羅于洋，王樹森，閆 潔，田 盼

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學生態(tài)環(huán)境學院，內(nèi)蒙古呼和浩特010019)

隨著人類利用和開發(fā)自然資源的手段越來越先進，礦產(chǎn)資源的開采速度被大大地加快了。連年持續(xù)地開采加重了礦區(qū)周圍環(huán)境的重金屬污染，使農(nóng)田、水體及人類身心健康受到威脅，因此加快鉛鋅礦山的生態(tài)恢復與植被重建研究，控制和減輕重金屬對環(huán)境的污染和危害就成為迫在眉睫的事情[1]。植物提取修復是目前研究最多且最有發(fā)展前途的一種污染土壤植物修復技術(shù)，重金屬超富集植物的發(fā)現(xiàn)是植物提取修復技術(shù)研究的基礎(chǔ)。

作者在以往的研究中發(fā)現(xiàn)，密毛白蓮蒿(Artemisia sacrorum Ledeb.var.messerschmidtiana)是鉛的超富集植物，自然條件下，密毛白蓮蒿葉中鉛含量達2 375.27 mg/kg，葉對鉛的富集系數(shù)為1.15。密毛白蓮蒿為內(nèi)蒙古山地半灌木群落的主要建群植物，高0.5～1.0 m，在白音諾爾礦區(qū)大面積分布。密毛白蓮蒿的發(fā)現(xiàn)為探討鉛在植物體中的超積累機理和鉛污染土壤植物修復的理論與實踐提供了一種新的種質(zhì)資源。

本研究以內(nèi)蒙古赤峰市白音諾爾鉛鋅礦區(qū)自然生長的密毛白蓮蒿為研究對象，通過對鉛脅迫下非礦區(qū)和礦區(qū)密毛白蓮蒿莖葉解剖結(jié)構(gòu)影響的比較研究，探討鉛脅迫對超富集植物解剖結(jié)構(gòu)的影響，在細胞水平上探討重金屬對密毛白蓮蒿的毒害機理，從而為鉛鋅礦山的生態(tài)恢復與植被重建提供一定的理論依據(jù)。

1 實驗材料和方法

1.1 采樣區(qū)自然地理概況

采樣區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市巴林左旗白音烏拉蘇木境內(nèi)的白音諾爾鉛鋅礦區(qū)。該礦區(qū)是目前中國長江以北最大最富的多金屬礦床，現(xiàn)已探明的鉛鋅金屬儲量2.488×106t，礦石中含有鉛、鋅、銀、鎘等主要金屬，鉛加鋅平均品位7.68%。礦區(qū)位于東經(jīng) 118°51′30″—118°54′30″，北 緯 44°26′00″—44°27′30″。該區(qū)氣溫變化較大 ，1 月平均氣溫 -14.1℃，最低氣溫達-39.6℃，7月份平均氣溫22.45℃，冰凍期從10月至翌年4月，最大凍土深度2.5 m，平均年降雨量337.9 mm，雨季多在6—8月。植被類型為草甸草原，土壤類型為淡黑鈣土。另一取樣地蠻漢山位于內(nèi)蒙古烏蘭察布市涼城縣境內(nèi)，東經(jīng)112°2′—113°2′，北緯 40°10′—40°50′之間。蠻漢山是我國北部森林氣候區(qū)和草原氣候區(qū)的過渡地帶，年平均降水量411.4 mm，年平均氣溫5.9℃，最高氣溫39.3℃，最低氣溫-34.0℃，生長期130 d左右，≥10℃積溫3 032.5℃左右。蠻漢山土壤為酸性巖砂壤質(zhì)中厚淋溶灰褐土，植被為典型森林灌叢草原。

1.2 取樣方法

礦區(qū)密毛白蓮蒿為2008年5月上旬在白音諾爾鉛鋅礦尾礦區(qū)采集，選擇生長狀況良好且較為一致的密毛白蓮蒿幼株。非礦區(qū)密毛白蓮蒿為同時采集于蠻漢山的生長狀況良好的密毛白蓮蒿幼株。將兩地采回的植株帶回苗圃分開寄栽，待植株生長恢復后再移于室內(nèi)的塑料盆里。

1.3 植株培養(yǎng)

將非礦區(qū)、礦區(qū)密毛白蓮蒿用濃度為200 mg/L的醋酸鉛溶液培養(yǎng)，各設(shè)4個重復。

將苗床內(nèi)的密毛白蓮蒿幼株移栽至塑料盆中(盆口直徑15 cm，高12 cm)進行砂培，每盆中栽植3～4株小苗，共栽4盆，放置于通風和光照良好的地方進行培養(yǎng)。每隔2 d澆1次去離子水，預培養(yǎng)14 d后植株生長狀況良好，此時進行200 mg/L的醋酸鉛溶液處理。培養(yǎng)期間，每隔3 d澆 1次營養(yǎng)液(40 ml/盆)，每隔3 d澆1次去離子水(20 ml/盆)，每隔5 d澆1次醋酸鉛溶液(15 ml/盆);在每個塑料盆下放置塑料盤一個，不定期將盤內(nèi)積液倒回盆中。植株培養(yǎng)50 d后，雖然生長緩慢，但生長狀況良好，整株拔出進行相關(guān)實驗指標的測定。

1.4 莖葉解剖結(jié)構(gòu)實驗方法

植株培養(yǎng)50 d后做標記，然后將莖葉脫水、透蠟、包埋、切片、展片、染色、封片。在電子顯微鏡(Olympus-BX41TF)下觀察，并記錄觀察結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 密毛白蓮蒿莖解剖結(jié)構(gòu)[2-3]

2008年11月，對200 mg/L鉛溶液處理的非礦區(qū)、礦區(qū)密毛白蓮蒿莖進行實驗室解剖結(jié)構(gòu)研究，結(jié)果如圖1，2和表1所示。

2.1.1 表皮 如圖1所示，200 mg/L鉛溶液處理的非礦區(qū)密毛白蓮蒿莖的表皮細胞由一層細胞組成，細胞多不規(guī)則且大小不一，細胞排列緊密。如圖2所示，礦區(qū)密毛白蓮蒿莖表皮加厚，由1～3層細胞組成，細胞多為不規(guī)則型，細胞排列整齊而緊密，顏色加深。

圖1 200 mg/L鉛溶液處理的非礦區(qū)密毛白蓮蒿莖橫切面解剖結(jié)構(gòu)(10倍)

圖2 200 mg/L鉛溶液處理的礦區(qū)密毛白蓮蒿莖橫切面解剖結(jié)構(gòu)(10倍)

表1 非礦區(qū)、礦區(qū)密毛白蓮蒿莖橫切面的顯微特征比較

2.1.2 皮層 如圖1所示，200 mg/L鉛溶液處理的非礦區(qū)密毛白蓮蒿莖薄壁組織的細胞大小不一，近圓形，排列疏松，含葉綠體較少。如圖2所示，礦區(qū)密毛白蓮蒿莖薄壁細胞組織細胞呈圓形或長方形，排列疏松，含葉綠體多。細胞中有黑色物質(zhì)。

2.1.3 維管柱 如圖1所示，200 mg/L鉛溶液處理的非礦區(qū)密毛白蓮蒿莖韌皮部細胞小，質(zhì)密。木質(zhì)部導管孔徑較大，分布均勻。髓特別發(fā)達，由大型的薄壁組織細胞組成，形狀圓形或不規(guī)則，排列較為疏松，有機質(zhì)大多儲存在髓中。如圖2所示，礦區(qū)密毛白蓮蒿莖薄壁組織細胞比較大，木質(zhì)部導管管壁加厚，且導管中有黑色物質(zhì)。

2.2 密毛白蓮蒿葉解剖結(jié)構(gòu)[4-9]

2008年11月，對濃度為200 mg/L的鉛溶液處理的非礦區(qū)密毛白蓮蒿、礦區(qū)密毛白蓮蒿葉進行實驗室解剖結(jié)構(gòu)研究，結(jié)果如圖3，4和表2所示。

圖3 200 mg/L鉛溶液處理的非礦區(qū)密毛白蓮蒿葉橫切面解剖結(jié)構(gòu)(40倍)

2.2.1 表皮 如圖3所示，非礦區(qū)密毛白蓮蒿葉表皮具有保護作用，由一層細胞構(gòu)成。表皮細胞不規(guī)則，排列松散，細胞大部分解體，且細胞中無葉綠體。如圖4所示，礦區(qū)密毛白蓮蒿由一層表皮細胞構(gòu)成。表皮細胞呈不規(guī)則型，細胞較大，排列緊密。部分細胞中無葉綠體，部分細胞中有葉綠體但葉綠體變形。

2.2.2 葉肉 如圖3所示，非礦區(qū)密毛白蓮蒿葉柵欄組織部分解體，組織中有晶體出現(xiàn)。細胞小，細胞核小且分布不均勻。海綿組織解體，海綿組織中的細胞解體，核膜和核仁消失。如圖4所示，礦區(qū)密毛白蓮蒿柵欄組織由2～3層細胞組成，細胞呈長方形或不規(guī)則型，排列松散，細胞大小不均勻，細胞核少。海綿組織相對不發(fā)達，細胞呈球型或多面體型，細胞間隙較小，少數(shù)細胞有細胞核。

圖4 200 mg/L鉛溶液處理的礦區(qū)密毛白蓮蒿葉橫切面解剖結(jié)構(gòu)(40倍)

表2 非礦區(qū)和礦區(qū)密毛白蓮蒿葉片橫切面顯微特征比較

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，礦區(qū)密毛白蓮蒿對鉛含量較高的土壤環(huán)境具有較強的適應(yīng)性。

鉛脅迫對非礦區(qū)密毛白蓮蒿莖組織結(jié)構(gòu)影響不大，礦區(qū)密毛白蓮蒿則通過加厚細胞壁，加厚導管壁表現(xiàn)出對環(huán)境的適應(yīng)。鉛脅迫下礦區(qū)密毛白蓮蒿葉解剖結(jié)構(gòu)變化較小。

鉛脅迫下非礦區(qū)密毛白蓮蒿莖組織結(jié)構(gòu)變化較小，細胞中幾乎沒有葉綠體。礦區(qū)密毛白蓮蒿由于長期生長在鉛礦區(qū)，表現(xiàn)出對鉛的適應(yīng)性:礦區(qū)密毛白蓮蒿莖表皮加厚，細胞壁加厚，只有葉綠體含量減少。木質(zhì)部導管壁出現(xiàn)加厚現(xiàn)象，導管中有黑色物質(zhì)。

鉛脅迫對非礦區(qū)密毛白蓮蒿葉影響較大，具體表現(xiàn)為:整個組織結(jié)構(gòu)極其松散，組織內(nèi)部的細胞形狀不規(guī)則，細胞大小不規(guī)律，且排列混亂，部分細胞出現(xiàn)了解體的現(xiàn)象，細胞中葉綠體含量明顯減少。鉛脅迫下礦區(qū)密毛白蓮蒿葉解剖結(jié)構(gòu)變化較小，其組織結(jié)構(gòu)比較完整而且內(nèi)部的細胞排列很緊密，細胞的形狀較為規(guī)則，大小比較均一，葉綠體含量無明顯減少，其細胞中細胞核較少。

細胞是生物結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，重金屬引起植物細胞解剖結(jié)構(gòu)的改變是一個復雜的過程，植物體內(nèi)的重金屬積累超過一定閥值后，對植物細胞超微結(jié)構(gòu)的損傷是一個重要機制，通過探討植物受重金屬毒害后細胞結(jié)構(gòu)的變化，是在細胞水平上揭示重金屬毒害植物機理的途徑之一。國內(nèi)外許多學者從不同的角度報道了重金屬對植物細胞結(jié)構(gòu)的破壞。李榮春[10]研究了Cd，Pb及其復合污染對烤煙葉片細胞亞顯微結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)Cd對煙葉葉肉細胞亞顯微結(jié)構(gòu)具有較強的損傷誘變作用，表現(xiàn)為葉綠體類囊體腫脹或解體，基粒片層紊亂甚至消失，類囊體空泡化;細胞核變形，核仁解體，核質(zhì)分布不均勻以及出現(xiàn)微核等，較嚴重的核中央出現(xiàn)大空泡，核膜部分或全部解體，核質(zhì)分布在空泡的邊緣，線粒體脊的消失而使線粒體空泡化。施國新[11]等對汞、鎘污染對黑藻葉細胞傷害的超微結(jié)構(gòu)進行了研究。葉細胞遭受Hg2+，Cd2+毒害初期，高爾基體消失，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膨脹后解體，葉綠體中的類囊體和線粒體中的脊突膨脹或呈囊泡狀，核中染色質(zhì)凝集。隨著葉細胞遭受毒害程度的加重，核糖體消失，染色質(zhì)呈凝膠狀態(tài)，核仁消失，核膜破裂，葉綠體和線粒體解體，質(zhì)壁分離使胞間連絲拉斷，細胞壁部分區(qū)域的壁物質(zhì)松散游離，最后細胞死亡。結(jié)果表明，Hg2+和Cd2+對細胞的膜結(jié)構(gòu)和非膜結(jié)構(gòu)都產(chǎn)生毒害作用，只是不同的結(jié)構(gòu)對毒性的耐受性有一定的差異。

內(nèi)蒙古白音諾爾鉛鋅礦是目前中國長江以北最大的鉛鋅多金屬礦，在漫長的開發(fā)利用過程中，對周圍的土壤環(huán)境、水體環(huán)境等造成了嚴重的重金屬污染。加強該地區(qū)對重金屬污染環(huán)境的研究，著手修復被重金屬污染的土壤十分必要。密毛白蓮蒿為Pb的超富集植物，在礦區(qū)大面積分布，在細胞水平上探討密毛白蓮蒿對Pb的積累和耐受機理對我國鉛鋅礦污染土壤植物修復的理論與實踐具有重要的意義。

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