外源甲基叔丁基醚脅迫對浮萍光合功能的影響

李業(yè)東 李東升 趙曉松

摘要通過1/5 Hoagland 營養(yǎng)液培養(yǎng)試驗,研究外源甲基叔丁基醚(MTBE)污染脅迫對浮萍葉片光合功能的影響。結(jié)果表明,在0~500mg/L范圍內(nèi),浮萍未產(chǎn)生明顯的毒害作用。隨著MTBE脅迫濃度的增加,導致浮萍光合作用放氧速率、葉綠體ATP合成酶活性以及硝酸還原酶活性降低,對NO3-的還原產(chǎn)生抑制作用,NO3-在浮萍葉片中積累,與對照相比均達到顯著水平(P< 0.05)。

關鍵詞甲基叔丁基醚(MTBE);脅迫;浮萍;光合功能

中圖分類號Q945.11文獻標識碼A文章編號 1007-5739(2009)08-0009-02

甲基叔丁基醚(Methyl Tertiary Butyl ether,MTBE)是全球應用最廣泛的汽油添加劑,迄今已使用20多年,是用量最大的含氧化合物之一。隨著MTBE使用量的逐年增加以及在環(huán)境中的累積效應,對環(huán)境和人體構(gòu)成了潛在危害。MTBE對環(huán)境的污染已引起國內(nèi)外學者的高度重視[1-4],在汽油添加劑替代產(chǎn)品開發(fā)、MTBE對生態(tài)環(huán)境的影響以及MTBE污染的生物修復等方面開展了一些研究工作。毒理學研究表明[5,6],MTBE是一種動物致癌物質(zhì),同時也是一種人體可疑致癌物質(zhì),能夠影響人的中樞神經(jīng)。水體中MTBE達到57~1 000mg/L時,對各種無脊椎水生生物具有毒性,在388~2 600mg/L范圍對脊椎水生生物具有毒性。長期飲用含有MTBE的污染水,淋巴細胞凋亡率較對照群體明顯增加,而浮萍對水中重金屬具有較強的吸收能力[7,8]。

浮萍(Lemna minor L.)為浮萍科水生維管束植物,生長于沼澤、湖泊以及靜水中,分布廣泛。由于浮萍具有繁殖快、產(chǎn)量高、個體小、浮于水面、易從污染水體吸附污染物質(zhì)等特點,廣泛用于污染水體生物修復研究中。目前,MTBE脅迫對水生植物光合作用以及相關過程的研究還少有報道。本文選擇分布廣泛的浮水植物浮萍作為試驗對象,研究外源MTBE污染脅迫對浮萍光合功能的影響,為闡明MTBE污染水體浮水植物退化機理及恢復水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗用浮萍采自長春凈月潭水體,試驗在室內(nèi)溫室進行,采用半靜態(tài)模擬試驗方式。白天間平均溫度為25℃,夜晚平均溫度為20℃,相對濕度65%,光照12h/d,光強度為4 000Lx。以直徑50cm高15cm的塑料盆作為浮萍培養(yǎng)缽,每個培養(yǎng)缽盛裝1/5Hoagland營養(yǎng)液5L,底部鋪5cm細沙。采集的浮萍被洗凈后在營養(yǎng)液中培養(yǎng),每天更換1/3培養(yǎng)液。10d后,當葉片長至5mm左右時進行脅迫試驗。

1.2試驗設計

在1/5Hoagland 營養(yǎng)液中加入MTBE,使其濃度為0 mg/L(對照)、0.5mg/L(1998年美國EPA規(guī)定飲用水中可接受濃度的10倍)、5.0mg/L、50mg/L、500mg/L。將大小一致的浮萍植株移栽到含有一定濃度MTBE的培養(yǎng)液中,脅迫處理96h,每天更換1/3培養(yǎng)液。每個處理重復3次,隨機排列。選取大小一致的浮萍葉片,測定光合功能參數(shù)。

1.3分析方法[9]

采集浮萍,用去離子水洗凈,吸水紙吸干表面水分。采用氧電極法測定光合速率;以ATP為底物,測定葉綠體Mg2+-ATP合成酶的活性;活體法測定硝酸還原酶(NR)活性;酚二磺酸分光光度法測定NO3-含量。

1.4數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS10.0統(tǒng)計軟件進行方差分析,采用t檢驗檢測不同處理與對照處理間的差異顯著性。

2結(jié)果與分析

2.1對浮萍葉片光合速率的影響

葉綠體是植物體內(nèi)產(chǎn)生活性氧的主要細胞器之一,是植物光合作用的器官,植物在正常生長條件下,最大光化學效率不受物種和生長條件的影響極少變化。由圖1可知,在MTBE脅迫條件下,光合放氧復合體受到影響,隨MTBE濃度的增加,光合放氧速率呈下降趨勢。當試驗體系中MTBE濃度低于0.5mg/L時,浮萍葉片放氧速率與對照相比略有降低,但差異不顯著(P>0.05)。繼續(xù)增加MTBE濃度,放氧速率顯著降低(P<0.01),說明浮萍的光合能力受到抑制,使浮萍生長受到抑制,從而降低浮萍對MTBE污染水體的修復能力。

2.2對浮萍葉片葉綠體ATP合成酶活性的影響

逆境脅迫下植物細胞內(nèi)自由基代謝平衡被破壞,過量的自由基引發(fā)或加劇膜脂過氧化作用,造成細胞膜系統(tǒng)損傷,干擾植物細胞的光合、呼吸及其他代謝過程,嚴重時能導致植物細胞死亡。由圖2可知,MTBE脅迫使浮萍葉片ATP合成酶活性降低,下降趨勢與MTBE脅迫濃度密切相關。當MTBE濃度低于5mg/L時,與對照相比,ATP合成酶活性變化不顯著(P>0.05)。繼續(xù)加大MTBE脅迫濃度到50mg/L,浮萍葉片ATP合成酶活性僅為對照的43.7 %,達到極顯著性差異(P<0.01)。ATP合成酶活性降低與浮萍受MTBE脅迫后葉綠體結(jié)構(gòu)被破壞有關,MTBE脅迫可能破壞了類囊體膜的完整性,影響類囊體膜內(nèi)外側(cè)H+質(zhì)子梯度的形成。

2.3對浮萍葉片硝酸還原酶(NR)活性的影響

硝酸還原酶是NO3-同化過程中的限速酶。正常情況下,植物體內(nèi)NR酶活性維持在一定水平,使體內(nèi)的NO3-還原,NR降低說明NO3-在植株體內(nèi)的還原過程受阻。由圖3可知,MTBE脅迫使浮萍葉片NR活性下降,只是在低濃度(≤5mg/L)脅迫時,NR下降速率較慢。增大MTBE脅迫濃度,NR酶蛋白的硝酸化過程受到影響,使NR活性明顯下降,說明浮萍葉片對NO3-的同化能力受到MTBE脅迫的影響,直接影響到植株對N的吸收和利用。植物正常生長條件下,體內(nèi)NO3-在NR作用下及時地轉(zhuǎn)化為NO2-,在體內(nèi)較少積累。由圖4可知,在NR減少的同時,浮萍體內(nèi)NO3-不斷積累,隨MTBE濃度增加,NO3-含量比對照增加了0.91%～63.6%,達到顯著性差異(P<0.05)。可見水體受到MTBE污染后,NR受到抑制,過量的NO3-在體內(nèi)積累可能對細胞產(chǎn)生毒害作用。

3結(jié)論

研究結(jié)果表明,在0～500mg/L MTBE試驗濃度范圍內(nèi),浮萍未產(chǎn)生明顯的毒害作用。MTBE脅迫使浮萍光合放氧復合體受到傷害,光合放氧速率、葉綠體ATP合成酶活性以及硝酸還原酶活性降低,對NO3-的還原產(chǎn)生抑制作用,NO3-在浮萍葉片中積累,與對照相比均達到顯著水平(P<0.05)。

4參考文獻

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