稀土元素在小麦中的分异特征及其微观机制
文献类型：学位论文
| 作者 | 丁士明 |
| 答辩日期 | 2005-08-30 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 章申 ; 梁涛 |
| 关键词 | 稀土元素 小麦 分异 四重效应 吸收 配体 形态 重金属 生物有效性 X射线吸收光谱 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 随着稀土在农业、工业及现代生物医学上的广泛应用，稀土元素(Rare Earth Elements，REEs)将不可避免的大量进入环境，进而对生态及人体健康造成直接或潜在的影响。了解稀土元素进入地表后的环境生物地球化学过程是保证稀土应用安全性的必要环节。目前，相关研究主要集中于稀土元素在地表环境中的背景含量、形态有效性、迁移转化、残留和累积等诸多方面，而涉及稀土元素分异，尤其是在植物中分异的研究尚不多。 重金属的生物有效性及其机理研究一直是环境地球化学和环境毒理学的热点和难点。与单个重金属不同的是，稀土元素是一组化学性质相似的元素组成。不同稀土元素的化学性质存在微小而系统的差异，导致在一些地球化学过程中相互之间会产生有规律的分异。这种单个重金属不具备的分异特性，可以用于“示踪”稀土和重金属元素在土壤（溶液）－植物系统中的迁移（路径和机理），查明控制稀土和重金属元素迁移和积累的体外和体内敏感因素，为稀土和重金属的生物有效性研究开辟新的思路。 自然状况下研究稀土元素在植物中的分异存在很多不足。鉴于此，本研究在观察田间试验现象的基础上，以小麦为植物材料，通过营养液培养及添加外源稀土等人工控制手段开展室内模拟实验, 运用ICP-MS测定技术、形态提取技术、水质模型计算技术、X射线吸收光谱(XAS)分析等手段，研究混合稀土元素在小麦中的迁移、积累和相互之间的分异特征，查明植物中主控稀土元素迁移、积累和分异的化学和生物学机制。研究成果不仅有助于进一步了解稀土元素生物地球化学过程，对揭示稀土及重金属元素的生物有效性机理也具有重要的意义。 通过田间试验，观察到稀土元素在土壤－小麦体系中的分异特征。小麦地上部出现Eu正异常,成熟期籽粒有富集重稀土的特征。初步确定稀土元素Eu在向地上部迁移过程中发生分异强弱的顺序为：茎≥籽粒＞叶。对其它植物的分析表明，植物对稀土元素的分异模式因种类和生境的差异可能有很大不同。 通过水培实验，观察到稀土元素在小麦不同器官中的积累和分异特征。经过混合稀土短期培养后，稀土的分布呈向上递减的趋势，且绝大部分集中在小麦根部。稀土元素在小麦体内发生了显著的分异，不同的器官具有不同的分异模式：根中出现中稀土(MREE)富集和“M-型”四重效应，地上部分出现“W-型”四重效应；小麦茎中出现轻稀土(LREE)富集，叶中出现重稀土(HREE)富集。稀土元素在小麦根和叶中的分异程度随混合稀土剂量的升高和培养时间的延长而加剧。木质部伤流液中稀土元素的分异与叶中类似，呈HREE富集模式。初步分析细胞壁吸附、磷沉淀及根际配体络合作用是造成以上分异的主要原因。 根系溶液中有机组分对稀土元素在小麦器官中的积累和分异有显著的影响。根系溶液中添加有机配体DTPA、EDTA、柠檬酸及土壤腐殖酸和富里酸对稀土在小麦植株中的积累均以降低作用为主，同时根中MREE富集、叶中HREE富集特征减弱。以上现象说明小麦地上部轻、重稀土分异不是由外源有机配体的络合作用造成。不同稀土元素与配体络合能力的差异是有机配体影响稀土元素在小麦器官中分异的根本原因。 根系溶液中无机组分对稀土元素在小麦器官中的积累和分异有显著的影响。Ca2+与SO42-对稀土积累的影响以降低作用为主，同时叶中HREE富集程度降低。Pi降低叶中稀土的积累，但根和叶中稀土元素的分异特征没有显著的变化。以上现象说明小麦地上部轻、重稀土分异不是由无机离子的竞争（阳离子）和络合（阴离子）作用造成。不同pH条件下稀土元素的积累和分异模式出现较大波动，说明稀土元素在小麦根中的分异不仅仅由磷沉淀反应控制。 稀土元素在小麦根中的分异由细胞壁吸附和磷沉淀的固定作用造成。X射线吸收光谱（XAS）分析表明，在强酸性条件下（pH=3）小麦根中的La(Ⅲ)主要与细胞壁结合；随pH值的升高，La(Ⅲ)结合态逐渐向磷沉淀形态转变。不同pH条件下小麦样品对稀土元素的吸附及不同解吸剂对其解吸模式差异较大，但离体根和细胞壁两者表现出的特征类似。在pH 5条件下，进入根系的稀土离子有一半以上结合在细胞壁上，而作为细胞壁重要成份之一的果胶其羧基基团是其结合的主要位点，细胞壁及细胞壁成份中的稀土元素仅观察到MREE富集特征。以上结果说明，稀土元素在小麦根中的分异由细胞壁吸附及磷沉淀主导的固定机制造成；前者在酸性较强时（pH=4左右）表现显著，随pH值的升高作用减弱，此后磷沉淀的作用加强。 木质部导管中内源有机配体的络合作用对稀土元素在小麦地上部的分异发挥关键作用。利用纳米Ti02的吸附特性，对小麦木质部伤流液中的稀土元素进行形态提取和分析。木质部伤流液中稀土元素绝大部分以有机络合态的形式存在，且具有显著的HREE富集分异特征。结合前面的研究，说明小麦地上部轻、重稀土的分异是由木质部导管中内源有机配体的络合作用（转移机制）与细胞壁吸附及磷沉淀（固定机制）共同造成。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2010-12-16 |
| 页码 | 165 |
| 源URL | [http://192.168.22.105/handle/311030/68]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 丁士明. 稀土元素在小麦中的分异特征及其微观机制[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院研究生院. 2005. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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