SO2對農(nóng)作物影響及敏感生理生化監(jiān)測指標(biāo)篩選

席君蘭

(中國石化中原油田分公司環(huán)保監(jiān)測總站)

0 引 言

二氧化硫(SO2)是最常見的大氣污染物之一，能嚴(yán)重影響農(nóng)作物正常生長發(fā)育，造成大面積大幅度減產(chǎn)，對農(nóng)作物帶來的危害是極其嚴(yán)重的[1]。因此，監(jiān)測SO2對農(nóng)作物的傷害在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上具有重要意義，是評價大氣污染物對農(nóng)業(yè)的影響和估價經(jīng)濟(jì)損失費(fèi)用的基礎(chǔ)，同時為保證SO2污染區(qū)糧食生產(chǎn)安全提供依據(jù)。高含硫氣田開發(fā)、凈化廠生產(chǎn)過程中排放的SO2是氣田環(huán)保工作的一項主要內(nèi)容，環(huán)保部門要求開展井場及周邊植被和農(nóng)作物的SO2污染監(jiān)測。

70年代末，國外普遍采用了田間開頂式熏氣罩，使大氣污染對農(nóng)作物的影響在研究方法上有了重大突破。中國從80年代后期陸續(xù)開始采用開頂式熏氣裝置研究植物對大氣污染物的生理生化反應(yīng)，研究低濃度SO2長期暴露對農(nóng)作物的影響及高濃度SO2對農(nóng)作物的急性傷害特點。國內(nèi)外大量研究表明，植物的葉片含硫量、細(xì)胞膜透性、可溶性蛋白含量、過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)等生理生化指標(biāo)變化均與大氣SO2濃度有密切關(guān)系[2]。本文利用模擬自然生長環(huán)境的開頂式熏氣裝置，研究高含硫氣田周邊主要農(nóng)作物油菜、水稻和紅薯在不同濃度SO2脅迫下葉片含硫量、細(xì)胞膜透性、可溶性蛋白含量、CAT和SOD 5項生理生化指標(biāo)的變化。

1 實 驗

1.1 SO2濃度監(jiān)測

某氣田試氣期間SO2落地濃度監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 某氣田試氣期間SO2落地濃度監(jiān)測結(jié)果mg/m3

1.2 實驗材料及方法

選擇四川省宣漢縣某氣田周邊胡家鎮(zhèn)農(nóng)民大田種植長勢一致的幼苗期油菜(川油16)、水稻(川江優(yōu)527)、紅薯(當(dāng)?shù)剞r(nóng)民自留種子)作為受試植物。用自制的開頂式熏氣罩罩住油菜、水稻、紅薯，每個罩中3～5株，3種農(nóng)作物共3個熏氣系列。每個系列均由進(jìn)氣系統(tǒng)提供SO2氣體，利用PGM-5020復(fù)合氣體檢測儀檢測熏氣室SO2瞬時濃度。依據(jù)氣田試氣期間SO2落地濃度監(jiān)測結(jié)果設(shè)置熏氣室SO2濃度分別為2.86，6.44，8.58，11.4，14.3，20.0 mg/m3，熏氣時間為3 h。以相同條件下不熏氣的氣室中的植株為對照。

1.3 生理生化指標(biāo)測定

熏氣停止24 h后采集葉片，測定含硫量、細(xì)胞膜透性、可溶性蛋白含量、CAT和SOD 5項生理生化指標(biāo)，重復(fù)測定3次，以平均值作為測定結(jié)果。

葉片含硫量測定采用 HCl+HNO3+HClO4消解，BaCl2比濁法測定[3]；細(xì)胞膜透性測定采用王宇超等的方法[4]；可溶性蛋白質(zhì)含量測定參考李合生的方法[5]；CAT、SOD活性測定參考鄒琦的方法[6]。

2 結(jié)果與討論

2.1 SO2對農(nóng)作物生理生化指標(biāo)的影響

2.1.1 SO2對葉片含硫量的影響

圖1 SO2對農(nóng)作物葉片含硫量的影響

2.1.2 SO2對葉片細(xì)胞膜透性的影響

SO2對農(nóng)作物葉片細(xì)胞膜透性的影響如圖2所示。隨著SO2熏氣濃度的增加，葉片細(xì)胞相對電導(dǎo)率升高，表明細(xì)胞膜受損程度加大。當(dāng)熏氣濃度為2.86 mg/m3時，油菜、水稻、紅薯的相對電導(dǎo)率與對照的比值分別為1.20，2.33，1.16；當(dāng)熏氣濃度增加到20.0 mg/m3時，油菜、水稻、紅薯的相對電導(dǎo)率與對照的比值分別為6.60，5.57，2.20，細(xì)胞膜受損程度進(jìn)一步增大。隨著熏氣濃度增加，油菜和水稻葉片細(xì)胞膜透性增加較明顯，紅薯葉片增加幅度較小。細(xì)胞膜透性升高是由于SO2引起植物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)蛋白改變，導(dǎo)致細(xì)胞膜滲透性改變，引起電解質(zhì)外滲，細(xì)胞膜透性變大，這會破壞酶及代謝作用原有的區(qū)域性，從而影響細(xì)胞的各種生理代謝，是植物受損的原因之一。細(xì)胞膜透性大小能夠反映出細(xì)胞膜受損的程度。

圖2 SO2對農(nóng)作物葉片細(xì)胞膜透性的影響

2.1.3 SO2對葉片可溶性蛋白含量的影響

圖3 SO2對農(nóng)作物葉片可溶性蛋白含量的影響

2.1.4 SO2對葉片CAT活性的影響

SO2對農(nóng)作物葉片CAT活性的影響如圖4所示。經(jīng)SO2處理后，油菜和紅薯CAT活性與對照之間差異顯著，當(dāng)熏氣濃度為20.0 mg/m3時，比值分別為0.17，0.52，表明SO2處理對CAT活性有較強(qiáng)的抑制作用。水稻CAT活性隨SO2濃度變化的幅度較小，當(dāng)SO2濃度為20.0 mg/m3時，與對照的比值為0.83，熏氣前后變化不大。經(jīng)SO2處理后，不同植物CAT活性變化幅度存在差異，說明相同濃度的SO2對不同植物CAT活性影響不同，3種受試植物CAT活性對SO2的敏感程度為油菜>紅薯>水稻。

圖4 SO2對農(nóng)作物葉片CAT活性的影響

2.1.5 SO2對葉片SOD活性的影響

SO2對農(nóng)作物葉片SOD活性的影響如圖5所示。水稻和紅薯SOD活性呈現(xiàn)相同的變化趨勢，在2.86 mg/m3低濃度處理下均呈現(xiàn)升高的趨勢，與對照的比值分別為1.24，1.26；處理濃度增加到8.56 mg/m3時，SOD活性開始下降，與對照的比值分別為0.95，0.89；處理濃度為20.0 mg/m3時，與對照的比值分別為0.91，0.84。其原因為植物自身在受到SO2脅迫后，葉片產(chǎn)生的SOD含量增強(qiáng)，以此提高O2的轉(zhuǎn)化量以抵擋外界的脅迫。而當(dāng)SO2脅迫強(qiáng)度加重時，過量的SOD歧化產(chǎn)生過量的H2O2，H2O2的過量累積又抑制了SOD的合成，所以SOD含量隨著濃度的增加呈下降趨勢。油菜SOD活性隨熏氣濃度的增大變化幅度較小，在3種濃度處理下和對照的比值分別為0.99，0.99，0.98，與對照相比沒有明顯差異。表明油菜SOD活性對SO2反應(yīng)不敏感。

圖5 SO2對農(nóng)作物葉片SOD活性的影響

2.2 對SO2敏感監(jiān)測指標(biāo)篩選

對3種受試植物的5個監(jiān)測指標(biāo)與SO2熏氣濃度之間進(jìn)行一元相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)見表2。SO2熏氣濃度為0～8.58 mg/m3時，與油菜、水稻、紅薯葉片含硫量、細(xì)胞膜透性在0.05的水平下存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，與可溶性蛋白含量之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這說明隨著SO2熏氣濃度的增加，3種受試植物葉片含硫量、細(xì)胞膜透性呈線性增加，可溶性蛋白含量呈線性減少。SO2熏氣濃度為8.58～20.0 mg/m3時，油菜葉片含硫量、細(xì)胞膜透性、可溶性蛋白含量與熏氣濃度在0.05的水平下仍存在顯著相關(guān)關(guān)系，隨著熏氣濃度增加，水稻、紅薯葉片含硫量、細(xì)胞膜透性、可溶性蛋白含量與熏氣濃度之間的相關(guān)性有所降低。不同受試植物的抗氧化酶CAT、SOD活性的變化與SO2熏氣濃度存在一定的關(guān)系，但不存在顯著線性相關(guān)關(guān)系。因此，篩選葉片含硫量、細(xì)胞膜透性和可溶性蛋白含量作為反映植物受SO2污染狀況的監(jiān)測指標(biāo)。

表2 SO2熏氣濃度和生理生化指標(biāo)相關(guān)性

注：*和**分別表示在0.05和0.01水平下顯著相關(guān)。

3 結(jié) 論

植物接觸致害劑量的SO2可引起葉片脅迫癥狀和一系列細(xì)胞生理生化指標(biāo)的變化，使生理機(jī)能減弱，生產(chǎn)力降低。植物最先受到影響的部分是細(xì)胞膜，SO2可引起膜脂過氧化反應(yīng)，生成TBA-RS，細(xì)胞膜透性的破壞引起電解質(zhì)外滲，植株表觀出現(xiàn)脅迫傷害癥狀；SO2同時影響植物體內(nèi)的代謝過程，光合作用、蒸騰作用降低，呼吸速率增加，引起酶活性的改變。本實驗中，采用田間開頂式熏氣裝置對油菜、水稻和紅薯3種農(nóng)作物進(jìn)行SO2急性傷害處理，考察SO2熏氣對受試植物生理生化指標(biāo)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)3種農(nóng)作物的葉片含硫量、細(xì)胞膜透性、可溶性蛋白含量有相同的變化趨勢，其中葉片含硫量、細(xì)胞膜透性隨熏氣濃度增加呈升高趨勢，可溶性蛋白含量隨熏氣濃度增加呈降低趨勢，上述結(jié)果與近年來其他研究結(jié)果類似[7]。3種作物的抗氧化酶CAT、SOD活性隨SO2熏氣處理也有較大的變化幅度，但不同作物的變化趨勢不同?？寡趸富钚缘淖兓c植物的種類、抗性、熏氣濃度設(shè)置都有關(guān)系，處理條件不同可呈現(xiàn)不同變化趨勢。SO2對酶和其他具有生理生化作用的蛋白質(zhì)分子的一個重要影響是切割二硫鍵，蛋白質(zhì)分子中二硫鍵的破壞改變蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)型，使酶失去活性和催化作用。本實驗將5項生理生化指標(biāo)測定結(jié)果與0～8.58，8.59～20.0 mg/m3SO2熏氣濃度進(jìn)行線性回歸分析，并對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗。結(jié)果表明：農(nóng)作物葉片含硫量、可溶性蛋白、細(xì)胞膜透性3項指標(biāo)與SO2在0～8.58 mg/m3濃度范圍在0.05的水平上存在顯著相關(guān)，其中葉片含硫量、細(xì)胞膜透性與SO2濃度呈正相關(guān)，可溶性蛋白則呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。這3個指標(biāo)對SO2較敏感，是監(jiān)測SO2傷害農(nóng)作物的有效指標(biāo)。因此，可通過測定葉片含硫量、可溶性蛋白、細(xì)胞膜透性反映油菜、水稻、紅薯受SO2傷害的程度。