重金属水污染对植物生长影响的方式及研究方法_胡金朝

收稿日期：2012－05－25；修回日期：2012－06－07基金项目：河南省科技厅科技攻关项目（92102310130）；四川省教育厅项目（11ZB111）；四川省环境保护厅项目（2011HB005）作者简介：胡金朝（1972－），男，河南兰考人，西昌学院副教授，博士，主要从事细胞生物学教学与研究．第28卷第9期2012年9月商丘师范学院学报JOURNAL OF SHANGQIU NORMAL UNIVERSITY Vol．28No．9Sep．2012重金属水污染对植物生长影响的方式及研究方法胡金朝（西昌学院农业科学学院，四川西昌615013）摘要：我国重金属水污染日趋严重，已明显危害到水生态和人类健康，有关重金属水污染对植物毒害机理的研究越来越多．本文结合笔者的研究工作，介绍了重金属与重金属水污染的概念，总结了近年来有关重金属水污染对植物毒害影响的研究内容及相应研究方法，归纳了重金属水污染对植物毒害的一般规律与可能机理．关键词：重金属；重金属水污染；植物；毒害中图分类号：X173文献标识码：A 文章编号：1672－3600（2012）09－0074－05The toxic effects of heavy metal stress on the growth of aquatic plantHU Jinzhao（School of Agricultural Sciences ，Xichang College ，Xichang 615013，China ）Abstract ：Nowadays ，the contamination of heavy metals is becoming more and more serious in our country ，which has obviously put great toxic effects on aquatic ecosystem and human health．Hence ，studies on the toxic mecha-nism of aquatic plants of heavy metal stress are on the increase．According to my studies ，the paper introduces the definitions of heavy metal and heavy metal water pollution ，summarizes the research contents of the toxic effects of heavy metal stress on the growth of aquatic plants and their relevant methods in recent years ，explains the general patterns of the toxic effects ，and reviews the toxic mechanism of aquatic plants of heavy metal stress．Key words ：heavy metal ；stress ；aquatic plants ；toxic effects1重金属及重金属水污染重金属的概念通常有两种表述形式，一是指比重超过5的金属，二是指元素周期表中原子序数在20以后的元素［1］．刘静宜等则把环境污染中的重金属定义为汞、镉、铅、铬和类金属砷等生物毒性显著的元素，以及锰、钼、镍、铜、钴、锡、锌等有一定毒性的一般元素［2］．重金属水污染通常是指排入水体的重金属量超过了水体自身的净化能力，从而改变了水体的组成及其理化性质，使水中生物的生长条件恶化，并进而影响到人类生活和健康的自然现象．重金属水污染是当今世界上最严重的环境问题之一．近年来，我国的重金属水污染呈加重趋势，2008－2009年，相继爆发了贵州独山县、湖南辰溪县、广西河池、云南阳宗海、河南大沙河等5起砷污染事件；2009年8月，陕西省凤翔县3个村庄发生851名儿童血铅超标事故，2010年全国发生了14起重金属污染事件，2011年1－5月份又发生了7起血铅事件［3］．因此，如何有效地监测、控制和治理水体重金属污染成为广大环保工作者的研究热点．鉴于水生植物在湖泊、河流等水生态系统里的重要作用，国内外研究人员就其在重金属水污染监测和治理方面做了大量研究，并积累了许多经验［4］．本文就近年来重金属对水生植物毒害相关研究进行了初步的总结．2重金属水污染对植物生长影响的方式及主要研究方法目前，关于重金属水污染对植物的毒害影响研究主要集中在重金属对水生植物的生态毒理学研究与缓解水生植物重金属毒害的机理研究两个方面．在实验室条件下，模拟重金属水污染设计重金属胁迫植物的类型主要有两种，即模拟自然环境中单一重金属离子胁迫和由2种或2种以上不同重金属离子构成的复合因子胁迫．2．1重金属在水生植物体内的富集、迁移、亚细胞分布及化学形态［5－10］水生植物有较强的吸收富集水体重金属能力，这些植物可有效地应用于清除和修复重金属污染水体［5，6］．研究表明，重金属被植物吸收后，以不同的化学形态存在于细胞中，重金属在植物体内的迁移、在不同细胞器中的分布及对植物的毒害程度均与其在细胞内的化学形态有关．可用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定重金属在水生植物体内的富集及亚细胞分布［7，8］，用逐步提取法研究重金属在植物体内的存在形态［9］，用改良的硫化物－银法或荧光定位法研究重金属离子在植物细胞内的组织定位［10］．2．2重金属水污染对植物吸收矿质元素的影响我们用含镉的培养液培养慈姑，发现镉促进慈姑对钙、铜、锰和铁的吸收，而抑制镁、钠和钾的吸收［11］．重金属胁迫影响水生植物根系活力及不同器官对矿质元素的吸收，从而对植物的生长发育产生不利影响．用α－萘胺氧化法或TTC 法测定根系活力，用原子吸收光谱法测定水生植物对矿质元素的吸收，而植物的生长量可用称量法直接测定．2．3重金属水污染对植物光合作用与呼吸作用的影响重金属水污染对植物光合作用影响的研究已有许多报道，其内容主要包括水生植物的叶绿素自发荧光、叶绿素含量、叶绿素a /b 值及叶绿素/类胡萝卜素值在重金属胁迫下的变化，叶绿体Ca 2+－ATPase 活性、Mg 2+－ATPase 活性、光合速率及类囊体膜电子传递活性测定等．用激光共聚焦扫描显微技术（LSCM ）测定自发荧光［12］，用分光光度计法测定光合色素，叶绿体的制备及叶绿体Ca 2+－ATPase 活性测定用刘厚田等的方法［13］，叶绿体Mg 2+－ATPase 活性测定可参照蔡剑萍等［14］与李琳等［15］的方法，类囊体膜的制备及类囊体膜电子传递活性的测定用改进的B．B．Y．法．光合速率（PS Ⅰ还原能力及PS Ⅱ放氧活性）分别用氧电极和自动记录装置分段测定．呼吸作用的研究内容主要是水生植物呼吸强度在重金属胁迫下的变化，通常用薄膜氧电极法测定［16］．2．4重金属水污染对植物抗氧化酶系统及硝酸还原酶的影响［11］植物抗氧化酶系统又称植物防御过氧化系统，一般包括超氧化物歧化酶（SOD ）、过氧化物酶（POD ）、过氧化氢酶（CAT ）及谷胱甘肽过氧化物酶（GSH －PX ）等［17］，能有效地清除活性氧，防止细胞膜系统过氧化作用的发生．SOD 、CAT 活性分别采用化学比色法和氧电极法测定，根据测定原理，一些研究单位开发了专门的试剂盒，如南京建成生物工程研究所开发的SOD 试剂盒、CAT 试剂盒由于操作简单，结果可靠，我们在研究中常常使用．POD 活性用愈创木酚比色法测定，GSH －PX 活性可用专门的试剂盒测定，用聚丙烯酰胺凝胶电泳研究重金属胁迫下POD 、SOD 等同工酶的变化已有许多报道．硝酸还原酶（NRase ）是一类含巯基的诱导酶，催化硝酸盐为亚硝酸盐，是植物利用氮素过程中的一个关键酶，其活性的测定通常有体外法和体内法两种，实验室通常用磺胺比色法测定［17］．2．5重金属水污染对植物可溶性糖、可溶性蛋白、总脂及脯氨酸含量的影响可溶性糖是植物细胞重要的渗透调节物质，能在逆境条件下最大限度地保持细胞的渗透压，增强植物对逆境的适应能力［18］．可溶性糖与可溶性蛋白含量分别用考马斯亮蓝G －250法和蒽酮比色法测定，总脂及脯氨酸含量分别用气相色谱和J．库姆斯［19］的方法测定．2．6重金属水污染对植物活性氧物质、丙二醛（MDA ）含量及膜透性的影响植物在正常代谢的过程中产生的超氧阴离子（O 2．－）、过氧化氢（H 2O 2）等活性氧物质，能及时被抗氧化酶系统清除而保持在正常水平．受重金属胁迫后，植物体内的活性氧物质显著地增加，从而直接或间接地启动细胞膜脂过氧化作用，破坏细胞膜结构与功能，使细胞内含物外渗，代谢紊乱，导致一系列有害的生理生化变化，这是重金属毒害植物的重要机制［7，20］．用羟胺氧化法和试剂盒法分别测定O 2．－产生速率与H 2O 2含57第9期胡金朝：重金属水污染对植物生长影响的方式及研究方法67商丘师范学院学报2012年量．MDA是膜脂过氧化的重要产物，因此其含量反映了膜脂过氧化水平．近年来，细胞膜脂过氧化水平被认为是生活在重金属污染环境中的植物指示重金属污染程度的有效手段［21］．用硫代巴比妥酸（TBA）比色法测定MDA含量，用紫外吸收法测定膜透性［22］．2．7重金属对水生植物有丝分裂指数（IM）、微核率（MCNF）、染色体畸变率（CAF）及DNA的影响有丝分裂指数可通过显微镜油镜观察，双盲法计数．细胞悬液及染色体标本的制备参照张自立和俞新大的方法［23］．总DNA可用改良的CTAB法提取，用紫外分光光度计检测DNA浓度．PCR扩增目的片段后，用BigDyeTM测序试剂盒测定DNA序列，用RAPD和DAN Ladder技术检测DNA一级结构损伤．2．8重金属水污染对植物细胞结构的影响用普通显微镜、扫描电镜与透射电镜观察［8，11，24］．2．9金属结合蛋白的分离与纯化采用SephadexG－100凝胶过滤层析和DEAE－52离子交换层析的方法．2．10缓解重金属水污染对植物毒害的研究开展重金属水污染对植物毒害的缓解研究具有重要的理论意义和现实意义，已成为学届研究的热点．大量资料表明，不同浓度的6－苄氨基嘌呤（6－BA）对重金属毒害均有缓解作用［25］，外源抗坏血酸能够有效缓解镉对菹草［26］、黑藻［27］的毒害，Ca2+能缓解镉对槐叶苹的毒害［28］，稀土元素铈能通过提高亚洲苦草活性氧清除能力而增强对铜的抗性和耐性［29］，钕、硒能减轻镉对菹草与黄丝草的毒害［30，31］，镧可缓解镍对水鳖叶片的毒害效应［32］，施用外源谷胱甘肽可明显减轻Zn2+对水鳖的毒害症状［33］，外源亚精胺可减轻Hg2+对荇菜的胁迫［34］、增加水鳖对Cu胁迫的耐受性［35］等．3水生植物受重金属胁迫的一般应答受重金属胁迫，水生植物叶片通常失绿黄化，叶缘拳卷，根变褐变黑，植株枯萎，直至死亡［28］．大量研究表明，植物体细胞在死亡前一般发生两次连续的结构和功能上的变化过程：一是细胞的耐受性或抗性过程，二是细胞的凋亡过程．在此过程中，植物体内富集的重金属诱导植物发生一系列生理生化与细胞结构变化，这些植物受毒害症状可被用来作为重金属污染的指示剂［21］．3．1水生植物受重金属胁迫的生理应答植物在重金属胁迫的初期或较低浓度下，一般表现不出明显的受害症状，或者叶绿素含量及叶绿素a/b 值升高，光合能力增强，植物内源性保护酶系统总的活力增强，从而能更有效地清除活性氧，减轻重金属对植物细胞膜系统的破坏，这种现象通常被认为是植物在低浓度重金属胁迫下的一种保护性适应［28］．但这种适应是非常有限的，随着重金属胁迫时间延长或浓度加大，植物一般表现为叶绿素含量及叶绿素/类胡萝卜素的比值下降，类囊体膜的光合电子传递受阻，PSⅡ的放氧活性变小，使叶绿体内ATP含量降低，并最终导致光合能力下降；抗氧化酶活力下降和抗氧化酶系统功能紊乱，活性氧物质增多，膜脂过氧化水平加剧，膜透性增大，大量物质外渗，呼吸作用受抑，物质和能量代谢紊乱等［11］．3．2水生植物受重金属胁迫的细胞结构变化植物细胞遭受重金属胁迫后，细胞超微结构发生不同程度的损伤，主要表现在，高尔基体、内质网、细胞核、叶绿体、线粒体、液泡、质膜等的异常变化［10、11］．并且植物受胁迫时间越长，重金属离子浓度越高，超微结构的损伤越呈加重趋势．通常表现为，细胞出现质膜收缩，胞间连丝断裂，高尔基体消失，核糖体减少，叶绿体膨胀、变形，基粒排列松散，垛叠减少直至消失，类囊体排列紊乱或解体，最后叶绿体膜系统溃解，线粒体膨大、外膜破裂、脊瓦解，线粒体呈空泡状直至整个线粒体解体消失，细胞核变形，核物质凝聚成具高电子密度的块状物质，染色质凝聚，核仁分解直至消失，最终出现核膜破裂以及细胞核解体等现象．徐勤松等认为，叶绿体结构的破坏是引起叶绿素含量下降的结构原因［24］，而类胡萝卜含量升高，可能是植物应对重金属引起氧化胁迫的一种策略［5］．4重金属水污染对植物的毒害机理重金属对水生植物产生毒害的生物学途径一般认为有两种：一是大量的重金属离子进入水生植物体内干扰离子间原有的平衡系统，造成正常离子的吸收、运输、调节和渗透等方面的阻碍，从而使代谢紊乱．如过量的Cu 会阻碍植物对其他元素的吸收，而被吸收的铜主要集中在根部，造成根部的铜过量，严重阻碍对其他元素的吸收［36］．二是较多的重金属离子进入水生植物体内，不仅和核酸、蛋白质、酶等大分子结合，而且还可以取代某些蛋白质和酶行使其功能时所必须的特定元素，使其变性或活性降低．如Hg 、Cd 、Cu 能改变生物大分子如核酸和蛋白质的构象，在分子水平造成对DNA 的伤害［37］．有研究认为，植物细胞壁的果胶质成分为结合重金属离子提供了大量的离子交换位点［38］，因此细胞壁有很强的积累阳离子的能力，是重金属进入细胞的第一道屏障［39］．重金属镉、锌在菹草叶细胞中的超微定位结果［10］证实了这些观点，也为重金属导致细胞壁边缘的壁物质松散现象［40］提供了更直接的证据．进入细胞后的重金属通过破坏植物体内源保护酶系统（SOD 、CAT 、POD 等）的活性，导致活性氧对细胞器膜的不饱和脂肪酸过氧化，从而对细胞器产生不可逆损伤，是重金属对植物重要的毒害机理．强氧化性的重金属离子可氧化细胞膜的不饱和脂肪酸，产生O 2．－并通过其链式反应，破坏膜结构［41、42］，李荣春分析铅对植物细胞的毒害机理可能主要是物理作用，如附着作用使被附着的结构改变，功能丧失［43］．重金属水污染对植物的毒害效应是多方面的，既有一定的规律又十分复杂．不仅在复合污染状况下，离子间可以表现出协同、拮抗、加和等不同作用，而且就单一离子对不同植物、对不同发育时期的植物或植物的不同器官的毒害效应也存在差异．总之，重金属胁迫对植物的毒害并不是破坏某一个酶或某一个细胞器，而是对植物细胞的膜结构和非膜结构、生理活动和生化反应的整体伤害，只是一些结构的耐受性强一些，另一些则弱一些［40］．参考文献：［1］王俊，张义生．化学污染与生态效应［M ］．北京：中国环境科学出版社，1993．156－157．［2］刘静宜，任安璞，彭安，等．环境化学［M ］．北京：中国环境科学出版社，1987．123－132．［3］重金属污染事件频发，中国环境形势依然严峻［EB /OL ］．建设工程教育网，2011－06－09．［4］王谦，成水平．大型水生植物修复重金属污染水体研究进展［J ］．环境科学与技术，2010，33（5）：96－102．［5］Vajpayee P ，Rai UN ，Ali MB ，et al．Chromium induced physiological changes in Vallisneria spiralis L．and its role in phytore-mediation of tannery effluent ［J ］．Bull Environ Contam Toxicol ，2001，67：246－256．［6］Rai U N ，Tripathi R D 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