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重金属作为土壤环境中重要的污染物,由于其难以去除并易通过食物链累积来危害人类及生态系统的健康,因此,重金属对陆生生物的生理毒性及其在污染土壤中的环境行为研究已成为环境科学领域的重要研究课题。而随着人类活动的不断加剧,气候变化导致的全球变暖问题亦越发突出。温度是决定植物能否正常生长发育的最重要自然因素之一,全球气候变暖势必将会对植物的生长发育产生巨大影响,从而影响着植物体对重金属胁迫的响应;同时,温度作为一个重要的环境因子,还可以通过影响土壤重金属固-液相表面反应、土壤理化性质和微生物过程等来改变土壤中重金属的形态与分布,影响重金属在土壤中的环境行为及其生物有效性。目前国内外有关这方面的研究还较少。
因此,本文通过研究温度变化对小麦在重金属胁迫下的生理毒性响应以及Cu污染土壤环境行为的影响,以期为研究全球变暖形势下,陆生植物对重金属胁迫的响应机制以及风险评价等提供一定的理论依据;同时揭示温度变化对污染土壤中重金属的存在形态及其生物有效性的影响机制与规律,阐明不同温度条件下土壤重金属的环境行为及其生态风险。主要研究结果如下:
(1)通过水培方法,以陆生植物小麦为实验材料,研究了不同温度处理下Cu/Cd复合胁迫对小麦幼苗生长以及重金属和矿质营养元素吸收及其亚细胞分布的影响。结果表明:温度处理和Cu/Cd复合胁迫对小麦幼苗生长均没有产生明显影响,但是温度变化明显改变了Cu/Cd复合胁迫下小麦幼苗对Cu和Cd的吸收及其在根部的亚细胞分布,表现为随温度的升高,小麦幼苗对Cu和Cd的吸收均显著增加,同时Cu和Cd在小麦根部细胞壁组分的分配比例降低,而在可溶性组分的分配比例明显增加。单一的温度处理和Cu/Cd复合胁迫均能明显影响小麦幼苗对矿质营养元素的吸收,二者对小麦幼苗矿质营养元素吸收存在交互作用;另一方面,Cu/Cd复合胁迫和温度变化能显著影响微量元素Fe、Mn和Zn在小麦根部亚细胞水平的分布,总体趋势是Cu/Cd复合胁迫下随着温度的升高,Fe、Mn和Zn在小麦根部细胞可溶性组分的分配比例增加,在细胞壁组分的分配比例则显著降低。说明温度作为一个重要的环境因子,能够明显影响陆生植物在重金属胁迫下的生理毒性效应。
(2)选用三种不同类型的Cu污染土壤:九华铜矿区污染土壤、日照果园土壤和贵溪冶炼厂周边污染土壤,通过室内培养实验研究不同温度处理下Cu污染土壤环境行为随时间的动态变化过程(培养周期为60天),得出如下结论:首先,温度处理能明显改变Cu污染土壤的基本理化性质,包括土壤有机质含量,土壤溶液pH、离子强度、DOC、总氮及主要阳离子的含量,同时影响了土壤微生物的代谢活性,造成土壤主要功能酶(蔗糖酶、脲酶及磷酸酶)活性的改变,总体趋势为随温度的升高三种酶的活性显著降低,微生物的代谢活性也相应降低。并且这些由温度不同而引起的变化,均因土壤种类和培养时间的不同而有所差异。
其次,由于温度变化而导致的污染土壤基本理化性质及微生物过程的改变,使得污染土壤中Cu的形态,包括土壤固相Cu的结合形态以及土壤溶液中Cu的形态与分布均产生显著变化。其中,贵溪土壤中Cu在土壤固相的结合形态变化受温度影响最为显著,其次为日照土壤,对九华土壤几乎没有影响。与高温35℃和25℃处理相比,低温(15℃)处理对污染土壤中固相Cu形态分布的影响较小且随培养时间的延长没有明显变化;同时,温度处理明显影响土壤溶液中总Cu和自由态Cu浓度随时间的动态变化,并且这种作用因土壤种类不同而存在很大差异。贵溪土壤溶液中总Cu和自由态Cu浓度均随培养时间的增加和温度的升高而明显降低,九华和日照土壤溶液中总Cu和自由态Cu含量随培养时间的变化规律比较复杂,但在整个培养过程中均是在高温(35℃)处理时总Cu浓度最高,在培养终点时,低温(15℃)处理的自由态Cu含量最高。
最后,用经过60天不同温度处理的三种Cu污染土壤进行了小麦的生长毒性试验,结果表明,经不同温度处理后的Cu污染土壤对小麦生长和Cu的吸收具有显著影响,其中贵溪土壤表现的最为明显,即随着培养温度的增加,小麦幼苗在贵溪土壤中的长势随之变好,同时小麦幼苗根部和叶片中Cu的浓度显著降低。说明温度处理能够明显影响Cu污染土壤中Cu的生物有效性及毒性,并且这种作用因土壤类型的不同而有所差异。