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文档简介

复合重金属胁迫下灯心草生理响应及机理研究

在大自然中,由于重金属的和谐、合作和抗逆作用,重金属污染的评价和监测变得更加复杂。Cd、Pb、Cu、Zn和As重金属可代表采矿及冶炼厂的典型污染物,由其导致大面积的土壤污染给我国农业生产和人们身体健康造成了极大的不利影响。据研究表明,Cu、Cd、Pb、Zn和As重金属在环境中的行为表现为协同作用。重金属复合污染的协同作用对环境安全有重大威胁,也使得利用复合污染研究成果评价化合物潜在毒性及制定某些元素背景值具有重要意义。目前,有关重金属污染的研究中,大多集中于单一重金属对植物的影响,而对于重金属复合污染的研究,绝大多数仅限于2至3种元素之间的复合作用,4种以上重金属复合污染的报道还相对较少。灯芯草(Juncuseffuses)别名野席草、灯草和水灯心,是席草类作物,莎草科蒲草属。目前,国内外关于灯心草的研究主要是集中在医药和民用方面,在利用灯心草人工湿地治理城市污水方面也有相关报道。而有关灯心草对上述5种重金属的抗性及复合重金属胁迫对灯心草生理生化指标影响等方面的研究国内外尚无报道。抗性生理学研究发现,干旱、盐碱、低温和重金属污染等各种逆境与作物生长发育及其体内抗氧化保护系统等生理生化指标的变化相关,研究重金属胁迫下植物生理生化特性的变化是判断植物对重金属耐抗性大小的一个很好的依据。本文以Cu、Cd、Pb、Zn、As重金属作为复合胁迫因子,研究其对灯心草生长过程中叶绿素含量以及抗氧化酶(SOD、CAT、POD)活性等生理生化指标的影响,探讨该5种重金属对灯心草的联合毒害机制及在此复合重金属胁迫下灯心草生理生化指标的变化趋势和机理,研究灯芯草对复合重金属的耐抗性。为制定污染土壤重金属临界值、利用灯芯草进行重金属污染土壤的治理、修复和重建污染区生态系统提供了科学依据。1材料和方法1.1湖南农业种植水稻土试验土壤分对照土壤和污染土壤(两者理化性质及含重金属量见表1)。前者采自湖南农业大学教学实习基地,为红壤性水稻土;后者采自湖南省郴州市苏仙区东河流域的铅锌尾矿污染土壤,该土壤被重金属严重污染,生长的粮食作物和其他作物的产量明显下降,并不同程度地存在品质问题。试验植物为典型的湿生植物——灯心草。1.2不同浓度n,we、pe试验土壤经自然风干、捣碎、剔除杂物后过2mm筛,在每陶瓷盆(30cm×20cm)中装土5kg,按预先设置的浓度(见表2)于每盆中添加CdCl2·2.5H2O、PbNO3、CuCl2·2H2O、ZnNO3·6H2O、Na2HAsO4·7H2O等各外源重金属。同时,按盆栽作物对养分的需求(即N为200mg/kg、P2O5为100mg/kg、K2O为150~200mg/kg),分别加入尿素、磷酸二氢钾、硫酸钾400、200、300mg/kg,喷施清水充分混匀后平衡1周,作为模拟不同浓度的重金属污染土壤。从野外采集长势一致的灯心草用蒸馏水洗净根系上粘附的土壤和杂质后分别于每盆中移栽30株,并将每株在距土面5cm处剪断,待其重新生长。试验期间定期浇水,保持70%的田间持水量。生长40d后测定其各项生理生化指标。每个处理浓度设3个重复,试验结果为3次测定结果的平均值。1.3抗氧化酶活性的测定灯心草叶绿素总含量(叶绿素a+叶绿素b)的测定采用丙酮和乙醇浸提法,分别在波长644nm和662nm处用分光光度法测定。SOD、POD、CAT酶液的制备:称取新鲜植物样品0.5g于预冷研钵中,加入0.02mol/L磷酸二氢钾溶液5mL,冰浴下研磨成匀浆,于冷冻离心机内10000r/min低温离心20min,倾出上清液保存在冷处,残渣再用5mL磷酸二氢钾溶液提取1次,合并两次上清液即为所需要的酶液。SOD活性的测定采用化学比色法;CAT活性的测定采用分光光度法;POD活性的测定采用愈创木酚法。以上试验结果均为3次结果的平均值。数据处理采用MicrosoftExcel作图和DPS3.01中文数据统计软件进行方差分析、多重比较。2分析与讨论的结果2.1复合重金属胁迫对植物基本特征的影响叶绿素含量在一定程度上反映了光合作用的水平,植物叶片中叶绿素含量与光合速率、营养状况等密切相关,因此常用叶绿素含量的高低来表征植物在逆境下受伤害的程度。表3为不同浓度复合重金属胁迫下灯心草叶绿素含量的变化。由表3可知,在整个浓度梯度设置范围内,灯心草叶绿素含量随复合重金属浓度的增加而下降,呈明显的剂量—效应关系。即使在土壤环境质量二级标准限值处也受到较大程度的影响,叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量分别下降了12.31%、6.83%、11.38%,与对照相比差异性显著(P<0.05)。说明灯心草叶绿素对复合重金属胁迫较为敏感。在高浓度处理水平4处(Pb、Cu、Zn、Cd和As超过了土壤环境质量三级标准)下降幅度最大,叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量分别比对照减少了39.76%、25.08%和36.12%,植物失绿症状明显。生长在模拟矿毒水污染土壤中(其中Cd、As超过了土壤环境质量二级标准)和生长在铅锌尾矿污染土壤(其中Cd、Pb和As超过了土壤环境质量三级标准)中的灯心草叶绿素合成也受到了很大程度地抑制(P<0.05),可能是由于污染土壤中超量Cd、Pb和As的联合毒害作用所致。从表3还可以看出,灯心草叶绿素a和叶绿素b之间的比值除处理水平1外亦随着复合重金属浓度梯度的升高而降低。表明灯心草叶绿素a的变化幅度明显大于叶绿素b,叶绿素a比叶绿素b对复合重金属胁迫更为敏感,也说明了在相同处理条件下叶绿素a所受到的伤害比叶绿素b大,这可能与重金属首先破坏叶绿素a有关。Woolhouse认为,随着叶片的衰老,植物叶绿素含量逐渐下降,叶绿素a比叶绿素b下降得更快,叶绿素a/b作为叶片衰老的标志,同时也是衡量叶片感受重金属胁迫相对敏感的生理指标。本次试验中灯心草叶绿素含量及叶绿素a/b值随着复合重金属浓度的增高下降明显,说明复合重金属胁迫加速了灯心草叶片的老化。2.2植物对pod活性的影响图1为不同处理水平复合重金属胁迫下灯心草POD酶活性的动态变化趋势图。由图1可以看出,在浓度梯度设置的处理水平1至处理水平3,随着复合重金属胁迫浓度的递增,灯心草POD酶活性被不同程度地激活,在处理水平2出现抗性高峰,分别比对照上升了13.13%、15.32%和29.29%。在处理水平4酶活性受到抑制,比对照下降了15.15%。对于POD活性上升的原因可能是复合重金属胁迫下灯心草体内产生的过氧化物增加诱导的结果。而当重金属浓度的进一步增加,有毒物质超过了POD正常的催化能力导致其活性下降,使植物体内H2O2过量积累,进而对植物体内的膜系统造成潜在的氧伤害。由图1还可以看出,铅锌尾矿胁迫对灯心草POD活性的影响明显大于模拟矿毒水胁迫。在模拟矿毒水胁迫下,灯心草POD活性比对照上升了12.96%,而在铅锌尾矿胁迫下,POD活性比对照下降了2.69%,这可以认为铅锌尾矿中的重金属含量在一定程度上超过了致灯心草POD伤害的阈值。2.3铅锌尾矿对灯心草抗氧化酶系统的影响由图2可以看出,灯心草体内SOD活性随着复合重金属胁迫程度的增强呈先升后降的变化趋势。在处理水平1和处理水平2酶活性有被激活的趋势,但变化幅度不是很大,分别比对照上升了9.91%和12.12%。从处理水平3(重金属含量超过了土壤环境质量二级标准2倍)酶活性便逐渐受到抑制,在处理水平4达到最低值,仅为对照的34.43%。与POD情况类似,铅锌尾矿胁迫对灯心草SOD活性的影响仍然大于模拟矿毒水,其影响程度仅次于处理水平4,酶活性与对照相比下降了64.84%。从SOD活性的整个动态变化趋势来看,相对于POD变化较为平缓,其抗性高峰出现在处理水平2,在处理水平3酶活性便开始低于对照值。表明灯心草SOD较POD对外界复合重金属胁迫敏感。SOD是植物体内重要的活性氧防御酶,它的催化反应为:2O-2·+2H++SOD—H2O2+O2。正常情况下SOD活性稳定,植物产生和清除O-2·的能力处于动态平衡。本研究发现,低浓度的重金属胁迫使灯心草SOD活性比对照高,其原因可能是重金属离子进入植物体内诱发O-2·的生成。SOD活性提高是相应于O-2·增加的一种应急解毒措施,使细胞免受毒害的调节反应。但是当细胞长时间地维持在较高的O-2·浓度下,细胞内的活性物质包括酶也会受到损伤,致使SOD活性下降。因此,SOD活性的高低与植物的抗逆性之间具有一定的相关性。2.4不同浓度的pod和sod对灯心草抗氧化酶活性的影响由图3可以看出,在复合重金属胁迫下灯心草体内CAT表现出与SOD类似的变化情况,都随着复合重金属胁迫浓度梯度的递增呈先升后降的变化趋势。但二者出现抗性峰时所对应的复合重金属浓度处理水平不同。SOD只在处理水平2达到一个较小的峰值,而CAT则先后在处理水平1和处理水平5达到两个较大的峰值,分别比对照上升了71.85%和108.65%。在处理水平2和处理水平3,酶活性虽有所下降,但仍高于对照。与POD和SOD一样,在高浓度处理水平4,CAT活性亦降至了最低点,为对照的36.84%。但与前两种酶表现不同的是,在模拟矿毒水和铅锌尾矿胁迫下,灯心草CAT活性均高于对照,分别比对照升高了36.05%和108.65%。由此可以看出,在相同浓度的复合重金属胁迫下灯心草3种抗氧化酶中CAT表现出更高的敏感性,在抵抗外界复合重金属胁迫中发挥的作用也更大。这点对利用灯心草治理铅锌尾矿及矿毒水污染土壤具有极大的现实意义。CAT是植物体内一种重要的氧化还原酶,可以清除植物通过呼吸代谢或者光合作用等途径产生的H2O2和植物体内过多的活性氧,维持活性氧代谢的平衡,保护细胞膜的完整性。在本研究中,出现CAT活性随着复合重金属胁迫浓度的增加先上升后下降的原因可能是当植物处于较低浓度的重金属胁迫时,体内产生较多H2O2,作为一种机体自卫反应,CAT活性上升可以提高植物清除H2O2的能力,在一定程度上缓解H2O2积累对细胞的破坏。但是,随着重金属胁迫浓度的增加,超过植物所能忍受的极限时,作为防御体系的酶的活性也相应减弱。3模拟和铅锌尾矿污染土壤中灯心草叶绿素含量和活性的比较(1)在Cu、Cd、Pb、Zn、As复合重金属胁迫下,灯心草叶绿素含量减少,叶绿素a/b值降低,说明重金属致使叶绿体膜系统破坏而使叶绿素降解和失活,加速了植物的老化。随着复合重金属胁迫浓度的增加,灯心草3种酶活性呈现不同的特征变化趋势。总体来说,在接近土壤环境质量标准低浓度下,灯心草3种酶活性有逐渐被激活的趋势,表现出耐抗性。但在高浓度下,酶活性普遍受到抑制。生长在模拟矿毒水和铅锌尾矿污染土壤中的灯心草叶绿素含量相对于对照下降显著(P<0.05),但POD和CAT的活性均高于对照。铅锌尾矿胁迫对灯心草生理生化指标的影响大于模拟矿毒水。(2)在Cu、Cd、Pb、Zn、As复合重金属胁迫下,灯心草SOD、POD和CAT活性出现1次酶活性高峰(抗性酶活性高峰),可能是植物细胞内的酶对于复合重金属胁迫产生了相应的抗性变异。对此,将灯心草3种酶从出现抗性高峰到被抑制时的转折点所对应的重金属浓度确定为适合灯心草生长的污染土壤中Cu、Cd、Pb、Zn、As的临界浓度。从以上实验数据综合分析来看,这个临界浓度值在处理水平2,即当土壤中Cd、Pb、Cu、Zn、As复合重金属分别为0.3

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