污染胁迫对生物生理生态学影响

华侨大学化工学院课程论文 污染胁迫对生物生理生态学影响课 程 名 称 环境生物学 姓 名 学 号 1026421049 专 业 环境科学 成 绩 指 导 教 师 华侨大学化工学院印制 2012 年 12 月 16 日精品文档交流污染胁迫对生物生理生态学影响(华侨大学 化工学院 环境科学与工程系 环境科学1班，中国 福建 厦门 361021)摘 要：水污染日益严峻，并对人类的健康构成严重危害。这其中，以重金属污染为内容的研究已得到人们越来越多的关注，而Cu、 Cr是水环境中毒性较强的几种重金属污染物，常以单一或复合污染形式存在于水体中，其治理难度较大。本文以绿豆芽为材料，通过水培方法，研究了绿豆芽在Cu、 Cr单一污染胁迫下生长状况、发芽率，株高，根长，侧根数，叶片中叶绿素a、b含量的差异，其主要结果如下:1.铜、铬重金属离子对豆芽的生长发育、叶绿素含量存在明显的抑制作用，且在（0.00 mg/L-6.00 mg/L）和（12.0 mg/L-100.0 mg/L）两区间范围内存在明显的负相关，即区间内，随着重金属离子浓度的升高豆芽的株高、根长等生理参数明显降低。2.由重金属离子浓度相关绿豆芽生长参数图标可知：相同的浓度条件下，铜离子水培绿豆芽株高、侧根数等生长指标略好于铬离子水培绿豆芽，即铬离子对绿豆芽生长发育的影响率大于铜离子。3.较低浓度的重金属离子，浓度在（6.00 mg/L-12.00 mg/L）范围区间内，铜离子对成熟绿豆芽叶片内叶绿素a、b含量、根长、株高成促进趋势；铬离子对成熟绿豆芽叶片内叶绿素b含量、根长、株高成促进趋势。关键词：铜；铬；单一污染；绿豆芽；叶绿素a、bPollution stress on biological physiological ecology influence(HUAQIAO UNIVERSITYCollege of Chemical，Xiamen Fujian， P. R. China， 361021) Abstract：Water pollution is more and more serious, and to the human a serious health hazard. This among them, with heavy metal pollution for the contents of the research has been more and more peoples attention, and Cu, Cr is water environment toxic strong several kinds of heavy metal pollutants, often as a single or compound pollution forms in water, the management difficult. This paper with mungbean sprout as material, through the aquiculture method was used to study the mungbean sprout in Cu, Cr single pollution stress growth condition, germination rate, plant height, root length, lateral root number, leaf in chlorophyll a and b content difference, the main results are as follows:1. Copper and cadmium heavy metal ion to the bean sprout growth, chlorophyll content obvious inhibition, and in (0.00 mg/L - 6.00 mg/L) and (12.0 mg/L - 100.0 mg/L) two interval range obvious negative correlation, namely interval, with heavy metal ion concentration increases the bean plant height, root length and physiological parameters decreased obviously.2. By heavy metal ion concentration related mungbean sprout growth parameters icon shows that the same concentration condition, copper ion aquiculture mungbean sprout plant height, the number of lateral root growth index is slightly better than cadmium ion aquiculture mungbean sprout, namely cadmium ion of mungbean sprout growth rate is greater than the influence of copper ion.3. A low concentration of heavy metal ions, concentration in (6.00 mg/L - 12.00 mg/L) range interval, copper ion to mature mungbean sprout in leaves chlorophyll a and b content, root length, and promote plant top trend; Cadmium ion to mature mungbean sprout leaf chlorophyll b in content, root length, plant top promote trend.Key words: Copper; Cadmium; A single pollution; Mungbean sprout; Chlorophyll a and b.1 引言重金属是指密度大于5g/cm 的金属，自然界中90种天然存在的元素中有53种是重金属，主要包括锌、铅、铜、铁、锰、镉、镍、钴、汞、钨、钼、金、银等，从毒性角度一般把砷、硒、铝等也包括在内。环境中所涉及的重金属，主要是指汞、镉、铬、铅、砷等生理毒害作用显著的重金属。近年来，随着经济的飞速发展，环境中三废的排放、污水灌溉、矿场的开发与利用、农药、除草剂和化肥的使用等，对水质、大气与土壤造成不可逆转的污染，致使环境中铜、镉、汞、铅等有毒重金属在环境中迅速、过量地积累沉淀，并参与水体-土壤-生物系统的循环，通过植物的吸收，大量重金属储存在植株的根、茎、叶中，对植物产生抑制和毒害，并通过生态食物链间接危害到人类和动物的健康1-3。水体重金属污染俨然已成为一个全球性的问题。1.1 水体重金属污染源（1）工业来源环境中的重金属污染重要来源于工业污染，其次是交通污染和生活垃圾污染。污染物大多经过废水、废弃、废渣排入环境，并通过食物链在人和动物、植物中富集。近年来，随着工业快速发展，重金属对环境的污染日益加剧。Hg的排放量约为1.6万吨、Pb的排放量也超过了 510万吨、总Mn的约有1500万吨4。常见的重金属废水包括电镀、制革工业和冶金废水。由于重金属废水对环境具有持久危害性，因此必须采取有效措施进行治理或控制，重金属废水的污染控制及迁移转化累积机理等已经成为当前研究热点。（2）农用引起的水体重金属污染农药、化肥和杀虫剂的使用对农业生产的发展起着至关重要的作用，但长期过量的使用会导致水体中重金属浓度的不断加大，进而引起水体的重金属污染。憐矿粉中含有氟，磷肥中也含有一定量的锡，Cr、 As在肥料中的含量相对较高。个别农药在化学组成中含有Cu、 Zn、 Hg、 As等多种重金属元素，农药大量使用会造成残毒污染，同时也带来了重金属污染5。我国自20世纪70年代以来在水体重金属污染方面开展了大量的相关工作，使我国重金属的污染排放在一定程度上得到了基本的控制。由于重金属元素的生态效应和化学行为在自然水体中表现极其复杂，且环境背景值不高，使得水体对重金属污染极其敏感。因此，如何有效地治理重金属污染成为当前治理水污染任务中的一个重点6。1.2 水体重金属污染的迁移与转化 中国有着几千年利用生活污水灌溉农田、菜地的传统。有关数据显示，上世纪70年代以来，随着农业科技技术的发展，越来越多的地区采用了污水灌溉技术用以应对水资源短缺的难题，特别是我国西北干旱地区，其农业污灌占总灌溉面积的80% 以上7。重金属污染物进入水环境中，大部分离子被悬浮物吸附后从水相迁移至悬浮物表面上，悬浮物随着吸附量的增加逐步沉积在水体沉积物中。当水环境理化性质发生变化时，重金属离子有可能脱离沉积物再次释放，重新进入水环境中，造成水体的二次污染。综上所述，水环境中的重金属离子的迁移转化是一个极其复杂的过程，包括水体的各种物理、化学及生物反应，并且大部分过程是可逆进行的，因此研究水环境中重金属离子的迁移转化规律，应从多方面着手，综合考虑迁移与转化过程中的主要影响因素4。1.3 Cu、Cr对植物光合作用的影响光合作用是生物体将光能转化为化学能的过程反应，是生物界最基本的物质代谢和能量代谢8。而叶绿素是光合作用的基础物质，其含量高低直接影响光合作用的强弱及物质的合成速率。过量的Cu、 Cd、 Pb进入植物体内，破坏生物膜的选择透过性，导致叶绿体、线粒体及液泡等细胞器严重受损，影响植物的光合作用速率，且抑制效应与胁迫浓度和处理时间呈正相关性。研究表明，叶绿素酸酯和氨基-r-酮戊酸是植物叶绿素合成必需的两种物质，Pb2+进入能破坏氨基-r-酮戊酸的合成，破坏叶绿体的结构，降低叶绿素酸酯还原酶的活性，结果导致植物的叶绿素含量减少，而且Pb2+能替代植株体内Mg2+，从而使叶绿素含量进一步下降，植物生理功能受到较大抑制，无法进行正常的光合作用9-10。2 Cu、 Cr单一污染对绿豆发芽及生长状况的影晌2.1 实验器材本实验选取健康，色泽鲜艳，颗粒饱满，大小相似的同种绿豆共计330粒，先用自来水冲洗，后用自来水浸泡10min左右。2.2 试验方法2.2.1 污染胁迫浓度设计表2-1 Cu、Cr培养液浓度设计Table 2-1 Cu， Cr inoculum concentration design培养皿编号Cu mg/L培养皿编号Cr mg/L16.0066.00212.00712.00324.00824.00450.00950.005100.0010100.00另设0号培养皿为空白皿，不加入重金属离子2.2.2 实验设计实验进行2种重金属Cu、 Cr不同浓度梯度的处理。实验用水组成为营养液和Cu、 Cr污染物的溶液，污染物以CuSO4 、CrCl3 形态添加，实验共设计0-11个处理（见表2-1）。每只培养皿加入选取好的30粒绿豆前，需以双层纱布铺垫。2.3 指标的测定方法及数据处理2.3.1 根长、株高、侧根数的测定持续培养一周后，从每个培养皿中的30颗绿豆芽中选取最健壮，最具代表性的10颗，使用直尺直接测定其根长、株高，并计数其侧根数。分别在染毒后的第三天和第七天，记录两次发芽率。2.3.2 数据处理数据处理采用Office Excel和Origin 8软件处理。2.4 结果与分析2.4.1 Cu、Cr单一污染对绿豆芽的生长状况的影响（1）不同浓度Cu、 Cr污染对绿豆芽平均株高的影响结果见图2-2图2-2 不同浓度Cu、Cr对绿豆芽株高影响 上图显示，重金属离子浓度对绿豆芽株高抑制强度成较明显的正相关，且相同浓度Cr对豆芽株高的抑制强于Cu。随着重金属离子浓度的升高（0.0 mg/L-100.0 mg/L）株高显著被抑制生长，叶片萎蔫、退绿，表明其叶绿素含量下降，光合作用能力降低。外源性Cu离子浓度在（6.0 mg/L-24.0 mg/L）时，对豆芽株高抑制不显著，存在一定促进作用。 （2）不同浓度Cu、Cr污染对绿豆芽平均根长的影响见图2-3图2-3 不同浓度Cu、Cr对绿豆芽根长影响外源性重金属离子对绿豆芽根的生长有较显著抑制作用，且Cr离子的抑制强于Cu离子。随浓度的升高，绿豆芽根长逐渐缩短，直至浓度为100.0 mg/L时，发芽后停止生长，显示被毒害。Cr离子处理浓度为12.0 mg/L时，图标显示有一个较强烈的促进，据分析可能由于取样不均匀所至。（3）不同浓度Cu、Cr污染对绿豆芽平均侧根数的影响见图2-4图2-4 不同浓度Cu、Cr对绿豆芽侧根数影响外源性重金属离子对绿豆芽根系的发育有明显的抑制作用，即明显的抑制其侧根的发育与生长。浓度范围在（6.0 mg/L-100.0 mg/L）时，侧根数显著减少，（0.0 mg/L-6.0 mg/L）浓度范围内，外源性铜、铬离子胁迫却对绿豆芽侧根数呈一定促进作用。（4）不同浓度Cu、Cr污染对绿豆芽生长指数的影响为综合表现绿豆芽株高、根长、侧根数的生长情况，建立这样一个关系式：生长指数=株高+根长+侧根数。将绿豆芽生长指数与胁迫离子浓度作图2-5，可知，外源性重金属离子胁迫对绿豆芽生长呈抑制关系，随着铜、铬离子培养液浓度的升高，生长指数的显著下降，绿豆芽的生长，出根，出根数，岀叶均受到了显著抑制。浓度范围在（0.0 mg/L-6.0 mg/L）时，抑制不明显；（24.0 mg/L-100.0 mg/L）浓度范围时，抑制明显。图2-5 不同浓度Cu、Cr对绿豆芽生长指数影响2.4.2 影响结果的分析 外源性重金属离子对绿豆芽的整体生长发育均成抑制效果，特别是在浓度范围（24.0 mg/L-100.0 mg/L）区间内时，其抑制明显，且铬离子对绿豆芽的毒害作用强于铜离子，表现在株高、根长、侧根数、生长指数上。 对株高的抑制可能源于对根系发育的抑制，且进入豆芽叶茎系统的重金属离子对其叶片与茎，也存在一定的毒害效果。 外源性金属离子浓度范围在（0.0 mg/L-6.0 mg/L）时，无论是铜离子、镉离子，对绿豆芽生长的抑制均不显著。说明绿豆芽可能存在一定抵御外来毒害的生理机制，对低浓度外源性重金属离子胁迫有一定的抵抗能力。 3 Cu、 Cr单一污染对绿豆叶片中叶绿素含量的影晌3.1 实验器材本实验选取连续培养7天后的11个培养皿中生长最健壮的绿豆芽叶片。3.2 试验方法从连续培养7天后的11个培养皿中生长最健壮的绿豆芽上摘取叶片（0.5-1g），剪碎，用乙醇提取法，提取其叶绿素。稀释，定容后测定其吸光度。3.3 指标的测定方法及数据处理使用分光光度计测量663nm和645nm下的吸光度，根据Ca=12.7A663+2.69A645；Cb=22.9A645+4.68A663；计算其叶绿素含量mg/g3.4 结果与分析3.4.1 Cu、Cr单一污染对绿豆芽的叶绿素含量的影响（1）不同浓度Cu、Cr污染对绿豆芽叶片中叶绿素a、叶绿素b的影响，见图3-1、3-2图3-1 不同浓度Cu、Cr对绿豆芽片中叶绿素a、叶绿素b的影响图3-2 不同浓度Cu、Cr对绿豆芽生长指数影响（2）不同浓度Cu、Cr污染对绿豆芽叶片中总叶绿素含量的影响，见图3-3图3-3 不同浓度Cu、Cr对绿豆芽叶片总叶绿素含量影响2 结论 绿豆芽的生长状况，光合作用能力在外源性重金属离子胁迫下均成明显的被抑制表现，其表现为株高降低，根长缩短，侧根数减少，叶片萎蔫；光合作用能力下降，表现为叶绿素a、b和总叶绿素量减少，叶片萎蔫、退绿，间接影响绿豆芽株高、根系的发育与生长。 （1）铜、铬重金属离子对豆芽的生长发育、叶绿素含量存在明显的抑制作用，且在（0.00 mg/L-6.00 mg/L）和（12.0 mg/L-100.0 mg/L）两区间范围内存在明显的负相关，即区间内，随着重金属离子浓度的升高豆芽的株高、根长等生理参数明显降低。（2）由重金属离子浓度相关绿豆芽生长参数图标可知：相同的浓度条件下，铜离子水培绿豆芽株高、侧根数等生长指标略好于铬离子水培绿豆芽，即铬离子对绿豆芽生长发育的影响率大于铜离子。（3）较低浓度的重金属离子，浓度在（6.00 mg/L-12.00 mg/L）范围区间内，铜离子对成熟绿豆芽叶片内叶绿素a、b含量、根长、株高成促进趋势；铬离子对成熟绿豆芽叶片内叶绿素b含量、根长、株高成促进趋势。绿豆芽可能存在一定抵御外来毒害的生理机制，对低浓度外源性重金属离子胁迫有一定的抵抗能力。1 许秋瑾，金相灿，颜常宙.中国湖泊水生植被退化现状与对策J.生态环境.2006， 15(5):11