水體銅污染對吊蘭生長與生理特性的影響

張 星， 閆子木， 鄭雪雯， 王友保,2

(1.安徽師范大學 生命科學學院，安徽 蕪湖 241000；2.安徽師范大學 生物環(huán)境與生態(tài)安全安徽省高校省級重點實驗室，安徽 蕪湖 241000)

引言

近年來，隨著各種工礦企業(yè)廢水的排放，水體的重金屬污染日趨加劇，嚴重影響著人類及其它生物的生存[1]。重金屬污染主要來源于采礦、冶煉等工礦企業(yè)排放的三廢，汽車排放的尾氣、農(nóng)藥和化肥施用的化學物質(zhì)等。水體重金屬污染主要是由于水體中重金屬離子的濃度超過了一定的濃度標準而引起的，主要有Cu、Hg、Cr、Pb、Cd等。近年來，我國近岸海域海水樣品中，銅的超標率為25.9%[2]。根據(jù)2014年發(fā)布的“全國土壤污染狀況調(diào)查報告”顯示，我國重金屬污染形勢嚴峻，污染物的總超標率約為16%，其中銅污染物點位超標率就達到2.1%[3,4]。我國31個主要湖泊沉積物重金屬污染特征研究表明，平均含量最高的重金屬是Zn和Cu，分別為36.89和99.52 mg·kg-1[5]。沉積物中重金屬釋放到水體中，造成水生生態(tài)系統(tǒng)的破壞，嚴重影響水生動植物的生長發(fā)育[6]。據(jù)相關(guān)報道[7，8]，當銅離子濃度達到2～4mg·L-1時即可導(dǎo)致竹葉眼子菜或水鱉的死亡。因此，如何修復(fù)重金屬Cu污染的水體，是亟待解決的重要環(huán)境問題，成為國內(nèi)外研究的熱點。目前治理水體重金屬污染的方法有物理法、化學法、生態(tài)修復(fù)方法等。傳統(tǒng)的物理法、化學法要求的技術(shù)高、費用多且易造成二次污染，在實際應(yīng)用中具有諸多局限[9]。一些植物具有吸附金屬的功能，利用植物修復(fù)法來消除有毒有害源，可以美化環(huán)境，是容易被人們接受的生態(tài)修復(fù)方法。利用植物修復(fù)重金屬污染水體，具有成本低、效率高、低能耗、無二次污染等優(yōu)勢[10]，特別是超積累植物能夠超量吸收重金屬這一特點，使得植物修復(fù)技術(shù)在環(huán)境污染治理中發(fā)揮巨大潛能[11,12]。

吊蘭(Chlorophytumcomosum)隸屬于百合科吊蘭屬，為重要觀賞植物，對Pb、Cd、Cu、Zn等多種重金屬具有很強的耐性和富集能力[13,14]。因此，本實驗選取吊蘭進行水體Cu污染下的栽培試驗，研究水體Cu污染對吊蘭生長的影響，探討構(gòu)建以吊蘭為主體的生態(tài)浮島對Cu污染水體的修復(fù)效果，為利用陸生觀賞植物進行重金屬污染水體的修復(fù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

吊蘭幼苗均取自吊蘭母枝，選取苗高、生長狀況相似的吊蘭苗，用蒸餾水沖洗數(shù)次后，修剪掉2/3的老根，用濃度為1%的KMnO4對吊蘭進行根部消毒10min，清水中緩苗1周后，選取生長情況大致相同的吊蘭幼苗作為試驗材料。

1.2 實驗設(shè)計

在實驗室內(nèi)采用水培實驗，將吊蘭幼苗放入Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)一周，待用。以Hoagland營養(yǎng)液為稀釋液，分別加入不同含量的CuSO4調(diào)節(jié)，使培養(yǎng)液中Cu含量(以Cu2+濃度計)分別為2.5mg·L-1、5mg·L-1、10mg·L-1、20mg·L-1。以Hoagland營養(yǎng)液(不含Cu)為對照(CK)，將吊蘭的根區(qū)懸浮培養(yǎng)在含有上述不同處理培養(yǎng)液的塑料盆中，每盆放入3顆吊蘭苗。以上每個處理均設(shè)3個重復(fù)，每5天更換培養(yǎng)液一次，30天后取樣分析。

1.3 測定方法

(1)吊蘭生長指標的測定：30天后取出吊蘭，用刻度尺(最小分度值為mm)分別測量吊蘭根長(cm)和株高(cm)。采用排水法測定吊蘭根體積(mL)。從每盆中隨機選取一株吊蘭，取其地上和地下部分稱量鮮重(g)后，將其經(jīng)105℃殺青，75℃過夜，再分別稱量其地上部分和地下部分的干重(g)。

(2)吊蘭生理指標的測定：用數(shù)顯電導(dǎo)儀(DDS-11A)測定吊蘭葉片電導(dǎo)率，單位為μs·cm-1；分別以TCA和丙酮提取丙二醛(MDA)和葉綠素，并用可見光分光光度計(WFJ7200型)測定其含量。采用高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶(CAT)的活性；采用愈傷木酚法測定過氧化物酶(POD)的活性[15]。

(3)銅含量的測定：使用火焰原子吸收分光光度法(AA-6800型原子吸收分光光度計)測定吊蘭葉片和根中的銅含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 21.0分析軟件進行數(shù)據(jù)處理分析。

耐性指數(shù)=(處理組植株根長/對照組植株根長)×100%

2 結(jié)果與討論

2.1 Cu污染對吊蘭生長的影響

不同濃度Cu脅迫下，水培吊蘭30d后，吊蘭的生長情況如表1所示。從表1可看出，吊蘭在水體中Cu濃度為20mg·L-1范圍內(nèi)都可生長，但隨著Cu濃度的升高，吊蘭的生長狀況發(fā)生變化。CK組(Cu濃度為0mg·L-1),吊蘭的株高，根長，根體積都是最高；而在Cu濃度為5.0mg·L-1的情況下，吊蘭的株高，根長，根體積以及生物量均為最低，耐性指數(shù)也最低。在其他Cu濃度下，吊蘭的生長狀況均表現(xiàn)為比CK組差，比Cu濃度為5mg·L-1時生長好，在Cu濃度為2.5mg·L-1時，生物量略高于CK組，但差異不顯著。由此可見，隨著水體銅濃度的增加，吊蘭生長受到抑制，在Cu濃度為5mg·L-1時對吊蘭的生長影響最大，而當水體Cu濃度繼續(xù)增大時，對吊蘭的生長抑制降低，這可能是因為隨著Cu濃度的增高吊蘭逐漸形成了穩(wěn)定的耐性機制。

表1 Cu污染對吊蘭生長的影響

2.2 Cu污染對吊蘭生理特性的影響

植物在逆境脅迫下，植物細胞原生質(zhì)的膜結(jié)構(gòu)會受到不同程度的損傷，膜的透性增加，細胞內(nèi)部電解質(zhì)外滲，電導(dǎo)率隨之增大。膜結(jié)構(gòu)的破壞程度和逆境脅迫程度呈正相關(guān)[15]。從圖1可看出，在Cu濃度為5mg·L-1時，吊蘭葉片所測得的電導(dǎo)率最大，Cu濃度為20mg·L-1時，電導(dǎo)率較高。即吊蘭在Cu濃度為5mg·L-1時受到的脅迫最嚴重。

植物在逆境或衰老條件下，會發(fā)生膜脂的過氧化作用。丙二醛是膜脂過氧化產(chǎn)物之一，其含量的變化可作為檢測逆境條件下膜系統(tǒng)受損程度的指標。丙二醛含量越高，細胞膜透性越大，細胞受傷害程度也就越大[16]。從圖2可看出，當Cu濃度分別為5mg·L-1、20mg·L-1時，丙二醛含量較高，即吊蘭受脅迫較為嚴重；銅濃度為2.5mg·L-1和10mg·L-1時，丙二醛含量比CK組低，說明2.5mg·L-1和10mg·L-1Cu濃度脅迫下對吊蘭的損害程度不大，這可能與吊蘭生長受其他因素保護有關(guān)。

圖1 Cu污染下吊蘭葉片的電導(dǎo)率

圖2 Cu污染下吊蘭葉片的丙二醛含量

Figure 2 Malondialdehyde content in the leaves ofC.comosumunder Cu contamination

光合色素是植物光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，葉綠素含量是反映植物光合作用強度的指標之一[17]。從表2可以看出，總趨勢是葉綠素a/b隨著Cu濃度的升高而降低，在銅濃度為5mg·L-1時最低。這說明銅離子對葉綠素a的破壞作用大于葉綠素b，而植物進行光合作用最重要的作用中心色素分子正是某些葉綠素a分子。

植物為保護自身免受活性氧的傷害，在體內(nèi)產(chǎn)生抗氧化酶和非酶抗氧化劑，CAT和POD都是重要的抗氧化酶。在正常條件下，植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除處于動態(tài)平衡狀態(tài)，不會因為積累過多的活性氧而影響植物正常生長發(fā)育。但當植物遭受重金屬脅迫時，活性氧會過量積累，從而對植物造成傷害[18-20]。從圖3中可看出，POD的活性出現(xiàn)小幅度波動，可見Cu污染下吊蘭POD活性所受到的抑制沒有明顯的緩解作用。而CAT的活性先隨著Cu濃度的增高而變大，后又隨著Cu濃度增高而急劇減小，再隨著Cu濃度升高而增大，后又隨著Cu濃度增大而降低；當Cu濃度為20mg·L-1時，CAT活性最低。這一結(jié)果說明，隨著銅濃度的增加，吊蘭CAT的活性對銅脅迫更加敏感。

表2 Cu污染對吊蘭葉片生理指標的影響

Table 2 Effects of Cu pollution on several indexes ofC.comosumleaves

Cu濃度(mg·L-1)CK2.55.010.020.0葉綠素a/b3.0262.4212.3752.4122.403電導(dǎo)率(μs·cm-1)58.1062.6571.7564.3568.25丙二醛(mmol·L-1)0.0160.0110.0240.0150.023POD活性(U)60240060160CAT活性(U)93614966241328456

圖3 Cu污染下吊蘭葉片的POD和CAT活性Figure 3 POD and CAT activities of the leaves of C.comosum under Cu pollution

2.3 吊蘭富集的Cu含量

植物從環(huán)境中吸收營養(yǎng)物質(zhì)以滿足生長發(fā)育的同時，還會主動和被動吸收許多非必需的物質(zhì)。吊蘭由于長時間在Cu污染的水體下生長，植物體內(nèi)富集了一定量的Cu[21]。從表3可看出，吊蘭根中的Cu含量普遍較葉片中高。這和根系是吸收重金屬的主要部分，Cu首先被吊蘭根吸收，而后向植物體內(nèi)遷移，進而到達葉片這一過程有關(guān)。在Cu濃度為10mg·L-1時，根中的Cu含量達到最高，當Cu濃度為20mg·L-1時，吊蘭葉片中富集的Cu含量最高，并且在此濃度下葉片和根中的總Cu含量為最高。隨著Cu濃度的增大，吊蘭體內(nèi)富集的Cu含量總體呈現(xiàn)升高趨勢。

表3 吊蘭葉片與根中Cu含量

3 結(jié)論

(1)利用吊蘭進行水體Cu濃度修復(fù)試驗，結(jié)果表明不同Cu濃度下，吊蘭生長狀況不同。在無Cu處理時，吊蘭生長狀況最好；隨著Cu濃度升高，吊蘭生長受到不同程度的抑制。特別當Cu濃度為5.0mg·L-1時，吊蘭生長狀況表現(xiàn)最差；吊蘭在Cu濃度為20mg·L-1脅迫下仍能正常生長。

(2)在Cu濃度為5.0mg·L-1時，吊蘭葉片中的電導(dǎo)率和丙二醛含量最高，葉綠素含量最低，說明吊蘭葉片細胞受傷害程度最嚴重，此Cu濃度下的吊蘭生理特性受到影響最大，但吊蘭耐性指數(shù)仍達到了48.8%；在Cu濃度為5.0mg·L-1和20.0mg·L-1時，吊蘭CAT、POD酶活性處于低值狀態(tài)。

(3)吊蘭葉片和根中富集的Cu含量隨培養(yǎng)液中Cu濃度的增加而增加，說明吊蘭富集的Cu含量與Cu濃度呈正相關(guān)。綜觀不同Cu濃度脅迫下吊蘭的生長狀況與生理特性，吊蘭對Cu有很強的耐性。