硫化物脅迫對馬來眼子菜生理生化指標的影響

邢雅囡,阮曉紅,2

(1.河海大學環(huán)境學院,江蘇南京 210098;2.南京大學地球科學與工程學院,江蘇南京 210093)

硫化物脅迫對馬來眼子菜生理生化指標的影響

邢雅囡1,阮曉紅1,2

(1.河海大學環(huán)境學院,江蘇南京 210098;2.南京大學地球科學與工程學院,江蘇南京 210093)

為研究水體中硫化物(S2-)對馬來眼子菜的脅迫作用,通過靜態(tài)模擬試驗,分析了不同S2-水平(0、0.05、0.1、0.2和0.3mmol/L)培養(yǎng)下馬來眼子菜葉綠素總量、丙二醛和2種抗氧化酶(過氧化氫酶、過氧化物酶)的活性變化。研究發(fā)現(xiàn),當試驗水體中c(S2-)≤0.05mmol/L時,馬來眼子菜葉綠素總量隨培養(yǎng)時間呈增加趨勢,當c(S2-)＞0.2mmol/L時,植物生長會受到明顯影響,葉綠素濃度下降,光合作用受到抑制;不同S2-濃度組中馬來眼子菜丙二醛濃度在暴露時均顯示應(yīng)激效應(yīng),膜質(zhì)過氧化程度隨水體S2-濃度及其暴露時間的增加而加重;在c(S2-)≤0.05mmol/L時,2種抗氧化酶的活性得以維持或提高,當c(S2-)≥0.1mmol/L時,馬來眼子菜體內(nèi)抗氧化酶活性下降,抗逆性降低,表現(xiàn)為劑量-負效應(yīng)關(guān)系。

硫離子脅迫;馬來眼子菜;葉綠素;丙二醛;抗氧化酶

近10年來,隨著城市經(jīng)濟的快速發(fā)展,我國長江以南地區(qū)尤其是蘇南地區(qū)已形成“南通—無錫—蘇州—南京”酸雨中心帶[1-2],降水中SO2-4 當量濃度占陰離子濃度的61.9%[3]。酸沉降及大量含硫污水進入城市水體后沉積,并轉(zhuǎn)化為硫化物,使得水體中S2-濃度增高。硫化物是一種植物毒素,ρ=0.15mg/m3的S2-濃度可嚴重危害高等植物根系活性[4-5],通過抑制作物根部生長,使根部發(fā)黑腐爛、作物枯萎,這也是導致酸性水體植物群落變化的重要因素[6]。

沉水植物是淡水生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)鍵的生態(tài)類群,是生態(tài)系統(tǒng)物種和功能多樣性的基礎(chǔ)。因此,沉水植被的重建與恢復已成為研究熱點。研究不同S2-濃度下沉水植物的生理生化變化對于認識沉水植物在酸性水體中衰退的機理、尋找沉水植物中耐酸化的先鋒植物具有重要意義。馬來眼子菜(potamogeton malaianus)是太湖沉水植物優(yōu)勢種之一,對水域的富營養(yǎng)化有較強適應(yīng)能力[7-9]。筆者針對河網(wǎng)區(qū)重污染河道硫素濃度高、高等水生植物絕跡的現(xiàn)象,通過研究水體中不同S2-濃度對馬來眼子菜中的葉綠素、丙二醛、保護酶活性等生理生化指標的影響,探討其對S2-污染的耐受性,以期為沉水植物修復及水質(zhì)改善提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

試劑:硫化鈉(Na2S?9H2O,分析純,江蘇永華精細化學品有限公司生產(chǎn))。

馬來眼子菜采自太湖,預培養(yǎng)30d后,選擇一定量長勢良好、生長基本一致、株高在50cm左右的植物個體,清水洗凈后植于70L塑料桶內(nèi)(上桶直徑49cm,下桶直徑37cm,高度55cm),施藥前適應(yīng)性培養(yǎng)30d。

1.2 試驗設(shè)計及樣品采集

a.試驗共設(shè)置5個濃度組,分別為:CK(對照組,c=0mmol/L)、A(c=0.05mmol/L)、B(c=0.10mmol/L)、C(c=0.20mmol/L)和D(c=0.30mmol/L),各組設(shè)3個重復。

b.自然條件下培養(yǎng),試驗期水溫20～25℃,定期補充營養(yǎng)液。為減少水體中S2-的揮發(fā)及模擬自然水體的溶氧環(huán)境,試驗過程中塑料桶口用透明薄膜密封,薄膜上扎少許小孔。

c.分別在試驗初始及施藥后3、5、10和15d采樣,分別采集各處理組植物莖葉混合樣品3份,每份約2g,準確稱重后用液氮冷凍,置于超低溫冰箱中保存,待測生理生化指標。

1.3 試驗方法

實驗測定的生理生化指標包括:葉綠素總量、丙二醛(MDA)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)活性,分別采用丙酮乙醇混合提取法[10]、硫代巴比妥酸顯色法[10]、紫外吸收法[11]和愈創(chuàng)木酚法進行測定[12]。由于重復之間差異不顯著,故試驗結(jié)果取各組測定結(jié)果均值。

抑制率η和誘導率S′采用以下公式計算:

式中:A為處理組POD或CAT的活性;ACK為對照組POD或CAT的活性。

2 結(jié)果與分析

2.1 S2-對馬來眼子菜葉綠素總量的影響

植物葉片葉綠素濃度與光合速率、營養(yǎng)狀況等密切相關(guān),葉綠素濃度可以表征植物生長狀況,試驗期間馬來眼子菜供試樣中葉綠素總量變化見圖1。

圖1 S2-對馬來眼子菜內(nèi)葉綠素總量的影響

由圖1可知,隨培養(yǎng)時間延續(xù),CK組、A組馬來眼子菜供試體中葉綠素總量呈上升趨勢,僅第15d有所下降,但仍高于初始值;A組葉綠素總量除第5 d外,葉綠素總量均比CK組低,說明即使在低濃度條件下,長時間的暴露也會影響馬來眼子菜體內(nèi)葉綠素的濃度;B、C和D組中馬來眼子菜內(nèi)葉綠素總量隨培養(yǎng)時間延續(xù)呈下降趨勢,第10d,D組中的葉綠素總量驟降至0.3067μ g/g,為初始葉綠素總量的22.54%,至第15 d,供試體內(nèi)葉綠素總量僅為對照組的8.04%,表明此時馬來眼子菜供試體受到S2-脅迫,植物體的光合作用完全被抑制。

綜上,各濃度組中馬來眼子菜的葉綠素總量隨試驗水體S2-濃度的增加而降低,當試驗水體中c(S2-)≤0.05mmol/L時,植物體光合作用可正常進行,當試驗水體中c(S2-)＞0.2mmol/L時,供試體受到S2-脅迫,光合作用被抑制。以上變化規(guī)律說明馬來眼子菜的光合作用受到S2-的抑制,抑制程度與試驗水體中S2-濃度有關(guān)。

2.2 S2-對馬來眼子菜MDA的影響

MDA是膜脂過氧化作用的主要產(chǎn)物之一,其質(zhì)量比可用以表示細胞膜脂過氧化程度和植物對逆境條件反應(yīng)的強弱。試驗期間馬來眼子菜供試體內(nèi)MDA質(zhì)量比變化見圖2。

圖2 S2-對馬來眼子菜內(nèi)MDA的影響

由圖2可知,隨培養(yǎng)時間延續(xù),CK組中馬來眼子菜供試體內(nèi)MDA質(zhì)量比變化趨勢表現(xiàn)為下降特征;A組中供試體內(nèi)MDA質(zhì)量比的變化規(guī)律與空白組具有相似性,僅在第3d有升高,整體呈下降趨勢,但均高于CK組,說明試驗初期馬來眼子菜對S2-產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng),隨時間的延續(xù)逐漸適應(yīng),表明供試體對0.05mmol/L濃度內(nèi)S2-具有一定的耐受性;B組中供試體內(nèi)MDA質(zhì)量比隨培養(yǎng)時間延續(xù)的變化規(guī)律整體呈上升趨勢,僅在第5 d有降低;C和D組中供試體MDA質(zhì)量比呈上升趨勢,第15 d時MDA質(zhì)量比分別為CK組的7.13倍和8.44倍,說明馬來眼子菜供試體受到嚴重損傷。

綜上,各組MDA均高于對照組,說明馬來眼子菜受到S2-的損傷,其損傷程度隨S2-濃度的增加而加重;除A組外,受試供體在含有S2-水體中暴露時間越長,傷害越嚴重。

2.3 不同濃度S2-對馬來眼子菜POD活性的影響

正常情況下,作為保護酶系統(tǒng)的重要組成部分,POD能維持體內(nèi)活性氧產(chǎn)生和清除的動態(tài)平衡,從而防止自由基的毒害。而逆境條件則往往使植物細胞中活性氧產(chǎn)生增多或清除能力減弱,在這種情況下,活性氧清除能力的高低也就成為植物抗逆境能力大小和能否在逆境中生存的關(guān)鍵。試驗期間的馬來眼子菜供試體內(nèi)POD活性變化及誘導率(抑制率)計算分別見圖3、表1。

圖3 S2-對馬來眼子菜內(nèi)POD活性的影響

表1 試驗期間馬來眼子菜內(nèi)POD誘導率(抑制率)計算成果

由圖3可知,CK組與A組馬來眼子菜內(nèi)的POD活性變化均呈上升趨勢,但試驗期間A組活性均高于CK組活性;B組中,供試體內(nèi)POD活性隨著培養(yǎng)時間的延續(xù)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢;C和D組中,供試體內(nèi)POD活性均隨著培養(yǎng)時間的延續(xù)而降低。至試驗結(jié)束,D組中POD活性值降為初始值的11.99%。

由表1可知,A組中馬來眼子菜內(nèi)POD活性均表現(xiàn)為誘導,且誘導率隨培養(yǎng)時間的延續(xù)而增加,說明此濃度范圍內(nèi)馬來眼子菜受到水體中S2-脅迫,并通過調(diào)整某些生理生化過程增加其抗逆性,POD活性的升高,在一定程度上減輕自由基對膜的傷害,反映為圖1中試驗期間此組中供試體內(nèi)葉綠素總量都表現(xiàn)為增加。B組中馬來眼子菜內(nèi)的POD活性前10d出現(xiàn)誘導,10 d后POD活性表現(xiàn)為抑制。C和D組,供試體內(nèi)POD活性在試驗期間均為抑制,且抑制率隨暴露時間和水體中S2-濃度的增加而增加,表明此濃度范圍下供試植物體內(nèi)酶系統(tǒng)功能紊亂,引起細胞膜結(jié)構(gòu)損傷,與圖1中試驗期間相應(yīng)的濃度組葉綠素總量都表現(xiàn)為減少趨勢相吻合。

2.4 不同濃度S2-對馬來眼子菜CAT活性的影響

CAT能夠清除細胞內(nèi)過多的H2O2,使細胞內(nèi)H2O2維持在一個正常水平,保護細胞膜結(jié)構(gòu),CAT活性與植物的代謝強度及抗病能力有關(guān)。試驗期間的馬來眼子菜供試體內(nèi)CAT活性變化及誘導率(抑制率)計算結(jié)果分別見圖4和表2。

圖4 S2-對馬來眼子菜內(nèi)CAT活性的影響

表2 試驗期間馬來眼子菜CAT誘導率(抑制率)計算結(jié)果

由圖4可知,CK、A和B組馬來眼子菜內(nèi)的CAT活性變化規(guī)律均呈上升趨勢,但試驗期間各濃度組供試體內(nèi)CAT活性均高于CK組;C和D組中馬來眼子菜的CAT活性呈現(xiàn)上升—降低波動特征,前3d表現(xiàn)為上升,3d后CAT活性降低,至15d植物體內(nèi)CAT活性分別降為w=0.51μ g/g 和w=0.09μ g/g。

由表2可知,A和B組馬來眼子菜內(nèi)的CAT活性均被誘導,A組供試植物體的CAT活性隨暴露時間的增加而增加,而B組供試植物體的CAT活性隨暴露時間的增加呈現(xiàn)增加—降低—增加的波動特征。C和D組中馬來眼子菜的CAT活性(除第3d的C組外)均表現(xiàn)為抑制,且抑制率隨著暴露時間和S2-濃度的增加而增大,呈現(xiàn)出明顯的劑量-效應(yīng)關(guān)系。

3 結(jié) 論

a.水體S2-對馬來眼子菜葉綠素合成產(chǎn)生抑制,且抑制程度與S2-濃度有關(guān)。當c(S2-)≤0.05 mmol/L時,馬來眼子菜葉綠素總量隨培養(yǎng)時間呈增加趨勢,光合作用可正常進行;當c(S2-)＞0.2 mmol/L時,葉綠素總量隨試驗水體S2-濃度的增加而降低。

b.在 S2-濃度為 0.05mmol/L、0.1mmol/L、0.2 mmol/L和0.3mmol/L的各試驗水體中,馬來眼子菜供試體內(nèi)MDA質(zhì)量比均低于對照組,說明供試植物體受到S2-的損傷,且損傷程度隨水體S2-濃度及其暴露時間的增加而加重。

c.馬來眼子菜體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)對S2-脅迫作出了敏感響應(yīng)。馬來眼子菜供試體內(nèi)的POD、CAT活性變化規(guī)律具有相似性。試驗期間c=0.05 mmol/L的A組活性均高于空白組活性;當水體中c(S2-)≤0.05mmol/L時,試驗期間馬來眼子菜內(nèi)POD、CAT活性均升高,表現(xiàn)出明顯的誘導作用;當水體中c(S2-)為0.1mmol/L和0.2mmol/L時,POD、CAT活性先誘導后抑制,說明高濃度和長時間暴露條件下,POD及CAT走向了負響應(yīng),馬來眼子菜的抗逆性降低。

d.試驗結(jié)果表明,馬來眼子菜對S2-具有一定的耐受性,當試驗水體c(S2-)≤0.05mmol/L時,供試植物體可通過調(diào)整生理生化過程而繼續(xù)生長;當c(S2-)≥0.2mmol/L時,馬來眼子菜損傷嚴重,無法維持正常生長。

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Effects of sulfide(S2-)on physiological and biochemical indicators of potamogeton malaianus

XING Ya-nan1,RUAN Xiao-hong1,2
(1.College of Environmental Science and Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China;2.School of Earth Science and Engineering,Nanjing University,Nanjing210093,China)

In order to study the effectsof sulfide on the physiological and biochemical process ofpotamogeton malaianus,the effects of different concentrations of sulfide(0.0mmol/L,0.05mmol/L,0.1mmol/L,0.2mmol/L,and 0.3mmol/L)on the contents of total chlorophyll,malonaldehyde(MDA),and activities of two antioxidant enzymes(POD and CAT)inpotamogeton malaianuswere investigated using the static hydroponic method.The results showed that the content of total chlorophyll inpotamogeton malaianusincreased with training time when sulfide concentrationwas less than or equal to 0.05 mmol/L;the growth of the plant was apparently affected,the concentration of chlorophyll decreased,and photosynthesis ofpotamogeton malaianuswas inhibited at all timeswhen sulfide concentrationwas higher than 0.2mmol/L;MDA content ofpotamogeton malaianusin exposure displayed stress effects,and the degree of cytoplasmic membrance peroxidization ofpotamogeton malaianusincreased with the concentration of S2-and the exposure time;activities of two typesof antioxidant enzymes were maintained or increased when sulfide concentration was less than or equal to 0.05 mmol/L;and with higher sulfide concentration(≥0.1mmol/L),the activities of antioxidant enzymes decreased,and there was a certain dose-negative response relationship between them.

effect of sulfide;potamogeton malaianus;chlorophyll;malonaldehyde;antioxidant enzymes

X171.5

A

1004-6933(2010)04-0046-03

10.3969/j.issn.1004-6933.2010.04.013

國家自然科學基金(40573051);江蘇省自然科學基金(BK2006169)

邢雅囡(1979—),女,山東煙臺人,博士研究生,研究方向為水環(huán)境保護和水生態(tài)系統(tǒng)修復。E-mail:xyn@hhu.edu.cn

阮曉紅,女,教授。E-mail:ruanxh@nju.edu.cn

2010-04-09 編輯:高渭文)