植物磷转运蛋白基因及其表达调控的研究进展

土壤有效磷的缺乏是限制植物生长发育的主要因素之一,植物对于磷素营养的吸收及转运主要是通过不同家族的磷转运蛋白来进行的。在外部介质严重缺磷的环境中,植物体自身会通过诱导或增强磷素转运蛋白基因的表达量提高其对根际和共生菌根菌丝磷素的吸收和利用,同时外界环境中的其他一些因素也会影响磷转运蛋白基因的表达调控。近年来,随着分子生物学技术和植物基因组学的快速发展,国内外有关磷素转运蛋白的分子研究也在不断深入,并取得了一系列令人振奋的成果。本文简述了近年来高等植物磷素转运蛋白基因的克隆、表达、调控及其可能存在的相互作用,并对进一步的研究作了展望。     

植物对锌吸收运输及积累的生理与分子机制

锌是植物必需的营养元素,也是重金属污染元素之一。现代分子生物学的发展,极大地推动了植物体内与锌吸收运输有关转运蛋白的研究。目前发现,锌铁控制运转相关蛋白(ZIP)、自然抵抗相关巨噬细胞蛋白NRAMP、重金属ATPase酶、阳离子扩散协助蛋白CDF、Mg2+/H+的反向交换转运蛋白MHX等运输蛋白参与细胞内Zn2+离子的跨膜运输,调节植物细胞内Zn2+平衡与分配。利用数量遗传学手段在在水稻上已找到与缺锌植株死亡率和叶片青铜病发生率有关QTL位点。而在Thlaspi caerulescens 和Arabidopsis halleri植物上鉴定出控制锌含量的QTLs,为寻找控制植物高效积累Zn的遗传基础规律打下了基础。     

转基因植物修复重金属污染土壤研究进展

通过基因工程技术提高植物对金属的耐性,增加金属在植物体内的累积被认为是进行污染土壤生态恢复以及减少食物链金属污染的一条切实可行的有效途径。随着细胞和分子水平上对金属在植物体内的新陈代谢机理的认识及相关基因的不断鉴定,应用转基因技术提高植物对重金属的耐性和积累量的研究已取得了一些进展。本文就近年来分子水平上植物体内金属新陈代谢机理及基因技术在植物修复重金属污染方面的研究进展进行综述。     

植物吸收铵态氮的分子生物学基础

植物对铵离子的吸收和铵离子在细胞间的转运是铵转运蛋白介导的需能主动运输过程。植物铵转运蛋白位于细胞膜上,含有101～1个跨膜域,分子量约为48.kD。研究表明,植物体内的铵转运蛋白由小基因家族成员编码,在表达特性上不同成员具有时空特异性。植物体内铵转运蛋白在功能、生化特性和转录调节水平上存在差异。在不同氮素水平下,铵转运蛋白基因通过转录和翻译调控,对于保持植株的适宜氮素供应以及氮胁迫条件下维持植物细胞中氮素的内稳态具有重要作用。     

根际促生菌及其在污染土壤植物修复中的应用

植物对重金属吸收、转运和积累以及植物生物学特征使其成为修复重金属污染土壤的重要手段之一。然而,由于植物对重金属的耐受性有限而限制其广泛实际应用,因而探讨植物修复技术强化措施就显得尤为重要。随着自然资源的开发和技术的发展,微生物调控使植物修复技术变得更为可行和更有价值。回顾近年来新兴的微生物调控技术,植物根际促生菌资源因其对环境无污染,可利用自身的抗性系统减缓重金属对植物的毒性,促进植物的生长和影响重金属的迁移等优势,在修复过程中发挥着重要作用。目前,国内外就植物根际促生菌的筛选、鉴定和应用价值等方面已经做了大量的相关研究。本文综述了根际促生菌-植物相互作用的机制及其促进植物修复重金属污染土壤的作用原理。     

丛枝菌根真菌在植物修复重金属污染土壤中的作用

菌根是真菌与植物根系所建立的互惠共生体,其中以丛枝菌根(AM)真菌在自然界中分布最广。在重金属污染条件下,AM真菌可以减轻重金属对植物的毒害,影响植物对重金属的吸收和转运,在重金属污染土壤的植物修复中显示出极大的应用潜力。文章通过讨论菌根植物对重金属修复的作用机制,提出菌根技术在重金属植物修复中应在通过广泛调查、筛选超积累植物的基础上,不断探索植物-菌根体系修复问题,以促进重金属污染土壤的生物修复。     

印度芥菜(Brassica juncea L.)重金属耐性机理研究进展

印度芥菜可富集/忍耐Cd、Zn 等多种重金属, 是研究植物修复技术的一种模式植物。高浓度的重金属离子会改变植物的基因表达、细胞形态、细胞结构, 最终使植物生长受抑, 甚至死亡。印度芥菜高效的抗氧化系统、损伤修复系统以及对重金属的螯合、区域化可部分解除重金属的毒性, 缓解重金属离子的毒害作用。利用基因工程技术在印度芥菜中导入重金属耐性及运输相关基因可大幅度提高其重金属富集能力, 在重金属污染修复方面具有广阔的应用前景。     

ABC转运蛋白结构特点及在植物和真菌重金属耐性中的作用与机制

ATP结合盒(ATP-binding cassette,ABC)转运蛋白是一类普遍存在于真核和原核生物细胞中的超家族转运蛋白,在生理活动中发挥着重要作用.本文较为详细地介绍了其结构特点,并按保守区进化关系进行了分类,分成A～H 8个亚族;归纳了近年来有关ABC转运蛋白在提高植物和真菌重金属耐性作用的研究报道,并从液泡区隔作用、直接外排作用和线粒体ABC转运蛋白重金属转运作用3个方面对其提高宿主重金属耐性作用机制进行了总结和分析,提出了ABC转运蛋白转运金属离子选择偏好性的观点,同时对ABC转运蛋白进一步的研究和潜在的应用提出了展望.     

植物中铵转运蛋白的研究进展

铵转运蛋白在众多生物中被克隆与鉴定，它是一种广泛存在于微生物、植物细胞及动物的细胞膜上主动转运铵离子的载体，分子量约为48kD，含有10-11个跨膜域。本文阐述了植物铵转运蛋白分离鉴定的过程，对于铵转运蛋白的结构、功能、基因表达调控等方面作了较详细叙述。不同氮素条件下，铵转运蛋白基因通过转录调控表现了对铵离子吸收转运的不同特点，使植物根系在较宽的浓度范围中吸收铵离子，为细胞内铵离子库的内稳态提供了理论依据。铵转运蛋白有助于作物更有效的吸收氮素，为农业生产粮食增收提供了有利保障。     

内生细菌强化重金属污染土壤植物修复研究进展

近年来,植物修复因其独特的优势备受推崇,尤其是当前植物内生细菌的应用为植物修复重金属污染土壤提供了有效的新方案.在植物修复过程中,耐重金属的内生细菌利用与植物的共生互惠关系,通过自身的抗性系统缓解重金属的毒性,促进植物对其迁移,并通过溶磷、固氮等途径改善植物营养以及分泌植物激素、铁载体、特异性酶、抗生素等作用,促进植物在逆境条件下的生长和对重金属的富集.本文综述了近年来国内外关于重金属抗性植物内生细菌促进植物生长、增强植物对重金属的抗性以及影响重金属在植物体内吸收、转运和积累的作用机制,系统分析了内生细菌促进植物修复重金属污染土壤的机理,并进一步讨论了植物内生细菌在重金属污染土壤植物修复工程中的应用前景与研究方向.     

低分子量有机酸对土壤有效磷及重金属释放影响的研究进展

农药化肥的过量施用、重金属矿产开发冶炼、污水灌溉等导致土壤磷素养分降低和重金属污染,对生态环境、粮食安全和人类健康带来一定的风险隐患。土壤低分子量有机酸是一类重要的土壤有机活性物质,在土壤质地、养分循环和重金属毒害等方面起重要作用,但低分子量有机酸对土壤磷素和重金属释放影响的研究尚没有系统归纳。本文结合国内外研究进展,综述了土壤低分子量有机酸的来源、浓度、功能及其影响因素,举例说明了低分子量有机酸种类、浓度等对土壤磷及重金属释放的影响。系统总结了低分子量有机酸对土壤磷活化及重金属释放的机制。低分子量有机酸与其他物质协同提升土壤磷素有效性和降低重金属污染,这些结果为土壤磷素有效性的提升和重金属污染土壤修复提供科学依据和技术支撑。     

重金属污染对水稻土微生物及酶活性影响研究进展

水稻土受到重金属污染不仅影响水稻的产量品质，而且对水稻土微生物及酶活性的影响不容忽视。本文系统综述了水稻土重金属污染的来源，重金属污染对水稻土微生物生物量、种群数量、群落结构以及土壤酶活性的影响，并针对重金属污染对水稻土微生态效应研究的不足提出了未来应该研究的重点和方向，指出：①加强水稻-重金属-微生物三者相互作用、相互影响方面的研究；②在研究重金属污染与水稻土土壤微生物生态特征的关系的基础上，加强对重金属、土壤理化性状和水稻等因素进行综合并定量化分析，将是明确重金属对土壤微生物生态特性的影响及相关机理的关键；③应用分子生物学方法以及系统生物学方法，促进重金属污染胁迫下水稻土微生物活性及功能的演变规律及响应适应过程；④加强基于长期定位实验的研究，在较长的时间尺度和较大的空间尺度上认识水稻土生态系统在重金属胁迫下的演变规律和机制；⑤重金属污染对水稻土酶活性的研究应重点从机理方面入手，注重结合土壤酶的动力学参数和热力学参数，深化土壤酶与复合污染的作用机理，进一步揭示复合污染致毒途径及其机理，同时借助分子手段，探索重金属污染水稻土中更多未发现的酶的特性，寻找更加敏感、更能普遍推广的重金属污染土壤的综合性指标，以期为重金属污染水稻土的风险评价和生物修复提供科学依据。     

微生物分子生态学方法预警农田重金属污染的研究进展

农田土壤重金属污染是威胁到食品安全和人体健康的重大问题,对其进行早期预警具有重要意义。本文对我国农田的重金属污染情况、化学方法预警重金属污染的优点与不足、微生物指标预警重金属的优越性、以及采用微生物分子生态学方法预警农田重金属污染的可行性进行了讨论。     

重金属污染土壤间作修复的研究进展

种植单一的超富集植物修复重金属污染土壤,不但中断农业生产导致经济收益降低,而且因生物量较低、修复周期长等诸多弊端导致修复效果不甚理想。间作作为一种传统的农艺管理方式,利用生态位和生物多样性原理等能提高农作物对资源的有效利用,对共植的农作物种类增量提质。在中、轻度污染土壤修复中利用间作体系,通过调控超富集植物与农作物的生长发育,促进超富集植物根系低分子量有机酸(LMWOAs)的分泌,降低其根际土壤p H,增加重金属活性,从而增加超富集植物对重金属的吸收,同时抑制农作物根系LMWOAs的分泌,以减少农作物对重金属的吸收,提高其产量和品质,实现"边生产边修复",提高土地利用率,并增加经济效益。本文根据近几年来国内外相关文献,综述了间作条件下超富集植物和农作物生物量、生理生化响应、重金属吸收、转运、富集等方面的变化,以及间作对土壤环境质量的影响,并对间作修复重金属污染土壤领域的发展趋势,如超富集植物和农作物间作的信号转导和分子生物学机制、间作体系下两类植物根际微生物类群的差异及其功能机制,以及构建高效间作体系提高重金属污染土壤的修复效率等方面进行了展望。     

Molecular Monitoring of SRB Community Structure and Dynamics in Batch Experiments to Examine the Applicability of in situ Precipitation of Heavy Metals for Groundwater Remediation (15 pp)

Background, Aims and Scope   Sulfate-reducing bacteria (SRB) are known for their capacity to reduce and precipitate heavy metals (HM) as metal sulfides, offering the opportunity to create an in situ reactive zone for the treatment of heavy metal-contaminated groundwater, a process called in situ metal precipitation (ISMP). The applicability of the ISMP technology first has to be investigated at a laboratory scale before going into an on site application. The evaluation and optimization of the ISMP process is facilitated when physical/chemical analysis techniques are combined with molecular tools that specifically monitor the abundance, diversity and dynamics of the indigenous sulfate reducing microbial community. In this study, batch experiments were conducted in order to investigate the feasibility of ISMP as a groundwater remediation strategy for an industrial site contaminated with elevated levels of Zn, Cd, Co and Ni. Methods   The potential of different types of carbon source/ electron donor (lactate, acetate, methanol, ethanol, Hydrogen Release Compound?, molasses) to stimulate the sulfate reduction and metal precipitation activity of the naturally present (or indigenous) SRB community was explored. In addition, the effect of amending vitamin B12 and yeast extract was evaluated. The ISMP process was monitored by combining analytical analyzes of process parameters (SO42-concentration, heavy metal concentrations, pH, Eh) with molecular tools such as SRB subgroup and genus specific PCR, denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE), and phylogenetic analysis of clone sequences, based on either the 16S rRNA or the dsr (dissimilatory sulfite reductase) gene. Results and Discussion   The efficiency of different carbon-sources to stimulate the ISMP process followed the order HRC 〉 molasses 〉 methanol 〉 lactate 〉 ethanol 〉 acetate. Within 10 weeks, the highest sulfate and metal removal efficiencies ranged from 85% to 99%. Addition of yeast extract boosted the ISMP process, whereas vitamin B12 negligibly affected SRB activity. Analysis of the sulfate reducing population by SRB subgroup and genus specific PCR demonstrated that members of the genus Desulfosporosinus dominated in all batch tests, while 16S rDNA DGGE profiles additionally revealed the presence in the microbial communities of non-sulfate reducing bacteria within the family Clostridium and the -proteobacteria. The dsrB-based DGGE profiles allowed us to assess the diversity and dynamics of the sulfate reducing community and added to a better understanding of the effects of different batch conditions on the ISMP process. Remarkably, all dsrB sequences affiliated with the dsrB gene sequence cluster found in Desulfotomaculum, which received their xenologous dsrB gene from the -proteobacteria. Conclusions   The batch experiments, which aimed at stimulating the activities of the indigenous SRB communities, demonstrated that these communities were present and that their activities could be used to obtain efficient in situ precipitation of the contaminating heavy metals. This opens the possibility to test this concept in the future as an on site demonstration as part of the groundwater strategy for the heavy metal contaminated site. Although batch setups are suitable for preliminary feasibility studies for ISMP, they do not reflect the in situ situation where sulfate and heavy metal and metalloid polluted groundwater are supplied continuously. A sulfate reducing strain JG32A was isolated from whose 16S rRNA gene affiliated with the genus Desulfosporosinus, while its dsrB gene sequence clustered with Desulfotomaculum dsrB gene sequences, which received their xenologous dsr genes from -proteobacteria. Therefore we hypothesize that the batch experiments enrich members of the Desulfosporosinus genus that possess a non-orthologous dsrB gene. Recommendation and Perspective   The next step towards an on site pilot test for ISMP will be the setup of a series of column experiments, with process conditions that are selected based on the above mentioned results. This will allow to define optimal ISMP process conditions and to test its long-term efficacy and sustainability before going into an on site bioremediation application. By applying the described molecular tools together with physical-chemical analyzes, it can be investigated whether the same SRB community is enriched and which type of C-source is most effective in promoting and sustaining its growth and sulfate-reduction activity.     

土壤重金属污染的植物修复与金属超富集植物及其遗传工程研究

本文综述了土壤重金属污染的植物修复、金属超富集植物及其遗传工程的最新研究进展及存在问题,并提出加紧筛选和发现野生高生物量的金属超富集植物,在现有高生物量作物种质资源中筛选金属超富集作物,应用遗传工程技术把野生植物的超富集基因转移到现有高生物量植物(作物)中,寻找综合、可持续的植物修复手段等对策。     

利用拉曼光谱-树脂吸附技术检测香根草根部重金属铜含量

植物体内重金属能与树脂内功能基团发生络合作用,所形成的络合物具有拉曼光谱信息,因此可借助该类有机分子基团对植物体内重金属含量作间接检测分析。提出了一种应用拉曼光谱技术快速检测香根草根内重金属铜含量的方法,采用不同光谱预处理方法,结合偏最小二乘法建立了最优香根草根内重金属铜含量定量分析模型。试验结果为,经过一阶微分处理的光谱建模效果较理想,其建立的预测相关系数为0.78,预测均方根误差为23.46%。研究结果表明,基于拉曼光谱技术,并结合D113树脂吸附技术应用于快速定量检测香根草根内重金属铜含量的具有可行性。     

The influence of process parameters on the removal of heavy metals in activated sludge

The behavior of six heavy metals in an activated sludge pilot plant under conditions of normal and elevated influent metal concentrations has been studied. Percentage heavy metal removals at sludge ages of 4, 9, and 12 d were more consistent when metals were added to the system, possibly as a result of lesser variations in heavy metal speciation in the settled sewage, and the greatest degree of accumulation of heavy metals by the biomass occurred at the 12 d sludge age. When shock loads of heavy metals were introduced into the system, their concentrations in the effluent did not immediately rise in proportion; however, heavy metal removal efficiencies were similar under steady state conditions of normal and elevated influent metal concentrations. Cadmium, Cu, and Ni were largely soluble in the effluent samples, but Cr, Pb, and Zn were predominantly insoluble, indicating that particulate forms of these metals may escape removal in secondary sedimentation. The high degree of Ni solubility in the settled sewage and final effluent reflected its consistently poor removal in the process. The two most soluble metals, Cu and Ni, appeared to be associated to a large degree with high molecular weight substances in the settled sewage and final effluent, possibly influencing their availability for uptake by the biomass.     

超积累植物吸收重金属的生理及分子机制

超积累植物从根际吸收重金属 ,并将其转移和积累到地上部 ,这一过程包括跨根细胞质膜运输、从根表皮细胞向中柱的横向运输、从根系的中柱薄壁细胞装载到木质部导管、木质部长途运输、从木质部卸载到叶细胞 (跨叶细胞膜运输 )、跨叶细胞的液泡膜运输等主要环节和调控位点。本文就近十年来这方面的研究进展作一综述