全 文 ：Cd和模拟酸雨复合污染对密叶绢藓生理生化指标的影响
李亚敏 1 ,肖红利2　(1.陕西广播电视大学理工部 ,陕西西安 710069;2.西北农林科技大学生命科学学院 ,陕西杨凌 712100)
摘要　[目的 ]为密叶绢藓作为环境监测的指示植物提供参考。 [方法]通过实验室模拟试验 ,研究了重金属 Cd(0～ 50mg/L)和模拟酸
雨(pH值分别为 3.5、4.5和 5.6)复合污染对密叶绢藓生理生化指标的影响。 [结果]随着酸雨强度的增大和Pb处理浓度的增加 ,密叶
绢藓的可溶性蛋白质含量在 Cd浓度为 20mg/L, pH值为 3.5时达到最大值 ,比对照高出 40.91%;超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶
(POD)活性则是先升高后降低;而可溶性糖和游离脯氨酸含量则是随着Cd含量的增加而增加 ,在 pH值 3.5酸雨胁迫下 ,密叶绢藓受害
程度最高。 [结论]密叶绢藓对酸雨有较好的耐受能力 ,酸雨和Cd复合污染比单一污染对密叶绢藓造成的胁迫更严重。
关键词　Cd;模拟酸雨;复合污染;密叶绢藓;生理生化
中图分类号　X517　　文献标识码　A　　文章编号　0517-6611(2010)32-18261-03
ComplexEffectsofCdandSimulatedAcidRainonthePhysiologicalCharacteristicsofEntodoncompressus(Hedw.)C.Muel.
LIYa-minetal　(ScienceandTechnologyDepartment, ShaanxiRadio＆TVUniversity, Xian, Shaanxi710069)
Abstract　[ Objective] TheaimwastoprovidereferenceforEntodoncompresus(Hedw.)C.Muel.toactasabiomarkerinenvironmental
monitoring.[ Method] EffectsofCd(0-50mg/L)andsimulatedAcidRain(pH=3.5, 4.5, 5.6)onthephysiologicalcharacteristicsof
Entodoncompressus(Hedw.)C.Muell.werestudiedwithlaboratorysimulatedexperiment.[ Results] Astheintensityofacidrainenhanced
andPbtreatmentconcentrationincreased, themaximumsolubleproteininEntodoncompressus(Hedw.)C.Muel.appearedunder20mg/L
ofCdandpH 3.5, whichwas40.91%higherthanthatofthecontrol.Theactivitiesofsuperoxidedismutase(SOD)andtheperoxidase
(POD)activitiesincreasedfirstanddecreased, whilethesolublesugarcontentandfreeprolinecontentalwaysincreasedasCdconcentration
increased.UnderthestressofacidrainatpH 3.5, Entodoncompresus(Hedw.)C.Muel.suferedthegreatestharms.[ Conclusion] Ent-
odoncompressus(Hedw.)C.Muel.hadstrongtolerancetoacidrain, moreseriousstressestoEntodoncompressus(Hedw.)C.Muel.could
beobservedinthecasesofcomplexpolutionwithacidrainandCdthananysinglepolution.
Keywords　Cd;Simulatedacidrain;Complexefects;Entodoncompressus(Hedw.)C.Muel.;Physiologicalcharacteristics
作者简介　李亚敏(1978-),女 ,陕西西安人 ,硕士 ,讲师 ,从事植物生
理生态研究。
收稿日期　 2010-08-30
　　利用植物对环境污染和全球变化进行指示和监测成为
当前研究的热点和前沿之一。苔藓植物由于结构简单 、没有
真正的根和维管束组织 、表面积较大 、超强的生理适应机制
以及对环境因子的反应敏感度高 ,而成为一类良好的生物指
示植物 ,被世界各国广泛应用为环境变化的指示物 [ 1] 。目
前 ,苔藓植物能够指示的污染物主要有酸雨 、重金属 、SO2、氯
化物及 O3等 。
我国是酸雨的重灾区之一 ,酸雨面积已扩大到国土面积
的 40%左右 [ 2] 。植物在酸雨胁迫下的生长和生理变化情况
可以衡量其对酸雨的耐受能力 ,亦可作为植被监测环境的参
考依据。同时 ,重金属污染在我国也很严重 ,尤其重金属镉
(Cd2+)是植物毒性元素 ,大量镉进入环境 ,直接或间接地影
响着人类的健康 [ 3] 。Tyler[ 4]详细论述了重金属的毒害作用
和苔藓植物对其的忍耐性以及如何利用苔藓植物监测重金
属含量。另外 ,苔藓为多年生植物 ,可以作为大气污染的长
期累积种 ,针对某一地区或某一污染源进行长期生物监测 ,
增加了测定结果的稳定性和可靠性 [ 5] 。研究报道 [ 6-7] ,绢藓
科植物可作为北方地区环境监测的指示植物 ,而密叶绢藓是
陕西常见苔藓植物种类。为此 ,笔者以密叶绢藓 [ Entodon
compresus(Hedw.)C.Muel.]为材料 ,研究了酸雨和重金属
Cd复合胁迫对其生理代谢的影响 ,旨在为科学评估密叶绢
藓对酸雨和金属 Cd复合污染的耐受能力提供依据 。
1　材料与方法
1.1　材料　密叶绢藓采于陕西西安市翠华山。该保护区位
于秦岭北脉海拔 2 132 m处 ,植物资源丰富 ,空气洁净 ,大气
未受到污染。
1.2　方法
1.2.1　模拟酸雨的配制 。根据西安地区历年酸雨的成分 ,
参照文献 [ 8]配制模拟酸雨。采用 98%浓硫酸和 65%浓硝
酸 ,按体积比 8∶1的比例 ,然后加去离子水稀释而成。试验采
用 3个处理 , pH值分别为 5.6、4.5、3.5,蒸馏水与大气平衡
后形成的溶液 ,其 pH值 5.6作为对照组 , pH值 3.5酸雨的
化学组成与目前西安地区酸雨组成相近;pH值 4.5酸雨的
离子浓度为 pH值 3.5酸雨的一半 ,模拟未来酸雨的情况。
1.2.2　试验处理。将野外采回的活体密叶绢藓去除杂物 ,
并用去离子水洗净 ,在培养箱中培养 2 d,使其适应环境;然
后挑选长势一致的材料 ,先用滤纸吸干表面水分 ,再放入培
养皿中 ,以 CdCl2 · 2.5H2O形式分别添加 200 ml不同浓度
Cd溶液 ,使 Cd浓度分别为 0(对照组)、5、10、20、50mg/L(以
纯 Cd计);然后把培养皿移入 25℃光照培养箱中进行培养 ,
光周期为 12∶12h。培养 2 d后 ,进行酸雨处理 ,酸雨喷洒每
隔 2 d进行 1次 ,每次喷至叶片滴水为准。 15 d后取一部分
样品进行各项指标的测定 ,每个处理重复 3次。
1.2.3　指标的测定。可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝 G-
250染色法 [ 9]测定;可溶性糖含量采用蒽酮比色法 [ 10]测定;
游离脯氨酸含量采用磺基水杨酸法 [ 11]测定;超氧化物歧化
酶(SOD)活性采用氯化硝基四氮唑蓝(NBT)法 [ 12]测定;过氧
化物酶(POD)活性采用愈创木酚法 [ 13]测定。
1.2.4　数据统计。数据采用 SPSSV16.0统计软件进行
分析。
2　结果与分析
2.1　Cd和模拟酸雨复合污染对密叶绢藓可溶性蛋白质含
量的影响　由图 1可知 ,随着酸雨强度的增加(pH值 5.6 ～
3.5),密叶绢藓可溶性蛋白质含量有所升高 ,但是在单一的
酸雨胁迫下 ,可溶性蛋白质含量变化不显著 ,而经 Cd与酸雨
安徽农业科学 , JournalofAnhuiAgri.Sci.2010, 38(32):18261-18263 责任编辑　乔利利　责任校对　况玲玲
DOI :10.13989/j.cnki.0517-6611.2010.32.027
的复合处理后 ,可溶性蛋白质含量呈现先升高后降低的趋
势 。当 Cd浓度为 10mg/L时 , pH值为 5.6、4.5时 ,蛋白质含
量与对照组相比分别增加了 16.24%、40.59%;当 Cd浓度为
20mg/L, pH值为 3.5时 ,可溶性蛋白质含量达到最大值 ,比
对照组高出 40.91%;随着 Cd浓度的进一步增加 ,可溶性蛋
白质含量开始下降。可见 ,低强度的酸雨和低浓度的 Cd处
理下 ,蛋白质含量升高 ,可能是为修复机体伤害提供相应的
物质与能量 ,以适应环境的变化 。
图 1　Cd和模拟酸雨复合污染对密叶绢藓可溶性蛋白质含量的影响
Fig.1　EffectsofCdandsimulatedacidrainstressonsolublepro-
teincontentofEntodoncompresus(Hedw.)C.Muel.
2.2　Cd和模拟酸雨复合污染对密叶绢藓可溶性糖含量的
影响　由图 2可知 ,随着模拟酸雨 pH值的不断降低 ,密叶绢
藓可溶性糖含量不断升高 。当 Cd浓度≤10 mg/L时 , pH值
5.5和 pH值 4.5酸雨处理下的糖含量与对照相比变化不
大 ,说明轻度酸雨胁迫对密叶绢藓叶片产生的影响较小;当
Cd浓度≥20mg/L时 , pH值 3.5和 pH值 4.5处理下的糖含
量迅速增加 ,说明重度胁迫使叶片的膜脂过氧化作用增强;
当 Cd浓度为 50mg/L时 , pH值 3.5和 pH值 4.5酸雨胁迫
下的密叶绢藓可溶性糖含量比对照组分别增加了 67.81%和
54.07%,说明逆境使植物体内渗透调节物质增加 ,提高了植
物的抗性。
图 2　Cd和模拟酸雨复合污染对密叶绢藓可溶性糖含量的影响
Fig.2　EfectsofCdandsimulatedacidrainstressonsoluble
sugarcontentofEntodoncompressus(Hedw.)C.Muel.
2.3　Cd和模拟酸雨复合污染对密叶绢藓游离脯氨酸含量
的影响　脯氨酸积累在逆境胁迫初期可减轻其伤害 ,后期是
细胞调亡的表现 [ 14] 。由图 3可知 ,当酸雨胁迫强度一定时 ,
密叶绢藓各组脯氨酸含量随 Cd浓度的增加而增加 ,呈现 “缓
升 —骤升—缓升 ”的变化趋势。pH值 4.5酸雨处理下脯氨
酸含量变化趋势与对照近同 , Cd和酸雨复合处理下各组脯
氨酸含量比酸雨单一处理组略有提高 。在 Cd浓度为 50
mg/L,酸雨强度分别为 pH值 3.5和 4.5时 ,密叶绢藓可溶性
糖含量达到各处理下的最大值 ,比对照组分别高出 79.25%
和 71.56%。在高强度的酸雨胁迫下 ,密叶绢藓通过应激反
应增加脯氨酸含量 ,以修复其渗透胁迫造成的伤害。
图 3　Cd和模拟酸雨复合污染对密叶绢藓游离脯氨酸含量的影响
Fig.3　EfectsofCdandsimulatedacidrainstressonfreeproline
contentofEntodoncompressus(Hedw.)C.Muel.
2.4　Cd和模拟酸雨复合污染对密叶绢藓抗氧化酶活性的
影响　SOD是一种重要的清除活性氧的防御酶 ,其活性的升
高反映了逆境胁迫下植物体内活性氧自由基增多 ,膜脂过氧
化加剧。由图 4可知 ,未加 Cd处理时 ,密叶绢藓的 SOD活性
随着酸雨强度的增加而上升 ,说明酸雨对密叶绢藓造成了胁
迫 ,促进了活性氧产生 ,植物需要依靠提高 SOD活性来清除
活性氧 。在酸雨 pH值相同的条件下 ,随着 Cd浓度的升高 ,
密叶绢藓的 SOD活性均表现为先升高后下降的趋势 ,在 Cd
浓度为 10 mg/L时 ,达到活性的最大值 ,比对照组高出了
15.82%,但过高浓度的 Cd胁迫会导致 SOD活性的下降 ,植
物体内的活性氧自由基不能被有效清除 ,使植物受到伤害。
密叶绢藓叶中 POD活性随着酸雨强度和 Cd含量的增加也
呈现出先逐渐升高趋势 ,在 Cd浓度为 10 mg/L时 , pH值 3.5
和 4.5酸雨胁迫下的 POD活性达到各处理下的最大值 ,比对
照组分别增加了 7.24%和 6.53%,而后随着 Cd浓度的进一
步升高 , POD活性开始下降 ,说明在一定强度酸雨和一定含
量 Cd的胁迫下 ,密叶绢藓叶中产生了大量的自由基 ,使得
POD活性增强;但在高强度酸雨和高含量 Cd复合污染下 ,密
叶绢藓叶开始出现部分衰亡现象如叶片卷曲等 ,使 POD活
性表现为下降趋势。
3　结论与讨论
(1)可溶性蛋白质。蛋白质是生命活动的体现者 ,其中
可溶性蛋白质大多是参与各种代谢的酶类 ,其含量变化可反
映细胞内蛋白质合成 、变性及降解等多方面的信息 [ 15] 。该
研究中 ,酸雨对密叶绢藓可溶性蛋白质含量的影响随着 Cd
浓度的增加而增加 ,当 Cd浓度大于 20mg/L时开始下降 ,这
可能是在逆境胁迫下 ,植物为防御伤害 ,体内会大量合成一
些防御蛋白 ,但当胁迫加重时 ,细胞结构被破坏 ,蛋白质合成
受阻 ,含量下降。
(2)可溶性糖。该试验中 ,胁迫强度进一步增加最终导
致可溶性糖的积累 ,可溶性糖具备了渗透调节物质所具备的
所有条件 ,对代谢活动和酶活性影响小 ,许多植物能通过渗
透物质的渗透调节作用来维持细胞一定的含水量和膨压势 ,
18262 　　　　　　　　　　安徽农业科学　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2010年
图 4　Cd和模拟酸雨复合污染对密叶绢藓 SOD和 POD活性的影响
Fig.4　EfectsofCdandsimulatedacidrainstressonSODandPODactivityofEntodoncompressus(Hedw.)C.Muel.
从而维持细胞的正常功能 。张显强 [ 16]等研究表明 ,高温和
干旱可以提高鳞叶藓可溶性糖的含量 ,这与该试验中糖的变
化是完全相同的 ,证明糖的积累对植物抵抗不良环境具有一
定作用。
(3)脯氨酸。脯氨酸是植物蛋白质的组分之一 ,并以游
离状态广泛存在于植物体中。正常条件下 ,植物体中游离脯
氨酸的含量并不多 ,但在逆境条件下植物体内游离脯氨酸可
增加 10 ～ 100倍 ,达到占游离氨基酸的 40%以上 [ 16] 。植物
脯氨酸含量的增加是植物对逆境胁迫的一种生理生化反
应 [ 17] 。该研究中 ,在一定强度酸雨污染下 ,密叶绢藓游离脯
氨酸含量随着 Cd浓度的增加而增加 ,这可能是由于在逆境
胁迫下 ,脯氨酸氧化分解活性降低 ,转而成为渗透调节剂 ,维
持渗透压并影响细胞水分代谢 ,当胁迫增加时 ,有机小分子
如脯氨酸开始积累 ,可以作为抗氧化剂防止自由基和 H+对
蛋白质的伤害 ,维持酶活性 [ 18] ,阻止不利环境因素对植物的
伤害。
(4)抗氧化酶。细胞内抗氧化酶的活性水平及相对大小
直接影响着胞内自由基的组成和水平 ,只有在各种酶的协同
作用下 ,才能有效清除细胞内的活性氧 ,使细胞免于氧化损
伤 [ 19] 。该研究中 ,密叶绢藓 SOD活性在酸雨和低浓度 Cd诱
导下升高 ,以清除胁迫时植物体内过量的 O-2 ,这是植物的一
种应激反应。植物体内的 POD也具有多种功能 ,首先 POD
可以清除植物体内 SOD的产物———H2O2 ,另外 POD还参与
组织衰老中叶绿素的降解 ,产生自由基。该研究中 , POD活
性的高低反映了植物的抗 Cd毒能力 ,当施 Cd量高于 10
mg/kg时 , POD活性随着施 Cd量的增加而显著下降 ,并在
pH值 3.5酸雨胁迫时最低 ,表明酸雨和 Cd复合污染抑制了
POD活性 ,这与徐苏凌等 [ 20]研究酸雨和 Cd对紫花苜蓿影响
的结果相一致 。
由此可见 ,密叶绢藓对酸雨和 Cd的复合污染是敏感的 ,
可应用到复合污染的环境监测上。
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