作物根系吸收PAHs过程中细胞内pH变化及其调控机制

【摘要】多环芳烃(PAHs)的强“三致”效应及抗降解性引起了人们的高度关注。研究植物根系吸收多环芳烃的特征及根系内部变化情况对于农产品安全的保障和PAHs污染土壤或水体植物修复效果的强化意义重大。为此,本文首先采用水培手段,研究了小麦根系吸收不同种类PAHs的动力学差异。然后以小麦、大豆、莴苣为研究对象,以菲(PHE)为多环芳烃的代表,测定了不同根系吸收多环芳烃过程中细胞内pH的变化情况,探讨了多环芳烃吸收对植物内部pH调控相关酶活的影响,并且分析了根系内部有机酸对细胞内pH值变化的贡献,为阐明植物根系吸收PAHs的生物学过程提供科学依据。论文主要结论如下：采用水培方法,研究了小麦根系对萘、菲、芘吸收的动力学机制。结果表明,小麦根系对水培环境中的萘、菲和芘均有明显的吸收和累积作用,且吸收量均随时间延长而增加,整个吸收过程可分为快速吸收和慢速吸收二个阶段。小麦根系对萘、菲和芘的吸收速率快慢表现为芘>菲>萘,且萘、菲、芘吸收的动力学曲线可用米氏方程表征,相应的Km值分别为759.3、12.89和3.59μmol·L-1,即小麦对萘、菲、芘的亲和力大小为芘>菲>萘,结果与其Kow值大小顺序一致。小麦根系吸收萘、菲、芘均会导致营养液pH值升高,吸收单个萘、菲、芘分子产生的pH升高幅度表现为芘>菲>萘。上述结果显示,萘、芘的根系吸收特征与菲相似。微电极法细胞pH测定试验表明,三种植物根系吸收PAHs过程中细胞质及液泡pH值均会有一定程度的降低现象,表明植物根系菲吸收是与H+共运进入根系细胞内部的。根系细胞质及液泡内pH在下降到一定程度后,逐渐出现回升,甚至超过其各自初始值后再恢复到初始值,表明植物根系细胞能对pH内环境进行调控,以保证植物维持正常生长。三种植物根系吸收菲时,细胞质及液泡pH的下降值及细胞质pH达到最低值的时间与处理液菲浓度均呈正相关。不同菲浓度下,小麦根系细胞质pH下降值均为最大,莴苣最小。低浓度下,小麦根系液泡pH下降值最大,大豆及莴苣相差不大；而中高浓度下,莴苣的液泡pH下降值均最大,大豆最小。三种植物根系吸收PAHs与根系细胞内H+消长相关酶活性关系的研究表明,根系吸收PAHs的过程对细胞内与H+消长相关的酶活性会产生一定影响。总体而言,三种植物根系NR、H+-ATPase、PPase活性受反应液中菲的诱导而活性增强,且菲浓度越大活性越高；而PEPase活性则随菲浓度增大而减小,这些酶活性随菲浓度而呈现出来的变化趋势均有助于维持细胞内部pH的稳态。植物根系吸收PAHs时细胞内有机酸的变化研究表明,小麦根系内部优势酸为柠檬酸和苹果酸,莴苣根内优势酸为柠檬酸、苹果酸和酒石酸,大豆则为柠檬酸、酒石酸及甲酸。吸收菲后,小麦、莴苣根内苹果酸、丙酮酸和草酸含量显著降低,而大豆根内酒石酸、琥珀酸和苹果酸含量则明显增加。因此,大豆是通过增加高pKa酸进而增强原生质缓冲能力,小麦和莴苣则通过低pKa酸的降低和羧基数目的减少来达到胞内pH调控的目的。综上所述,在多环芳烃——菲吸收过程中,作物根系细胞质pH存在酸化现象,而质膜和液泡膜上的质子泵和有机酸参与了酸化过程的调控。
【作者】易修；
【导师】占新华；
【作者基本信息】南京农业大学，环境工程，2013，硕士
【关键词】多环芳烃；作物根系；吸收动力学；胞内pH；酶活性；有机酸；

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