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复合重金属胁迫对秋茄幼苗某些生理特性的影响

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生态环境2008,l 7(6):2234—2239 http://www.jeesci.corn Ecology and Environment E—mail:editor@jeesci.corn 复合重金属胁迫对秋茄幼苗某些生理特性的影响 张凤琴 ,王友绍 ,李小龙 1.湖南工业大学绿色包装与生物技术纳米应用湖南省重点实验室,湖南株洲41 2008;2.中国科学院南海海洋研究所,广东广州5 10301 摘要:用5个级别的人工复合重金属污水处理红树植物秋茄Kandelia candel(L.)幼苗,2个月后对其叶绿素含量、叶片和根 系的活性氧清除系统中的保护酶SOD、POD和CAT活性变化以及膜脂质过氧化作用影响进行分析。结果显示:叶绿素a、b 及总量在低浓度处(1 W)有所上升,随着污染级别的升高,三者的含量均下降,且远低于对照组值。SOD活性随着污染级 别的增加呈“先升后降”的变化。l0 w污水时,叶和根系中的SOD活性均达到最大值。POD的活性变化与SOD活性变化相 一致。CAT活性在叶片中不受污染程度的影响,保持相对平稳,但在高级别的污染下,活性有下降的趋势;而根系中CAT 活性在l0 w污水时达到最大值,污染程度再升级时,活性迅速下降。MDA含量在叶片中随着污染级别的增加呈“先降后升”, 而根系中MDA含量却是以升一降一升的模式变化,但它们都在10 w污水时,达到最小值。综合试验结果分析表明,秋茄幼苗 在遭受重金属胁迫时,根系比叶更能有效地清除组织中的活性氧自由基,保护了根的生长,从而提高了抗重金属的能力。 关键词:红树植物秋茄;复合重金属污水;SOD;POD;CAT;MDA;叶绿素 中图分类号:X171.5 文献标识码:A 文章编号:1672—2175(2008)06.2234。06 红树植物是生长在热带、亚热带河口、海岸、 氧清除系统中的保护酶变化,膜脂质过氧化作用的 潮间带受周期性海水浸淹的木本植物。占据于海岸 影响以及叶绿素含量的影响,以阐明红树植物抗重 生态系的关键区,适应于特殊环境从而具有特殊化 金属机制,为利用红树植物生物净化重金属污染提 的形态结构和生理生态挣l生。长期以来,红树林湿 供科学依据。对红树植物和红树林的保护、生态恢 地被认为是排放城镇生活污水和工业废水的便利场 复和持续发展,具有极为重要的生态学意义和经济 所。由于沿海污水排放量日益增大,河口海岸环境 价值。 污染日益严重,尤其是重金属污染。国外早有研究 1材料与方法 者提出用红树植物处理城市污水的设想,认为红树 1.1试验材料 林湿地系统与其他类型的湿地一样具有潜在的净化 成熟的秋茄胚采白海南省三亚市郊,海水盐度 污水能力,并开展了广泛的研究【l击J。国内不少学者 为22%o~30%o。选择质量为25—30 g的,生活力 也多次指出红树林具有过滤陆地径流和内陆带出的 强、无病虫害、大小相近的繁殖体培养于砂中,砂 有机物质和其他污染物的生态功能【7。 。然而,以 装入花盆,每盆种植5株。用1/2 Hogland营养液(含 往的研究主要集中在红树植物盐度、水浸等胁迫下 w(yaC1)=10%o)每3 d浇灌1次,待植株长至3叶 的生理生态反应,某些金属在红树植物中的吸收与 后,分成5组(每组3个平行处理),用1/2 Hogland 分布,以及单个重金属对某些红树植物的光合合成 营养液(含w(yaC1)=10%。)配成的不同污染级别 等生物量的影Ij ̄[2,4,12-13],有关红树植物同时在多种 的人工复合重金属污水对秋茄幼苗进行浇灌(见表 重金属胁迫下,生理生化反应的报道很少【l引。事实 1)。每5 d浇灌1次,每次每个处理500 mL,2个 上,在自然环境中红树植物是在多种重金属共同胁 月后进行取材。 迫及多种胁迫的环境中生长发育,因此有必要研究 1-2方法 红树植物在多种重金属下,各种抗氧化系统的变化, 1.2.1组织提取液的制备 红树植物与重金属之间的关系等等,为红树植物的 分别取0-3 g左右的根和嫩叶,按l:5(质量: 抗重金属机制提供素材,从而有利于红树林生态的 体积)加入50 mmol・L—pH7.8的磷酸缓冲液 保护和发展。 (PBS)[含p=O.Ol mg・L 不溶性聚乙烯吡咯烷酮 本研究以不同程度的人工复合重金属污水浇灌 (PVP),1 0 mmol・L。巯基乙醇1,加少许石英砂于冰 红树植物 k茄Kandelia candel(L.)的幼苗,研究这 浴中迅速研磨成匀浆,用10 000 rxnin 离心15 min, 种红树植物幼苗在多种重金属共同胁迫下体内活性 上清液转入另一离心管中再离心10 min,上清液即 基金项目:中国科学院知识创新工程重要方向项目(KSCX2一SW-132,KZCX3.SW-214) 作者简介:张凤琴(1976年生),女,讲师,博士,主要从事环境生态的研究。E-mail:zhangfq05@163.tom 收稿日期:2008。04 06 张凤琴等:复合重金属胁迫对秋茄幼苗某些生理特性的影响 表1 1/2 Hogland营养液配成人工污水中的各种重金属的终质量浓度 Table 1 The contents ofheavy metals in wastewater-bome with 1/2 Hogland p(重金属) 对照组 1倍污水5倍污水 10倍污水 15倍污水 /(mg‘L ) (C) (1W) (5W) (10W) (15W) 为所需提取液。以上操作均在0~4℃下进行。 1.2.2叶绿素的提取 参考朱广廉等l】5l所建立的方法。即:取有代表 性的叶片洗净擦干,去叶柄及中脉剪碎混匀后,称 取0.5 g叶片置研钵中,加入2 mL丙酮和少许 CaCO3研磨。再加入5 mL体积分数为80%的丙酮, 磨成浆。将匀浆用体积分数为80%的丙酮定溶至1 0 mL。摇匀后马上吸取2 mL置一试管中,再加入体 积分数为80%的丙酮进一步提取。离心后,上清液 即为提取液。 1.2.3超氧化物歧化酶(SOD)活性测定 参考Beauchamp和Fridovich}l 6_所建立的方法。 即总体积为3 mL反应混合体系中有50 mmol・L。pH 7.8的PBS,13 mmol・L 蛋氨酸,75 gmol・L 硝基 四唑蓝(NBT),0.1 mmol・L—EDTA,2 gmol・L 核黄 素,0.1 mL酶提取液。当光照时,体系中产生的氧 自由基能还原NBT形成蓝色fomlazan,在波长560 nm处测定消光值。以抑制光还原NBT 50%为~个 酶活性单位。酶活性以每毫克蛋白所含酶量计算。 i.2.4过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性 的测定 参考Chance "J的光吸收法进行。酶活性以 每毫克蛋白每分钟所含酶量计算。 1.2.5膜脂质过氧化作用的测定 以膜脂质过氧化作用的产物丙二醛(MDA)为 指标,参照Heath等{181方法进行,根据消光系数 0.155 gmol・L 计算MDA含量。 1.2.6叶绿素的测定 将叶绿素的提取液加入1 cm光程的比色杯中, 用体积分数为80%的丙酮为对照,分别测定440 nm,663 nm和645 nlTl处的吸光值。根据 Lambert—Beer定律,可得出叶绿素a,b的浓度(Pg cm)与它们的吸光值 之间的关系为: CA 12.7A663—2.69A645 CB=22.9A645—4.68A663 AC+B=20.2A645+8.02A663 式中,CA,CB,CA+B分别代表叶绿素a,叶绿 素b,叶绿素a+b的浓度。 1.3数据处理 每个样品测定重复3次,对每组处理的6个数 值进行平均方差分析。 2结果与分析 2.1 复合重金属对秋茄幼苗叶绿素含量的影响 用复合重金属污水浇灌秋茄幼苗2个月后,测 定其叶绿素含量。结果如图1所示。与对照相比, 叶绿素a、b和总量在1W污水时有所向升,分别为 相应对照值的103.83%,114.98和106.23%。随着 污染级别的增加,三者的量均下降。5W污水时, 它们分别为相应对照值的61.18%,67.15%,62.46%; 到15W污水时,却只为相应对照值的33.23%, 52.73%,37.43%。三者中,以叶绿素b的变化较平 缓,而叶绿素a和总量的变化相似,且变化的幅度 大,特别是复合重金属胁迫在1 w污水到5 w污水 之间。 ∞∞舳加∞册∞∞加加0 \ 古 C lW 5w 10W 15W 复合重金属污水级别 图1重金属污水对秋幼苗中叶绿素含量的影响. Fig.1 Effect ofheavy metals on chlorophyll content in leaves ofK.candel a,b,tota1分别为叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素 2.2复合重金属污水对秋茄幼苗SOD的影响 从图2可以看出,遭受复合重金属胁迫时,秋 茄根系中SOD酶活性在10 w污水内有一个明显上 升的过程,特别在5 w污水至10 w污水中酶活性 的变化显剧,在lOw污水处达到最高值,为每mg 蛋白1 772.41 U,但随着重金属的胁迫进一步加强, 根系中SOD酶活性则急剧降低,15 w污水时,活 性仍为对照值的165.24%。叶片中SOD酶活性在污 染级别5 W内的变化不太明显;其后随着污染程度 的增加,其活性同根系中SOD酶活性变化相似, 在10 w污水时达到最高值,为对照值的199.2l%。 再增加重金属浓度,叶片SOD酶活性同样迅速下 降,l5 w污水时,仍高于对照值。 2.3复合重金属污水对秋茄幼苗OAT的影响 复合重金属污水对秋茄幼苗中CAT酶活性的 影响如图3所示。叶片中的CAT酶活性随污水级别 的增加,有所上升,但变化不明显;在15 w污水 级别时,CAT酶活性值为对照的182.87%。而根系 一暑Ⅲ,/几一掣烬Qo∽ 墙.。M m 8 6 4 0 ∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞0 C lW 5W 10W 15W 复合重金属污水级别 图2重金属污水对秋幼苗中叶、根SOD活性的影响 Fig.2 Effect ofheavy metals on SOD activities in leaves and roots of/C cande, 25 。 主 一 /n一 蜂00 O 8 6 4 2 0 0 O O O 0 0 O O O 0 r  .r 5 } o l C 1W 5W 10W l5W 复合重金属污水级别 图3重金属污水对秋幼苗中叶、根CAT活性的影响 Fig.3 Effect ofheavy metals on CAT activities in leaves and roots of K candel 中的CAT酶活性变化比叶片中CAT酶活变化要剧 烈的多,呈“先升后降”的波动性变化,且变化幅度 大。在lOw污水级别时,根系中CAT酶活性达最 高值,为对照的230.13%。再增加重金属含量,加 重污水级别,其CAT酶活性显著下降,在15W污 水级别时,只为对照的89.92%。 2.4复合重金属污水对秋茄幼苗POD的影响 从图4中可以得出秋茄幼苗遭受多种重金属 共同胁迫时,植物叶片和根系中的POD酶活性变 化相似,呈先上升后下降的变化。在10W污水级 别时,叶片与根系中的POD酶活性均达到最大值, 分别为每mg蛋白l 091.06 u,1 205.28 U。再增加 污染级别,两者都下降,但叶片中的下降幅度要大 于根系的下降幅度。在15 w污水级别,叶片的POD 酶活性为其最高值的87.48%,而根系中的POD 酶活性为其最高值的94.07%;两者仍远高于各自 的对照值。 2.5复合重金属污水对秋茄幼苗根、叶中膜脂质过 氧化作用的影响 生态环境第l7卷第6期(2008年l1月) l400 l200一 C 1W 5W 1OW 15W 复合重金属污水级别 图4重金属污水对秋幼苗中叶、根POD活性的影响 Fig.4 Effect ofheavy metals on POD activities in leaves and roots of candel MDA是脂质过氧化的主要产物之一,其含量 可以作为膜脂质过氧化的程度。由图5可得,在复 合重金属胁迫下,秋茄叶片和根系中的MDA变化 在很大程度上存在差异。叶片中的MDA含量变化 9 8 在10W污水以内有少量的减少,当超过此浓度后, MDA的含量显剧增加。在l5 w污水时,叶片中 MDA的含量为对照值的199.73%。而根系中的 MDA变化呈先升后降再升的趋势。在低级别的污 水(1 w)时,MDA有所上升,随后下降;到l0 倍污水时,出现最低值,只为对照值的63.12%;其 后再增加胁迫强度,MDA的含量又上升;在l5倍 污水时,MDA含量高于10 w污水时的最低值,但 仍低于对照值,只为对照值的75.23%。 C 1W 5W 1OW 15W 复合重金属污水级别 图5重金属污水对秋幼苗中叶、根中膜脂质过氧化作用的影响 Fig.5 Effect ofheavy metals on MDA content in leaves and roots of candel 3讨论与结论 许多生物学工作者对低温、干旱和uV—B辐射 等逆境胁迫下植物抗逆性的研究表明,在极端环境 条件下,植物体内会产生过量的活性氧自由基 ,暑m/【。§6 57 张凤琴等:复合重金属胁迫对秋茄幼苗某些生理特性的影响 (ROS),对细胞膜系统产生伤害,甚至导致细胞衰 老或死亡u 1。为了适应环境,自然界的生物形成了 各种机制来避免环境胁迫因素,细胞内的酶系统 SOD、POD、CAT等及非酶系统抗氧化物质抗坏血 酸(ASA)、类胡萝b素(Car)和脯氨酸(Pro)等均具有 清除活性氧自由基、保护膜系统、使细胞不受伤害 等的作用和功能l2训。在活性氧清除酶系中,SOD定 位于多个细胞组分,催化超氧阴离子发生歧化反应, 生成H2O2和02。H202则被其他的抗氧化酶如CAT 和POD催化生成H20。在正常的生长环境中,这 些保护酶能使体内自由基含量维持低的水平。在一 定的胁迫之内,自由基的t ̄JJtl@,诱导这些抗氧化酶 的增加,其清除活性氧的作用超过活性氧的损伤作 用,从而保护植物免受伤害。 SOD作为超氧自由基清除剂,其活性高低与植 物抗逆性大小有一定的相关性,在适度的逆境环境 诱导下,SOD活性增加能提高植物的适应能力。目 前有关重金属胁迫下植物体内SOD的活性变化有 两种情况:一是SOD活性随重金属浓度的增加面 增加[211;二是随着重金属浓度的增加,SOD活性变 化呈先上升后下降的现象 引。本研究的结论与后者 相一致。另外,Casano 乃J认为环境胁迫对保护酶 活性的影响与植物本身的发育程度有关外,也随植 物器官、组织部位的不同而异。作者研究红树植物 木榄幼苗根系和叶中的SOD活性变化时也出现这 一情况【l 。本试验中,红树植物秋茄幼苗尽管在同 一级别复合重金属的胁迫下,根系中的酶活性比叶 片中的酶活性要高的多,但叶和根系中的SOD酶 活性具有同步诱导的特性,且两者中的SOD活性 变化趋势相一致。 POD是植物体内分布较广的一类氧化还原酶, 具有重要的生理功能,如木质素的形成伸展、蛋白 的聚合、植物生长素的代谢、病毒的抵抗和创伤的 愈合等。重金属胁迫能诱导植物组织中POD活性升 高,这是植物对所有污染胁迫的共同响应。因为植 物在遭受胁迫时,产生了大量有害的过氧化物,POD 利用H202来催化这些对植物自身有毒害的过氧化物 (POD底物)氧化和分解,以维持自身的正常代谢, 从而诱导了POD活性的增加。解凯彬等 J研究Hg 对芡实和菱根部过氧化物酶活性的影响,结果发现, 低质量浓度的Hg在短时间内有促进酶活性升高的 作用;随着Hg质量浓度的提高和作用时间的延长, 植物体内Hg积累增加,对酶蛋白产生了毒害。李 元等【25J在探讨cd对烟草过氧化物酶活性的影响研 究中发现,当Cd质量浓度在10~160 mg・L 之间时, 随着Cd处理质量浓度的增加,烟草叶片过氧化物 酶活性急剧上升。杨盛昌等 6J认为,当cdz+质量浓 度大于0.5 g・L。时,cd就会对桐花树幼苗叶片中的 POD造成伤害,使其活性急剧下降。本试验中,秋 茄幼苗在复合重金属胁迫时能迅速提高POD含量, 减少有害的过氧化物,减轻重金属对膜质的过氧化 从而免受重金属的伤害。当复合重金属的浓度增加 到1 5W时,无论是叶片还是根系中的POD活性均下 降,这可能是植物体内所产生的活性氧自由基超过 了它清除的能力,对植物组织细胞中的多种功能膜 及酶系造成了破坏,抑制了其活性的增加。 CAT是植物体内一种重要的氧化还原酶,可以 清除植物通过呼吸代谢或者光合作用等途径产生的 H202, 阴遏了Haber-Weiss反应(H2O2+O2.+H ・OH+H2O+O2)产生毒性更强的・OH,也避免了 HzO2对植物组织的伤害,维持活性氧代谢的平衡, 保护细胞膜的完堑l生。在本试验中从图2和图3可得 知,SOD活性的加强,相应诱导了CAT活性的增加, 其根部表现突出。这可能是植物在受到重金属胁迫 时,根部所生产的H2O2诱导了CAT活性的快速上升, 以清除过多的H2O2,从而在一定程度上缓解H2O2对 细胞的破坏,有效地保护红树植物根系的过氧化, 提高植物相应抗性能力。因此,秋茄根系中H2O2的 清除可能主要依靠CAT酶完成。 另外,本试验中SOD、POD和CAT等活性氧 清除酶在低级别复合重金属胁迫时,几乎都有所上 升,以提高活性氧清除能力,减少体内自由基的伤 害。在胁迫级别为1O w污水时,三者均达到最高 值,相应的MDA含量最小,有效的清除了体内活 性氧自由基,保证了幼苗的正常生长;随着胁迫级 别或强度的增加,保护酶系统逐渐被抑制,SOD、 POD和CAT活性下降,清除体内自由基的能力下 降或被完全破坏,抗氧化酶系统内多种酶之间的活 性比不平衡,膜脂质过氧化加剧,尤其是叶片表现 突出(叶中MDA的含量远高于对照组值)。分析上 述三种酶和MDA图可以得出:秋茄幼苗根系在 SOD、POD和CAT的协同作用能使秋茄幼苗体内 自由基维持在一个低水平,即使是在高级别的复合 重金属污水的胁迫下,这种注重对根系的保护,提 高了红树植物秋茄对重金属的抗性。 高等植物叶绿素分Chl a ̄ilChl b,其含量的高低 是反映叶片光合能力的一个重要指标。叶绿素含量 和Chl a/Chl b值变化可以反映污染对植物光合作 用的影响【2 。王友保、刘登义等[281发现污灌组作物 的Chla和Chlb含量均低于非污灌组。本研究中,在 低级别的胁迫中,Chl a、Chl b和Chl a+b均比对照组 有所增加。随污水程度的增加,三者均下降且低于 对照组。这可能因为不同植物叶片色素对胁迫的敏 感程度不一样。另外,由于叶绿体是植物产生自由 2238 基的主要场所,所以应该考虑在复合重金属污水下 叶绿素含量与各抗氧酶的相关性。有研究表明,叶 绿素含量与SOD活性之间呈显著或极显著相关 。 本研究中,秋茄叶片中的叶绿素在低程度的污水中, 与抗氧化酶有正相关趋势,随着抗氧化酶系的抑制, 膜脂质过氧化的加剧,细胞膜系统的破坏在一定程 度上影响了叶绿体等细胞器的正常生理功能,导致 叶绿素的含量降低,并且随着铅胁迫浓度的增加, 叶绿素含量降低得越厉害。这一结果与宋勤飞和樊 卫国 UJ研究铅胁迫对番茄生长的影响一致。 综上所述,红树植物秋茄幼苗遭受多种重金属 共同胁迫时,作为内源活性氧的清除剂的SOD、 POD和CAT,能够在一定程度下清除体内过剩的活 性氧,维持活性氧代谢平衡,保护膜结构,具有一 定忍耐或抵抗重金属的能力。这三种酶中,POD在 逆境胁迫下被激活的程度最大,且持续时间最长, 可以作为秋茄幼苗抗重金属污染的生物标志。当重 金属胁迫超过秋茄的承受极限时,SOD、POD和 CAT活性下降或被破坏,MDA积累增加,秋茄的 正常生长受到抑制,而根系中的膜脂质过氧化并不 像抗氧化酶变化显剧,这种有效保护根系的生长机 制,有待进一步研究与探讨。 参考文献: 【1]CHEN G I,MIAO S TAN N F et a1.Effect of synthetic wastewater on young Kandelia Candel plants growing under greenhouse conditions[ Hydrobiologia,1995,295:263—273. 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Leaves and roots of control and heavy metal—stressed plants were harvested after two months.In comparison with the contro1 the content of chlorophyll slightly increased at l W,but decreased at strength of heavy metals.Compared to the control,the superoxide dismutase(SOD)and peroxidase(POD)activities lfuctuated at diferent levels in leaves and roots of heavy metal-stressed plntas;and heitr activities peaked at 1 0W.The catalase(CAT)activity increased with stress in roots,but remained ncuhanged in leaves.The dynamic tendency of SOD,POD and CAT activity in roots ascended firstly,then declined compared with the contro1.Lipid peroxidation measred uas malondialdehyde(MDA)content.In leaves MDA declined up to 1 0w but increased strongly at 1 5W.While there was an irregular change ofMDA content in roots with the strenth ofheavy metals,footing at t 10W peaking atl5W compared with he tcontro1.It was concluded that candel protects its root firstly so as to strengthen the resistnce tao heavy metals. Key words:Kandelia candel;heavy metal stress;superoxide dismutase(SOD);peroxidase(POD);catalase(CAT);lipid peroxidation;chlorophyll content; 

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