐射能量、光合电子传递效率和PS Ⅱ开放等的抑制或促进,使光合机构完整性与运作状况受损害的同时也激活了光合机构的自我修复。Cd、Pb胁迫促进或抑制光合作用的主要原因是促进或抑制叶绿素合成。2.质膜氧化对Cd、Pb胁迫的响应。Cd、Pb胁迫导致三叶鬼针草植株内超氧阴离子的积累。随单—Cd、Pb胁迫浓度增加,体内超氧阴离子先增后减。低、中浓度Pb促进Cd-Pb复合胁迫植株超氧阴离子的积累,高浓度Pb抑制积累。Cd对Cd-Pb复合胁迫植株超氧阴离子积累无影响。植株体内丙二醛含量变化与超氧阴离子变化基本一致；脂氧合酶活性随重金属胁迫增加而增加,有组织器官差异。随Cd、Pb胁迫浓度增加,三叶鬼针草不饱和脂肪酸和长链饱和脂肪酸含量增加,并在高胁迫浓度维持高含量水平。同时构成膜脂肪酸不饱和系数(DBI)和不饱和脂肪酸含量(UFA%)在高胁迫浓度下均维持高水平。上述结果表明,在Cd、Pb胁迫下三叶鬼针草可以通过提高膜脂肪酸不饱和程度提高质膜的流动性,通过增加长链饱和脂肪酸来维持细胞膜结构的稳定性,从而提高对重金属胁迫导致氧伤害的忍耐能力。3.渗透调节物质与抗氧化酶对Cd、Pb胁迫的响应。Cd、Pb(?)办迫均能导致三叶鬼针草叶片中可溶性糖和脯氨酸积累。积累程度与金属种类和胁迫浓度有关。随Cd胁迫浓度增加,叶片中可溶糖先增后减；随Pb肋迫浓度增加,则叶片中可溶糖持续增加。可溶性蛋白含量随Cd、Pb单一胁迫浓度增加而先增后降；相对于单一Cd胁迫,Cd-Pb复合胁迫能使可溶性蛋白和可溶性糖含量降低积累。随Cd、Pb及Cd-Pb胁迫浓度增加,叶片内SOD、CAT和POD变化没有一致性。随Cd、Pb胁迫浓度增加,SOD活性逐渐增大；Cd-Pb复合胁迫协同促进SOD活性提高。CAT活性随单一Cd胁迫浓度增加先升后降；随Pb胁迫浓度增加,CAT活性持续增加;高浓度Cd与Pb复合胁迫促进CAT活性提高。POD活性随单一Cd胁迫浓度增加先升后降,随单一Pb胁迫浓度增加持续缓慢升高。Cd-Pb复合胁迫在一定程度上提高了POD活性且与Pb浓度有关。Cd、Pb胁迫下,三叶鬼针草主要通过调节植物叶片脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量维持Cd、Pb胁迫下的体内渗透平衡,调节抗氧化酶SOD、CAT和POD活性,提高对重金属诱导的氧伤害忍耐能力,从而提高对Cd、Pb胁迫的忍耐能力。4.体内有机酸、重金属形态及分布对Cd、Pb胁迫的响应。Cd、Pb胁迫促进草酸在体内累积。同时还能调节植株根系和叶片中苹果酸、柠檬酸、醋酸和琥珀酸合成使进入植株体内重金属被螯合而毒性降低。三叶鬼针草体内Cd主要以与蛋白质和果胶结合形态(Fr3)存在,低肋迫浓度有利于Cd从根系向上转运,高浓度抑制Cd向叶片转运；Pb主要以草酸盐形态(Fr5)存在,高肋迫浓度下有利于Pb在叶片的积累。复合胁迫下Pb促进Cd的Fr3形态向Fr4和Fr5转变,把活性较高的形态向相对活性较低形态转变,表现的效应是缓解Cd毒害的效应：而Cd促进活性较低的Fr5的Pb向相对活性较高Fr3、Fr4、Fr2和Frl等形态转变,表现的效应是协同加和毒性效应。Cd、Pb在亚细胞分布以细胞壁(F1)与可溶部分(F4)为主,叶绿体或质体(F2)和其他细胞器(F3)含量很低。Cd-Pb复合肋迫,Pb能促进低浓度Cd肋迫植株的细胞壁和可溶部分含量与百分比的增加：Cd能促进叶绿体或质体内Pb的百分比和含量增加而细胞壁和可溶部分的Pb减小。表明,三叶鬼针草通过增加体内草酸、苹果酸和柠檬酸的含量提高对重金属的螯合能力、以活性较低的果胶和蛋白质结合态与草酸盐形态存贮和亚细胞分布等策略降低进入植物体内Cd、Pb毒性而提高植物对重金属忍耐能力。5.根际土壤对Cd、Pb肋迫的响应。Cd、Pb胁迫下,根际均能积累大量草酸。随Cd胁迫浓度增加,草酸的含量先增后降,随Pb胁迫浓度增加持续升高。在低浓度Cd与Pb复合胁迫时,根际草酸含量随Pb浓度增加而上升；在高浓度Cd与Pb复合胁迫时,随Pb浓度增加先降后升。根际Cd以残渣态为主,并随Cd胁迫浓度增加而增加；Pb主要是以碳酸盐结合态,其次是Fe-Mn氧化结合态存在。Cd-Pb复合胁迫时Pb促进可交换态和碳酸盐结合态Cd的比例增加,且浓度为1000mg/kg时,促进效应最明显；Cd促进残渣态Pb增加而使碳酸盐结合态Pb减少。Pb是促进Cd从活性较低形态(残渣态)向活性较高形态(可交换态和碳酸盐结合态)转换；Cd则是促进Pb从活性较高形态(碳酸盐结合态)向较低形态(残渣态)转换。Cd、Pb肋迫对三叶鬼针草根际营养元素影响不明显,仅对K影响和Cd-Pb复合肋迫N、P、K的含量降低。三叶鬼针草可以通过分泌提高根际草酸含量与重金属结合形成不利于迁徙的草酸盐形态影响重金属根际生物活性,从而调节重金属活性系数与移动系数,控制重金属进入植物体的量与时间,提高植物对重金属的忍耐能力。6.植株对Cd、Pb污染土壤的修复潜能。在一个生命周期内,植物地上部和根系重金属含量随生命进程的发展逐渐增加,这与生物量积累一致。在胁迫90d,植物处于旺盛生长时期,植物体内重金属含量和生物量达到最大,随着生命周期从营养生长向生殖生长发展,植物体内重金属含量维持较高水平并略下降。在单一胁迫时,植株体内重金属含量随浓度增加而增加。Cd-Pb复合胁迫,一般低、中浓度Pb有促进植物对低Cd吸收与转运,而高浓度Pb则严重抑制植株对Cd的吸收；高浓度Pb与高浓度Cd复合胁迫,Pb是抑制Cd向地上部转运。Cd对于植物吸收和转运Pb的效应影响不显著,当植株体内Cd含量高的实验组Pb含量相对比较低；Cd含量较低的组,Pb含量相对较高,基本维持重金属总量保持不变。在整个生命周期内,三叶鬼针草对Cd、Pb的富集能力与转运能力基本是随生命进程的发展呈现先升后降趋势。三叶鬼针草生命周期一般为180d,利用三叶鬼针草修复重金属污染土壤,最佳采收时期应在植物从营养生长向生殖生长过渡时期,即90-120d内。7.三叶鬼针草毛状根对Cd、Pb污染水体的修复。低浓度Cd、Pb促进毛状根生物量积累,高浓度则抑制积累。Cd-Pb复合胁迫,低、中浓度Pb促进三叶鬼针草毛状根生物量积累；高浓度Pb与低浓度Cd、低中高浓度Pb与高浓度Cd复合胁迫均抑制生物量积累。胁迫浓度与胁迫时间协同作用促进毛状根对Cd、Pb的生物富集。毛状根在不同的胁迫浓度下均有不同的最大吸收范围。短期胁迫,高胁迫浓度有利于毛状根对重金属的富集,当达到最大吸收值后,随胁迫时间延长,富集能力逐渐减弱；低、中胁迫浓度下,随胁迫时间延长,逐渐达到吸收最大范围并维持到胁迫期末。Cd-Pb复合胁迫,低、中Pb促进毛状根对Cd富集,高浓度Pb则抑制Cd的富集;低浓度Cd仅对低浓度Pb有微弱促进积累效应,其余均抑制Pb富集。单一Cd、Pb胁迫,三叶鬼针草毛状根体内最大Cd含量2532mg/kg,最大Pb含量2011mg/kg; Cd-Pb复合胁迫,Cd的最大含量为2223mg/kg, Pb最大含量为1960mg/kg。Cd-Pb复合,Pb对Cd有促进效应,Cd对Pb为抑制效应。细胞壁固定作用和液泡区室化是三叶鬼针草毛状根忍耐重金属Cd、Pb胁迫的机制之一。