趙雨朦,魏海峰*,李 悅,范詩(shī)文,牛禹霽, 劉長(zhǎng)發(fā),張明亮,何 潔,夏 寧,趙肖依
(1. 遼寧省近岸海洋環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連116023; 2. 大連海洋大學(xué),海洋科技與環(huán)境學(xué)院,遼寧 大連116023; 3. 大連海洋大學(xué),農(nóng)業(yè)農(nóng)村部北方海水增養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連116023)
重金屬污染是目前最為嚴(yán)峻的土壤污染問(wèn)題。土壤中的重金屬會(huì)引起植物葉肉細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的毒害效應(yīng),抑制細(xì)胞核分裂、細(xì)胞膜的滲透機(jī)制紊亂失調(diào)、破損、抗氧化酶系統(tǒng)損傷等[1-5]。有調(diào)查顯示,我國(guó)土壤污染超標(biāo)率高達(dá)16.1%,污染類型以重金屬污染為主,其污染物不僅包括 Cd、Cr 等植物非必需的元素,還包括 Cu、Zn 等植物必需的微量元素,在 Cu、Zn 過(guò)量時(shí)也會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生危害[6-7]。此外重金屬是一類典型的累積性污染物,可通過(guò)食物鏈逐級(jí)傳遞富集,并在某些條件下轉(zhuǎn)化為毒性更大的金屬有機(jī)化合物,嚴(yán)重危害植物和人類健康。鋅作為植物生長(zhǎng)發(fā)育的必需生長(zhǎng)元素,當(dāng)植物體內(nèi)鋅濃度超過(guò)一定閾值,其主要作用由營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)為毒害,抑制植物生長(zhǎng)[8]。此外植物體內(nèi)鋅過(guò)量還會(huì)引起其他必需元素缺乏,進(jìn)而影響植物的一系列正常生理代謝活動(dòng)[9]。銅不僅參與植物的光合作用,更是多酚氧化酶、細(xì)胞色素氧化酶、抗壞血酸氧化酶等多種酶類的結(jié)構(gòu)成分和催化活性成分,其對(duì)于植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程同樣有重要意義。但過(guò)量的銅會(huì)對(duì)植物同樣會(huì)產(chǎn)生毒害作用,使植物的水分代謝、光合作用、呼吸作用等各項(xiàng)生理代謝發(fā)生紊亂,生長(zhǎng)緩慢,阻滯生長(zhǎng)發(fā)育,降低產(chǎn)量,并可在食用部位積累,對(duì)人類健康造成嚴(yán)重危害[10-11]。
翅堿蓬為耐鹽性草本植物,其作為北方灘涂的優(yōu)勢(shì)種植物[12],是一種典型的鹽堿地指示植物,具有良好的經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)潛力和生態(tài)價(jià)值[13-14]。盤(pán)錦紅海灘位于遼河入???,依托于濱海濕地而存在,火紅的堿蓬草成為紅海灘得天獨(dú)厚的資源,但近年來(lái)由于各種污染加劇,翅堿蓬出現(xiàn)大面積死亡的現(xiàn)象。為探究其死亡原因,目前已有很多學(xué)者做出相關(guān)研究,但對(duì)于鋅、銅這些植物所必需的微量元素對(duì)翅堿蓬生長(zhǎng)影響的研究較少。因此,以翅堿蓬為研究對(duì)象,研究在不同Zn2+、Cu2+濃度處理下其生長(zhǎng)及生理指標(biāo)的變化情況,以期為濕地生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供參考。
試驗(yàn)所用翅堿蓬種子取自遼寧省盤(pán)錦市大洼區(qū)趙圈河鎮(zhèn)。所用純水由實(shí)驗(yàn)室純水機(jī)制出。
選擇大小一致、飽滿的種子在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水培養(yǎng)。在種子萌發(fā)后長(zhǎng)至一定高度(5 cm)后,選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的翅堿蓬幼苗,將其移栽至更有助于翅堿蓬直立生長(zhǎng)的內(nèi)置經(jīng)過(guò)75%酒精消毒的太空棉的容器中。生長(zhǎng)至20天左右,在翅堿蓬已經(jīng)有一定高度(約10 cm)時(shí),分別加入同體積的不同濃度(0.1、5、10、50 mg/L)Zn2+和Cu2+溶液,并且設(shè)置同體積營(yíng)養(yǎng)液為對(duì)照組,各做三組平行試驗(yàn)。營(yíng)養(yǎng)液配置方法參照霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液配置并有所改進(jìn),具體成分見(jiàn)表1、2。本試驗(yàn)為了保證翅堿蓬不受病害和污染的影響,以及重金屬溶液濃度的恒定,每隔三天更換一次培養(yǎng)液,且將幼苗放置于室內(nèi)有光照的地方。每五天測(cè)定翅堿蓬生理生化指標(biāo)一次,包括花青素、葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量和植株含水率,共進(jìn)行35天。
表1 營(yíng)養(yǎng)液成分中大量元素濃度Table 1 The concentration of macronutrients in nutrient solution
表2 營(yíng)養(yǎng)液成分中微量元素濃度Table 2 The concentration of microelements in nutrient solution
(1)含水率
每個(gè)濃度梯度分別取三株翅堿蓬,記錄編號(hào),瀝干表面水分,分析天平稱重,記錄數(shù)據(jù)(鮮重);將所有樣品放置在培養(yǎng)皿中,放入烘箱105oC下烘干3 h;取出培養(yǎng)皿,冷卻至室溫,用分析天平稱重,記錄數(shù)據(jù)(干重)。
(2)花青素含量測(cè)定參照于曉楠(2000年)試驗(yàn)方法[15],并有所改進(jìn)。
取整株樣品,記錄鮮重后用組織勻漿器充分研磨后,用3 mL的0.1 mol/L鹽酸乙醇溶液沖洗組織研磨器,將內(nèi)容物盡量沖出,移至比色管中,室溫下浸提1 h。
將比色管中液體移入比色皿中,用中速濾紙和漏斗進(jìn)行過(guò)濾,取澄清濾液,用752N紫外分光光度計(jì)分別測(cè)定在530、620、650nm波長(zhǎng)下的吸光度A530、A620、A650;用下列公式計(jì)算花青素含量。
花青素光密度值:OD =(A530-A620)-0.1*(A650- A620)
式中:ξ——摩爾消光系數(shù)(46200)
m——翅堿蓬質(zhì)量(g)
V——提取液體積(mL)
(3)葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量測(cè)定參照楊喜珍(2019年)實(shí)驗(yàn)方法[16]。
取整株樣品,記錄鮮重后用組織勻漿器充分研磨后,用10 mL的95%乙醇沖洗至25 mL比色管中,靜置30 min以完成光合色素的提取。
用中速濾紙和漏斗進(jìn)行過(guò)濾,取澄清濾液,用752N紫外分光光度計(jì)分別于649 nm和665 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度值,記為A649、A665。
葉綠素濃度計(jì)算公式:
葉綠素a濃度C(chl-a)=13.95×A665-6.88×A649
葉綠素b濃度C(chl-b)=24.96×A649-7.32×A665
總?cè)~綠素濃度C(chl)=C(chl-a)+C(chl-b)
求得色素濃度后,按下式計(jì)算單位鮮重各色素含量:
式中:c——色素濃度(mg/L)
V——提取液體積(L)
n——稀釋倍數(shù)
m——樣品鮮重(g)
利用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)不同濃度處理組之間的差異進(jìn)行單因素方差分析。
如圖1所示,翅堿蓬含水率隨時(shí)間變化未出現(xiàn)明顯的變化趨勢(shì)。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn),與對(duì)照組相比,不同濃度的Zn2+處理組對(duì)翅堿蓬的含水量均產(chǎn)生促進(jìn)作用;但隨著Zn2+濃度的增加,促進(jìn)效果逐漸減弱。以第20天為例,當(dāng)Zn2+濃度為0.1 mg/L時(shí)含水率最高,相比于對(duì)照組提高了8.0%;當(dāng)Zn2+濃度為50 mg/L時(shí),其相比于對(duì)照組提高了4.5%。
圖1 不同Zn2+濃度下的翅堿蓬含水率Fig. 1 Moisture content of S. heteroptera under different concentrations of Zn2+注:同列(行)中標(biāo)有不同小寫(xiě)字母者表示組間有顯著性差異(P < 0.05),下同。
由圖2可知,翅堿蓬含水率隨時(shí)間變化未出現(xiàn)明顯的變化趨勢(shì)。但通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn),在同一天中與對(duì)照組相比,不同濃度Cu2+處理組對(duì)翅堿蓬含水量均產(chǎn)生抑制作用,且隨Cu2+濃度升高抑制作用逐漸增強(qiáng)。
圖2 不同Cu2+濃度下的翅堿蓬含水率Fig. 2 Moisture content of S. heteroptera under different concentrations of Cu2+
如圖3所示,翅堿蓬中花青素含量隨時(shí)間變化未出現(xiàn)明顯的變化趨勢(shì)。通過(guò)觀察數(shù)據(jù)圖可以發(fā)現(xiàn),除第15天外,低濃度的Zn2+對(duì)花青素的合成有一定的促進(jìn)作用,但未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。
圖3 不同Zn2+濃度下翅堿蓬的花青素含量Fig. 3 Anthocyanin content of S. heteroptera under different concentrations of Zn2+
由圖4可知,翅堿蓬體內(nèi)花青素含量隨時(shí)間變化而升高。同一天中花青素含量隨Cu2+濃度增加先升高再降低,且均高于對(duì)照組;當(dāng)Cu2+濃度為10 mg/L時(shí),促進(jìn)作用最明顯。這說(shuō)明在適宜濃度范圍內(nèi)Cu2+對(duì)花青素的合成起促進(jìn)作用;若繼續(xù)增加Cu2+濃度,超過(guò)適宜濃度范圍,花青素的合成將會(huì)受到抑制。
圖4 不同Cu2+濃度下翅堿蓬的花青素含量Fig. 4 Anthocyanin content of S. heteroptera under different concentrations of Cu2+
由圖5可知,葉綠素a含量隨時(shí)間變化呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì),在第25天葉綠素a含量達(dá)到最高。在同一天中隨著Zn2+濃度升高,葉綠素a含量先增加后減少。以第25天為例,當(dāng)Zn2+濃度為0.1 mg/L時(shí),葉綠素a含量相比于對(duì)照組提高了45.21%;當(dāng)Zn2+濃度為50 mg/L時(shí),其含量相比于對(duì)照組降低了5.11%。這說(shuō)明Zn2+對(duì)葉綠素a合成的影響表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)、高濃度抑制。
圖5 不同Zn2+濃度下翅堿蓬的葉綠素a含量Fig. 5 Chlorophyll a content of S. heteroptera under different concentrations of Zn2+
如圖6所示,翅堿蓬體內(nèi)葉綠素a含量隨時(shí)間變化基本呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì),在第25天葉綠素a含量達(dá)到最高。從第15天開(kāi)始低濃度的Cu2+對(duì)葉綠素a的合成有一定的促進(jìn)作用,但未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。
圖6 不同Cu2+濃度下翅堿蓬的葉綠素a含量Fig. 6 Chlorophyll a content of S. heteroptera under different concentrations of Cu2+
如圖7所示,翅堿蓬體內(nèi)葉綠素b的含量隨時(shí)間變化先增加后減少,在第25天達(dá)到最大值。同一天中葉綠素b含量隨Zn2+濃度先增加后減少,同樣表現(xiàn)出低促高抑的現(xiàn)象,與葉綠素a類似。此外如圖8所示,以第20天為例,可以發(fā)現(xiàn)葉綠素a與葉綠素b的比值隨Zn2+濃度增加而降低。
圖7 不同Zn2+濃度下翅堿蓬的葉綠素b含量Fig. 7 Chlorophyll b content of S. heteroptera under different concentrations of Zn2+
圖8 第20天不同Zn2+濃度下的葉綠素a/b值Fig. 8 Ratio of chlorophyll a to chlorophyll b at different Zn2+ concentrations on the twenty day
由圖9可知,Cu2+對(duì)葉綠素b合成的影響未表現(xiàn)出明顯趨勢(shì)。此外如圖10所示,以第20天葉綠素a與葉綠素b比值為例,可以發(fā)現(xiàn)葉綠素a/b值隨Cu2+濃度增加而減小,相關(guān)方程及系數(shù)分別為y=-0.3112x+2.3734,R2=0.7453。
圖9 不同Cu2+濃度下翅堿蓬的葉綠素b含量Fig. 9 Chlorophyll b content of S. heteroptera under different concentrations of Cu2+
圖10 第20天不同Cu2+濃度下的葉綠素a/b值Fig. 10 Ratio of chlorophyll a to chlorophyll b at different Cu2+ concentrations on the twenty day
由圖11可知,翅堿蓬體內(nèi)總?cè)~綠素含量隨時(shí)間變化先增加后減少,在第25天總?cè)~綠素含量達(dá)到最高。此外在同一天中,總?cè)~綠素含量隨Zn2+濃度升高先增加后減少,當(dāng)Zn2+濃度在0.1~5 mg/L范圍時(shí),總?cè)~綠素含量最高;若Zn2+濃度繼續(xù)增加,則總?cè)~綠素含量開(kāi)始降低。
圖11 不同Zn2+濃度下翅堿蓬的總?cè)~綠素含量Fig. 11 Total chlorophyll content of S. heteroptera under different concentrations of Zn2+
如圖12所示,翅堿蓬中葉綠素總量隨時(shí)間先增加,在第25天后開(kāi)始減少。此外還可以發(fā)現(xiàn)同一天中,翅堿蓬體內(nèi)葉綠素總量隨Cu2+濃度升高而增加。
圖12 不同Cu2+濃度下翅堿蓬的總?cè)~綠素含量Fig. 12 Total chlorophyll content of S. heteroptera under different concentrations of Cu2+
鋅是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必需元素。但過(guò)量的鋅會(huì)使根系生理代謝過(guò)程失調(diào),植物根系生長(zhǎng)受到抑制,從而導(dǎo)致根系吸收能力減弱,使植物缺乏營(yíng)養(yǎng)。根系是植物吸收水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的重要器官[17],因此植物體內(nèi)含水量的大小與根系的生長(zhǎng)情況有直接聯(lián)系。試驗(yàn)結(jié)果表明,在試驗(yàn)所設(shè)的濃度范圍內(nèi)(0~50 mg/L),Zn2+對(duì)翅堿蓬體內(nèi)的含水率均有促進(jìn)作用,促進(jìn)效果隨著Zn2+濃度的增加先增強(qiáng)后減弱。由此推斷,若繼續(xù)增加Zn2+濃度,高濃度的Zn2+將對(duì)翅堿蓬的含水率產(chǎn)生抑制作用。有研究表明[18],低濃度Zn2+對(duì)鹽地堿蓬根系活力有促進(jìn)作用;當(dāng)Zn2+濃度超過(guò)0.4 g/L時(shí),Zn2+開(kāi)始對(duì)根系活力呈現(xiàn)抑制作用,這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。低濃度Zn2+使根系活力增強(qiáng)的原因可能是,其作為甘油醛-3-磷酸脫氫酶和乙醇脫氫酶的組成成分,進(jìn)入細(xì)胞后使酶的合成量增加,酶活性增強(qiáng),根系活力隨之增強(qiáng)[18]。但過(guò)量的Zn2+會(huì)傷害植物根系,使植物根系生長(zhǎng)受到阻礙,過(guò)量的Zn2+還會(huì)使植物地上部分出現(xiàn)褐色斑點(diǎn)并壞死[19-20]。
試驗(yàn)結(jié)果表明,不同濃度的Cu2+(0~50 mg/L)均對(duì)翅堿蓬含水量產(chǎn)生抑制作用。Sheldon等人發(fā)現(xiàn)不同濃度Cu2+使羅德草(ChlorisgayanaKnuth.)的根毛數(shù)量和長(zhǎng)度減少,根部明顯受損,分生組織被損害[21]。此外當(dāng)植物體內(nèi)Cu2+過(guò)量時(shí),隨著Cu2+在根部沉積,根系生長(zhǎng)將進(jìn)一步受到抑制[22]。祝沛平等[23]研究認(rèn)為,過(guò)量的Cu2+將抑制脫羧酶活性,最終造成根部大量NH4+的積累,植物根部損傷嚴(yán)重,主根伸長(zhǎng)受到抑制,根尖出現(xiàn)硬化,生長(zhǎng)點(diǎn)細(xì)胞分裂受到抑制,根毛數(shù)量減少甚至枯死。
花青素是植物次級(jí)代謝產(chǎn)物類黃酮中的一種重要的水溶性色素。類黃酮分子結(jié)構(gòu)上的酚羥基可以通過(guò)自身氧化釋放電子,直接清除自由基,起到抗氧化的作用[24]。因此植物組織在受到逆境刺激發(fā)生氧化脅迫時(shí),花青素可以保護(hù)葉片降低其受到光抑制、氧化或動(dòng)物啃食等傷害程度[25-26]。試驗(yàn)結(jié)果表明,作為植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素,低濃度的Zn2+和Cu2+對(duì)花青素的合成均有促進(jìn)作用。若繼續(xù)增加Zn2+和Cu2+濃度,植物將會(huì)受到重金屬脅迫,體內(nèi)的抗氧化酶活性下降或抗壞血酸耗盡,此時(shí)花青素含量仍然上升,通過(guò)清除H2O2以維持細(xì)胞內(nèi)的氧化還原平衡[27-28]。但如果重金屬濃度超過(guò)植物可耐受的最大限度,其對(duì)植物的毒害作用就會(huì)表現(xiàn)出來(lái),最終導(dǎo)致機(jī)體死亡。
葉綠素是植物光合作用中最重要的色素,是植物能否通過(guò)合成有機(jī)化合物將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的關(guān)鍵。其在高等植物中主要以葉綠素a和葉綠素b的形式存在。鋅在葉片中大多數(shù)以自由離子、低分子化合物和金屬蛋白存在,也有少部分和細(xì)胞壁結(jié)合,呈現(xiàn)不溶的形態(tài),植物中可溶的Zn2+是引起生理作用的主要形態(tài)[29]。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著Zn2+濃度的增加,葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素的含量均呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì),當(dāng)Zn2+濃度在0.1~5 mg/L范圍時(shí),葉綠素含量最高。即低濃度的Zn2+促進(jìn)葉綠素合成,高濃度的Zn2+抑制葉綠素合成。鋅作為植物生長(zhǎng)所需的元素,參與葉綠素的合成過(guò)程,并且低濃度的Zn2+會(huì)加速葉綠素的合成。但如果Zn2+濃度過(guò)高,其將會(huì)改變植物對(duì)鐵的利用性。鐵的利用對(duì)葉綠素形成起著決定性的作用,一旦葉綠素的形成受到抑制,會(huì)大大影響植物光合作用,從而使葉片失綠,減少干物質(zhì)產(chǎn)量[30-31]。此外,劉茵[32]等也發(fā)現(xiàn)鋅對(duì)植物光合作用的影響的直接表現(xiàn)便是植物葉綠素含量降低,這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。
銅也是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中一種必需元素,但過(guò)多的銅同樣會(huì)抑制植物光合作用,且引起葉色失綠,從而抑制植物生長(zhǎng)[33]。試驗(yàn)結(jié)果表明,在試驗(yàn)所設(shè)的濃度范圍內(nèi)(0~50 mg/L),不同濃度的Cu2+對(duì)翅堿蓬體內(nèi)葉綠素的合成均起促進(jìn)作用。其原因可能是,銅作為植物生長(zhǎng)必需的元素,低濃度的Cu2+有利于植物體內(nèi)葉綠素的合成。此外植物對(duì)外部環(huán)境有一定的防御性,低濃度的Cu2+刺激葉綠素含量增加,這可能與翅堿蓬本身的抗性機(jī)制有關(guān)。細(xì)胞內(nèi)的金屬蛋白結(jié)合了外來(lái)的有毒金屬離子,從而使重金屬的毒害作用被解除[33]。但如果Cu2+濃度過(guò)高,其毒害作用就會(huì)表現(xiàn)出來(lái)。過(guò)量的Cu2+與合成葉綠素的某些酶(原葉綠素酸酯還原酶、膽色素原脫氨酶和8-氨基乙酰丙酸合成酶)的-SH結(jié)合,改變了酶的結(jié)構(gòu)[34],阻礙了葉綠素前體的合成,導(dǎo)致葉綠素分解;或Cu2+直接破壞葉綠體結(jié)構(gòu)阻礙葉綠素合成,導(dǎo)致葉綠素含量降低[33]。朱健等人[35]研究銅對(duì)海花菜生長(zhǎng)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)Cu2+濃度在 0.1~10 mg/L范圍內(nèi)時(shí),海菜花幼苗中葉綠素含量隨 Cu2+處理濃度的增加而逐漸降低,與本文的試驗(yàn)結(jié)果不一致。其原因可能是不同植物對(duì)于Cu2+的耐受性存在差異,因此需要進(jìn)一步研究。
葉綠素a主要吸收紅光,葉綠素b主要吸收藍(lán)紫光。葉綠素循環(huán)是植物在不同生理?xiàng)l件下實(shí)現(xiàn)的葉綠素a和葉綠素b間的相互轉(zhuǎn)化[36]。葉綠素a/b值可以表征葉片的老化,其值越小,表明葉片老化越嚴(yán)重[37]。試驗(yàn)結(jié)果表明,以第20天為例,隨著Zn2+、Cu2+濃度的升高,不同處理組中葉綠素a/b的值減小。這說(shuō)明重金屬對(duì)葉綠素a合成的抑制作用大于對(duì)葉綠素b合成的抑制作用,并且在重金屬脅迫下葉綠素a的降解速率大于葉綠素b的降解速率。此外,在重金屬的脅迫下,植物可能通過(guò)加快葉綠素a向葉綠素b的轉(zhuǎn)化而增加對(duì)弱光的利用,從而抵抗脅迫對(duì)其生長(zhǎng)的影響[36]。
鋅和銅作為植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素,低濃度的Zn2+和Cu2+作用于翅堿蓬時(shí),對(duì)翅堿蓬的生長(zhǎng),花青素、葉綠素的合成產(chǎn)生促進(jìn)作用。當(dāng)環(huán)境中Zn2+和Cu2+濃度不利于翅堿蓬生長(zhǎng)時(shí),短時(shí)間內(nèi)翅堿蓬可以通過(guò)自身的應(yīng)激反應(yīng)來(lái)抵抗逆境。若環(huán)境中Zn2+和Cu2+濃度過(guò)高,毒害時(shí)間過(guò)長(zhǎng),翅堿蓬生長(zhǎng)將會(huì)受到抑制,直至死亡。本研究結(jié)果可望為更深入研究濱海濕地的重金屬污染防治提供數(shù)據(jù)資料。