铅胁迫对2种三峡库区消落带适生植物生理特性及铅积累的影响

铅胁迫对2种三峡库区消落带适生植物生理特性及铅积累的影响摘要：为了对三峡库区消落带铅污染土壤、水体植物修复提供参考和阐明铅胁迫对三峡库区消落带适生植物狗牙根（Cynodondactylon(Linn.)Pers）、双穗雀稗（PaspalumDistichumL）2种草本植物的毒害机制，采用水培实验，模拟三峡库区长江水体Pb2+污染环境，在Hoagland营养液中加入不同浓度的Pb2+（Pb(NO3)2），研究了铅胁迫对2种适生草本植物生长、叶绿素含量、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶（CAT）活性和铅富集的影响。结果表明，低浓度铅能促进狗牙根和双穗雀稗植株生长，增加新芽数、新根数和叶绿素含量；高浓度铅导致狗牙根和双穗雀稗新芽数、新根数和叶绿素含量下降。在铅浓度20mg/L(狗牙根)和10mg/L（双穗雀稗）时，铅处理导致2种草本植物叶片中POD和CAT活性都增加，但是当铅浓度＞20mg/L(狗牙根)和10mg/L（双穗雀稗）时，铅抑制叶片中POD和CAT活性，而SOD活性随着铅浓度的增加一直下降。这说明，在铅胁迫下，2种草本植物为了清除过多的活性氧，通过抗氧化系统的应激反应形成一个应急系统，以增强植株的抗逆性，减少重金属的毒害作用。在铅浓度为20mg/L(狗牙根)和10mg/L（双穗雀稗）时，狗牙根和双穗雀稗SOD、POD及CAT活性分别为对照的-2.87%、121.02%、46.23%和-8.68%、69.89%、91.48%。2种草本植物地上部分和地下部分铅含量随着铅处理浓度的增高而增加，狗牙根和双穗雀稗地上部分和地下部分富集系数平均值分别为9.15、59.28和14.32、26.26，转运系数平均值分别为0.44、0.42。在铅污染的土壤、水体植物修复中，狗牙根具有一定的潜在应用价值，是三峡库区消落带环境修复优良物种。关键词铅,胁迫,适生植物,生理特性,铅积累三峡工程举世瞩目，三峡库区日益频繁的农药化肥的大量施用以及采矿、冶炼、加工、废弃物处置等，加快了重金属在大气、土壤、水体和生态系统中的循环，直接威胁人类的居住环境和健康。铅是重金属中的重要代表。因此，研究铅污染土壤和水体修复新技术具有重收稿日期：YYYY-MM-DD,修订日期：YYYY-MM-DD基金项目：三峡库区水环境演变与污染防治重庆高校市级重点实验室开放基金项目（WEPKL2012MS-01）要意义．利用超积累植物对重金属的富集特性而进行植物修复，具有廉价、高效和安全等特点，已经成为土壤、水体中重金属污染研究领域的一项新兴技术(张太平等，2003)。目前自然界中存在的超积累植物分布受地域局限，种类稀少，并且生物量低，因此，从植物资源中筛选富集重金属能力较强、生物量高的植物将成为植物修复技术的一条新思路．铅是植物的非必需营养元素，但植物根系能够吸收铅，低浓度铅处理对植物影响较小，而高浓度铅会改变植物细胞膜透性（任安芝等，2000），破坏叶绿体、线粒体等亚显微结构，干扰植物体中酶的活性，影响植物呼吸作用、光合作用和多种代谢活动，从而直接或间接地影响植物的生长发育（VanAsscheetal,1990;宋勤飞等，2004）。近年来，各国环境科学工作者在耐铅植物筛选方面做了大量研究．已经发现了17种超积累植物（李东旭等，2011），我国相继发现了圆叶遏蓝菜（Thlaspirotundifolium）、苎麻（Boehmerianivea（L.）Gaud.）、东南景天（SedumalfrediiHance）、蜈蚣草（PterisvittataL.）、鬼针草（Bidensbipinnata）、木贼（EquisetumhiemaleL.）和香附子（TxusrotundusL.）等（李东旭等，2011）。但它们不是三峡库区消落带的适生植物。长期研究发现，狗牙根和双穗雀稗（PaspalumDistichum）适合生长在三峡库区消落带，既固土、又耐水淹和干旱，生长快，生物量高，是三峡库区消落带植被恢复与重建的优良物种（刘云峰等，2005），然而关于狗牙根和双穗雀稗对重金属铅污染土壤、水体修复和对铅的富集特性的研究相对缺乏．本研究以狗牙根和双穗雀稗为试验材料，采用水培试验，在不同外源铅含量水平的营养液上，分析了2种适生草本植物的生长状况、铅富集效应，以期为阐明植物遭受铅胁迫的毒害机制和铅污染土壤、水体的植物修复提供理论依据，为三峡库区消落带植被重建过程中物种的筛选及生物修复技术提供科学依据。1材料与方法1.1材料实验植物狗牙根（Cynodondactylon(Linn.)Pers）和双穗雀稗（PaspalumDistichum）均采自于三峡库区万州牌楼消落带，选取生物量大致相同的幼苗，采回后，先移栽到土壤中培养直至长出新叶。移出培养后的植株，先后用自来水、去离子水冲洗狗牙根、双穗雀稗根、茎数次，直至去离子水中检测不出Pb2+后,放于装有65ml的Hoagland营养液的广口试剂瓶中水培培养。1.2方法以Hoagland营养液为稀释液，一次性加入Pb(NO3)2，使溶液中含Pb量（以纯Pb计算）分别为0mg/L、10mg/L、20mg/L、40mg/L和80mg/L，在装有65ml的Hoagland营养液的广口试剂瓶中分别加入上述处理液。保持24h连续通气，白天移到室外充分光照，每天观察。若瓶中液体量减少则进行补充，每五天更换带有重金属的营养液。实验设三个重复，共15个组。都在培养22d后，取植株第2-3叶（从上到下），测定各项生理生化指标。植株生长30天后，收获植物，测定地上（下）部分铅含量，并计算富集系数和转运系数。富集系数=植物地上或地下部分铅含量/营养液中铅含量转运系数=地上部分铅含量/根中铅含量1.3测试项目与方法1.3.1植物生理指标叶绿素含量采用丙酮一乙醇分光光度法（郝建军，2004）；过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定：购买南京建成生物工程研究所的试剂盒测定；过氧化氢酶（CAT）活性的测定：采用分光光度法（李合生，2000）测定。1.3.2植物样品中重金属铅含量的测定将30d后的狗牙根和双穗雀稗用去离子水洗净后根、茎分离，并在40～60℃鼓风干燥箱中烘干。干燥后称重,将根、茎剪碎后放入磨砂研钵内研磨至大小、粗细均匀的粉末，精确称取0.2000g样品，加入浓HNO3：浓H2SO4=4：1，同时做空白组；将以上溶液在MARS240微波消解系统（美国CEM公司）消解后，移入塑料瓶中保存,用AA-6300原子吸收分光光度计（日本岛津公司）测定样品Pb2+含量。单位为mg/Kg干重。1.4数据处理利用SPSS12.0软件进行实验数据处理和分析2结果与分析2.1铅胁迫对2种消落带适生草本植物生长的影响铅胁迫对狗牙根和双穗雀稗生长都有一定的影响，从表1可以看出，随着Pb2+离子浓度的增大狗牙根和双穗雀稗的生长都呈现先升后降的趋势：Pb2+浓度小于20mg/L（狗牙根）表1.不同浓度Pb2+处理对两种草本植物生长的影响Tale1EffectsofPb2+stressongrowthoftwoherbaceousplants和10mg/L（双穗雀稗）时，新发芽数及新根数多于空白组，20mg/L（10mg/L）时最大；当Pb2+浓度达到80mg/L时均生长缓慢，到第30d死亡；说明低浓度的Pb2+对狗牙根和双穗2.2铅胁迫对2种适生草本植物叶绿素含量的影响营养液中铅对叶绿素含量的影响与其生长的变化趋势基本相似。如图1可知;狗牙根和双穗雀稗经过铅胁迫后，叶片叶绿素含量在铅低浓度时增加，而随着铅浓度增加叶绿素含量又减少。叶绿素含量呈现先增后递减，各处理间差异显著（P0.05），其相关系数分别是：-0.539和-0.587。当狗牙根生长在10-20mg/L铅处理的营养液中，其叶绿素含量均比对照高，以20mg/L铅处理的叶绿素含量最高，比对照增加59.03%。而双穗雀稗却以10mg/L铅处理的叶绿素含量最高，达1.675mg/g,比对照增加59.22%。说明在一定浓度范围内，铅具有促进叶绿素合成的作用，只是不同植物最适浓度不同。当营养液中铅处理浓度均达到80mg/L时，2种植物叶绿素含量都明显降低，分别比对照降低40.2%(狗牙根)和42.99%（双穗雀稗）。植物形态上也有明显变化，表现为植株矮化，叶色变淡甚至出现黄花现象，以双穗雀稗表现较为明显。因此，双穗雀稗叶绿素对铅胁迫较为敏感，而狗牙根叶绿素相对稳定，说明狗牙根对铅胁迫有较强的抵抗能力。TreatmentsPb2+/mg/LnewrootnumbernewbudnumberCynodondactylon0571068208940568004PaspalumDistichum0341087205440428000图1Pb2+胁迫对2种草本植物叶绿素含量的影响Fig．1EffectsofPb2+stressonactivitiesofchlorophyllcontentinleavesoftwoplants2.3铅胁迫对2种适生草本植物超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶（CAT）活性的影响POD、SOD、CAT共同组成一个有效的活性氧清除酶系统，是植物适应多种逆境胁迫的重要酶类，被称为植物保护酶系统。在植物受到逆境胁迫时，它们可以协同清除植物体内的自由基，从而保护膜系统。高浓度Pb2+胁迫下三者的平衡被打破，植物体内自由基含量上升，影响植物体正常生长，使之出现毒害症状（徐勤松等，2001；周长芳等，2001）。SOD是重要的活性氧清除酶，在逆境胁迫下，如在重金属胁迫下，植物体内产生大量的活性氧自由基，为了保护细胞免受活性氧胁迫的伤害，SOD能及时有效的清除自由基。SOD活性的变化可以较好地反映植物遭受逆境胁迫的状况．图2可知，狗牙根和双穗雀稗在正常的生长条件下，SOD活性存在一定的差异，随着营养液中外源铅浓度的增加，2种适生草本植物的SOD活性逐渐下降，并低于对照，而且各处理间差异显著（P0.05），SOD活性与铅浓度呈负相关，相关系数分别是-0.367（狗牙根）和-0.973**（双穗雀稗）。在铅浓度小于20mg／L时，狗牙根和双穗雀稗SOD活性分别比对照降低10.28%和14.81%。在铅浓度达到80mg／L狗牙根和双穗雀稗SOD活性急剧下降，分别比对照降低62.17%和44.14%。这说明在铅胁迫浓度较低时，植物体内SOD活性降低较慢，而当铅浓度增加到一定量时，SOD活性迅速降低．植株SOD活性明显受到抑制，因此铅对植株叶片SOD活性毒害作用较大。0100200300400500600700800020406080100Pb2+concentration(mg/L)SODactivity(U.g-1FW)狗牙根双穗雀稗图2Pb2+胁迫对2种草本植物SOD活性的影响Fig．2EffectsofPb2+stressonactivitiesofSODinleavesoftwoplantsPOD和SOD一样，也是植物抗氧化系统中重要的酶。它能将SOD的歧化产物H2O2分解成H2O。严重的逆境可能诱使植物产生更多的过氧化物，增强POD的活性。因此，较高的POD活性可以反映植物组织受到破坏和损害的程度。随着营养液中外源铅浓度的增加，狗牙根和双穗雀稗叶片内POD活性先增加后下降，而且各处理间差异显著（P0.05），见图3。狗牙根和双穗雀稗POD活性与外源铅浓度呈正相关，相关系数分别为0.899*和0.799。当铅含量为一定量（狗牙根20mg/L，双穗雀稗10mg/L）时，狗牙根和双穗雀稗的POD活性达到最大值，分别比对照增加120.02%和69.89%。当铅含量超过20mg/L（狗牙根）和10mg/L（双穗雀稗）时，2种草本植物的POD活性迅速下降，说明在同样的铅污染环境中，狗牙根比双穗雀稗具有较强的抵御能力．此时铅胁迫超出了植物的耐受能力．图3Pb2+胁迫对2种草本植物POD活性的影响Fig．3EffectsofPb2+stressonactivitie