多环芳烃在作物体内的积累及其生物质炭的阻控研究

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多环芳烃(PAHs)是一种具有强烈“三致”作用的持久性有机污染物,广泛分布于水体、土壤等环境中,可通过土壤-植物系统污染食物链,危害人体健康,因此PAHs对食物链的污染及其阻控受到了人们的高度重视。然而,PAHs在不同生育期作物各器官的分布规律及阻控作用对作物不同生育期的影响目前尚未明晰。本文通过PAHs暴露实验,研究了不同生育期小麦各部位对萘、菲、芘的累积情况,探讨了根向茎、叶、籽粒的迁移以及叶片向籽粒的迁移,分析鉴定了菲处理蓖麻伤流液中蛋白质的变化,并在施用生物质炭的基础上测定了小麦各部位萘、菲、芘的含量,同时探究了生物炭对小麦吸收迁移PAHs的影响。本研究旨在揭示作物不同生育期体内PAHs的积累规律及其生物质炭的阻控效果,为农产品生产安全的保障提供科学依据与技术策略。论文主要结果如下:(1)小麦根系吸收PAHs的能力随着植株生长有显著下降趋势,茎、叶在前期下降趋势也较为显著;灌浆期后由于小麦生命活动开始较为缓慢,茎叶累积PAHs的差异逐渐减小。苗期和分蘖期时,小麦各部位积累PAHs的情况为根>茎>叶。拔节期开始,地下部PAHs含量仍显著大于地上部,但地上部差异逐渐减小,甚至出现叶>茎的情况,这与各部位的脂质含量变化有关。小麦根系中3种PAHs积累表现为菲>萘>芘,且菲的积累显著大于萘和芘,3种PAHs在茎中的积累情况为萘>菲>芘,在叶片中累积的萘和菲差异较小且均大于芘。根-茎的迁移系数在前期显著大于根-叶,后期PAHs在茎部的积累变小,根系吸收的PAHs更多的迁移到叶片中,因此两种迁移系数的差异变小。小麦根系迁移到籽粒的PAHs含量大于叶片向籽粒的迁移量,籽粒中3种PAHs的含量大小为萘>菲>芘。(2)通过构建2-DE图谱和MALDI-TOF/TOFMS分析发现,菲胁迫蓖麻伤流液中蛋白质会有明显减少的趋势。用PDQuest进行匹配分析,通过三组图谱比较发现,4 h组中的差异蛋白有点20个,24 h组中的差异的蛋白点有37个。MALDI-TOF/TOF MS分析显示,菲处理24 h后受到抑制的蛋白有26种,包括核糖体蛋白和天冬氨酸蛋白酶猪笼草素等;菲处理蓖麻4 h及24 h后均受到抑制的蛋白有34种,分别有蔗糖合成酶和甘油酸-3-磷酸脱氢酶等。这可能是因为菲被蓖麻根系吸收以后会随着木质部导管向上运输,其毒害作用抑制了伤流液中多种蛋白的表达。这些蛋白在植物生长发育、抗逆反应、基因表达调控等生理过程中均发挥着重要作用,因此菲胁迫可能会影响植物生长发育,引起植株发育异常。在众多蛋白受到抑制的同时,蓖麻伤流液中检测到了 6种新增蛋白质来应对菲的胁迫。(3)小麦各部位积累的PAHs均随着玉米生物质炭处理浓度增加而减小。玉米生物质炭对萘、菲、芘积累抑制的最适投加量分别为20 mg/L、40 mg/L和40 mg/L。在整个生育期中玉米生物质炭处理对小麦根系吸收PAHs的抑制效果为萘>菲>芘;随着小麦植株逐渐生长,地上部分萘积累的抑制效果逐渐减小,而对菲和芘的抑制率相对稳定。施用玉米生物质炭对小麦籽粒PAHs积累也有明显的抑制效果,灌浆期的籽粒积累的萘、菲、芘分别减小了29.93%、28.41%和23.76%,成熟期籽粒分别减小了28.94%、18.11%和37.64%。综上所述,小麦不同部位对3种PAHs均有不同程度的积累,地下部的积累量显著高于地上部,苗期积累量最高,随着植株逐渐生长,各部位积累量逐渐降低。施用生物质炭能有效抑制这种积累情况,苗期时阻控效果最好。根系吸收的菲通过木质部向上运输的时候能显著抑制伤流液中蛋白的表达。同时也有数种新增蛋白来应对PAHs的胁迫。
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