全 文 ：收稿日期: 2004- 10- 08
基金项目: 国家重点基础研究发展计划项目( 2002CB412300) ; 中日
技术合作项目( DF)
作者简介: 宋关玲( 1971- ) ,女,黑龙江伊春人,讲师,博士研究生.
* 通讯联系人
低温对青萍生长及保护酶活性影响的研究
宋关玲1 , 侯文华2* , 汪群慧1 , 高兴喜1
(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001; 2.中国环境科学研究院湖泊生态环境创新基地,北京 100012)
摘要: 研究了在相对低温( 10~ 12 e )的条件下,青萍生长和保护酶活性的变化。测定了叶状体数目相对增长率、鲜重相对增长率、根长、叶绿素含
量、可溶性蛋白含量以及抗氧化酶系统的几种酶活性和含量的变化(包括过氧化物酶( POD)活性、过氧化氢酶( CAT)活性、超氧化物歧化酶( SOD)活性
以及丙二醛( MDA)含量)。研究结果显示:在 10~ 12 e 的情况下,青萍生物量的增加基本为零,叶绿素和可溶性蛋白的含量均降低, 细胞内保护酶的
调节功能发生了紊乱。在 10~ 12 e 的低温下,青萍已经不具有修复富营养化水体的能力。
关键词: 低温; 青萍; 富营养化; 生态修复
中图分类号: X524 文献标识码: A 文章编号: 1001- 6929( 2004) S0- 0045 - 04
The influences of low temperature on the growth of Lemna minor
SONG Guan-ling
1
, HOU Wen-hua
2*
, WANG Qun-hui
1
, GAO Xing-xi
1
( 1. Academy of City Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;
2. Research Center Lake Environment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)
Abstract: The growth and enzymatic resistance to oxidative stress were studied in low temperature of 10~ 12 e . The relative growth rate of frond
number and fresh weight, root length, content of soluble protein and chlorophyll, and the activity and content variation of several antioxidant ezymes,
such as peroxidase( POD) , catalase( CAT) , superoxide dismutase( SOD) and malondialdehyde( MDA) , were measured. This study indicated that the
growth rate indexes were basically zero, soluble protein and chlorophyll were decreased, and the function of regulation by enzymatic resistance to oxi-
dative stress was foul-up when Lemna minor groew in low temperature of 10~ 12 e . Lemna minor is not suitable for recovering the etrophicated na-
ture water body in low temperature of 10~ 12 e .
Key words: low temperature; Lemna minor; eutrophication; zoology restoration
目前,地表水体富营养化已经成为一个全球性的
环境问题。水体富营养化造成了生物多样性下降、鱼
类等浮游生物大量死亡和有毒藻类异常繁殖等恶性的
后果, 直接或间接对人类的生存造成了威胁。富营养
化水体的治理已经成为必须解决的课题之一。在水体
富营养化治理的过程中, 人们逐渐认识到了利用大型
的水生植物来治理受污染的水体具有低投资、低能耗、
处理过程与自然生态系统有更大的相融性等特点。以
大型植物为主的富营养化水体的生态修复工程已经被
认为是富营养化水体治理的关键技术之一。
浮萍科植物是在以大型水生植物为主的污水处理
系统中使用较多的类群之一 [1 -2 ]。原因是浮萍科植物
具有繁殖速度快, N, P含量高,生长范围广, 适应性强,
容易收获等特点。在国外的水体治理中已经得到了广
泛的应用 [3 - 5]。浮萍科植物可以生存的范围十分的广
泛,几乎全世界均有。该科植物可以忍受5~ 7 e 的水
温 [6 -7 ] ,在 10 e 左右下青萍表观看起来生长的仍然很
好。为了弄清在该温度下浮萍是否还具有净化富营养
化水体的作用, 笔者以浮萍科植物的代表种青萍为研
究对象,将宏观的生长指标和微观的保护酶活性的变
化结合起来,研究该温度条件下青萍的生长状态。
1 材料和方法
111 萍种来源及实验的前处理
青萍的种源及前处理见文献 [8] ,前处理时间为 3
个月。
112 培养条件
培养前将青萍用 1% (体积分数) 的 NaClO 消毒
3~ 5 min,再用无菌水清洗 3次。500 mL 的烧杯装 300
mL 的培养液和一定量的青萍置于日本 SANYAO公司
生产的 MLR - 350型人工恒温光照培养箱中培养, 培
第 17 卷 增刊
环 境 科 学 研 究
Research of Environmental Sciences
Vol. 17, Suppl. , 2004
DOI：10.13198/j.res.2004.s1.47.songgl.010
养温度分别设置为 26~ 28 e ,照度为 2 000 lx, 光照时
间为 16 hPd, 湿度为 60%。实验所用的培养液为改变
磷营养的 Steinberg 培养液 [9 ] (表 1) , 每组实验分成 2
个小组, 其中 1个小组的烧杯放 12 片青萍的叶状体
(鲜重平均为 01004 8 g,只选择具有 2~ 3片叶状体的
浮萍) ,在 3, 5, 7, 10, 15 d测定叶状体数目的变化和 15
d时青萍鲜重及根长的变化;另一个小组的烧杯中放
鲜重 2 g 的浮萍(用滤纸吸 3~ 5 min至干) , 在 3, 5, 7,
10, 15 d取样测定几种酶和可溶蛋白含量以及 15 d 时
叶绿素含量。所有的实验均设 3个重复。
表 1 Steinberg培养液的配方
Table 1 The composition of modified Steinberg medium
成分 质量浓度P( mg#L- 1 )
KNO 3 350
KH2PO 4 90
K2HPO 4 1216
MgSO 4#7H2O 100
Ca( NO3) 2#4H2O 295
MnCl2#4H2O 0118
H3BO3 0112
Na2MoO4 01044
ZnSO 4# 7H2O 0118
FeCl3#6H2O 0176
Na2EDTA#2H2O 115
113 分析方法
a1 生物量采用叶状体数目和植物体鲜重的变化 2
种指标表示。叶状体数目通过直接记数获得;鲜重通
过用滤纸吸5 min后进行称量。生物量增加量以相对
生长率来衡量, 计算公式如下 [10 ] :
Nv =
Nn - N 0
N 0
m fv =
mfn - mf 0
mf 0
式中, Nv 是叶状体的相对增长率; Nn 为培养第 n 天
时的叶状体数目, 个; N0 为培养第 0天时的叶状体数
目,个; mfv为鲜重的相对增长率; m fn为培养第n 天时
的鲜重, g; mf 0为培养第 0天时的鲜重, g。
b1 叶绿素含量的测定、酶液的制备、可溶性蛋白
含量的测定、过氧化物酶( POD)活性的测定、过氧化氢
酶( CAT)活性的测定及丙二醛(MDA)含量的测定方法
见文献[8]。
2 结果与讨论
211 低温对青萍宏观指标的影响
10~ 12 e 的温度下生长的青萍同最适生长温度
( 26~ 28 e )下的青萍相比, 其叶状体数目增长率 (图
1)、鲜重的增长率(表 2)均较低, 其生物量的增加量基
本上为零。虽然表面上看起来青萍仍然活得很好, 但
其已经不具有增殖的能力。在 10~ 12 e 下存活的青
萍的根长明显变短, 这应该是在低温的条件下青萍吸
收营养成分功能减弱的表现。
温度Pe : 1 ) 10~ 12; 2 ) 26~ 28
图 1 温度对叶状体数目增长率的影响
Fig. 1 The effect of temperature on the
frond number growth rate
表 2 培养 15 d后不同温度下青萍的几种生长指标的变化
Table 2 Several growth indexes of Lemna minor in different temperature after 15 days cultivation
温度Pe 鲜重增长率 根长Pmm 可溶性蛋白含量P(mg#g - 1) 叶绿素含量P( mg#g - 1)
10~ 12 11270 8 ? 01002 1 81142 1 ? 01801 5 01990 6 ? 01037 1 01645 2 ? 01025 2
26~ 28 231042 7? 11325 4 231513 2 ? 21312 5 01993 1 ? 01015 0 01713 3 ? 01023 3
212 低温对青萍叶绿素及可溶性蛋白含量的影响
存活在温度为 10~ 12 e 的青萍的叶绿素、可溶性
蛋白的含量都明显地较生长在最适温度下的低(表
2)。叶绿体色素是植物吸收太阳光能进行光合作用的
重要物质。叶绿素含量的降低是植物已经不能更好地
利用光能重要标志, 这说明在10~ 12 e 的温度下青萍
已经不能很好地利用光能合成自身的有机物了。可溶
性蛋白含量的降低是植物不能充分利用周围环境中的
N 源来合成自身蛋白的一种表现。从叶绿素和可溶性
蛋白的含量可以看出,在 10~ 12 e 的低温已经对青萍
的合成能力构成了环境胁迫,青萍合成自身物质的能
力已经受到了抑制。
213 低温对青萍保护酶活性的影响
关于低温对青萍抗氧化酶系统的影响笔者也进行
了研究。当植物遭受逆境的条件时, 植物体内就会产
生过多的活性氧。叶绿体和线粒体是细胞内产生活性
氧的重要器官。细胞内氧气的浓度在光合作用时是最
高的, 因此叶绿体是活性氧产生的关键细胞器 [11 ]。活
46 环 境 科 学 研 究 第 17 卷
性氧升高可以通过破坏脂类、核酸和蛋白质等来扰乱
细胞正常的代谢。植物在长期的进化过程中,通过自
然选择而发展了抗自由基损伤的保护系统, 包括几种
主要的保护酶: CAT, POD 和 SOD和一些抗氧化剂。
它们能及时清除活性氧, 因而不会积累到足以损伤机
体的浓度水平。当植物处于逆境中时, 细胞的结构受
到损伤,活性氧的积累量有可能增多,如果超过生物体
内在的防御能力,就会发生损伤。实验中测定了 CAT,
POD, SOD活性和MDA 含量,研究在 10~ 12 e 的低温
对青萍保护酶活性的影响,从而从分子水平上研究低
温对青萍生长的影响。
10~ 12 e 下存活的青萍其 POD的活性明显地较
生长在最适温度的高(图 2)。POD是一种涉及到植物
生长、发育以及代谢等的一类酶,它们影响植物体内木
质素和乙烯的合成及 IAA的分解, 同时也参与植物体
内对病菌、伤害等的防御和保护作用 [12 - 13 ]。一般来
讲,植物在逆境条件下其 POD的含量通常是增加的。
在该研究的低温条件下, 青萍 POD活性的升高是其细
胞内积累过多活性氧的一种表现, 表明该条件已经不
适合其生长。
温度Pe : 1 ) 10~ 12; 2 ) 26~ 28
图 2 温度对青萍 POD活性影响的研究
Fig. 2 The effect of temperature on the POD
activity of Lemna minor
在低温 ( 10~ 12 e ) 的条件下存活的青萍体内
CAT的活性也类似于 POD的活性, 明显地较生长在最
适温度的高(图 3)。CAT 属于植物细胞内清除活性氧
的一种重要酶。这种酶参与清除过氧化氢的积累和毒
害 [14 ]来保持细胞内 H2O2 的正常水平。CAT 的作用是
把H2O2 分解成水和氧气 [15 ] ,细胞 CAT 的活性是 H2O 2
转化的一个重要信号 [ 16 ]。该研究中青萍在温度为
10~ 12 e 下的 CAT 活性相对较高, 说明在该温度下,
青萍细胞内过氧化氢的积累相对增高, 通过提高其细
胞内 CAT 的活性来清除细胞内积累的相对高浓度的
H2O2。
低温下青萍 SOD的活性同最适温度的相比开始
降低(图 4)。SOD是一种广泛存在于生物界的金属酶
类,其存在与细胞的需氧代谢密切相关 [17]。SOD作为
温度Pe : 1 ) 10~ 12; 2 ) 26~ 28
图 3 温度对青萍 CAT活性的影响
Fig. 3 The effect of temperature on
the CAT activity of Lemna minor
植物抗氧化系统的第一道防线, 清除细胞中多余的超
氧根阴离子 [18 ]。低温下青萍体内 SOD活性的降低是
其细胞内清除超氧根阴离子能力降低的一种表现。
温度Pe : 1 ) 10~ 12; 2 ) 26~ 28
图 4 温度对青萍 SOD活性的影响
Fig. 4 The effect of temperature on the
SOD activity of Lemna minor
在 10~ 12 e 的低温下,青萍细胞内 POD, CAT 的
活性明显地升高,而其 SOD的活性却明显地降低, 细
胞内保护酶活性的调节出现了不同步的现象。细胞内
保护酶调节的不同步通常是细胞调节功能紊乱的表
现,说明在该温度下,虽然表面上青萍仍然没有死亡的
迹象,但是其细胞内保护系统的调节功能已经发生了
紊乱,该条件已经不适合青萍的生存需要了。
温度对青萍 MDA 含量的影响见图 5。青萍在低
温的胁迫下其MDA 的含量明显地升高。随着培养时
间的增加,其MDA的含量也是呈现增加的趋势。丙二
醛是常用的膜脂过氧化指标,是植物器官衰老或在逆
境条件下发生膜脂过氧化的产物之一, 其含量高低表
示细胞膜脂过氧化程度和植物对逆境条件耐受的强
弱 [19 ]。MDA 含量的升高通常是植物质膜发生严重过
氧化损伤的标志。由图 5分析可知, 10~ 12 e 低温下
青萍细胞质膜已经发生了严重的过氧化损伤,这从另
一个方面证明该低温条件已经不适合青萍的生长。
由以上几种保护酶活性的变化可以看出, 在 10~
12 e 的低温下,青萍细胞的调节能力已经受到了严重
47增刊 宋关玲等:低温对青萍生长及保护酶活性影响的研究
的损伤。该条件青萍能够存活, 但其已经不适合青萍
生长发育的需要。该温度条件下青萍已经不具有修复
富营养化水体的能力。
温度Pe : 1 ) 10~ 12; 2 ) 26~ 28
图 5 温度对青萍MDA含量的影响
Fig. 5 The effect of temperature on the
MDA content of Lemna minor
3 结论
a1 在10~ 12 e 的低温下,青萍宏观的生物量的增
长率基本为0。
b1 在 10~ 12 e 的低温胁迫下, 青萍的合成能力
受到抑制,其叶绿素和可溶性蛋白含量降低。
c1 在10~ 12 e 的低温胁迫下,青萍保护酶的调节
能力受到抑制, 其细胞的调节功能发生紊乱。
d. 10~ 12 e 的低温下,已经不适合应用青萍进行
富营养化水体的治理和生态修复。
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(责任编辑 孙彩萍)
48 环 境 科 学 研 究 第 17 卷