污染脅迫對(duì)生物生理生態(tài)學(xué)影響

1、華僑大學(xué)化工學(xué)院課程論文 污染脅迫對(duì)生物生理生態(tài)學(xué)影響課 程 名 稱 環(huán)境生物學(xué) 姓 名 學(xué) 號(hào) 1026421049 專 業(yè) 環(huán)境科學(xué) 成 績(jī) 指 導(dǎo) 教 師 華僑大學(xué)化工學(xué)院印制 2012 年 12 月 16 日華僑大學(xué)化工學(xué)院課程論文污染脅迫對(duì)生物生理生態(tài)學(xué)影響(華僑大學(xué) 化工學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程系 環(huán)境科學(xué)1班，中國(guó) 福建 廈門 361021)摘 要：水污染日益嚴(yán)峻，并對(duì)人類的健康構(gòu)成嚴(yán)重危害。這其中，以重金屬污染為內(nèi)容的研究已得到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，而Cu、 Cr是水環(huán)境中毒性較強(qiáng)的幾種重金屬污染物，常以單一或復(fù)合污染形式存在于水體中，其治理難度較大。本文以綠豆芽為材料，通過(guò)水培方法

2、，研究了綠豆芽在Cu、 Cr單一污染脅迫下生長(zhǎng)狀況、發(fā)芽率，株高，根長(zhǎng)，側(cè)根數(shù)，葉片中葉綠素a、b含量的差異，其主要結(jié)果如下:1.銅、鉻重金屬離子對(duì)豆芽的生長(zhǎng)發(fā)育、葉綠素含量存在明顯的抑制作用，且在（0.00 mg/L-6.00 mg/L）和（12.0 mg/L-100.0 mg/L）兩區(qū)間范圍內(nèi)存在明顯的負(fù)相關(guān)，即區(qū)間內(nèi)，隨著重金屬離子濃度的升高豆芽的株高、根長(zhǎng)等生理參數(shù)明顯降低。2.由重金屬離子濃度相關(guān)綠豆芽生長(zhǎng)參數(shù)圖標(biāo)可知：相同的濃度條件下，銅離子水培綠豆芽株高、側(cè)根數(shù)等生長(zhǎng)指標(biāo)略好于鉻離子水培綠豆芽，即鉻離子對(duì)綠豆芽生長(zhǎng)發(fā)育的影響率大于銅離子。3.較低濃度的重金屬離子，濃度在（6.00

3、 mg/L-12.00 mg/L）范圍區(qū)間內(nèi)，銅離子對(duì)成熟綠豆芽葉片內(nèi)葉綠素a、b含量、根長(zhǎng)、株高成促進(jìn)趨勢(shì)；鉻離子對(duì)成熟綠豆芽葉片內(nèi)葉綠素b含量、根長(zhǎng)、株高成促進(jìn)趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：銅；鉻；單一污染；綠豆芽；葉綠素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

4、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 people's attention, and Cu, Cr is water environment toxic strong several kinds of heavy metal pollutants, often as a single or compound pollution forms in wat

5、er, 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 di

6、fference, 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 concen

7、tration 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 lat

8、eral 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 ma

9、ture 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 引言重金屬

10、是指密度大于5g/cm ³的金屬，自然界中90種天然存在的元素中有53種是重金屬，主要包括鋅、鉛、銅、鐵、錳、鎘、鎳、鈷、汞、鎢、鉬、金、銀等，從毒性角度一般把砷、硒、鋁等也包括在內(nèi)。環(huán)境中所涉及的重金屬，主要是指汞、鎘、鉻、鉛、砷等生理毒害作用顯著的重金屬。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，環(huán)境中三廢的排放、污水灌溉、礦場(chǎng)的開(kāi)發(fā)與利用、農(nóng)藥、除草劑和化肥的使用等，對(duì)水質(zhì)、大氣與土壤造成不可逆轉(zhuǎn)的污染，致使環(huán)境中銅、鎘、汞、鉛等有毒重金屬在環(huán)境中迅速、過(guò)量地積累沉淀，并參與水體-土壤-生物系統(tǒng)的循環(huán)，通過(guò)植物的吸收，大量重金屬儲(chǔ)存在植株的根、莖、葉中，對(duì)植物產(chǎn)生抑制和毒害，并通過(guò)生態(tài)食物鏈

11、間接危害到人類和動(dòng)物的健康1-3。水體重金屬污染儼然已成為一個(gè)全球性的問(wèn)題。1.1 水體重金屬污染源（1）工業(yè)來(lái)源環(huán)境中的重金屬污染重要來(lái)源于工業(yè)污染，其次是交通污染和生活垃圾污染。污染物大多經(jīng)過(guò)廢水、廢棄、廢渣排入環(huán)境，并通過(guò)食物鏈在人和動(dòng)物、植物中富集。近年來(lái)，隨著工業(yè)快速發(fā)展，重金屬對(duì)環(huán)境的污染日益加劇。Hg的排放量約為1.6萬(wàn)噸、Pb的排放量也超過(guò)了 510萬(wàn)噸、總Mn的約有1500萬(wàn)噸4。常見(jiàn)的重金屬?gòu)U水包括電鍍、制革工業(yè)和冶金廢水。由于重金屬?gòu)U水對(duì)環(huán)境具有持久危害性，因此必須采取有效措施進(jìn)行治理或控制，重金屬?gòu)U水的污染控制及遷移轉(zhuǎn)化累積機(jī)理等已經(jīng)成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。（2）農(nóng)用引起的水

12、體重金屬污染農(nóng)藥、化肥和殺蟲劑的使用對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，但長(zhǎng)期過(guò)量的使用會(huì)導(dǎo)致水體中重金屬濃度的不斷加大，進(jìn)而引起水體的重金屬污染。憐礦粉中含有氟，磷肥中也含有一定量的錫，Cr、 As在肥料中的含量相對(duì)較高。個(gè)別農(nóng)藥在化學(xué)組成中含有Cu、 Zn、 Hg、 As等多種重金屬元素，農(nóng)藥大量使用會(huì)造成殘毒污染，同時(shí)也帶來(lái)了重金屬污染5。我國(guó)自20世紀(jì)70年代以來(lái)在水體重金屬污染方面開(kāi)展了大量的相關(guān)工作，使我國(guó)重金屬的污染排放在一定程度上得到了基本的控制。由于重金屬元素的生態(tài)效應(yīng)和化學(xué)行為在自然水體中表現(xiàn)極其復(fù)雜，且環(huán)境背景值不高，使得水體對(duì)重金屬污染極其敏感。因此，如何有效地治理重金

13、屬污染成為當(dāng)前治理水污染任務(wù)中的一個(gè)重點(diǎn)6。1.2 水體重金屬污染的遷移與轉(zhuǎn)化 中國(guó)有著幾千年利用生活污水灌溉農(nóng)田、菜地的傳統(tǒng)。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，上世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)科技技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的地區(qū)采用了污水灌溉技術(shù)用以應(yīng)對(duì)水資源短缺的難題，特別是我國(guó)西北干旱地區(qū)，其農(nóng)業(yè)污灌占總灌溉面積的80% 以上7。重金屬污染物進(jìn)入水環(huán)境中，大部分離子被懸浮物吸附后從水相遷移至懸浮物表面上，懸浮物隨著吸附量的增加逐步沉積在水體沉積物中。當(dāng)水環(huán)境理化性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，重金屬離子有可能脫離沉積物再次釋放，重新進(jìn)入水環(huán)境中，造成水體的二次污染。綜上所述，水環(huán)境中的重金屬離子的遷移轉(zhuǎn)化是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，包括水

14、體的各種物理、化學(xué)及生物反應(yīng)，并且大部分過(guò)程是可逆進(jìn)行的，因此研究水環(huán)境中重金屬離子的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，應(yīng)從多方面著手，綜合考慮遷移與轉(zhuǎn)化過(guò)程中的主要影響因素4。1.3 Cu、Cr對(duì)植物光合作用的影響光合作用是生物體將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過(guò)程反應(yīng)，是生物界最基本的物質(zhì)代謝和能量代謝8。而葉綠素是光合作用的基礎(chǔ)物質(zhì)，其含量高低直接影響光合作用的強(qiáng)弱及物質(zhì)的合成速率。過(guò)量的Cu、 Cd、 Pb進(jìn)入植物體內(nèi)，破壞生物膜的選擇透過(guò)性，導(dǎo)致葉綠體、線粒體及液泡等細(xì)胞器嚴(yán)重受損，影響植物的光合作用速率，且抑制效應(yīng)與脅迫濃度和處理時(shí)間呈正相關(guān)性。研究表明，葉綠素酸酯和氨基-r-酮戊酸是植物葉綠素合成必需的兩種物質(zhì)

15、，Pb2+進(jìn)入能破壞氨基-r-酮戊酸的合成，破壞葉綠體的結(jié)構(gòu)，降低葉綠素酸酯還原酶的活性，結(jié)果導(dǎo)致植物的葉綠素含量減少，而且Pb2+能替代植株體內(nèi)Mg2+，從而使葉綠素含量進(jìn)一步下降，植物生理功能受到較大抑制，無(wú)法進(jìn)行正常的光合作用9-10。2 Cu、 Cr單一污染對(duì)綠豆發(fā)芽及生長(zhǎng)狀況的影晌2.1 實(shí)驗(yàn)器材本實(shí)驗(yàn)選取健康，色澤鮮艷，顆粒飽滿，大小相似的同種綠豆共計(jì)330粒，先用自來(lái)水沖洗，后用自來(lái)水浸泡10min左右。2.2 試驗(yàn)方法2.2.1 污染脅迫濃度設(shè)計(jì)表2-1 Cu、Cr培養(yǎng)液濃度設(shè)計(jì)Table 2-1 Cu， Cr inoculum concentration design培養(yǎng)皿編

16、號(hào)Cu mg/L培養(yǎng)皿編號(hào)Cr mg/L16.0066.00212.00712.00324.00824.00450.00950.005100.0010100.00另設(shè)0號(hào)培養(yǎng)皿為空白皿，不加入重金屬離子2.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行2種重金屬Cu、 Cr不同濃度梯度的處理。實(shí)驗(yàn)用水組成為營(yíng)養(yǎng)液和Cu、 Cr污染物的溶液，污染物以CuSO4 、CrCl3 形態(tài)添加，實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)0-11個(gè)處理（見(jiàn)表2-1）。每只培養(yǎng)皿加入選取好的30粒綠豆前，需以雙層紗布鋪墊。2.3 指標(biāo)的測(cè)定方法及數(shù)據(jù)處理2.3.1 根長(zhǎng)、株高、側(cè)根數(shù)的測(cè)定持續(xù)培養(yǎng)一周后，從每個(gè)培養(yǎng)皿中的30顆綠豆芽中選取最健壯，最具代表性的10

17、顆，使用直尺直接測(cè)定其根長(zhǎng)、株高，并計(jì)數(shù)其側(cè)根數(shù)。分別在染毒后的第三天和第七天，記錄兩次發(fā)芽率。2.3.2 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理采用Office Excel和Origin 8軟件處理。2.4 結(jié)果與分析2.4.1 Cu、Cr單一污染對(duì)綠豆芽的生長(zhǎng)狀況的影響（1）不同濃度Cu、 Cr污染對(duì)綠豆芽平均株高的影響結(jié)果見(jiàn)圖2-2圖2-2 不同濃度Cu、Cr對(duì)綠豆芽株高影響 上圖顯示，重金屬離子濃度對(duì)綠豆芽株高抑制強(qiáng)度成較明顯的正相關(guān)，且相同濃度Cr對(duì)豆芽株高的抑制強(qiáng)于Cu。隨著重金屬離子濃度的升高（0.0 mg/L-100.0 mg/L）株高顯著被抑制生長(zhǎng)，葉片萎蔫、退綠，表明其葉綠素含量下降，光合作用能

18、力降低。外源性Cu離子濃度在（6.0 mg/L-24.0 mg/L）時(shí)，對(duì)豆芽株高抑制不顯著，存在一定促進(jìn)作用。 （2）不同濃度Cu、Cr污染對(duì)綠豆芽平均根長(zhǎng)的影響見(jiàn)圖2-3圖2-3 不同濃度Cu、Cr對(duì)綠豆芽根長(zhǎng)影響外源性重金屬離子對(duì)綠豆芽根的生長(zhǎng)有較顯著抑制作用，且Cr離子的抑制強(qiáng)于Cu離子。隨濃度的升高，綠豆芽根長(zhǎng)逐漸縮短，直至濃度為100.0 mg/L時(shí)，發(fā)芽后停止生長(zhǎng)，顯示被毒害。Cr離子處理濃度為12.0 mg/L時(shí)，圖標(biāo)顯示有一個(gè)較強(qiáng)烈的促進(jìn)，據(jù)分析可能由于取樣不均勻所至。（3）不同濃度Cu、Cr污染對(duì)綠豆芽平均側(cè)根數(shù)的影響見(jiàn)圖2-4圖2-4 不同濃度Cu、Cr對(duì)綠豆芽側(cè)根數(shù)影響

19、外源性重金屬離子對(duì)綠豆芽根系的發(fā)育有明顯的抑制作用，即明顯的抑制其側(cè)根的發(fā)育與生長(zhǎng)。濃度范圍在（6.0 mg/L-100.0 mg/L）時(shí)，側(cè)根數(shù)顯著減少，（0.0 mg/L-6.0 mg/L）濃度范圍內(nèi)，外源性銅、鉻離子脅迫卻對(duì)綠豆芽側(cè)根數(shù)呈一定促進(jìn)作用。（4）不同濃度Cu、Cr污染對(duì)綠豆芽生長(zhǎng)指數(shù)的影響為綜合表現(xiàn)綠豆芽株高、根長(zhǎng)、側(cè)根數(shù)的生長(zhǎng)情況，建立這樣一個(gè)關(guān)系式：生長(zhǎng)指數(shù)=株高+根長(zhǎng)+側(cè)根數(shù)。將綠豆芽生長(zhǎng)指數(shù)與脅迫離子濃度作圖2-5，可知，外源性重金屬離子脅迫對(duì)綠豆芽生長(zhǎng)呈抑制關(guān)系，隨著銅、鉻離子培養(yǎng)液濃度的升高，生長(zhǎng)指數(shù)的顯著下降，綠豆芽的生長(zhǎng)，出根，出根數(shù)，岀葉均受到了顯著抑制。濃

20、度范圍在（0.0 mg/L-6.0 mg/L）時(shí)，抑制不明顯；（24.0 mg/L-100.0 mg/L）濃度范圍時(shí)，抑制明顯。圖2-5 不同濃度Cu、Cr對(duì)綠豆芽生長(zhǎng)指數(shù)影響2.4.2 影響結(jié)果的分析 外源性重金屬離子對(duì)綠豆芽的整體生長(zhǎng)發(fā)育均成抑制效果，特別是在濃度范圍（24.0 mg/L-100.0 mg/L）區(qū)間內(nèi)時(shí)，其抑制明顯，且鉻離子對(duì)綠豆芽的毒害作用強(qiáng)于銅離子，表現(xiàn)在株高、根長(zhǎng)、側(cè)根數(shù)、生長(zhǎng)指數(shù)上。 對(duì)株高的抑制可能源于對(duì)根系發(fā)育的抑制，且進(jìn)入豆芽葉莖系統(tǒng)的重金屬離子對(duì)其葉片與莖，也存在一定的毒害效果。 外源性金屬離子濃度范圍在（0.0 mg/L-6.0 mg/L）時(shí)，無(wú)論是銅離子

21、、鎘離子，對(duì)綠豆芽生長(zhǎng)的抑制均不顯著。說(shuō)明綠豆芽可能存在一定抵御外來(lái)毒害的生理機(jī)制，對(duì)低濃度外源性重金屬離子脅迫有一定的抵抗能力。 3 Cu、 Cr單一污染對(duì)綠豆葉片中葉綠素含量的影晌3.1 實(shí)驗(yàn)器材本實(shí)驗(yàn)選取連續(xù)培養(yǎng)7天后的11個(gè)培養(yǎng)皿中生長(zhǎng)最健壯的綠豆芽葉片。3.2 試驗(yàn)方法從連續(xù)培養(yǎng)7天后的11個(gè)培養(yǎng)皿中生長(zhǎng)最健壯的綠豆芽上摘取葉片（0.5-1g），剪碎，用乙醇提取法，提取其葉綠素。稀釋，定容后測(cè)定其吸光度。3.3 指標(biāo)的測(cè)定方法及數(shù)據(jù)處理使用分光光度計(jì)測(cè)量663nm和645nm下的吸光度，根據(jù)Ca=12.7A663+2.69A645；Cb=22.9A645+4.68A663；計(jì)算其葉綠

22、素含量mg/g3.4 結(jié)果與分析3.4.1 Cu、Cr單一污染對(duì)綠豆芽的葉綠素含量的影響（1）不同濃度Cu、Cr污染對(duì)綠豆芽葉片中葉綠素a、葉綠素b的影響，見(jiàn)圖3-1、3-2圖3-1 不同濃度Cu、Cr對(duì)綠豆芽片中葉綠素a、葉綠素b的影響圖3-2 不同濃度Cu、Cr對(duì)綠豆芽生長(zhǎng)指數(shù)影響（2）不同濃度Cu、Cr污染對(duì)綠豆芽葉片中總?cè)~綠素含量的影響，見(jiàn)圖3-3圖3-3 不同濃度Cu、Cr對(duì)綠豆芽葉片總?cè)~綠素含量影響2 結(jié)論 綠豆芽的生長(zhǎng)狀況，光合作用能力在外源性重金屬離子脅迫下均成明顯的被抑制表現(xiàn)，其表現(xiàn)為株高降低，根長(zhǎng)縮短，側(cè)根數(shù)減少，葉片萎蔫；光合作用能力下降，表現(xiàn)為葉綠素a、b和總?cè)~綠素量減

23、少，葉片萎蔫、退綠，間接影響綠豆芽株高、根系的發(fā)育與生長(zhǎng)。 （1）銅、鉻重金屬離子對(duì)豆芽的生長(zhǎng)發(fā)育、葉綠素含量存在明顯的抑制作用，且在（0.00 mg/L-6.00 mg/L）和（12.0 mg/L-100.0 mg/L）兩區(qū)間范圍內(nèi)存在明顯的負(fù)相關(guān)，即區(qū)間內(nèi)，隨著重金屬離子濃度的升高豆芽的株高、根長(zhǎng)等生理參數(shù)明顯降低。（2）由重金屬離子濃度相關(guān)綠豆芽生長(zhǎng)參數(shù)圖標(biāo)可知：相同的濃度條件下，銅離子水培綠豆芽株高、側(cè)根數(shù)等生長(zhǎng)指標(biāo)略好于鉻離子水培綠豆芽，即鉻離子對(duì)綠豆芽生長(zhǎng)發(fā)育的影響率大于銅離子。（3）較低濃度的重金屬離子，濃度在（6.00 mg/L-12.00 mg/L）范圍區(qū)間內(nèi)，銅離子對(duì)成熟綠豆芽葉片內(nèi)葉綠素a、b含量、根長(zhǎng)、株高成促進(jìn)趨勢(shì)；鉻離子對(duì)成熟綠豆芽葉片內(nèi)葉綠素b含量、根長(zhǎng)、株高成促進(jìn)趨勢(shì)。綠豆芽可能存在一定抵御外來(lái)毒害的生理機(jī)制，對(duì)低濃度外源性重金屬離子脅迫有一定的抵抗能力。1