铅锌尾矿渣对蓖麻光合特性及抗氧化酶系统的影响

铅锌尾矿渣对蓖麻光合特性及抗氧化酶系统的影响

铅锌矿是一种长期严重的重金属污染（2006年第13章；shu等人，2005年）。其中，污染pb（tahan等人，2007；dannyzhan等人，2009）。然而，pb和zn在自然界中是相互关联的。Zn是植物生长发育的必需元素,是诸多酶的辅助因子,很多蛋白质中包含Zn结合的结构域(Clarkeetal.,1998),但长时间过量的Zn亦会对植物产生危害,如抑制酶活性,导致植物失水,改变细胞膜渗透性,扰乱植物对矿质元素的吸收等。植物对重金属的耐受机理主要源于植物对重金属的固化与区隔化及植株生理生化作用对重金属毒性的降解,这亦是植物修复重金属污染土壤的基础。目前,重金属污染土壤的治理工作已成为国内外研究的重点(牛之欣等,2009),如何降低成本、高效率地治理这类重金属污染地,建立矿区生态、经济、社会效益相统一的自我维持生态系统是当前生态环境保护面临的巨大挑战。蓖麻(RicinuscommunisL.)作为世界十大油料作物之一,在重金属污染中显示出了巨大的应用前景。报道显示,该植物对多种重金属污染具有较强的耐受性,因此是一种具生态修复功能的油料作物(王红新等,2012;朱佳文等,2012;易心钰等,2014)。近年来,许多学者已从个体、器官、组织等不同层次研究了重金属在蓖麻体内的积累与分布特征(史景允等,2014;李君等,2015)、耐性及解毒机制(Liuetal.,2011;Bauddhetal.,2012),但对于其耐受性的理化机理研究还不够深入。本文对栽种在不同铅锌尾矿渣掺比基质中蓖麻的光合特性、活性氧清除系统等生理生化指标进行观测研究,并对各生理指标进行相关性分析,探讨蓖麻对Pb、Zn污染的耐受性及耐受机理,以期为蓖麻应用于铅锌矿区及其污染土壤的生态修复提供理论依据。1材料和方法1.1自然粘结,自然粘结供试蓖麻种子为湖南省林业科学院生物能源所提供的湘蓖1号,植物材料栽培于生物能源所试验林场,均为无性繁殖群体自然结实的当年的种子。蓖麻种子用0.5%NaClO消毒20min,自来水冲洗数次后浸种催芽,种子萌发后播于干净的石英砂中,待幼苗长至高度约10cm时选择整齐一致的幼苗备用。1.2栽植试验方法试验在湖南省林业科学院温室大棚进行。铅锌尾矿渣取自郴州资兴铅锌尾矿库,黄土来自矿区周边无污染的0~20cm表层土壤,有机肥、泥炭土均为市售。将尾矿渣、泥炭土、有机肥、黄土按不同体积比例混配成盆栽基质,每盆装基质1.5kg。以铅锌尾矿渣占混合基质的体积比计,盆栽试验包括处理组A(100%矿渣)、B(80%矿渣+10%泥炭土+10%黄土)、C(80%矿渣+10%泥炭土+10%黄土+有机肥)、D(80%矿渣+20%黄土)、E(60%矿渣+20%泥炭土+20%黄土)、F(60%矿渣+40%黄土)及对照组G(50%黄土+50%泥炭土)。盆栽试验采用随机区组设计,每个处理5盆,3个重复,每盆3株幼苗,共105盆。将基质混匀后加水平衡1周。以称重法浇灌自来水,保持土壤湿度为田间持水量的60%~70%。基质的理化性质及铅锌等重金属含量见表1。1.3土壤重金属含量测定土壤基本理化性质采用土壤农化常规分析法测定(鲍士旦,2000)。叶绿素及类胡萝卜素含量采用分光光度法进行测定(李合生,2006)。光合参数测定:净光合速率(PMDA含量由硫代巴比妥酸反应测定(李合生,2006)。抗氧化酶活性测定(李合生,2006):(1)SOD活性采用氮蓝四唑法;(2)POD活性采用愈创木酚法;(3)CAT活性采用高锰酸钾滴定法。土壤重金属元素含量测定:采用电感耦合等离子体发射光谱仪(美国,ICAP6000)进行测定。叶绿体超微结构的观察:瑞典BROMMA公司产LKB-V型超薄切片机切片,铀、铅染色(醋酸双氧铀,枸橼酸铅),采用日本日立公司生产的H7700型透射电镜观察、拍照。1.4数据处理与分析实验数据建立在至少3组独立的实验的基础之上,采用Excel2003软件进行原始数据处理,应用SPSS19.0进行差异显著性分析,采用JMP进行相关性分析。2结果与分析2.1全矿渣植物植株hl-a、chl-b及类胡萝卜素含量由表2可知:随着尾矿渣比例的增加,叶绿素a(Chl-a)、叶绿素b(Chl-b)、总叶绿素(Chl)、类胡萝卜素(Car)含量呈先增加后降低的趋势,以处理组D中植株的Chl-a、Chl-b及类胡萝卜素含量最高,分别高出对照组G27.22%、32.64%、60.33%,其次为处理组E和F,Chl-a、Chl-b及类胡萝卜素含量分别高出对照组G22.59%、26.94%、29.11%和21.04%、15.54%、38.4%,全矿渣组中植株Chl-a、Chl-b及类胡萝卜素含量最低。胡萝卜素含量/叶绿素含量(Car/Chl)的比值在全矿渣组中达到最大,较对照组增加了32.23%,这可能是植株对Pb、Zn毒害的一种防御性反应,之后该比值随矿渣比例的减少呈先增大后下降的趋势。2.2不同浓度的pb和zn对植物生长发育特性的影响由图1可见,叶片净光合速率(P2.3矿渣铜锌矿渣对叶绿体超微结构的影响由图2G-1、G-2可以看出,对照组(G)叶肉细胞叶绿体结构完整、紧贴细胞壁,呈规则的长椭圆形,基质浓密,外部被膜清晰,基粒类囊体片层垛叠紧密并和基质片层连成整体,基质浓度颜色较浅,淀粉粒大小均匀,与叶绿体长轴方向一致,叶绿体附近的线粒体清晰可见。矿渣含量为60%时(图2E-1、E-2、F-1、F-2),其植株叶绿体超微结构没有显著改变,即外部形状、基粒结构与对照基本一致。双层被膜完整,内部基粒和类囊体排列紧密整齐,片层结构较清晰,即有亲水的蛋白质基质和密布在基质间的类囊体,呈平行排列,且规律延伸,形成了复杂的膜系统。叶绿体数量较对照组G增多,排列整齐。随着重金属含量的增加,叶绿体超微结构发生变型。当铅锌矿渣含量为80%的处理组中(图2B-1、B-2、C-1、C-2、D-1、D-2),基粒和基质片层发生轻微肿胀或微空泡化,由于类囊体片层产生的肿胀不均匀,类囊体片层呈波状。但叶绿体中淀粉粒正常,表明其仍具有光合能力。添加有机菌肥的基质C中,部分淀粉粒有开裂现象。全矿渣处理组A中,部分蓖麻叶片表面出现伤害斑块,叶缘枯萎,此时叶绿体结构破坏严重,体积皱缩,类囊体发生空泡化,外膜解体较严重,基粒模糊呈絮状,嗜锇颗粒呈现体积增大、数量增多的趋势(图2A-1、A-2),而淀粉粒数量明显减少,表明叶绿体光合能力下降明显。2.4矿渣对叶片抗氧化酶系统的影响由图3可以看出,叶片POD活性随尾矿渣比例的增加而显著增强,并在处理组D中达到最大值,处理组D、E、F与对照组比较,POD活性分别增加了49.4%、45%和34.5%,表明一定浓度的Pb、Zn对POD酶的活性有促进作用,有利于清除歧化反应中产生的过氧化物。当尾矿渣比例高于一定值后,POD活性显著下降,全矿渣基质中POD活性下降最明显。全矿渣组中,叶片SOD活性显著低于其他处理组,但较对照组增加了57.6%,说明基质中一定比例的Pb、Zn尾矿渣可提高叶片的SOD活性,有利于清除过多的活性氧。Pb、Zn尾矿渣对叶片中CAT酶的影响表现出与前两种酶类似的变化趋势,即“低促高抑”。当矿渣比例低于80%时,CAT活性较高,并在处理组F中达到最高值,较对照组G增加了18.86%。随着尾矿比例的增加,其活性逐渐降低,处理组A、B、C、D的CAT活性分别比对照降低了40.63%、37.78%、35.46%和41.84%,下降显著。表明适当比例的Pb、Zn尾矿渣能使CAT活性应激上升,有利于过氧化物的清除。图3结果显示,叶片的MDA含量随Pb、Zn含量的增加。而上升,处理组C、E、F分别较对照组提高27.06%、15.15%、22.04%,这表明Pb、Zn含量的增加可加剧膜脂氧化,导致膜系统的损伤加速。2.5影响植株生长发育的因素基质中的重金属元素会对植株的氧化酶活性、叶绿素含量及光合作用产生影响,进而影响植株的生长发育(表3)。相关分析结果表明,叶绿素含量与光合速率呈显著正相关,SOD、POD酶活性与叶绿素含量亦呈显著正相关,两种氧化酶与光合色素的r3其五,其提出的“抑制重金属”与叶绿体的活性本研究表明,铅锌尾矿渣对蓖麻植株的光合系统产生影响。随着尾矿渣比例的增加,叶片叶绿素含量、光合参数呈先升后降的趋势,而叶绿体超微结构随尾矿渣浓度的增加,形态结构损伤加重。在全尾矿渣栽培条件下,蓖麻叶绿素含量显著下降,叶片出现明显的泛黄现象,净光合速率受到抑制,蒸腾速率减弱。前人的研究指出,植物受重金属毒害的典型症状就是抑制叶绿素的合成,导致叶色黄化(刘俊祥等,2009;吴月燕等,2009)。植物受到重金属离子胁迫后,光合色素被氧化分解,同时叶绿体膜、类囊体结构和PSⅠ、PSⅡ受到破坏,导致光合速率下降(Mishraetal.,2006;Kanoun-Bouléetal.,2009)。本研究观测结果与前人的研究报道一致,即重金属可影响植物的光合系统,进而影响叶形态结构。金进等(2006)研究指出,重金属胁迫条件下,活性氧在细胞中增加,大量的扩散到叶绿体内,亦可加速叶绿素的降解,进而影响光合作用。而抗氧化酶作为植物的重要保护酶系统,对植物体在重金属胁迫下起重要的抵御作用(陈燕珍等,2008;沈吉红等,2009)。对大麦(Wuetal.,2003)、飞机草(鲁萍等,2006)、烟草(严重玲等,1997)等的研究均得到了相似的结果。VanAssche等(1990)和Khatun等(2008)的研究也表明,一定含量的Pb、Zn可导致植株体内抗氧化酶活性不同程度的升高,这是消除过氧化胁迫的一种表现,即保持植物体清除自由基的功能,是一种使植物细胞免受毒害的调节反应(袁敏等,2005)。本研究结果显示,随着尾矿渣比例的增加,蓖麻叶片中抗氧化酶活性均呈先升后降的趋势,且SOD、POD酶活性与叶绿素含量呈显著正相关,当基质中尾矿渣比例为60%~80%时,叶片中SOD、POD活性较对照组高,此时叶绿素含量、叶绿体数量、超微结构及淀粉粒大小与对照相比差异不明显,说明SOD、POD酶对叶绿体中的氧自由基的清除,可缓解叶绿素的氧化,维护叶绿体的光合作用功能。这也表明蓖麻