重金屬脅迫對燈芯草生長的影響

重金屬脅迫對燈芯草生長的影響

種植的植物修復(fù)技術(shù)以高等植物為主，在其治理效果的永久性、治理過程的原始性、治理成本的低質(zhì)量、環(huán)境學(xué)的兼容性和后續(xù)處理的簡單性等特點上得到了廣泛應(yīng)用。因此被廣泛用于治理或修復(fù)水體。但現(xiàn)有植物耐寒能力差,冬季易于死亡而無法保證凈化效果,這已成為制約植物修復(fù)技術(shù)大規(guī)模市場化的主要因素之一。燈芯草別名野席草、燈草和水燈芯,是席草類,莎草科蒲草屬多年生草本植物,在我國分布較廣。其經(jīng)濟、藥用價值高而廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥和民用工業(yè),在治理城市污水方面也有相關(guān)報道。試驗擬用燈芯草在低溫條件下處理含銅廢水,探討低溫環(huán)境中燈芯草對重金屬銅的耐受機制,為提高冬季植物凈化能力提供依據(jù)。1材料和方法1.1試驗材料供試材料為燈芯草,采自重慶永川區(qū)某農(nóng)田。選取大小均一的植株洗凈,培養(yǎng)于Hoagland營養(yǎng)液中,待植株長出新葉后,用于水培試驗。1.2銅離子的濃度試驗自2011年12月9日開始,12月24日結(jié)束。試驗采用水培方式。試驗分A、B、C3組,A組為對照組,B組的銅離子為30mg/L,C組的銅離子濃度為60mg/L。銅以分析純CuSO4·H2O形式加入。試驗期間每天光照12h,保持24h連續(xù)通氣,每3d更換一次營養(yǎng)液。待加入銅離子后,每隔3d測一次相應(yīng)指標(biāo)。每一處理均重復(fù)3次,取其平均值進行統(tǒng)計分析。1.3葉綠素、丙二醛的提取試驗過程中測定葉片燈芯草體內(nèi)葉綠素、超氧自由基(O2-·)、丙二醛(MDA)的含量。葉綠素采用丙酮—乙醇混合液提取分光光度法;丙二醛參考林植芳等的硫代巴比妥酸(TBA)法方法;超氧自由基采用羥胺氧化分光光度法測定。2結(jié)果與分析2.1生長植株數(shù)量試驗中加入重金屬銅后,植株先后出現(xiàn)了枯萎現(xiàn)象。對出現(xiàn)枯萎的植株數(shù)量進行統(tǒng)計,結(jié)果如表1所示。由表1可見,隨著重金屬銅濃度升高和脅迫時間延長,燈芯草植株枯萎程度越嚴重。2.2葉綠素含量的變化重金屬銅在低溫下對燈芯草葉綠素合成的影響如表2所示。表2結(jié)果顯示,重金屬銅對于植株葉綠素含量和組成都有一定的影響。低濃度重金屬在短期內(nèi)促進燈芯草葉綠素的合成,隨著處理時間延長,植株葉綠素含量有所降低;而高濃度同則使植株葉綠素含量持續(xù)降低,并且葉綠素a下降的速度超過葉綠素b下降的速度。胡云虎等認為葉綠素a/b值的變小是因為重金屬首先破壞葉綠素a的緣故。與葉綠素總量相比,葉綠素a/b值是衡量葉片感受重金屬的相對敏感的一個生理指標(biāo),即葉綠素a對于重金屬的敏感程度較高。Stobart等研究認為葉綠素含量降低的原因一是重金屬抑制原葉綠素酸醋還原酶,二是影響了氨基-γ-酮戊酸的合成。而這兩種物質(zhì)又是葉片合成葉綠素所必需的酶和原料,從而使葉綠素含量降低,葉綠素的組成發(fā)生改變。2.3重金屬脅迫對燈芯草mda含量的影響丙二醛是常用的膜脂過氧化指標(biāo),是植物器官衰老或在逆境條件下發(fā)生膜脂過氧化的產(chǎn)物之一,其含量高低表示細胞膜脂過氧化程度和植物對逆境條件耐受的強弱。由圖1可見,在重金屬脅迫下,燈芯草MDA含量先增高后降低。在試驗濃度下,短短3d的處理時間就使其細胞膜脂發(fā)生嚴重的過氧化,燈芯草體內(nèi)大量積累MDA,并且脅迫濃度越大、時間越長,體內(nèi)積累的MDA就越多;當(dāng)處理時間超過6d過后,MDA含量逐漸減少,可能是由于在燈芯草體內(nèi)SOD和POD的作用下,將O2-·歧化為H2O2,抑制Haber-Weiss反應(yīng),最終將H2O2分解成H2O,將有毒的超氧陰離子轉(zhuǎn)變成無毒的H2O,使細胞內(nèi)自由基維持在一個低水平,防止細胞受自由基的傷害。2.4超氧陰離子檢測植株的生長試驗結(jié)果表明,在重金屬銅污染條件下,3d后燈芯草植株體內(nèi)的O2-·的均會明顯增加,所有施銅處理植株體內(nèi)的O2-·含量都高于對照;且較高濃度銅脅迫下比低濃度銅脅迫下,植株體內(nèi)O2-·的含量高,說明了較高濃度脅迫下,O2-·的產(chǎn)生更快。隨著處理時間的延長,植株體內(nèi)的O2-·含量先升高后逐漸降低,但在一定時間范圍內(nèi)始終比空白對照組高。超氧陰離子的生成加快,可使自由基積累,自由基能損傷主要的生物大分子,引起細胞的膜脂過氧化和脫脂化作用;該研究中,銅污染致使O2-·的產(chǎn)生加快,勢必引起細胞膜系統(tǒng)受傷害,從而使植物的發(fā)育和生長遭受影響,是植物受銅脅迫傷害的主要機理之一。3低濃度銅脅迫對植物抗氧化能力的影響通過植物吸收將重金屬從水中轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi),可以達到凈化水體的作用。試驗結(jié)果顯示,低濃度銅可促進燈芯草生長;但在高濃度的銅脅迫下,燈芯草有明顯的毒害作用,造成燈芯草失綠。在重金屬作用下,燈芯草體內(nèi)積累大量MDA,并且脅迫濃度越大、時間越長,植株體內(nèi)積累的MDA就越多。而對于O2-·,所有施銅處理植株體內(nèi)的O2-·含量都高于對照;且較高濃度銅脅迫下比低濃度銅脅迫下,植株體內(nèi)O2-·的含量高,說明了較高濃度脅迫下,O2-·的產(chǎn)生更快。可見,在重金屬作用下植物的生長形態(tài)、葉綠素合成將會發(fā)生一定的變化,且細胞內(nèi)MDA和O2-·濃度升高帶來的膜脂過氧化增強是重金屬傷害植物的主要原因之一。正常條件下植物體內(nèi)活性氧產(chǎn)生處于動態(tài)平衡,自由基濃度較低,不會引起植物傷害。當(dāng)處于各種逆境脅迫條件下或衰老時,植物體內(nèi)活性氧產(chǎn)生和消除的平衡遭到破壞,有利于活性氧的產(chǎn)生。當(dāng)活性氧濃度超過一定閥值時,植物細胞內(nèi)的大分子物質(zhì)發(fā)生過氧化,特別是膜脂中的不飽和脂肪酸受到自由基的攻擊,引起膜脂相分離,膜的完整性受到破壞,導(dǎo)致植物生長異常。膜脂過氧化是膜上不飽和脂肪酸中所發(fā)生的一系列活性氧反應(yīng),其最重要的產(chǎn)物是MDA,它是一種高活性的脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物,能交聯(lián)脂類、核酸、糖類及蛋白質(zhì),破壞膜的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致細胞質(zhì)膜受損傷,電解質(zhì)滲漏嚴重。因此,MDA含量是反應(yīng)脂質(zhì)過氧化作用強弱的