全 文 ：第 38卷 第 4期 东 北 林 业 大 学 学 报 Vol.38 No.4
2010年 4月 JOURNALOFNORTHEASTFORESTRYUNIVERSITY Apr.2010
汽车排放胁迫对白鹤芋和小鼠生理特性的影响
丁柏群 朱宝全 李 凯 李心怡 侯 跃 李 晶
(东北林业大学 ,哈尔滨 , 150040)
摘 要 通过对白鹤芋植株和昆明种小鼠成体在汽车尾气污染氛围胁迫下生理现象的观察和测试 , 考查汽车
排放对动植物生命活动的影响。结果表明 , 汽车尾气强烈影响白鹤芋的生长 , 样本在试验期间叶片发生枯斑 、卷曲
下垂 、坏死 ,植株凋萎;对小鼠的运动 、呼吸 、心率 、能量代谢等生理活动有明显的不良影响。
关键词 汽车排放胁迫;白鹤芋;小鼠;生命体征
分类号 X514EffectsofAutomobileExhaustGasesonPhysiologicalCharacteristicsofSpathiphylumkochiandMusmusculus/DingBaiqun, ZhuBaoquan, LiKai, LiXinyi, HouYue, LiJing(CollegeofTrafic, NortheastForestryUniversity, Har-bin150040, P.R.China)//JournalofNortheastForestryUniversity.-2010, 38(4).-91 ～ 93AnexperimentwasconductedtostudytheeffectsofautomobileexhaustgasesonlifeactivitiesofanimalsandplantsbytestingandobservingthephysiologicalchangesofSpathiphyllumkochiiandMusmusculusunderautomobileemissionstress.ResultsshowedthattheautomobileexhaustgaseshadagreatnegativeefectonthegrowthofS.kochi, whichcausedtheleavestoshrivelup, droopanddieback, theplantsevenwitheredentirelyundercertaincondition.AlsotheclearadverseefectonM.musculuswasobvious, especialyonitsaction, breathing, heartrateandenergymetabolism.Keywords Automobileemissionstress;Spathiphylumkochi;Musmusculus;Vitalsigns
随着我国经济的迅速发展 ,乘用车作为代步工具开始大量
进入普通家庭 ,我国机动车保有量呈现井喷式增长。与此相应 ,
汽车排放污染在全部大气污染中的比重也愈来愈大,特别是机动
车集中的大城市 ,汽车尾气已经成为大气污染的首要来源 ,上海 、
北京、深圳、广州、厦门等城市汽车尾气污染占大气污染的分担率
达到 50% ～ 80%,济南 、天津则高达 90%以上。
关于汽车排放对生物的影响研究 , 主要集中在植物抵抗
污染的能力 、净化尾气的作用及人类健康等方面。有研究表
明 , 不同植物对汽车尾气污染的敏感程度有一定差别 , 一些植
物具有吸收 、吸附污染物的作用 [ 1-3] ;汽车尾气对人体尤其是
对儿童的健康 、智力等有较大危害 [ 4-6] 。笔者以一种植物白
鹤芋和一种动物昆明种小鼠为例 , 通过对比观察和检测试验
样本在有无汽车尾气胁迫时生理现象的变化 , 以及对胁迫过
程的响应 , 分析汽车排放污染对动植物某些生理特性的影响。
白鹤芋是一种常见的观赏植物 ,叶片面积大 , 容易观察有害气
氛的影响;植株大小适宜 , 对光照要求不严格 , 易于栽培管理
和试验过程的操作;小鼠个体差异小 , 基因序列与人类近似 ,
数量充足 , 成本低廉 ,对环境反应敏感。这两种样本适合用于
经呼吸作用产生毒性影响的强化试验研究。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验材料为白鹤芋(Spathiphyllumkochi)和昆明种小鼠
(以下简称小鼠 , Musmusculus)。选取生长状况良好 、植株长
势基本一致的盆栽白鹤芋为试验样本 , 平均株高 123.6 mm,
栽培土为以园土为主的配制土;选取同一批饲养的健康成年
小鼠 , 体质量 26 ～ 31g,雌雄各半。
1.2 试验方法
动 、植物样本在试验前适应性培育一周 , 随机分成对照
组 、胁迫试验组。白鹤芋和小鼠各自分为 1组对照样本和 3
组胁迫样本 , 对照组置于正常空气环境中 , 胁迫组置于 3种不
同体积分数的汽车尾气污染氛围中;试验过程中不改变样本
第一作者简介:丁柏群 ,男 , 1963年 11月生 ,东北林业大学交通
学院 ,教授。
收稿日期:2009年 4月 9日。
责任编辑:戴芳天。
正常生长要求的包括光照 、水 、进食等在内的其它培育条件 ,
并且对照组与胁迫组采用的培育条件完全相同。
胁迫试验采用静态熏气法。将 3组白鹤芋及小鼠样本分
别用表 1所示的汽车尾气处理 2周 ,方式均为间歇式处理:动
物试验为每天熏气 2h, 然后在正常环境中修复 22h;植物试
验为每天熏气 20h,在正常环境中修复 4h;对照组按正常条
件培养。
表 1 白鹤芋 、小鼠试验熏气主要成分及体积分数
材料 胁迫组 CO体积分数 /%
HC体积分
数 /×10-6
NOx体积分
数 /×10-6
CO2体积
分数 /%
O2体积
分数 /%
白鹤芋 1 0.24 310 34 7.21 10.00
2 0.28 343 38 8.17 8.61
3 0.32 399 43 9.80 6.80
小 鼠 1 0.21 260 30 6.51 12.00
2 0.25 393 33 7.57 10.61
3 0.29 439 37 8.80 8.90
采用 RM6240C型多通道生理信号综合分析仪 、电子天
平 、密闭补氧式呼吸系统 、温度计 、观察等方法 ,监测试验样本
生理特征的变化情况。在试验过程中持续观察白鹤芋样本的
整体生长状况 、受损叶片数量 、叶片损伤程度 , 小鼠样本的活
动情况 、状态变化等 ,并于试验开始和第 3天 、第 7天 、第 14
天熏气周期间歇时间测量白鹤芋叶片黄萎数量和枯斑面积比
例 ,测量小鼠体质量 、心率 、能量代谢率 、活动次数等指标 , 能
量代谢率的测量参考文献 [ 7]所述方法进行。
2 结果与分析
2.1 汽车尾气胁迫诱致白鹤芋生理特征的变化
图 1是白鹤芋各胁迫组样本与对照组样本在 2周试验期
间发生的实际变化比较。第 1组胁迫样本在试验进行到 1周
时总体变化不大 , 但在少数叶片边缘(图 1a箭头所指为其中
一处)产生褐斑;在试验进行 2周时 , 褐斑发展到少数叶片的
边缘 ,以及个别叶片的叶面(图 1b)。第 2组胁迫样本在试验
进行 1周时 ,多个叶片在边缘和叶脉间出现较大面积的褐斑;
而在试验进行 2周时 ,全部叶片均出现褐斑或焦黄 ,多个叶片
出现卷曲 、下垂 ,边缘坏死。第 3组胁迫样本在试验进行 1周
时 ,几乎全部叶片都出现大面积的褐斑 ,叶片卷曲 、下垂 ,少数
叶片发黄;在试验进行 2周时 ,大部分叶片已经坏死 、脱落 , 植
株开始枯萎。与此同时 ,对照组则长势良好 ,叶片油绿 、有光
泽。试验样本叶片受损程度随熏气时间延长和熏气体积分数
(以组别代表)升高而变化的情况如表 3所示。
图 1 汽车尾气胁迫对白鹤芋植株生长状态的影响
表 3 白鹤芋叶片熏气胁迫受损程度
编号 平均叶片枯斑面积占总面积比例 /%胁迫 3d后 胁迫 7 d后 胁迫 14d后
平均叶片黄萎数量占总数量比例 /%
胁迫 3d后 胁迫 7 d后 胁迫 14 d后
1 0 6.2 24.3 0 0 6.4
2 4.88 37.2 72.0 0 17.3 63.3
3 10.90 64.4 89.5 7.7 51.1 83.6
2.2 汽车尾气胁迫诱致小鼠生理特征的变化
2.2.1 处理时间的影响
在汽车尾气胁迫下 ,各组小鼠样本的若干生理活动指标
值如体质量 、心率 、能量代谢 、自主活动等 , 与试验前相比均有
不同程度的降低 , 且呈现进行性变化 ,随处理时间延长持续降
低(见表 4)。在试验的 14d时间里 , 1 ～ 3组样本的体质量分
别平均下降了 1.78%、2.96%和 5.21%,心率分别平均下降
了 6.92%、7.55%和 7.66%, 能量代谢率分别平均下降了
5.69%、 10.18%和 9.03%, 自主活动次数分别平均下降了
15.4%、 17.2%和 11.7%;而与此同时 ,对照组的相应指标均
值除体质量微有上升外 , 几乎没有发生变化。
进一步分析表明 , 这些指标随时间变化的特点有所不同
(见表 5)。 3个胁迫组小鼠样本的体质量降低幅度虽然较
小 ,但都呈现缓慢加速的迹象 ,平均降低速率分别由第 1周的
0.26%、0.65%和 2.57%增加到第 2周的 1.52%、2.31%和
2.72%;考虑到对照组的体质量还略有上升 , 实际加速降低的
倾向比表观数据还要更大一些。能量代谢率则相反 , 略呈减
速下降趋势 , 分别由第 1周的 4.69%、 5.66%、5.38%降低到
第 2周的 1.05%、4.78%、3.87%。而心率及自主活动降低速
率的特点是不仅与处理时间有关 , 而且与尾气体积分数有关:
较低体积分数(第 1组样本)时加速降低 , 高体积分数(第 3
组样本)时降速趋缓 , 中间体积分数(第 2组样本)降低速率
比较稳定 ,表明两个主要影响因素 ,即尾气体积分数与处理时
间对小鼠某些生理机能可能存在交互作用。
92 东 北 林 业 大 学 学 报 第 38卷
表 4 小鼠熏气胁迫生理指标变化趋势
编号 体质量 /g开始 3d 7d 14d
心率 /次· min-1
开始 3 d 7 d 14 d
能量代谢率 /kJ· m-2· h-1
开始 3 d 7d 14 d
自主活动次数 /次· min-1
开始 3d 7d 14d
对照 29.65 29.68 29.73 29.74 240.7 240.9 240.5 241.0 441.1 442 440.8 441.5 36.0 36.2 35.9 36.0
1 30.75 30.73 30.67 30.21 238.5 237.3 232.6 222.0 444.7 437.6 424.3 419.9 37.3 37.0 36.5 31.5
2 28.75 28.67 28.55 27.89 222.0 219.0 215.5 210.2 439.7 431.2 414.8 394.9 34.7 33.6 31.8 28.7
3 30.06 29.75 29.29 28.49 248.5 242.9 236.5 229.5 448.6 440.5 424.5 408.1 37.2 35.9 34.8 33.2
表 5 小鼠生理指标变化率随胁迫时间的变化 %
编号 体质量变化率
3d 7d 14d
心率变化率
3d 7d 14d
能量代谢率变化率
3d 7d 14d
自主活动次数变化率
3d 7d 14d
对照 0.100 0.270 0.304 0.083 -0.083 0.120 0.204 -0.068 0.091 0.550 -0.370 0.460
1 -0.065 -0.260 -1.780 -0.510 -2.470 -6.920 -1.100 -4.690 -5.690 -0.940 -2.330 -15.400
2 -0.260 -0.650 -2.960 -1.340 -2.900 -7.550 -1.920 -5.660 -10.180 -2.970 -7.980 -17.200
3 -1.030 -2.570 -5.210 -2.260 -4.840 -7.660 -1.810 -5.380 -9.030 -3.670 -6.770 -11.700
2.2.2 尾气体积分数的影响
由于心率 、能量代谢等指标的基础平均值在 1 ～ 3组样本
(对应低 、中 、高 3种胁迫体积分数)之间存在细小的统计差
异 , 所以直接比较各组相应指标的绝对数值并不完全合适;但
通过比较各组样本指标的相对变化率 ,能够消除组间基础平
均值差异的影响 , 从而反映出不同尾气体积分数的作用。从
表 5中可见 , 不同指标受尾气体积分数影响的规律不完全相
同 , 其中一些指标如体质量降低率 、心率降低率与尾气体积分
数呈正相关 , 即体积分数(以组别代表)越高 , 体质量降低率 、
心率降低率越大;另一些指标如能量代谢率 、自主活动次数的
降低率则存在一个最有效体积分数作用区间 , 该区间大致位
于第 2组样本对应的体积分数附近。心率 、能量代谢率 、自主
活动次数的降低率在 3组样本之间的差异表明 , 小鼠的心率 、
能量代谢和自主活动对汽车尾气胁迫敏感 ,在试验范围内,较
低体积分数的尾气就能产生显著降低效应;而且在中 、高体积分
数则差距不太大,表明这时对体积分数升高的反应开始钝化。
2.2.3 外部特征
在尾气胁迫条件下 ,除第 1周第 1组样本无明显变化外 ,
其它样本在其它时间均表现出毛色变黄 、活动少 、萎靡不振 ,并
且随处理时间的延长和处理体积分数的提高而加重。毛色发
黄从后腿部开始 ,逐渐向全身扩展。在中 、高体积分数下 ,一些
小鼠经常趴在一处不动。对照组样本则未发生这些变化。
3 讨论与结论
在本试验中 , 白鹤芋受害的主要部位是叶片 , 在呼吸 、光
合 、蒸散等过程中 ,汽车尾气中的有害成分能够通过气体交换
进入叶片内部 , 从而使叶绿素和叶肉组织受损。叶片细胞的
破坏可能是由于尾气抑制了还原酶的活性 , 导致质膜与细胞
壁解体 , 以及对膜脂产生过氧化作用 , 造成叶绿体膜伤害 [ 8] 。
汽车尾气对小鼠的危害 , 主要是经由呼吸系统进入血液
造成的。尾气胁迫氛围不仅导致环境乏氧 , 而且产生毒化作
用。单纯环境乏氧的损害能够通过本研究采用的间歇式熏气
得以恢复;而毒化作用则使小鼠血液产生不可逆转损害 , 这种
损害不仅限于其中的 CO与红细胞结合造成的携氧量减少 ,
一些研究 [ 9-10]表明 ,汽车尾气能够使小鼠骨髓嗜多染红细胞
的微核率明显升高(嗜多染红细胞是分裂后期的红细胞由幼
年发展为成熟红细胞的一个阶段), 表明汽车尾气对小鼠红
细胞的生成产生了显著损害 ,其结果甚至能够遗传。因而 , 这
种损害是难以修复的 ,能够形成累积效应。小鼠在环境乏氧
和血液携氧能力受损的情况下 , 生理活动受到抑制 , 机能弱
化 ,指标低下。
能量代谢率与机体的耗氧量正相关 , 能量代谢率的降低
表明小鼠在尾气胁迫下机体活力降低 , 这与小鼠自主活动降
低的趋势形成印证。通常 ,肌肉活动 、食物的特殊动力效应 、
环境温度等是影响能量代谢的主要因素 ,其中肌肉活动又是最
主要因素;在与对照组其它条件相同的情况下 , 可以认为胁迫
组小鼠的自主活动降低是导致能量代谢率降低的主要因素。
汽车尾气胁迫显著危害白鹤芋生长 , 样本发生叶片枯斑 、
下垂 、坏死 ,植株凋萎;明显抑制小鼠的生理机能 , 导致其心
率 、自主活动次数 、能量代谢率和体质量降低。在试验期间 ,
各组染毒小鼠心率下降 6.92% ～ 7.66%,自主活动次数下降
11.7% ～ 17.2%, 能量代谢率下降 5.69% ～ 10.18%, 体质量
下降 1.78% ～ 5.21%。
胁迫时间和胁迫尾气的体积分数是两个主要影响因素 ,
与对白鹤芋机体的损害和对小鼠体质量 、心率降低的影响是
正相关的;而对小鼠自主活动次数 、小鼠能量代谢率的降低 ,
则存在一个最显效的尾气体积分数范围。
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