Cu2+、Zn2+胁迫下苦草的生理生化特性研究

2021-01-05贾雨淅李睿江杨婉秋姚军文高桂青

江西化工 2020年6期

江延王岩贾雨淅李睿江杨婉秋姚军文高桂青

(1.南昌工程学院土木与建筑工程学院，江西南昌 330099；2.南昌工程学院水利与生态工程学院，江西南昌 330099)

由于矿产资源的不合理开发利用和人类生活中的胡乱排放，大量重金属元素进入河流湖泊当中[1-3]，使得水体重金属含量严重超标[4]。重金属种类和来源各不相同，导致水体污染情况十分复杂[5-6]，因此重金属污染水体的污染情况也普遍以复合胁迫的形式出现，其中，Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+等都是较为常见的重金属污染物[7]。研究表明：重金属对植物体内活性氧代谢系统的平衡起到极其关键的作用[8-9]。植物短期内能够抵抗低浓度的重金属胁迫，但随着胁迫时间的延长和重金属浓度的升高，其生理生长会被严重遏制[10]。

苦草是我国大多湖泊的优势物种，由于其生长繁殖较快、分布较广，对多种重金属的富集效果较高，逐渐成为解决重金属污染问题的先锋物种[11]。Cu2+、Zn2+都是苦草生长的微量元素，低浓度下能够促进其发育生长，但高浓度的Cu2+、Zn2+会影响到苦草对其他营养元素的吸收，打破细胞新陈代谢的平衡[12]，进而引发一系列的生理状况，对苦草的健康状况产生严重的影响。本研究通过Cu2+、Zn2+胁迫下苦草的生理生化特性，探讨其响应过程，以期为重金属污染水体的生态修复提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所需的苦草和底泥均采自鄱阳湖。将底泥剔除杂物后，均匀地平铺在塑料方盒(长34.0 cm、宽22.5 cm、高10 cm)中，底泥厚8 cm。选取叶片健康、长势健壮的苦草植株，修剪叶片长度为15 cm，根长为3 cm，洗去叶片表面附着物后均匀种植在塑料盒中，每盒12株，然后将塑料方盒放入玻璃缸(长40 cm、宽40 cm、高50 cm)内，加入经过晾晒的自来水至40 cm高度处进行预培养[13]，待植株生长状况稳定后用于后期实验。

1.2 实验设计

向玻璃缸中加入不同浓度的CuSO4、ZnSO4溶液分别进行单一及复合胁迫处理，各设置5个处理组(T1、T2、T3、T4、T5)。Cu2+浓度梯度依次为0.2 mg/L、0.4 mg/L、0.6 mg/L、0.8 mg/L和1.0 mg/L，Zn2+浓度梯度依次为2.0mg/L、4.0 mg/L、6.0 mg/L、8.0 mg/L和10.0 mg/L，Cu2++Zn2+复合处理浓度依次为(0.1+1.0)mg/L、(0.2+2.0)mg/L、(0.3+3.0)mg/L、(0.4+4.0)mg/L和(0.5+5.0)mg/L，与此同时，设置浓度为0mg/L的空白对照组(CK)，每个处理组设置3个重复。胁迫培养14d后，进行各项指标的测定。

1.3 测定方法

采用氮蓝四唑比色法测定超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)；采用测定过氧化物酶(Peroxidase，POD)；采用硫代巴比妥酸比色法测定丙二醛(Malondialdehyde，MDA)；采用分光光度法测定光合色素。

1.4 数据处理

实验结果为3次以上平行数据的平均值±标准差，试验原始数据的处理和制图釆用Excel2017，用SPSS19.0软件对数据进行单因素方差分析，采用SNK法进行多重比较分析，P<0.05表示显著差异。

2 结果与分析

2.1 Cu2+、Zn2+不同胁迫对苦草SOD的影响

Cu2+和Zn2+作为有毒重金属，对苦草的生理状况产生了一定的影响。由图1所知，胁迫培养14d，三种处理方式的T1处理组均小于对照组，当Cu2+浓度为0.2mg/L时，SOD值最低。Zn2+处理下的苦草SOD值始终呈显著上升趋势，T5处理组达到最大，对比对照组上升了67.15%，Cu2+单一胁迫的最大值出现在T4处理组为47.35，T5处理组处又呈现明显的降低现象，说明此浓度的重金属胁迫已经超出了苦草的承受范围，对苦草的生长产生一定的抑制性，所以出现先升后降的趋势。

图1 不同浓度重金属胁迫对苦草SOD的影响

Cu2+和Zn2+单一及复合胁迫引起的苦草SOD变化表现出不同的趋势。整体上看，复合胁迫造成的变化程度更大，且复合胁迫与Cu2+单一胁迫产生的变化规律具有一定的相似性，最大值出现在T4处理组中。T1处理组SOD值与两种重金属单一胁迫相差不大，但在较高的浓度中发现，Cu2+胁迫引起的变化幅度最大，其次是复合胁迫，Zn2+胁迫最小。T5阶段SOD值降至最低，甚至小于对照组。三种处理方式对苦草的抑制性表现为：Cu2+胁迫>复合胁迫>Zn2+胁迫。

2.2 Cu2+、Zn2+不同胁迫对苦草POD的影响

如图2所示，Cu2+和Zn2+单一及复合胁迫对苦草POD活性产生显著的影响(P<0.05)。T1处理组中，三种处理方式的POD值均低于CK组，且酶活性相差不大。随着重金属胁迫浓度的升高，Cu2+和Zn2+单一及复合胁迫的POD活性变化趋势基本相同，T1至T5处理组呈现先上升后下降的趋势，且均在T4处理阶段达到最大，分别为30.47、29.98和36.23，而后又出现不同程度的下降，说明T5处理组的重金属浓度过高，已经对苦草POD活性产生了抑制作用。

图2 不同浓度重金属胁迫对苦草POD的影响

整体上来，两种重金属单一胁迫造成的变化相差不大，说明单因素的Cu2+和Zn2+对苦草POD的影响基本相同。复合胁迫的变化幅度较两种单一胁迫更大，说明对苦草的抑制性最高。

2.3 Cu2+、Zn2+不同胁迫对苦草MDA的影响

苦草MDA含量对Cu2+和Zn2+单一及复合胁迫响应如图3所示：三种处理的最小值均出现在T1处理组，分别为7.11、6.97和7.01。Cu2+和Zn2+单一胁迫下始终随浓度的升高而显著增大(P<0.05)，且两种处理的变化幅度相差不大，最大值分别为23.67和22.79。

图3 不同浓度重金属胁迫对苦草MDA的影响

复合胁迫下的MDA含量随胁迫浓度的升高呈先上升后下降的趋势，T4处理组达到最大，较CK组上升了184.60%，T5处理中又显著降低，其MDA含量为15.69。三种处理中，复合胁迫对苦草的抑制性最强。

2.4 Cu2+、Zn2+不同胁迫对苦草叶片光合色素含量的影响

叶绿素含量与植物光合作用的能力关系紧密，植物体通过光合作用将体内有机物转化为能量，太阳光为叶绿素供能将CO2转化为碳水化合物[14]。本小节从叶绿素含量变化的角度来说明苦草在重金属胁迫的影响。

三种处理方式的T1处理组叶绿素a+b、叶绿素a、叶绿素b均有所增大，可能是由于Cu2+、Zn2+都是苦草生长所需的微量元素，在一定程度上能够刺激叶绿素的合成，但三种处理的增幅相差不大。随着重金属胁迫浓度的升高，叶绿素a+b、叶绿素a含量显著下降(P<0.05)，而叶绿素b含量变化不显著。胁迫14d，T5处理组的叶绿素b均达到最低，Cu2+胁迫下分别为对照组的69.94%、58.81%、90.06%；Zn2+处理分别为对照组的67.55%、61.26%、78.92%；复合胁迫的叶绿素a+b、叶绿素a、叶绿素b分别为对照组的42.43%、30.99%、63.11%。Cu2+、Zn2+复合胁迫的变化幅度比单一胁迫更大，对苦草叶绿素a+b、叶绿素a、叶绿素b的抑制性表现为：复合胁迫>Zn2+胁迫>Cu2+胁迫。

T1到T5阶段，随着Cu2+、Zn2+和复合胁迫浓度的增大，叶绿素a/b呈持续下降趋势，其最小值分别为对照组的65.30%、77.15%、48.24%，说明复合胁迫的降低程度大于单一胁迫，对叶绿素a/b的抑制性表现为：复合胁迫>Cu2+胁迫>Zn2+胁迫。

表1 不同浓度Cu2+、Zn2+处理对苦草光合色素指标的响应

3 讨论

目前，关于植物抗氧化酶活性的研究很多。SOD、POD、MDA是植物防御系统的重要组成部分，对维护植物保护酶系统发挥重要的作用[15]。当植物受到外界条件干扰时，酶活性平衡被破坏，会产生过多的O2-、H2O2、OH，然后进一步加快膜脂过氧化进程，降低植物体的膜系统完整性[16]。研究表明：外界环境的胁迫会造成植物体电解质和小分子有机物外渗，导致细胞内外物质交换的平衡受到影响，进而影响正常的细胞生理代谢功能[17]。SOD在提高植物抵抗逆境方面有重要的作用。一般情况下，重金属的毒害导致植物体内产生过多的O2-，为消除这种影响，植物本身通过提高SOD酶活性来催化转化O2-为H2O2，保护细胞免受损伤[18]，因此植物SOD活性随重金属的升高而逐渐增大，本研究中，苦草胁迫培养14d中，T1至T4处理阶段的SOD活性确实符合这一特征，而T5处理组中的Cu2+单一胁迫和复合胁迫却呈下降趋势，这可能是由于重金属的胁迫已经超出了苦草的耐受力，抑制了植物本身的酶活性，所以出现了SOD先升后降的现象。Cu2+、Zn2+都是植物生长所需的元素，能够参与其正常的生理活动，有利于细胞内外的细胞物质交换[19]，这也是三种处理的T1处理组SOD值均略低于对照组的原因。另外，可能是由于Zn2+的存在降低了Cu2+对苦草的伤害，缓和了部分重金属的影响，导致三种处理方式对苦草的抑制性表现为：Cu2+胁迫>复合胁迫>Zn2+胁迫。

POD催化H2O2分解成H2O和O2[20]，其受重金属胁迫变化规律与SOD非常类似，在实验前期随重金属的升高而显著增大，但在高浓度的影响下却开始降低。本研究中，三种胁迫的T5处理组中均有观察到POD显著下降的现象，说明高浓度的重金属胁迫破坏了正常的酶功能，导致酶系统清除活性氧的能力减弱，H2O2和O2-等大量积累，引发细胞正常生理功能混乱，与SOD降低的原因相似，这里和计汪栋[21]等人的研究结果符合得很好。MDA含量代表细胞膜被氧化的程度[22]，用来反映植物逆境或衰老过程膜脂的破坏程度，含量越高表明植物受抑制的程度越严重[23]。MDA含量过高或过低都可能对植物的光合作用造成影响[24]。本实验中苦草的MDA含量随重金属浓度的升高呈显著上升趋势，说明苦草的生命活动受重金属抑制情况明显加重。徐勤松[25]等人的研究成果也证实重金属能导致植物体内膜脂过氧化产物(MDA)明显上升。T5处理组中Cu2+和Zn2+单一胁迫下的MDA值达到最大，但复合胁迫却使得其活性降低，可能是由于此两种重金属之间的相互作用导致MDA酶活性受影响程度明显增加，进而导致植物体本身的酶保护系统遭到破坏，因此T5处理组中的MDA含量明显降低。三种抗氧化酶活性中，除SOD外，POD和MDA的复合处理所造成的影响较两种重金属单一胁迫更大，其次是Cu2+单一胁迫，Zn2+产生的影响最小，可能由于Cu是非常活跃的氧化还原型过渡金属元素，它能吸收或释放一个电子(Cu2+/Cu+)，从而产生自由基导致损伤[26]，而Zn的化学性质比Cu要弱的多。

叶绿素a和叶绿素b对苦草光合作用的进行都具有重大帮助。叶绿素a+b能够反映植物叶片光合活性的强弱，代表对光能的利用率[27]。本研究中，叶绿素a+b、叶绿素a、叶绿素b的T1处理组各叶绿素含量略高于对照组，其原因可能是少量的Cu2+、Zn2+都能够有助于合成叶绿素。T1到T5处理组中各叶绿素含量指标随重金属胁迫浓度的升高而显著降低，在实验中也可以看到苦草叶片表面明显失绿的现象。有学者认为重金属离子与叶绿体蛋白上的巯基结合[28]，破坏了叶绿体的基本结构；此外，重金属还能够与某些合成叶绿素的酶(原叶绿素酸酯还原酶和胆色素原脱氨酶)相结合，使得酶活性大幅下降，阻碍了叶绿素的合成[29]。本研究中，叶绿素a比叶绿素b下降更快，说明叶绿素a对重金属更敏感。Cu2+、Zn2+对苦草叶绿素a+b、叶绿素a、叶绿素b的抑制性表现为：复合胁迫>Zn2+胁迫>Cu2+胁迫。Ca/Cb始终呈下降趋势，说明两种重金属都能加速苦草叶片的衰老，且复合胁迫的降低幅度最大，Zn2+单一胁迫变化程度最小。就对苦草抑制性而言，复合胁迫>Cu2+单一胁迫>Zn2+单一胁迫。