硫化物胁迫对马来眼子菜生理生化指标的影响

邢雅囡,阮晓红,2

(1.河海大学环境学院,江苏南京 210098;2.南京大学地球科学与工程学院,江苏南京 210093)

硫化物胁迫对马来眼子菜生理生化指标的影响

邢雅囡1,阮晓红1,2

(1.河海大学环境学院,江苏南京 210098;2.南京大学地球科学与工程学院,江苏南京 210093)

为研究水体中硫化物(S2-)对马来眼子菜的胁迫作用,通过静态模拟试验,分析了不同S2-水平(0、0.05、0.1、0.2和0.3mmol/L)培养下马来眼子菜叶绿素总量、丙二醛和2种抗氧化酶(过氧化氢酶、过氧化物酶)的活性变化。研究发现,当试验水体中c(S2-)≤0.05mmol/L时,马来眼子菜叶绿素总量随培养时间呈增加趋势,当c(S2-)＞0.2mmol/L时,植物生长会受到明显影响,叶绿素浓度下降,光合作用受到抑制;不同S2-浓度组中马来眼子菜丙二醛浓度在暴露时均显示应激效应,膜质过氧化程度随水体S2-浓度及其暴露时间的增加而加重;在c(S2-)≤0.05mmol/L时,2种抗氧化酶的活性得以维持或提高,当c(S2-)≥0.1mmol/L时,马来眼子菜体内抗氧化酶活性下降,抗逆性降低,表现为剂量-负效应关系。

硫离子胁迫;马来眼子菜;叶绿素;丙二醛;抗氧化酶

近10年来,随着城市经济的快速发展,我国长江以南地区尤其是苏南地区已形成“南通—无锡—苏州—南京”酸雨中心带[1-2],降水中SO2-4 当量浓度占阴离子浓度的61.9%[3]。酸沉降及大量含硫污水进入城市水体后沉积,并转化为硫化物,使得水体中S2-浓度增高。硫化物是一种植物毒素,ρ=0.15mg/m3的S2-浓度可严重危害高等植物根系活性[4-5],通过抑制作物根部生长,使根部发黑腐烂、作物枯萎,这也是导致酸性水体植物群落变化的重要因素[6]。

沉水植物是淡水生态系统中关键的生态类群,是生态系统物种和功能多样性的基础。因此,沉水植被的重建与恢复已成为研究热点。研究不同S2-浓度下沉水植物的生理生化变化对于认识沉水植物在酸性水体中衰退的机理、寻找沉水植物中耐酸化的先锋植物具有重要意义。马来眼子菜(potamogeton malaianus)是太湖沉水植物优势种之一,对水域的富营养化有较强适应能力[7-9]。笔者针对河网区重污染河道硫素浓度高、高等水生植物绝迹的现象,通过研究水体中不同S2-浓度对马来眼子菜中的叶绿素、丙二醛、保护酶活性等生理生化指标的影响,探讨其对S2-污染的耐受性,以期为沉水植物修复及水质改善提供依据。

1 材料和方法

1.1 材料

试剂:硫化钠(Na2S◦9H2O,分析纯,江苏永华精细化学品有限公司生产)。

马来眼子菜采自太湖,预培养30d后,选择一定量长势良好、生长基本一致、株高在50cm左右的植物个体,清水洗净后植于70L塑料桶内(上桶直径49cm,下桶直径37cm,高度55cm),施药前适应性培养30d。

1.2 试验设计及样品采集

a.试验共设置5个浓度组,分别为:CK(对照组,c=0mmol/L)、A(c=0.05mmol/L)、B(c=0.10mmol/L)、C(c=0.20mmol/L)和D(c=0.30mmol/L),各组设3个重复。

b.自然条件下培养,试验期水温20～25℃,定期补充营养液。为减少水体中S2-的挥发及模拟自然水体的溶氧环境,试验过程中塑料桶口用透明薄膜密封,薄膜上扎少许小孔。

c.分别在试验初始及施药后3、5、10和15d采样,分别采集各处理组植物茎叶混合样品3份,每份约2g,准确称重后用液氮冷冻,置于超低温冰箱中保存,待测生理生化指标。

1.3 试验方法

实验测定的生理生化指标包括:叶绿素总量、丙二醛(MDA)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)活性,分别采用丙酮乙醇混合提取法[10]、硫代巴比妥酸显色法[10]、紫外吸收法[11]和愈创木酚法进行测定[12]。由于重复之间差异不显著,故试验结果取各组测定结果均值。

抑制率η和诱导率S′采用以下公式计算:

式中:A为处理组POD或CAT的活性;ACK为对照组POD或CAT的活性。

2 结果与分析

2.1 S2-对马来眼子菜叶绿素总量的影响

植物叶片叶绿素浓度与光合速率、营养状况等密切相关,叶绿素浓度可以表征植物生长状况,试验期间马来眼子菜供试样中叶绿素总量变化见图1。

图1 S2-对马来眼子菜内叶绿素总量的影响

由图1可知,随培养时间延续,CK组、A组马来眼子菜供试体中叶绿素总量呈上升趋势,仅第15d有所下降,但仍高于初始值;A组叶绿素总量除第5 d外,叶绿素总量均比CK组低,说明即使在低浓度条件下,长时间的暴露也会影响马来眼子菜体内叶绿素的浓度;B、C和D组中马来眼子菜内叶绿素总量随培养时间延续呈下降趋势,第10d,D组中的叶绿素总量骤降至0.3067μ g/g,为初始叶绿素总量的22.54%,至第15 d,供试体内叶绿素总量仅为对照组的8.04%,表明此时马来眼子菜供试体受到S2-胁迫,植物体的光合作用完全被抑制。

综上,各浓度组中马来眼子菜的叶绿素总量随试验水体S2-浓度的增加而降低,当试验水体中c(S2-)≤0.05mmol/L时,植物体光合作用可正常进行,当试验水体中c(S2-)＞0.2mmol/L时,供试体受到S2-胁迫,光合作用被抑制。以上变化规律说明马来眼子菜的光合作用受到S2-的抑制,抑制程度与试验水体中S2-浓度有关。

2.2 S2-对马来眼子菜MDA的影响

MDA是膜脂过氧化作用的主要产物之一,其质量比可用以表示细胞膜脂过氧化程度和植物对逆境条件反应的强弱。试验期间马来眼子菜供试体内MDA质量比变化见图2。

图2 S2-对马来眼子菜内MDA的影响

由图2可知,随培养时间延续,CK组中马来眼子菜供试体内MDA质量比变化趋势表现为下降特征;A组中供试体内MDA质量比的变化规律与空白组具有相似性,仅在第3d有升高,整体呈下降趋势,但均高于CK组,说明试验初期马来眼子菜对S2-产生应激反应,随时间的延续逐渐适应,表明供试体对0.05mmol/L浓度内S2-具有一定的耐受性;B组中供试体内MDA质量比随培养时间延续的变化规律整体呈上升趋势,仅在第5 d有降低;C和D组中供试体MDA质量比呈上升趋势,第15 d时MDA质量比分别为CK组的7.13倍和8.44倍,说明马来眼子菜供试体受到严重损伤。

综上,各组MDA均高于对照组,说明马来眼子菜受到S2-的损伤,其损伤程度随S2-浓度的增加而加重;除A组外,受试供体在含有S2-水体中暴露时间越长,伤害越严重。

2.3 不同浓度S2-对马来眼子菜POD活性的影响

正常情况下,作为保护酶系统的重要组成部分,POD能维持体内活性氧产生和清除的动态平衡,从而防止自由基的毒害。而逆境条件则往往使植物细胞中活性氧产生增多或清除能力减弱,在这种情况下,活性氧清除能力的高低也就成为植物抗逆境能力大小和能否在逆境中生存的关键。试验期间的马来眼子菜供试体内POD活性变化及诱导率(抑制率)计算分别见图3、表1。

图3 S2-对马来眼子菜内POD活性的影响

表1 试验期间马来眼子菜内POD诱导率(抑制率)计算成果

由图3可知,CK组与A组马来眼子菜内的POD活性变化均呈上升趋势,但试验期间A组活性均高于CK组活性;B组中,供试体内POD活性随着培养时间的延续呈现先增加后降低的趋势;C和D组中,供试体内POD活性均随着培养时间的延续而降低。至试验结束,D组中POD活性值降为初始值的11.99%。

由表1可知,A组中马来眼子菜内POD活性均表现为诱导,且诱导率随培养时间的延续而增加,说明此浓度范围内马来眼子菜受到水体中S2-胁迫,并通过调整某些生理生化过程增加其抗逆性,POD活性的升高,在一定程度上减轻自由基对膜的伤害,反映为图1中试验期间此组中供试体内叶绿素总量都表现为增加。B组中马来眼子菜内的POD活性前10d出现诱导,10 d后POD活性表现为抑制。C和D组,供试体内POD活性在试验期间均为抑制,且抑制率随暴露时间和水体中S2-浓度的增加而增加,表明此浓度范围下供试植物体内酶系统功能紊乱,引起细胞膜结构损伤,与图1中试验期间相应的浓度组叶绿素总量都表现为减少趋势相吻合。

2.4 不同浓度S2-对马来眼子菜CAT活性的影响

CAT能够清除细胞内过多的H2O2,使细胞内H2O2维持在一个正常水平,保护细胞膜结构,CAT活性与植物的代谢强度及抗病能力有关。试验期间的马来眼子菜供试体内CAT活性变化及诱导率(抑制率)计算结果分别见图4和表2。

图4 S2-对马来眼子菜内CAT活性的影响

表2 试验期间马来眼子菜CAT诱导率(抑制率)计算结果

由图4可知,CK、A和B组马来眼子菜内的CAT活性变化规律均呈上升趋势,但试验期间各浓度组供试体内CAT活性均高于CK组;C和D组中马来眼子菜的CAT活性呈现上升—降低波动特征,前3d表现为上升,3d后CAT活性降低,至15d植物体内CAT活性分别降为w=0.51μ g/g 和w=0.09μ g/g。

由表2可知,A和B组马来眼子菜内的CAT活性均被诱导,A组供试植物体的CAT活性随暴露时间的增加而增加,而B组供试植物体的CAT活性随暴露时间的增加呈现增加—降低—增加的波动特征。C和D组中马来眼子菜的CAT活性(除第3d的C组外)均表现为抑制,且抑制率随着暴露时间和S2-浓度的增加而增大,呈现出明显的剂量-效应关系。

3 结 论

a.水体S2-对马来眼子菜叶绿素合成产生抑制,且抑制程度与S2-浓度有关。当c(S2-)≤0.05 mmol/L时,马来眼子菜叶绿素总量随培养时间呈增加趋势,光合作用可正常进行;当c(S2-)＞0.2 mmol/L时,叶绿素总量随试验水体S2-浓度的增加而降低。

b.在 S2-浓度为 0.05mmol/L、0.1mmol/L、0.2 mmol/L和0.3mmol/L的各试验水体中,马来眼子菜供试体内MDA质量比均低于对照组,说明供试植物体受到S2-的损伤,且损伤程度随水体S2-浓度及其暴露时间的增加而加重。

c.马来眼子菜体内的抗氧化酶系统对S2-胁迫作出了敏感响应。马来眼子菜供试体内的POD、CAT活性变化规律具有相似性。试验期间c=0.05 mmol/L的A组活性均高于空白组活性;当水体中c(S2-)≤0.05mmol/L时,试验期间马来眼子菜内POD、CAT活性均升高,表现出明显的诱导作用;当水体中c(S2-)为0.1mmol/L和0.2mmol/L时,POD、CAT活性先诱导后抑制,说明高浓度和长时间暴露条件下,POD及CAT走向了负响应,马来眼子菜的抗逆性降低。

d.试验结果表明,马来眼子菜对S2-具有一定的耐受性,当试验水体c(S2-)≤0.05mmol/L时,供试植物体可通过调整生理生化过程而继续生长;当c(S2-)≥0.2mmol/L时,马来眼子菜损伤严重,无法维持正常生长。

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Effects of sulfide(S2-)on physiological and biochemical indicators of potamogeton malaianus

XING Ya-nan1,RUAN Xiao-hong1,2
(1.College of Environmental Science and Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China;2.School of Earth Science and Engineering,Nanjing University,Nanjing210093,China)

In order to study the effectsof sulfide on the physiological and biochemical process ofpotamogeton malaianus,the effects of different concentrations of sulfide(0.0mmol/L,0.05mmol/L,0.1mmol/L,0.2mmol/L,and 0.3mmol/L)on the contents of total chlorophyll,malonaldehyde(MDA),and activities of two antioxidant enzymes(POD and CAT)inpotamogeton malaianuswere investigated using the static hydroponic method.The results showed that the content of total chlorophyll inpotamogeton malaianusincreased with training time when sulfide concentrationwas less than or equal to 0.05 mmol/L;the growth of the plant was apparently affected,the concentration of chlorophyll decreased,and photosynthesis ofpotamogeton malaianuswas inhibited at all timeswhen sulfide concentrationwas higher than 0.2mmol/L;MDA content ofpotamogeton malaianusin exposure displayed stress effects,and the degree of cytoplasmic membrance peroxidization ofpotamogeton malaianusincreased with the concentration of S2-and the exposure time;activities of two typesof antioxidant enzymes were maintained or increased when sulfide concentration was less than or equal to 0.05 mmol/L;and with higher sulfide concentration(≥0.1mmol/L),the activities of antioxidant enzymes decreased,and there was a certain dose-negative response relationship between them.

effect of sulfide;potamogeton malaianus;chlorophyll;malonaldehyde;antioxidant enzymes

X171.5

A

1004-6933(2010)04-0046-03

10.3969/j.issn.1004-6933.2010.04.013

国家自然科学基金(40573051);江苏省自然科学基金(BK2006169)

邢雅囡(1979—),女,山东烟台人,博士研究生,研究方向为水环境保护和水生态系统修复。E-mail:xyn@hhu.edu.cn

阮晓红,女,教授。E-mail:ruanxh@nju.edu.cn

2010-04-09 编辑:高渭文)