全 文 ：　 第 32卷　第 2期 南 开 大 学 学 报 (自然科学 ) Vo l. 32　№ 21999年 6月 Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Nankaiensis Jun. 1999
细绿萍富集铅的能力及其损伤性反应* ⒇
唐　阳　王笑平　高玉葆
(南开大学生物学系 ,天津 , 300071)
摘　　要
细绿萍于 1∶ 20稀释的 Hoag land培养液所配制的不同浓度铅溶液中生长 ,随铅浓度上升细绿萍体内铅的
富集量明显增加 ,叶绿素含量下降 ,细胞膜透性增加 ,损伤程度加深 .遮光可使细绿萍对铅的富集量增加 ,从而提
高其对溶液中铅的净化率 .
关键词: 细绿萍 ; 铅富集 ; 叶绿素含量 ; 细胞膜透性
0　引　　言
水生植物的不同生活型—— 挺水植物、漂浮植物、浮叶植物和沉水植物对重金属的吸收、富集、积累能
力不同 .研究结果表明:漂浮植物如凤眼莲 ( Eichhornia crassipes Solms)、芜萍 (Wolif f ia arrhiza Wimm)
对铅、镉、铜的净化能力较强 [ 1] .细绿萍 ( Azolla f il iculoides Lamk)属水生蕨类植物 ,为淡水漂浮生活型 ,
具有繁殖快 ,产量高、生产周期短等多种优势 [ 2] .细绿萍在达到农田水质灌溉标准的重金属污水中 [镉
( Cd) 0. 445μmol /L、砷 ( As) 0. 667μmol /L、锌 ( Zn) 45. 886μmo l /L ,而铅略有超标 ]的生长与清水对照相
比 ,长势无差异 .试验表明 ,细绿萍对排污河中的镉、铅、砷和锌都有明显的吸收积累作用 [3 ] .细绿萍在含有
38. 61～ 72. 39μmol /L不同重金属的营养介质中生长 3～ 7d,重金属的含量镉 ( Cd)为 10. 0mg /g、铬 ( Cr)
为 2. 0mg /g、铜 ( Cu)为 9. 0mg /g、镍 ( Ni)为 9. 0mg /g和锌 ( Zn)为 65. 0mg /g ,在根中重金属的含量比叶
中高 2～ 5倍 [4 ] .细绿萍对单一污染物净化的研究见参考文献 [5 ].本文在研究细绿萍富集铅能力的基础
上 ,对它在含铅溶液中的一些损伤性反应特征作了探讨 .
1　材料与方法
1. 1材料与实验环境
供实验的细绿萍取自南开大学化学楼前的人工河中 .种萍取回后用自来水暂养 2天 ,接着置 1∶ 20稀
释的 Hoag land培养液中培养 ,然后挑选长势好的个体 ,人工断裂为大小相近的萍体 ,用蒸馏水冲洗 ,反复
吸干水分 ,称取一定重量或相同数量的样品培养于内径为 36cm、高 15cm的塑料盆中 ,每盆盛有 6L不同
Pb含量的 1∶ 20稀释的 Hoag land培养液 ,全部实验在玻璃温室中完成 .
1. 2　方法
1. 2. 1　不同浓度 Hoag land稀释液的选择: 先配制 Hoag land原液 ,然后按 1∶ 0, 1∶ 20, 1∶ 40, 1∶ 60,
1∶ 80稀释 ;各取 600、 300、 150、 100、 75mL,放入鲜重 5g的细绿萍分别培养 10d,其鲜重分别为 15. 4、
14. 4、 14. 0、 13. 4、 13. 1g.考虑到培养液中阴离子如 SO2-等与铅离子易生成沉淀 ,细绿萍生长所需营养等
⒇ 　　 收稿日期: 1998-01-07
* 南开大学科技发展基金资助课题
* * 现工作单位:天津农学院水产科学系 , 300381
方面因素 ,在本实验中选用 1∶ 20 Hoag land稀释液配制不同浓度的铅溶液 .
1. 2. 2　铅浓度梯度设置: 准确称取硝酸铅白色晶体 (分析纯 ) ,用蒸馏水配成 144. 79mmol / L铅溶液 .在
以下各组实验中处理液均以此铅液为母液 .于 6L 1∶ 20 Hoag land稀释液分别加入铅母液 2、 4、 6、 8、
10mL,实测铅浓度梯度为 35. 09、 81. 23、 134. 80、 181. 47和 222. 49μmol /L,对照组为 1∶ 20 Hoag land培
养液 .
1. 2. 3　水溶液和细绿萍中铅含量的测定: 处理液中铅含量的测定用日立 180-80偏振塞曼原子吸收分光
光度计 .
细绿萍体内铅含量的测定: 　从不同处理液中取出细绿萍 ,用蒸馏水冲洗数遍 ,自然干燥后放入 64℃
温箱中干燥过夜 (需单独测定茎叶和根各自含量时 ,先将根剪下 ,再干燥 )干燥后分别磨碎 ,称取一定量粉
末 ,加入 (分析纯 )硝酸、高氯酸 ( HNO3∶ HClO4= 9∶ 1) ,在电热板上加热消化 ,再用无离子水定容至
10mL,同样用日立 180-80偏振塞曼原子吸收分光光度计测定 .
计算公式如下:　 Pb(% )= Cs×VW × 10-4
式中 Cs为样品溶液浓度 ,V为样品溶液体积 ,W为样品重量 .
1. 2. 4　光照梯度的设置: 全光照 ;二层黑绿铁纱网 ;二层黑绿铁纱网加一层黑色塑料纱网 ;二层黑绿铁纱
网加二层黑色塑料纱网 ;黑纸全部遮光 .
采用 DFY4-1全辐射表实测光照强度 ,以全光照的光强度为 100% ,上述遮光条件得到的光照梯度为
100%、 80%、 40% 、 20% 、 0.
1. 2. 5　细绿萍中叶绿素含量的测定: 称取 0. 1g鲜重细绿萍 (去根 ,用滤纸吸干水分 ) ,剪碎置研钵中 ,加
蒸馏水 5～ 6m L,碳酸钙少许 ,研成匀浆 ,用蒸馏水定容至 10mL.用移液管吸取 2. 5mL置于大试管中 ,加
入丙酮 10mL,摇动试管 ,使叶绿素溶于丙酮中 ,过滤 ,滤液用 722型分光光度计测定 ,用 80%丙酮注入光
径为 1cm的比色杯 ,作为空白对照 ,叶绿素丙酮溶液注入同样的比色杯中 ,于 663nm和 645nm波长下读
取光密度 OD663、 OD645 ,再按下式计算:叶绿素含量 ( mg /g鲜重 )= 0. 5× ( 20. 2 OD645+ 8. 02 O D663 ) .
1. 2. 6　细胞膜透性的测定: 　在不同浓度铅溶液中分别取些细绿萍 ,用蒸馏水洗净 ,再经去离子水冲洗、
吸干、称取 2g细绿萍 ,剪成同样大小 ,分别置于称量瓶中 ,加入 20m L去离子水 , 30℃恒温 12h,用 DS-11A
型电导仪测定其浸出液的电导率 .
2　结果与讨论
2. 1　细绿萍对不同浓度铅溶液的净化
将 12只盆分为 6个处理 ,每个处理设 2个重复 ,每盆放入 24. 4g细绿萍 (以 1g× 2+ 1. 2g× 2+ 1. 5g
× 2+ 2g× 6+ 5g× 1分成小格 ,以便取样测定时可以捞取相应小格中起始重量相等的细绿萍 )培养 10d,每
天测定各处理培养液中铅含量及细绿萍体内的铅含量 ,以无铅的 1∶ 20 Hoagland稀释液作对照 ,结果见
图 1、图 2及表 1.
由图 1可看出 ,当细绿萍刚放入含铅培养液时 ,其体内含铅量迅速增加 ,随后的时间内 ( 1～ 2d)则出现
一个平台期 ,对铅的富集速度很缓慢 ,而在此之后 ,又出现一个新的富集高峰 .
生活状态的细绿萍总是首先通过根毛吸附或细胞分泌物束缚铅 [5 ] ,然后才将铅逐步转移到细胞内 .当
体内含铅量极微 ( < 0. 5μg /g )的细绿萍刚刚放入含铅溶液中时 ,铅离子被大量吸附、束缚 ,并通过细胞膜
的离子通道迅速向细胞内转移 ,造成铅在萍体内的含量迅速上升 .在此时期细绿萍迅速富集铅而并不表现
受害症状 ;当萍体铅含量达到一定浓度 ,细胞正常状态下铅的富集度接近极限 ,铅离子通过细胞膜的速度
明显下降 , 1～ 2d内 ,细绿萍对铅的富集速度降低 ,表现为萍体内含铅量增加速度减慢 ,造成平台期的出
现 .此后 ,由于进入细绿萍体内的铅大量与细胞内金属结合蛋白结合 ,影响了细胞的各种正常生理功能 ,细
胞抗逆能力降低 ,使铅大量通过受害的细胞膜进入细胞内形成平台期后的铅富集高峰 .
·112· 　南 开 大 学 学 报 (自然科学版 ) 第 32卷
　　由图 2可看出 ,溶液中含铅量同样出现一个平台期 ,但此平台期比植物体含铅量变化的平台期持续的
时间长 ( 1～ 4d) .这可能是当细绿萍富集的平台期结束时 ,细胞已受害 ,根毛吸附能力下降 ,细胞分泌物减
少 ,引起处理液中铅含量减少速度缓慢 ,从而使图 2中的平台期时间延长 .另外 ,到第 6d时起始浓度为
35. 09μmo l /L的水中 ,铅含量已降至 < 2. 41μmol /L,仪器已检测不出 ,其净化率可视为 100% .
图 1　不同铅浓度处理液中细绿萍干样 (整株 )含铅量
Fig 1　 Pb concentrat ion of A. f il iculoides (whole plant)
in solution of dif ferent Pb levls
图 2　处理液中铅含量随时间的变化
Fig 2　 The change of Pb concentration of treatment so-
lution with t ime
表 1　在不同浓度的铅溶液中细绿萍的铅富集量与富集系数
　　 Table 1　 Accumulation and accumulation coef f cients of Pb in A. f iliculoides at dif ferent concentrations of Pb solution
铅浓度 /(μmo l· L- 1 ) 35. 1 81. 2 134. 8 181. 5 222. 5
富集量 /( mg· g-1 ) 6. 8 10. 6 23. 2 58. 6 83. 3
富集系数 931. 2 628. 1 831. 7 1559. 6 1805. 0
表 1是培养 8天后 ,细绿萍对铅的富集量与富集系数 ,由此可知 ,随着溶液中铅浓度的增加 ,细绿萍对
铅的富集量呈逐渐增加趋势 ,而富集系数呈先下降后增加的趋势 .
因此 ,图 1、图 2及表 1都可说明 ,细绿萍能够大量富集铅而达到净化污水的目的 .
2. 2　不同光照强度对细绿萍富集铅的影响
实验过程中我们发现细绿萍在照光和阴暗环境下生长状况有明显差异 .为了考察光照对细绿萍富集
铅过程的影响 .用 1∶ 20 Hoag land培养液配制成目标含铅量相同 ( 193. 1μmol /L ,但实测值比此值略低 )
的铅溶液 ,每盆放入 300个萍体 ,设置 5个光照梯度 (见方法中所述 ) ,培养 10d,定期测定水样中及细绿萍
体内的铅含量 ,结果见表 2.
表 2　不同光照强度细绿萍对铅的净化率
Table 2　 Purification rate of Pb by Azolla f iliculoides at dif ferent light intensities
光照强度 /% 100 80 40 20 0
处理铅浓度 /(μmo l· L- 1 ) 186. 8 189. 8 187. 4 186. 5 187. 8
残留铅浓度 /(μmo l· L- 1 ) 61. 3 48. 5 42. 1 39. 7 24. 5
净化率 /% 67. 2 74. 5 77. 5 78. 5 87. 0
相对增加率 /% 0 10. 9 15. 4 16. 8 29. 5
由表 2可见 ,遮光条件下细绿萍对铅的净化率高于不遮光条件 ,并按光照强度减弱而铅吸收量依次增
加 ,全遮光条件比全日照处理的细绿萍对铅的净化率增加了 29. 52% ,表明细绿萍富集铅对光照强度要求
甚低 ,这是细绿萍除铅的一个特点 .
2. 3　细绿萍受铅污染后伤害症状
·113·　第 2期 唐阳等:细绿萍富集铜的能力及其损伤性反应
细绿萍在铅含量高达 222. 5μmol /L的培养液中 ,从第 4d起才表现出叶片发黄等受害症状 ,以后随时
间推移 ,铅浓度从 134. 8μmol /L始都出现死亡症状 ,并且随铅浓度增大受害逐渐加深 .受害萍体移到自
来水中培养后不能恢复正常 .
相对光照强度为 100%及无光照条件下 ,细绿萍铅中毒表现的症状不同:无光照受害后的萍体呈灰黑
色 ,有发霉现象 ,叶片极柔弱且变薄 ,用镊子挑起时不能保持平整 ;而 100%光照条件下受害萍体呈黑褐
色 ,不发霉 ,叶片紧张度较好 ,用镊子挑起时基本保持原形 .适当的照光可以减弱铅对细绿萍的毒害 ,受害
症状相对较轻 .
2. 4　铅对细绿萍叶绿素含量的影响
在含铅培养液中细绿萍的叶绿素含量均低于对照组 ,表明铅对叶绿素有一定的破坏作用 ,从外观上看
铅明显能使细绿萍叶片褪绿 .由表 3可知叶的失绿是由于叶绿素含量减少所致 .无论是在铅处理后第 5d
还是第 8d,细绿萍叶绿素含量均随处理浓度提高而减少 ,特别是处理后第 8d,这种减少的速度更快 .
表 3　不同浓度铅溶液中细绿萍的叶绿素含量 (mg g-1鲜重 )
　　 Table 3　 The chlorophyll content ( mg g-1FW) Azolla f iliculoides at dif ferent concentrations of Pb solut ion
铅浓度 /(μmol· L- 1 ) 0 35. 1 81. 2 134. 8 181. 5 222. 5
叶绿素含量 /( mg· g- 1 )
chlo rophy ll content
5 4. 92 4. 12 3. 70 3. 12 3. 02 2. 38
处理时间 /d 8 4. 91 3. 34 3. 10 2. 26 1. 87 1. 63
　　据 Rebechini & Hanzely[6 ]报道 ,过量的铅离子能导致叶绿体基粒垛叠结构的解体及与片层结构有关
的基质明显减少 . Miles[7 ]发现铅离子对光系统Ⅱ的电子传递具有严重影响 .另据报道 [8 ] ,叶绿素含量降低
是由于重金属离子引起了叶绿素酶的升高所致 .本实验得到的上述结果可以从这些证据得到解释 .
2. 5　水体中铅对细绿萍细胞膜透性的影响
通过测定细绿萍细胞外渗液的电导率 ,证实了铅污染对细绿萍的细胞膜具有严重的破坏作用 .表 4表
明细绿萍细胞外渗液的电导率与水体铅浓度具有极显著的正相关 (r= 0. 97) ,高浓度的铅对细胞膜的伤害
严重 .
值得注意的是在无受害症状的 35. 1μmol /L铅处理液中 ,细绿萍的细胞膜外渗液电导率也大于对照 ,
说明细胞膜的破坏先于外部受害症状的出现 ,细胞膜对铅毒害的反应更为敏感 .因此 ,可以利用细胞膜透
性的变化作为植物轻度污染的监测指标 .
表 4　在铅溶液中培养 6d的细绿萍细胞外渗液电导率
Table 4　 Electric conduct ivity of cell leakage of Azolla f iliculoides grown in Pb solution for 6 days
铅浓度 /(μmo l· L- 1 ) 0 35. 1 81. 2 134. 8 181. 5 222. 5
电导率 /μΨ-1 55 75 247 385 420 455
3　小　　结
在不同浓度铅处理液中 ,细绿萍吸收、富集铅的过程可分为三个阶段: ( 1)生理富集期 ,萍体内的铅含
量迅速上升 ,但不表现受害症状 ; ( 2)平台期 ,萍体对铅的富集速度基本稳定 ; ( 3)受害富集期 ,萍体出现受
害症状 ,体内铅含量又急剧上升 .
光照强度对细绿萍富集铅的过程有显著影响 ,随着光强减弱萍体富集铅增多 ;细绿萍受害症状也与光
强有关 ,无光照条件下比 100%光照条件下受害更为严重 .
随着铅浓度的增高 ,细绿萍受害先从叶绿素含量降低、细胞膜透性增加开始 ,继而出现外部受害症状 ,
直到死亡 .
·114· 　南 开 大 学 学 报 (自然科学版 ) 第 32卷
参　考　文　献
　 1　曹萃禾 . 四种生态类型的水生维管束植物净化能力的研究 .水产科学 , 1990, 9( 3): 8～ 11
　 2　浙江省农业厅粮食生产处 ,浙江省温州地区农业科学研究所 .细绿萍 .北京:农业出版社 , 1981
　 3　齐恩山 ,刘期松 ,杨桂芬等 .凤眼莲等水生植物对灌溉重金属污水净化作用的初步研究 .生态学杂志 , 1984, 9( 1): 14～
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　 4　 Mordechai Sela. Th e accumulation and the effect o f heavy metals on th e wa ter fern Azolla f iliculoides. New
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　 5　任安芝 ,唐廷贵 .细绿萍对铅、汞污水的净化作用及其生物学效应 .南开大学学报 (自然科学版 ) , 1996, 29( 1): 74～ 79
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　 7　 Miles C D, Brandle J R, Daniel D Jet al. Inhibition of Pho tosy stemⅡ in isolated chlo ropla sts by lead. Plant Phy si-
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　 8　杨丹慧 .重金属离子对高等植物光合膜结构与功能的影响 .植物学通报 , 1991, 8( 3): 26～ 29
Pb ACCUMU LATION OF WATER FERN AZOLLA
F IL ICULOIDES AND ITS PHYSIOLOGICAL
RESPON SES UNDER HYDROPON EC CONDIT IONS
Tang Yang , W ang Xiaoping , Gao Yubao
(Department of Biology , Nankai Univ ersity , Tianjin , 300071)
Abstract
Water fern w as g row n in Hoag land solution ( 1∶ 20) w ith di fferent quanti ties of Pb added. As the
Pb concentra tion in the solution increased, this heavy metal accumulated in plant tissue substantially ,
leaf chlorophyll decreased, cell permeabi li ty was enhanced, and injury symptoms appeared. Shading
promoted Pb accumulation in plant , thus increased i ts rats of purification of the meta l.
Key words: Azolla f iliculoides; Pb accumulation; chlor ophyll content; cell membrane permeability
·115·　第 2期 唐阳等:细绿萍富集铜的能力及其损伤性反应