重金属对植物的毒害机理课件.ppt

重金属对植物的毒害机理第1页，此课件共36页哦目录1重金属的定义2重金属污染定义 2.1土壤重金属污染的评价标准及评价方法 2.2土壤重金属污染来源3重金属对植物的毒害机理 3.1植物对土壤中重金属富集的特点 3.2植物对重金属的吸收转移机理 3.3重金属在植物体内的运移 3.4重金属对植物细胞结构的影响 3.5重金属对木本植物的毒害效应4沼气肥对沙化区农作物种子萌发与生长的影响研究第2页，此课件共36页哦1重金属的定义重金属是对中国环境污染最严重的污染物之一，不仅对生态环境产生着严重的危害，还会通过食物链富集到人体，给人带来巨大的危害。密度在5以上的金属统称为重金属，如金、银、铜、铅、锌、镍、钴、镉、铬和汞等45种。从环境污染方面所说的重金属，实际上主要是指汞、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重金属，也指具有一定毒性的一般重金属如锌、铜、钴、镍、锡等。目前最引起人们注意的是汞、镉、铬等。重金属随废水排出时，即使浓度很小，也可能造成危害。第3页，此课件共36页哦重金属污染是指由于人类活动将重金属带入到土壤中，致使土壤中重金属含量明显高于背景含量，并可能造成现存的或潜在的土壤质量退化、生态与环境恶化的现象。重金属具有富集性，很难在环境中降解。分布：分布：土壤中的重金属污染物由于无机及有机胶体对阳离子的吸附、代换或络合、生物作用的结果,大部分被固定在耕作层中,一般很少迁移至46cm以下的土层,但砷在土壤中的动态行为与铜、铅、福等有所不同,在含有大量铁、铝组分的酸性(HPS.3一6.8)红壤中,砷酸根可与之生成难溶盐类而富集于30一40cm耕作层中2重金属污染定义第4页，此课件共36页哦2.1土壤重金属污染的评价标准及评价方法评价标准：评价标准：土壤环境质量标准（GB15618-1995）、食用农产品产地环境质量评价标准（HJ332-2006）和绿色食品产地环境技术条件（NY/T391-2000）以及土壤元素背景值。评价方法：评价方法：富集因子分析法、单因子污染指数法、内梅罗、综合污染指数法、地质积累指数法、潜在生态风险评价法等第5页，此课件共36页哦2.2土壤重金属污染来源a大气降尘b污水灌溉c工业固体废弃物的不当处置d矿业活动农药和化肥第6页，此课件共36页哦a大气降尘 主要的大气污染源有电厂、冶炼厂、建筑材料生产厂、石油开采和加工厂等，这些工厂排除的有毒废气，通过降尘或降雨进入土壤，造成污染。公路和铁路两侧的农田最易遭受重金属污染，其中以 Pb、Zn、Cd(镉)、Cr(铬)、Co、Cu 的污染为主，它们来自于含铅汽油的燃烧，汽车轮胎磨损产生的含 Zn 粉尘等，汽油中添加的抗暴剂烷基铅会随着汽车尾气污染公路两侧 100 m 范围内的土壤。第7页，此课件共36页哦b污水灌溉 污水灌溉是指用城市下水道污水、工业废水、排污河污水以及超标的地面水等进行灌溉。我国某些省市比较干旱，缺水严重，农业用水紧张，污灌在这些地方就比较普遍了。但是，长期使用未经处理的污水进行农田灌溉，污水中重金属元素在土壤中持续积累，可能导致土壤重金属污染。第8页，此课件共36页哦c采矿和冶炼工矿地区重金属污染主要是由采矿和冶炼中的大气沉降、废渣渗滤和污水灌溉所造成的。随着采矿业和冶金业的迅速发展，带来巨大经济效益的同时，造成的生态破坏和环境质量恶化也是不容忽视的。矿区及周边土壤重金属污染问题已成为环境科学研究的热点之一。第9页，此课件共36页哦d化肥和农药 肥料中的重金属问题越来越得到广泛关注。2011 年初，中国南方多个省市的大米检测出镉超标，无疑将重金属污染再一次推向舆论的风口浪尖。由于我国进口磷肥量较大，而像美国、加拿大和澳大利亚的磷肥和复合肥中镉含量较高，每年由于施用化肥带入农田的镉含量也是相当大的，镉进入土壤后不易迁移，进而被农作物吸收。肥料中的重金属问题越来越得到广泛关注。2011 年初，中国南方多个省市的大米检测出镉超标，无疑将重金属污染再一次推向舆论的风口浪尖。由于我国进口磷肥量较大，而像美国、加拿大和澳大利亚的磷肥和复合肥中镉含量较高，每年由于施用化肥带入农田的镉含量也是相当大的，镉进入土壤后不易迁移，进而被农作物吸收。第10页，此课件共36页哦中国大米污染不完全分布图第11页，此课件共36页哦吸收重金属的植物镉：蔬菜水果，尤其是蘑菇天门冬可清除重金属微粒；紫苑属、黄耆、含烟草和鸡冠花等一类植物,能吸引大量的铀等放射性元素；镉：蔬菜水果，尤其是蘑菇天门冬可清除重金属微粒；紫苑属、黄耆、含烟草和鸡冠花等一类植物,能吸引大量的铀等放射性元素；第12页，此课件共36页哦香烟有害健康2010年10月8日，第九届亚太烟草或健康会议在澳大利亚悉尼召开，会上发布的一项研究显示，中国产的13个品牌卷烟检测出含有重金属，烟草中含有的铅、砷和镉等重金属成分，其含量与加拿大产香烟相比，最高超出三倍以上 第13页，此课件共36页哦3重金属对植物的毒害机理重金属对植物的毒害作用是由一系列因素决定的，包括重金属的吸收位点、植物细胞中对重金属结合位点的竞争、重金属离子的特性、离子的有效性以及各种化学作用等。重金属在植物体内的积累超过一定阈值后，会严重干扰植物体内已存在的细胞及整株水平上的水分及离子稳态，造成植物细胞分子损伤，最终表现出生长量、产量及品质的下降。第14页，此课件共36页哦3.1植物对土壤中重金属富集的特点生长在被重金属污染的土壤中的植物,其体内必然会发生重金属累积。维诺格拉多夫指出,植物累积化学元素的情况至少可以分为两种类型:a由于某区环境中元素含量高,该区全部有机体中该化学元素的含量均高;b某种有机体(经常是某一个属)能特别聚集某种化学元素。同一种类的植物对不同的重金属元素的吸收富集能力不同,不同种类的植物对同一种重金属元素的吸收富集能力也不同。植物从土壤中吸收的这些元素,首先在根中积累,然后有一部分被运到植物体的其它部位。植物对金属元素的吸收积累,除与环境中金属元素的含量有关以外,还和这种元素对植物的有效性、土壤的pH值及光温等生态因素有关.第15页，此课件共36页哦3.2植物对重金属的吸收转移机理a重金属到达植物根或叶表面b重金属跨根细胞膜运输c不带电荷分子的跨膜扩散d带电离子的跨膜扩散第16页，此课件共36页哦重金属到达根表面,主要有两条途径:一条是质体流途径,即污染物随蒸腾拉力,在植物吸收水分时与水一起到达植物根部;另一条途径是扩散途径,即通过扩散而到达根表面。在土壤中,重金属的扩散一般遵循Fikc的第二法则,它的平均扩散距离为式中,d是平均扩散距离,cm:D是扩散系数,cmZ/s;T是时间,s。a重金属到达植物根或叶表面第17页，此课件共36页哦b重金属跨根细胞膜运输植物吸收环境中的重金属有两种方式:一种是细胞壁等质外空间的吸收;一种是重金属透过细胞质膜进入细胞的生物过程。重金属透过细胞膜的过程,可以用物理化学的原理进行解释。第18页，此课件共36页哦c不带电荷分子的跨膜扩散假设分子从膜一侧通过膜进入另一侧的速度为V:V=PA(c1一c2)P为膜的扩散系数;A为脂质区域的面积;c1、c2分别为膜外侧与膜内侧的溶质浓度。另有研究表明,溶质分子在有机相的溶解度与膜对溶质分子的透性有关;溶质分子的大小也是一个非常重要的因素,它能影响溶质的扩散系数D,D=D0M-1.22D0为单位分子质量的溶质扩散系数;M为相对分子质量。溶质分子进入细胞的速度受水,生物膜之间的分配系数和相对分子质量制约,具有相同分配系数而又有较小相对分子质量的溶质则通透性较快。第19页，此课件共36页哦d带电离子的跨膜扩散金属离子(或水合离子)从膜的外侧进入膜时,要从介电常数较高的水溶液中进入介电常数较低的类脂双层膜,这要克服很高的位垒。根据两相(水相和脂质相)中吉布斯(Gibbs)自由能的变化,可得到金属离子在水溶液中和磷脂双分子层间的分配系数:式中,cmax、cwat为膜相、水相中重金属离子浓度;0(w)为水溶液中标准化学势:0(m)为磷脂膜表面的标准化学势;R为气体常数;T为绝对温度。离子的电荷与半径是决定分配系数的重要因素。仅仅靠扩散,金属离子是很难进入和通过扩散膜的。一般说来,金属离子的跨膜运输是需要能量的。跨膜运输有两种方式:其一是顺电化学梯度的被动运输,能量主要来源于产生并保持膜两侧的电化学梯度;其二是逆电化学梯度的主动运输。促进离子运输的驱动力是化学势、电位差及具有电特性的力如摩擦力等。第20页，此课件共36页哦重金属一旦进入根系,可贮存在根部或运输到地上部。从根表面吸收的重金属能横穿根的中柱,被送入导管,进入导管后随蒸馏拉力向地上部移动。一般认为穿过根表面的金属离子到达内皮层可能有两种通路;第一条第一条为非共质体(质外体)通道,即金属离子和水在根内横向迁移,到达内皮层是通过细胞壁和细胞间隙等质外空间;第二条第二条是共质体通道,即通过细胞内原生质流动和通过细胞之间相连接的细胞质通道。由于内皮层上有凯氏带,金属离子不能通过,只有转入共质体后,才能进入木质部导管,因此重金属在内皮层的共质体内运输是其转运到地上部的限制性步骤。重金属进入根细胞质后,可以游离金属离子形态存在。但细胞质中游离金属离子过多,对细胞产生毒害作用,干扰细胞的正常代谢,因而细胞质中金属可能与细胞质中的有机酸、氨基酸、多肽和无机物等结合,通过液泡膜上的运输体或通道蛋白转入液泡中。但对于超积累植物,金属阻隔在液泡中对其转运到地上部分是不利的,因而在超积累植物的液泡膜上可能存在一些特殊的运输体,能把暂时贮存在液泡中的金属装载到木质部导管。3.3重金属在植物体内的运移重金属在根共质体内运输第21页，此课件共36页哦3.3重金属在植物体内的运移重金属在木质部运输 金属离子从根系转移到地上部分主要受两个过程的控制:从木质部薄壁细胞转载到导管和载导管中运输,后者主要受根压和蒸腾流的影响。总之,植物从根际吸收重金属,并将其积累到地上部,这过程包括许多环节和调控位点:a 跨根细胞质膜运输;b根皮层细胞中横向运输;c从根系的中柱薄壁细胞装载到木质部导管;d木质部中长途运输;e从木质部卸载到叶细胞跨叶细胞膜运输;f跨叶细胞的液泡膜运输。第22页，此课件共36页哦重金属对植物的毒害效应并不是仅仅破坏某一个单一的器官，而是对植物细胞的膜结构和非膜结构、生化反应和生理活动的整体伤害，只是由于植物细胞内的各细胞器对重金属的耐受程度存在差异，各细胞器所表现出来的症状才有些差别。第23页，此课件共36页哦A A对细胞内部结构的影响对细胞内部结构的影响重金属对线粒体的结构与功能的影响:线粒体结构的损伤，会导致其内部的电子传递体系和氧化磷酸化循环受阻，从而导致细胞呼吸作用减弱，有氧糖代谢受阻，最终影响植物的呼吸作用。重金属对液泡的结构与功能的影响:液泡是来源于内质网或高尔基体的由单位膜包裹而成的囊泡，它的内部是一个水溶体系，含有大量的离子和代谢物质，是植物细胞的一个自我调解体系和内部环境.液泡是植物细胞代谢副产品及废物囤积场所，其内部含有的多种有机酸、有机碱、蛋白质等物质都能与重金属结合而使重金属离子在细胞内被区隔化，将重金属分隔在特定区域，可以减少其对细胞的破坏作用。由此可以看出液泡对植物细胞防止重金属对自身的毒害起着重要的保护作用。3.4重金属对植物细胞结构的影响第24页，此课件共36页哦B对植物细胞超微结构的影响对植物细胞超微结构的影响重金属对细胞核结构和功能的影响:重金属对细胞核超微结构的损害主要表现为：双层核膜结构分离、结构受损，染色质凝集，核仁解体，出现微核。重金属对质膜的结构与功能的影响:当植物受到重金属伤害时，质膜是率先受到影响的细胞结构重金属胁迫导致细胞膜的改变无疑会使膜的透性增加，一些研究也给予了充分的证实。重金属对叶绿体的结构与功能的影响:叶绿体是植物细胞所特有的能量转换器，其超微结构与光合功能密切相关。叶绿体超微结构对重金属比较敏感，它的损害通常是引起植物死亡的原因之一。叶绿体膜系统受损，可以使分解叶绿素的酶活性增强，从而导致叶绿素的降解。类囊体的破坏还会使合成叶绿素的酶因失去骨架而不能发挥正常的功能，使得叶绿素的含量下降。叶绿素含量的下降会直接导致植物光合作用的效率降低，从而对植物的生理生化代谢产生巨大的毒害作用当植物受到高温等其他胁迫时叶绿体同样出现基质类囊体空泡化，叶绿体光合作用的功能逐步丧失的现象。第25页，此课件共36页哦举例：硼对植物的毒害症状硼（X）是植物必需的一种营养元素，如果土壤中数量不足将会导致植物营养缺乏，但是如果过量存在将可能对植物产生毒害。硼在植物体内运输主要受蒸腾作用蒸腾作用调控，因而硼中毒现象常发生在叶片上,不同植物在高硼介质中所表现的叶片中毒症状亦不同：一、毒害症状首先出现在顶端叶片，随暴露时间延长，毒害最严重部位转变为基部叶片，如栒子属，栀子属，木犀属植物葡萄；二、毒害症状首先出现在基部叶片，逐渐波及到上部叶片，随处理时间延长毒害最严重部位仍为基部叶片，如绿豆，大麦，豌豆，苜蓿；三、毒害症状首先出现在顶端叶片，随处理时间延长毒害最严重部位为中部叶片，如上海青，小白菜。第26页，此课件共36页哦举例：木本植物对重金属的毒害响应木本植物以其特有的生物学特性,对土壤重金属具有一定的吸收蓄积能力,如刺槐、毛白杨、垂柳、接骨木、臭椿、油松、马尾松、木麻黄、小叶榕等对重金属均有较强的抗性或吸收能力。纸皮桦能富集10gg-1WD(干重)的Hg而不中毒。速生树种杨柳类植物内积累的镉与汞的质量分数分别达34.93 mgkg-1WD和47.19 mgkg-1WD,超过对照植株10倍以上,生长未见异常。第27页，此课件共36页哦刺槐毛白杨接骨木接骨木 木麻黄木麻黄小叶榕第28页，此课件共36页哦3.5重金属对木本植物的毒害效应 3.51对木本植物生长的影响 3.52对矿质营养的影响 3.53对酶活性的影响 3.54对光合作用的影响 3.55对木本植物的遗传损伤与影响海棠槟榔杨桃番石榴第29页，此课件共36页哦重金属污染对木本植物最直观的影响表现于生长迟缓，植株矮小、褪绿,生长量下降等。他可结合在细胞壁上,导致中胶层中果胶的交联,这种交联可能是细胞伸长生长受抑的原因,使植株生长受到抑制。陈志澄等将Al加入到无土栽培营养液中,对龙眼、荔枝、黄皮3种果树幼苗进行培植,结果表明,随着栽培液中Al浓度升高,龙眼、荔枝、黄皮果树的生长均受到影响,果树的根长、须根量均减少,高Al时根尖黑褐,叶片失水或枯萎。3.51对木本植物生长的影响第30页，此课件共36页哦 重金属进入土壤后除本身有可能产生毒性外,还可通过拮抗或协同作用,造成木本植物营养失调。陈志澄等研究发现,随Al浓度升高,龙眼和荔枝对营养物质N、K、Ca的吸收下降,尤以龙眼对K、Ca的吸收影响较大,但对于黄皮,低量Al能增加其对K、Ca的吸收,高Al仍使其对营养物质吸收下降。3.52对矿质营养的影响板栗第31页，此课件共36页哦3.53对酶活性的影响 重金属通过酶促作用而对光合、呼吸、代谢等产生不良影响。酶属于蛋白质范畴,重金属胁迫可导致酶活性的失活、变性,甚至酶的破坏。枳属木本植物：鸡爪梨第32页，此课件共36页哦3.54对光合作用的影响叶绿体是植物进行光合作用的场所,叶绿素含量的多少直接影响光合能力的强弱。许多研究表明,重金属胁迫抑制植物的光合作用,且抑制的程度与胁迫的程度呈正相关,另外,光合降低也与植物种类和发育时期以及重金属的种类有关。铝胁迫可影响龙眼幼苗光合作用,导致光合效率降低,叶绿素、类胡萝卜素含量,叶绿素a与叶绿素b的比值、净光合速率、CO2饱和点均下降。过量铜可极显著地降低苹果(Malus pumilaMill)叶片叶绿素含量。覆盆子红梅系列第33页，此课件共36页哦3.55对木本植物的遗传损伤与影响受重金属污染的植物,体内细胞核、核仁严重遭到破坏,染色体发生不同程度的畸变,直接或间接地影响了细胞中DNA和染色体的合成和复制,核酸代谢失调。重金属可以影响DNA和RNA的含量,而DNA和RNA通过转录和翻译与蛋白质合成有关,因此,还可以利用重金属抑制DNA和RNA的合成去解释重金属抑制蛋白质的合成。另一方面,也可通过蛋白质表达的差异来推测基因序列的差异。植物在短期污染下其遗传多样性水平降低,遗传毒害效应明显,但随时间推移以及人工选择作用的加强,核酸代谢活性变化趋向于正常值,遗传多样性有所回升和提高。第34页，此课件共36页哦4 4沼气肥对沙化区农作物种子萌发与生长的影响研究沼气肥对沙化区农作物种子萌发与生长的影响研究1 1材料与方法材料与方法2 2试验目的试验目的 3 3试验设计试验设计 4 4结果分析结果分析 第35页，此课件共36页哦实验目的在沙土环境中，由于缺乏肥力，植物种子很难萌发和生长，通过施用沼渣沼液，改变沙土的理化性质，提高土壤肥力，使土壤达到植物种子萌发和生长所需的条件。本研究采用室内实验，分析土壤肥力条件变化与农作物种子萌发和生长之间的相互关系。阐明沼渣沼液对改良沙土土壤理化性质的影响和对沙土环境下农作物种子萌发和植株生长过程的影响，为研究施用沼渣沼液条件下沙化区生态系统农作物生长提供案例和理论依据。第36页，此课件共36页哦