全 文 ：中国环境科学 2001,21(4) 371~375 China Environmental Science
汞 镉污染对轮叶狐尾藻的毒害
谷 巍,施国新,韩承辉,杜开和,曲筱丽 (南京师范大学生命科学学院,江苏 南京,210097)
摘要 用不同浓度 Hg2+ Cd2+溶液培养沉水植物轮叶狐尾藻植株,比较研究重金属离子对其生理指标及超微结构的影响.Cd2+污染时,轮叶
狐尾藻叶片 茎出现黑色斑点,而受 Hg2+污染时均匀褪绿,未出现斑点.Hg2+ Cd2+污染均使轮叶狐尾藻叶片叶绿素含量减少,较低浓度时,
光合速率 呼吸速率 过氧化物酶活性及可溶性蛋白含量上升,随着污染物浓度的加大 污染时间的延长,则导致其相应生理指标下降.电
镜结果显示:叶细胞受Hg2+ Cd2+毒害后,染色质呈凝胶状,膜系统解体,核糖体消失.研究表明,在相同处理浓度和时间条件下,Hg2+毒性较Cd2+
强,Hg2+对轮叶狐尾藻的快速致死浓度为 1~2mg/L,Cd2+为 3~5mg/L.
关键词 轮叶狐尾藻 Hg2+ Cd2+ 污染 生理指标 超微结构
中图分类号 X503.23 文献标识码 A 文章编号 1000-6923(2001)04-0371-05
The toxicity damage effect of Hg2+ and Cd2+ pollution on Myriophyllum verticillatum Linn. GU Wei, SHI Guo-xin,
HAN Cheng-hui, DU Kai-he, QU Xiao-li (College of Life Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210097, China).
China Environmental Science. 2001,21(4) 371~375
Abstract Cultivating the Myriophyllum verticillatum Linn with Hg2+ and Cd2+ solutions of different concentrations, the
effect of heavy metal on physiological index and ultrastructure of the plant was studied. Under Cd2+ pollution, black spots
appeared on leaves and stems of Myriophyllum verticillatum Linn, while under Hg2+ pollution, they have no spots and lost
the green color evenly. In both cases, the chlorophyll content of leaves decreased. Lower concentration of Hg2+ and Cd2+
increased chlorophyll content, photosynthesis rate, respiration rate, activity of POD and protein content of leaves, while
higher concentration and longer time of pollution decreased their physiological index. Ultrastructural observation showed
agglutination of chromatin, disintegration of membrane systems and disappearance of ribosomes after the leave cells were
poisoned. The results showed that the toxicity of Hg2+ on Myriophyllum verticillatum Linn was heavier than that of Cd2+
under the same treating time and concentration, and that the quickly lethal concentration of Hg2+ to Myriophyllum
verticillatum Linn was 1~2 mg/L and that of Cd2+ was 3~5 mg/L .
Key words Myriophyllum verticillatum Linn Hg2+ Cd2+ pollution physiological index ultrastructure
随着社会的发展,工业 三废 导致的重金
属污染日益严重.Hg2+ Cd2+分别是毒性最强的
重金属元素之一,是环境监测的必测项目,可使植
物出现急性毒害症状.有关重金属污染对植物生
理生化指标及超微结构的影响,国内外已有许多
研究和报道,主要集中在陆生 浮水及低等植物
方面的研究[1-3],对高等水生沉水植物的研究不
多.高等水生沉水植物与水体直接接触,对污染非
常敏感 .为此 ,本文选择沉水植物轮叶狐尾藻
(Myriophyllum verticillatum Linn)作为研究对象,
从光合作用 呼吸作用 物质代谢 植物对不
良环境影响的反应等方面出发,同步研究其生理
和结构变化,选择叶绿素含量 光合速率 呼吸
速率 过氧化物酶活性 可溶性蛋白含量等 5
个生理指标及超微结构变化,进一步探讨重金属
污染机制,为水质污染提供生态学指标,为环境监
测筛选灵敏的水污染监测植物提供理论依据.
1 材料与方法
轮叶狐尾藻于 2000年 6月采自南京江心州.
采集后,选取生长旺盛 外形相似(包括植株长
度 叶片大小 叶色等)的植株,将其水培在无
底泥玻璃缸中,1周后,于上午 8:00时分别移至已
收稿日期 2000-11-13
基金项目 国家自然科学基金资助项目(39770046);江苏省教育厅
自然科学基金资助项目(BK97107)
372 中 国 环 境 科 学 21卷
加入浓度为 0.5,1.0,2.0,3.0,5.0,7.0,10.0mg/LCd2+
的玻璃缸中及同样浓度梯度的 Hg2+玻璃缸中,另
取两缸作对照(去离子水).从第 2 天开始每天上
午 8:00 定时采样.选取植株倒数第 3 至第 5 轮
叶片进行以下测定(实验重复 5次).
1.1 生理指标
1.1.1 叶绿素含量测定 参照刘学铭等[4]的方
法,采用 754 型分光光度计,在波长 663nm 和
645nm下测定.
1.1.2 光合速率 呼吸速率的测定 参照秦京
东等[5]的方法,用氧电极测定.
1.1.3 POD 活性的测定 参照陈雄等[6]的方法,
用 754型分光光度计,在波长 470nm下测定.
1.1.4 可溶性蛋白含量的测定 参照陈武等[7]
的方法,以 BSA 为标准蛋白,用 754 型分光光度
计,在波长 620nm下测定.
1.2 超微结构
用 2.5%戊二醛和 2%锇酸双重固定,丙酮系
列脱水,Epon 812 包埋,LKB 超薄切片机切片,切
片经醋酸双氧铀-柠檬酸铅双重染色后 ,于
Hitachi 600-A-2型透射电镜下观察并拍照.
2 实验结果
2.1 外部形态
处理第 2 天,对照叶片翠绿色,不定根健壮,
Hg2+处理的从 3mg/L 起,老叶褪绿;处理第 3 天,
Cd2+处理的从 0.5mg/L 起,叶 茎局部出现黑色
斑点,3mg/L 出现的黑色斑点最多,Hg2+处理的从
3mg/L起不定根根尖发黑,嫩叶开始褪绿;处理第
4 天,Cd2+处理的从 7mg/L 起嫩叶褪绿,全株呈黄
褐色,Hg2+处理的从 5mg/L 起芽心褪绿,全株呈
灰绿色;处理第 5 天,Cd2+处理的从 7mg/L 起及
Hg2+处理的从 3mg/L 起芽心褪绿.3mg/L Cd2+处
理 5d 的植株,移至花房水池中,生长正常,5mg/L
的逐渐死亡.1mg/L Hg2+处理 5d 的移至花房水
池中,生长正常,2mg/L 的逐渐死亡.通过对比,轮
叶狐尾藻各器官对 Hg2+ Cd2+毒害的耐受性从
弱到强依次为老叶 不定根 嫩叶 芽.
2.2 叶绿素含量
处理至第 3 天,2mg/L以下 Cd2+处理的轮叶
狐尾藻叶片叶绿素含量仍与对照基本持平.随着
Hg2+ Cd2+处理浓度的增加 污染时间的延长,
叶绿素含量(图 1)和叶绿素 a/b 比值皆呈下降趋
势,Hg2+对叶绿素含量的影响明显比 Cd2+严重.
图 1 Hg2+ Cd2+对轮叶狐尾藻叶片叶绿素含量的影响
Fig.1 Effects of Hg2+ and Cd2+ on chlorophyll
content of leaves
Cd2+第 3天 Hg2+第 3天 Cd2+第 5天
Hg2+第 5天
2.3 光合速率
较低浓度的 Hg2+ Cd2+处理使轮叶狐尾藻
叶片光合速率增加,随着处理浓度的上升,光合速
率下降,且 Hg2+毒害的抑制作用比 Cd2+强烈.处
理至第 3 天时(图 2),Hg2+处理的 2mg/L 以上光
合速率就已检测不出,而 Cd2+处理的在 10mg/L
检测不出.但低浓度的 Hg2+处理对轮叶狐尾藻叶
片光合速率的刺激增强作用比 Cd2+明显 ,
0.5mg/L Hg2+处理的光合速率是对照的 2.87 倍,
而 Cd2+处理的仅是对照的 1.18倍.
图2 Hg2+ Cd2+对轮叶狐尾藻叶片光合速率的影响(第3天)
Fig.2 Effects of Hg2+ and Cd2+ on photosynthesis rate
of leaves (the third day)
Cd2+ Hg2+
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
0 2 4 6 8 10
处理浓度(mg/L)
叶
绿
素
含
量
( m
g/
gF
W
)
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8
处理浓度(mg/L)
光
合
速
率
[ m
m
ol
O
2/ (
m
in
.g
FW
)]
4期 谷 巍等 汞 镉污染对轮叶狐尾藻的毒害 373
2.4 呼吸速率
处理至第 3 天(图 3),7mg/L 以下 Cd2+处理
的使轮叶狐尾藻叶片呼吸速率增加,低浓度 Hg2+
也可使其呼吸速率上升,且比 Cd2+处理的明显.
但 Hg2+处理的从 3mg/L 以上导致轮叶狐尾藻
叶片呼吸速率下降.Hg2+对其呼吸速率的抑制作
用比 Cd2+强烈.
图 3 Hg2+ Cd2+对轮叶狐尾藻叶片呼吸速率
的影响(第 3天)
Fig.3 Effects of Hg2+ and Cd2+ on respiration rate
of leaves(the third day)
图注同图 2
2.5 过氧化物酶(POD)活性
Cd2+处理第 2 天,整个浓度梯度 POD 活性
皆呈上升趋势.至第 3天时, 10mg/L Cd2+处理的
低于对照值(图 4).Cd2+处理第 5 天,7mg/L 以
下,POD 活性仍高于对照值.Hg2+处理第 3 天,
2mg/L以上 POD活性呈下降趋势(图 4).
图 4 Hg2+ Cd2+对轮叶狐尾藻叶片 POD活性
的影响(第 3天)
Fig.4 Effects of Hg2+ and Cd2+ on POD activity
of leaves (the third day)
图注同图 2
2.6 可溶性蛋白含量
从图 5 可看出,5mg/L 以下 Cd2+处理 5d,轮
叶狐尾藻叶片可溶性蛋白含量增加.低浓度 Hg2+
也可使其可溶性蛋白含量增加,但 1mg/L 以上
Hg2+使轮叶狐尾藻可溶性蛋白含量下降.不同浓
度在不同时间反应各不相同,3mg/L Cd2+处理的,
在第 3天达最大值,随后呈下降趋势.
图 5 Hg2+ Cd2+对轮叶狐尾藻可溶性蛋白含量
的影响(第 5天)
Fig.5 Effects of Hg2+ and Cd2+ on protein content
of leaves (the fifth day)
图注同图 2
2.7 超微结构变化
电镜观察表明,轮叶狐尾藻叶细胞受 Hg2+毒
害初期,与对照相比(图 6a,图 6b),核中染色质凝
集,叶绿体中的类囊体和线粒体中的脊突膨胀
(图 6c).随着毒害的加重,质壁分离,质膜破损,染
色质呈凝胶状,核仁消失,核膜破裂(图 6d),线粒
体和叶绿体解体(图 6e),核糖体消失.受 Cd2+毒害
的,经 1mg/L 处理 5d,与对照相比,没有明显的差
异,经 10mg/L 处理 5d 的叶细胞,观察到核膜破
损,叶绿体和线粒体解体.
3 讨论
Hg2+ Cd2+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[8].
Hg2+ Cd2+对轮叶狐尾藻的快速致死浓度分别
为 1~2mg/L 3~5mg/L.
Hg2+ Cd2+污染使叶绿素含量和叶绿素 a/b
比值减小,其原因是重金属使叶绿素受到了破
0
20
40
60
80
100
0 2 4 6 8 10
处理浓度(mg/L)
PO
D
活
性
[
A
/(
m
in
.g
FW
) ]
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
2.4
0 2 4 6 8 10
处理浓度(mg/L)
可
溶
性
蛋
白
含
量
( m
g/
gF
W
)
0
2
4
6
8
10
0 2 4 6 8 10
处理浓度(mg/L)
光
合
速
率
[ m
m
ol
O
2/ (
m
in
.g
FW
)]
374 中 国 环 境 科 学 21卷
坏.Stobart AK[9]等认为,叶绿素下降的原因:一是
重金属抑制原叶绿素酸酯还原酶;二是影响氨基-
酮戊酸的合成.叶绿素 a/b 下降,说明叶绿素 a 和
b 都受到破坏,而高浓度情况下,叶绿素 a 相对叶
绿素 b更不稳定.
轮叶狐尾藻光合作用的激活或抑制与叶绿
素含量 参与光合作用的酶 叶绿体结构等有
关.由于叶绿体双层膜结构遭破坏,基粒垛叠结构
解体(图 6c,图 6e),直接影响到光合作用等功能,
使光合速率下降.杨丹慧[10]认为,Cd2+等重金属离
子对高等植物叶绿体光合电子传递均有抑制作
用,且光合作用比呼吸作用对重金属离子具有更
高的敏感性.而光合速率上升,可能是参与光合作
用的酶被激活.本研究发现,光合速率的上升与下
降表现在外观症状出现之前,对环境因子的改变
比较敏感,可作为重金属对环境污染早期监测的
生理指标.
图 6 Hg2+对轮叶狐尾藻叶片细胞超微结构的毒害
Fig.6 The toxicity of Hg2+ on the leaves cells Ultrastructure of Myriophyllurn verticillatum Linn
a.对照叶细胞中的叶绿体,´17000 b.对照叶细胞中的细胞核,´12000 c. 1 mg/L Hg2+处理 5d的叶细胞, ´20000
d. 7mg/L Hg2+处理 4d的叶细胞, ´15000 e. 7 mg/L Hg2+处理 4d的叶细胞,´17000
N为细胞核 Chl为叶绿体 Mi为线粒体 Cw为细胞壁
呼吸作用的加强有助于植物释放出大量能
量,以抵抗不良环境.浓度过高或污染过重时,呼
吸作用受到抑制,这是由于线粒体膜被破坏(图
6c),可能使电子传递 磷酸化途径受阻碍.
POD 是植物体抗氧化酶系统中主要的保护
酶之一,与 SOD(超氧化物歧化酶) CAT(过氧化
氢酶)三者协调一致使细胞内自由基的产生和清
除处于动态平衡状态.植物细胞受到胁迫时,平衡
被打破,导致膜脂过氧化作用及脱脂化作用,磷脂
游离,膜结构破坏[11](图 6c~图 6e).膜系统破坏就
会引起一系列生理生化紊乱,导致植物死亡.污染
较轻时,植物体内 POD 受到活性氧自由基的诱
a c
b d e
4期 谷 巍等 汞 镉污染对轮叶狐尾藻的毒害 375
导,活性上升,参与清除自由基;污染加重后,酶系
统被破坏而使 POD 活性下降,植物对自由基和
过氧化物的防御能力降低,从而受到毒害.研究表
明 Hg2+ Cd2+对酶活性的影响是一个阈值,说明
POD等酶对膜系统的保护作用是有一定限度的,
这与前人观点相符[12].
重金属可引起可溶性蛋白含量增加,而可溶
性蛋白含量的提高,很可能是植物抵抗毒害的一
种解毒机制,例如能诱导产生重金属结合蛋白,从
而降低重金属的毒性[13,14].蛋白质含量的提高,还
会增加细胞渗透浓度和功能蛋白的数量,有助于
维持细胞正常代谢[12].随着污染的加重,可溶性
蛋白含量下降,这与电镜观察结果显示的核糖体
消失相一致,随着细胞核结构的破坏(图 6d),DNA
翻译 RNA 转录受阻,影响了蛋白质的合成,也
可能是重金属与-SH 基结合导致蛋白质的变性
失活.
施国新等[8]通过汞 镉污染对黑藻叶细胞
伤害的超微结构研究,认为沉水植物黑藻叶片极
薄,且沉入污染水中,所以叶片受害均匀,并不出
现斑点,而是整叶由深绿色变为淡绿色,最后完全
失绿.本研究发现 Cd2+污染使轮叶狐尾藻叶片
茎出现黑色斑点,而受Hg2+污染的却未出现斑点.
且对 Hg2+ Cd2+的比较研究结果与李大辉等[15]
不同.表明不同植物 不同重金属离子存在不同
的污染机制.其原因有待进一步探讨.
4 结论
Hg2+ Cd2+对轮叶狐尾藻生理生化的影响
存在着典型的剂量 效应关系.Hg2+ Cd2+污染
对轮叶狐尾藻起着一种急性毒害的作用,在相同
处理浓度和时间条件下,Hg2+毒性较强 ,相对而
言,Cd2+毒性较弱.Hg2+对轮叶狐尾藻的快速致死
浓度为 1~2mg/L,Cd2+对轮叶狐尾藻的快速致死
浓度为 3~5mg/L.
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作者简介 谷 巍(1969-),女,江苏滨海人,南京师范大学生命科
学学院在读硕士生 ,主要从事高等水生植物结构的研究.发表论文
2篇.