砷脅迫對青萍PSⅡ熒光參數(shù)和光響應(yīng)的影響

鐘智遙，胡 良，王香蓮，高桂青，樊后保，孫 瓏，胡晨陽，胡盛明

(南昌工程學(xué)院 1.水利與生態(tài)工程學(xué)院；2.江西省退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗室；3.土木與建筑工程學(xué)院；江西 南昌 330099)

砷(As)作為自然界廣泛分布且含有劇毒的類金屬元素，主要存在于地殼及巖層中，通常以硫化礦物的形式存在[1]。由于人類活動如農(nóng)藥噴灑和采礦等，導(dǎo)致砷進(jìn)入地下水及表層水，造成地區(qū)嚴(yán)重的砷污染，數(shù)以萬計的人因飲用受砷污染的水導(dǎo)致生命健康受到影響[2]。此外，砷還可以通過食物鏈傳播影響人體健康，因而砷污染問題引起人們廣泛關(guān)注[3-4]。

浮萍(Duckweed)廣泛存在于我國各類淡水環(huán)境中，具有繁殖速度快，對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[5]。作為一種水生被子植物，對于水體生態(tài)修復(fù)有重要作用[6]。我國的浮萍科植物含4屬約30種，主要為青萍(LemnaminorL)、稀脈浮萍(Lemnaperpusilla)、紫背浮萍(Spirodelapolyrrhiza)、少根紫萍(Landoltiapunctata)、蕪萍(Wolffiaarrhiza)[7]。大量研究表明浮萍能夠富集重金屬[8]。目前研究主要集中于重金屬(鎘、鉻、銅、鉛、鎳和鈷)等與浮萍發(fā)生生理生化反應(yīng)[9-11]，而研究砷脅迫條件下對青萍(LemnaminorL)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響文獻(xiàn)較為少見。葉綠素?zé)晒鈪?shù)可以代表植物的生長潛力，由光系統(tǒng)PSⅡ引起的熒光參數(shù)變化包含了光合活動許多信息，因此可以反映植物對環(huán)境的耐受程度[12-13]。且葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定能夠在不傷及植物本身，對植物光合作用具有快速反應(yīng)等特點(diǎn)[14]，能夠反映葉片PSⅡ活性[15]。陳夏媛對浮萍進(jìn)行耐砷試驗發(fā)現(xiàn)青萍(D0101)能保持較高的生物量，對砷的富集也能達(dá)到最大[16]。此外青萍在浮萍中的生長速度遠(yuǎn)強(qiáng)于其他浮萍品種[17]，且在江蘇[18]、江西[19]等地均為優(yōu)勢品種。因此本次試驗以青萍為研究對象，在砷脅迫處理條件下，測定其相應(yīng)的熒光參數(shù)指標(biāo)和砷富集量，探討砷脅迫對青萍PSⅡ反應(yīng)中心的影響，旨在為利用青萍修復(fù)砷污染水體提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料培養(yǎng)與處理

青萍于2021年5月初取自江西省南昌市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，為使試驗條件一致，選取形狀顏色一致(單葉片或雙葉片，青綠色)的青萍，作為試驗材料。將采集到的青萍均勻鋪于塑料方盒中(長36 cm、寬28 cm、高8 cm)，每盆約8 g，共5盆(覆蓋率約80%)。加入Hoagland營養(yǎng)液至6 cm刻度處，培養(yǎng)一周，隨后每盆取0.9g青萍放至塑料小盆中(長14 cm，寬10 cm，高5 cm)(覆蓋率約80%)，盆內(nèi)加入400 mL Hoagland培養(yǎng)液，然后根據(jù)試驗設(shè)計加入不同濃度的亞砷酸鈉(NaAsO2，As3+)溶液進(jìn)行處理。As3+濃度梯度依次為0、1、3、6、12mg/L，用As0、As1、As3、As6、As12表示。As0表示對照組(CK)。試驗分為5組，每個處理設(shè)置3個重復(fù)，共15組。青萍于16 h光照(白熾燈，100μmol·m-2·s-1)/8 h黑暗的恒溫室(25 °C)中培養(yǎng)。脅迫處理5 d后，進(jìn)行各項指標(biāo)的測定。整個試驗在南昌工程學(xué)院退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)實(shí)驗室內(nèi)完成。

1.2 測定方法

1.2.1 青萍鮮重與干重的測定

用漏勺撈起青萍，將青萍用去離子水沖洗1 min后，平鋪于濾紙上用天平進(jìn)行鮮重測定。將青萍放入信封內(nèi)，置于80 ℃烘箱烘干24 h后，用天平進(jìn)行干重測定。

1.2.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)和快速光響應(yīng)曲線的測定

As3+處理青萍5 d后，采用水下飽和脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(DIVING-PAM)測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)和快速光響應(yīng)曲線。測試方法參考高桂青[20]等的方法。

1.2.3 青萍體內(nèi)砷含量測定

采用電熱板消解法，稱取適量青萍放入聚四氟乙烯坩堝中，盛樣坩堝加入2滴去離子水濕潤，加入10 mL硝酸和1 mL高氯酸，250 ℃消解至坩堝內(nèi)液體呈無色。消解結(jié)束后取下坩堝冷卻，加入5 mL硫脲-抗壞血酸(5%)，用5%稀鹽酸洗入50 mL容量瓶中定容。采用原子熒光分析儀(SA-20)進(jìn)行砷含量的測定，測試方法參考王凱等的方法[21]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗結(jié)果為3次以上平行數(shù)據(jù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，用SPSS19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(One-wayANOVA)、Duncan多重比較分析和Pearson相關(guān)性分析，P<0.05表示顯著差異，P<0.01表示極顯著差異，制圖采用Origin8.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 As3+脅迫對青萍生長的影響

根據(jù)設(shè)置試驗濃度，脅迫5 d后進(jìn)行鮮重和干重測量，結(jié)果如表1所示，隨試驗濃度增大青萍鮮重與干重都呈顯著下降趨勢(P<0.05)，當(dāng)砷濃度超過3 mg/L時，青萍鮮重隨砷濃度升高已無顯著變化。當(dāng)砷濃度為12 mg/L時，青萍鮮重為對照組的40.79%，干重為對照組的46.39%。表明高濃度砷對青萍生長有明顯的抑制作用。這與Wang[22]等研究發(fā)現(xiàn)浮萍在鎘濃度為0.05 mg/L時，抑制率為25%的結(jié)果具有相似性。砷濃度與青萍鮮重和干重相關(guān)性分別為-0.812和-0.706(表2)。

表1 不同濃度As3+處理對青萍生物量影響

表2 As3+脅迫各指標(biāo)相關(guān)性

2.2 As3+脅迫對青萍Fv/Fm與Fv/Fo的影響

由圖1可看出，F(xiàn)v/Fm與Fv/Fo均隨著砷濃度的增加而降低。Fv/Fm與Fv/Fo分別在As3+≥6 mg/L和As3+≥1 mg/L時，呈顯著下降趨勢(P<0.05)。當(dāng)As3+≤3 mg/L時，F(xiàn)v/Fm無顯著差異，說明青萍對低濃度砷脅迫具有一定的自我調(diào)節(jié)能力；當(dāng)As3+≥6 mg/L時，青萍PSⅡ反應(yīng)中心開始受到損壞，可能發(fā)生了光抑制。在As≥6 mg/L時，F(xiàn)v/Fo的數(shù)值大幅下降，說明青萍潛在光化學(xué)效率受高濃度砷影響十分顯著。在砷濃度為As3+=12 mg/L時，F(xiàn)v/Fm與Fv/Fo分別為對照組的40.59%和8.81%。這與李伶[23]等發(fā)現(xiàn)浮萍在鎘濃度為6 mg/L時，F(xiàn)v/Fm變化十分敏感，3 d內(nèi)較對照組下降了14.95%相似。Fv/Fm與砷濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)性為-0.940，F(xiàn)v/Fo與砷濃度相關(guān)性為-0.859(表2)。

2.3 As3+脅迫對青萍Y(Ⅱ)、Y(NPQ)、Y(NO)的影響

由圖2可看出，隨著砷濃度升高，有效量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)呈顯著下降趨勢(P<0.05)，調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量Y(NPQ)呈顯著上升趨勢(P<0.05)，但當(dāng)As3+≥3 mg/L時，Y(NPQ)已無顯著變化(P>0.05)，非調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量Y(NO)呈顯著上升趨勢，且濃度越高時趨勢越明顯。當(dāng)As3+的濃度為12 mg/L時，Y(Ⅱ)為對照組的28.87%，Y(NPQ)為對照組的1.35倍，Y(NO)為對照組的2.63倍。這與高桂青等[20]發(fā)現(xiàn)黑藻在受鎘脅迫時，Y(Ⅱ)顯著減小，Y(NO)顯著增加結(jié)果具有一致性，Y(NPQ)先增后減是因為較高濃度鎘破壞了黑藻調(diào)節(jié)性耗散機(jī)制。Y(Ⅱ)和Y(NO)與砷濃度在(P<0.05)時分別呈顯著負(fù)相關(guān)和顯著正相關(guān)，相關(guān)性為-0.900和0.929；Y(NPQ)與砷濃度相關(guān)性為0.769(表2)。

2.4 As3+脅迫青萍qP、qN與電子傳遞速率(ETR)的光響應(yīng)

由圖3知，qP隨著處理組砷濃度增加而降低；當(dāng)As3+的濃度為12 mg/L時，qP為對照組的58.05%。隨著砷濃度升高，qN呈先增后減的趨勢(圖3)。這與劉濤等[24]發(fā)現(xiàn)西南樹平蘚在鉛濃度10 mg/L時，qP在10 d后較對照組減少了58.28%的研究結(jié)論一致。

圖3 不同砷濃度脅迫青萍qP、qN的光響應(yīng)

qN在As3+的濃度為3 mg/L達(dá)到峰值，為對照組1.27倍，當(dāng)As3+≥6 mg/L時，qN顯著下降(P<0.05)。以上表明隨著施砷濃度的增加，青萍光合機(jī)構(gòu)損傷程度不斷提高，當(dāng)超過其承受能力時，不再上升反而隨之下降。qP與砷濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)性為-0.943；qN與砷濃度相關(guān)性為-0.771(表2)。

由圖4知，在不同砷濃度處理組脅迫下，電子傳遞效率ETR均隨著光合輻射強(qiáng)度PAR增大呈現(xiàn)先增加后逐步趨于穩(wěn)定的趨勢，在保持PAR不變的情況下，對照組的ETR顯著高于砷處理組，且隨著施砷濃度的增加，青萍的ETR增長逐漸緩慢，到達(dá)峰值后下降趨勢也更加明顯。高桂青[20]等研究發(fā)現(xiàn)黑藻在受鎘和鋅脅迫下，ETR隨PAR值增大而減小，黑藻與青萍在受重金屬脅迫時，PSⅡ反應(yīng)中心均受到抑制。所有處理組的ETR值基本在PAR為632 μmol·m-2·s-1達(dá)到最大值，在砷濃度為12 mg/L時和PAR為632 μmol·m-2·s-1時，ETR值僅為對照組的24.53%。

2.5 不同砷濃度脅迫下對青萍砷富集的影響

由表3可看出，青萍對砷的單位富集量隨砷濃度的增加呈現(xiàn)顯著上升趨勢(P<0.05)。當(dāng)砷濃度為1 mg/L時，青萍的砷單位富集量為196.05 mg/kg，當(dāng)砷濃度為12 mg/L時，砷單位富集量為982.09 mg/kg，是前者的5倍。陳夏媛[15]等研究發(fā)現(xiàn)青萍D0101在As(V)濃度為40 mg/L能超富集砷有相似性。青萍砷單位富集量與砷濃度呈一定的線性關(guān)系，在(P<0.01)時砷富集量與砷濃度呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)性為0.981。表明在一定的濃度范圍內(nèi)，施砷濃度越高，青萍的砷單位富集量越高。

表3 不同濃度As3+處理對青萍砷單位富集量影響

圖4 不同砷濃度脅迫青萍ETR的快速光響應(yīng)

3 討論

青萍的鮮重與干重反映了植物的生長狀況，在不同砷濃度處理時，青萍的鮮重與干重均呈顯著下降趨勢(P<0.05)(表1)，當(dāng)As3+>3 mg/L時，生物量明顯下降甚至不再生長，表明砷脅迫對植物生長有明顯的抑制作用，低濃度時存在一定耐受性仍可以生長發(fā)育，高濃度時嚴(yán)重抑制甚至?xí)偈骨嗥疾簧L[25]。Fv/Fm與Fv/Fo分別表示青萍在暗適應(yīng)下的最大光化學(xué)效率與潛在光化學(xué)效率，可以反映青萍在砷脅迫下光合作用光反應(yīng)受影響程度的情況[26]，具有指示意義。而Fv/Fm與Fv/Fo呈顯著下降趨勢(P<0.05)(圖1)，正常狀態(tài)下Fv/Fm值應(yīng)在0.8左右[27-28]，低于這個值說明青萍的光合作用受到抑制，PSⅡ反應(yīng)中心受損[29]。也可能是因青萍葉片和根均直接接觸水體，在砷加入水體后，葉片中的的類囊體在砷作用下，類囊體膜中的電子傳遞過程受到阻礙，類囊體膜中的能量水平超過植物葉綠體消耗的能量，所以可能產(chǎn)生一定的毒性[30]，影響細(xì)胞膜光合作用活性，導(dǎo)致Fv/Fm與Fv/Fo下降(圖1)。

Y(Ⅱ)、Y(NPQ)、Y(NO)均表示PSⅡ反應(yīng)中心光量子參與轉(zhuǎn)化和耗散的途徑，研究表明三者的總和約為1，Y(Ⅱ)和Y(NPQ)隨砷濃度增加分別呈現(xiàn)顯著下降和顯著上升的趨勢(P<0.05)(圖2)，這說明PSⅡ反應(yīng)中心受到損害，表現(xiàn)為光合作用的原初反應(yīng)被抑制，同時光合電子的傳遞過程受到一定程度的阻礙[20]。青萍在砷作用下，Y(NO)隨著砷處理濃度的升高而升高，表明青萍PSⅡ受到砷的脅迫傷害，不能耗散的光能越多，青萍葉片吸收的部分光量子以非調(diào)節(jié)性能量耗散。

qP反映PSⅡ捕獲光量子轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的效率[31]，隨著砷處理濃度的增加，青萍光化學(xué)效率顯著下降(P<0.05)(圖3)。qN表示PSⅡ吸收的光能中以熱能形式耗散掉的光能部分[32]。隨著施砷濃度升高，qN先增后減，說明青萍可能通過增加PSII反應(yīng)中心熱量耗散來緩解光合系統(tǒng)受到損傷[33]，在高濃度砷(As3+≥6 mg/L)時，qN下降很可能超過青萍承受能力。青萍的ETR隨著PAR的增大呈現(xiàn)先增大后逐漸趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象，說明青萍的電子傳遞效率隨著光強(qiáng)增大而增大，但光強(qiáng)過高，會導(dǎo)致ETR值下降。在PAR保持不變的情況下，隨砷濃度升高，青萍ETR增長速率與最大值明顯下降(P<0.05)(圖4)。說明砷脅迫可能不利于青萍光合產(chǎn)物形成，PSⅡ反應(yīng)中心部分失活，多余的能量以其他方式消耗掉[34]。砷處理濃度越高，青萍體內(nèi)砷的單位吸收量越高，這與熒光參數(shù)指標(biāo)和生物量指標(biāo)隨著砷濃度的升高而下降一致。

4 結(jié)論

不同濃度砷對青萍生物量、葉綠素?zé)晒鈪?shù)和快速光響應(yīng)曲線均有抑制作用，其中對低濃度砷(As3+≤3 mg/L)表現(xiàn)出一定程度耐受性，青萍在受高濃度砷(As3+≥6 mg/L)作用時，脅迫作用顯著增強(qiáng)。青萍受砷危害時，可以通過PSⅡ反應(yīng)中心自我調(diào)節(jié)，但高濃度時會出現(xiàn)PSⅡ反應(yīng)中心部分失活，對光合作用產(chǎn)生抑制。在一定濃度范圍內(nèi)，隨砷濃度提高，青萍砷單位富集量越高。青萍熒光參數(shù)指標(biāo)和光響應(yīng)曲線對砷污染反映靈敏，可以通過測定青萍的熒光參數(shù)指標(biāo)和光響應(yīng)曲線來反映水體中的砷污染程度，對修復(fù)砷污染水體具有重要意義。